2016年7月，為加快推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設，國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布《關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》。意見的出臺，旨在加快推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設，提高能源系統(tǒng)效率，增加有效供給，滿足合理需求，帶動有效投資，促進經(jīng)濟穩(wěn)定增長。
意見指出，2016年在已有相關項目基礎上，推動項目升級改造和系統(tǒng)整合，啟動第一批示范工程建設。意見要求，到2020年，各省(區(qū)、市)新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)采用終端一體化集成供能系統(tǒng)的比例達到50%左右，既有產(chǎn)業(yè)園區(qū)實施能源綜合梯級利用改造的比例達到30%左右;國家級風光水火儲多能互補示范工程棄風率控制在5%以內(nèi)，棄光率控制在3%以內(nèi)。
今年1月19日，國家電網(wǎng)召開新聞發(fā)布會，提出了20項促進新能源消納的具體措施，涉及電網(wǎng)建設、調(diào)峰能力建設、統(tǒng)一規(guī)劃研究以及關鍵技術研究等多個方面，包括2個目標和時間節(jié)點：2017-2018年有效緩解棄風棄光矛盾;到2020年根本解決新能源消納問題，棄風棄光率控制在5%以內(nèi)，就地解決是重中之重。多能綜合利用，尤其是在歐美，實際上是解決新能源消納和提高能源利用效率的重要方法，也將成為未來能源網(wǎng)絡運營公司的利器。
近幾年來，隨著我國工業(yè)園區(qū)的建設發(fā)展、微網(wǎng)與新能源發(fā)電的普及、新投資模式的不斷升級，同時注重可靠技術與經(jīng)濟回報的理念加深。伴隨著新供需形勢下的需求，發(fā)展多能互補概念下的終端一體化集成供能系統(tǒng)和風光水火儲多能互補系統(tǒng)就成為了不二選擇。
國家能源局公布的首批多能互補集成優(yōu)化示范工程入選項目有23個之多，并且多數(shù)為終端一體化集成供能系統(tǒng)。相關規(guī)劃設計方案已經(jīng)完成，但由于項目復雜度等多種原因，多數(shù)項目還處于未開工的狀態(tài)，具體效果還有待能源局組織相關評估。
除此之外，在多能互補概念公布之前，就已經(jīng)存在大型城市綜合能源站等相關示范項目，在分布式燃機與能源梯級利用方面取得了一定示范效果。園區(qū)內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)項目，實際上也是基于多種能源應用的基礎模式，如何實現(xiàn)熱電解耦將是電力改革背景下的重點。
歐洲多能互補與多網(wǎng)耦合的概念是在可再生能源高速發(fā)展的背景下提出的，由于可再生能源的波動性和異地消納的困難性，對于既有能源系統(tǒng)的靈活性和可儲存性提出了更高的要求。傳統(tǒng)電力供應由于其必須連續(xù)供電、不可大規(guī)模儲存，必須時刻平衡等特性，無法提供所需的靈活性。
與此相對的熱網(wǎng)和燃氣管網(wǎng)則具備天然的儲存特性，能夠在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，儲熱和儲氣設備在大多數(shù)情況下也比電池儲能要便宜。因此多網(wǎng)耦合作為多能互補的一種實現(xiàn)方式被提了出來。歐洲多網(wǎng)耦合中的網(wǎng)是個廣義的網(wǎng)絡概念，需求側的各類設備通過互聯(lián)和集中控制也能形成一個網(wǎng)絡，同樣在未來具有很大潛力的電動汽車充電網(wǎng)絡也是多網(wǎng)耦合的重要組成部分。
圖1電熱氣三網(wǎng)耦合示意圖(來源：德國亞琛工業(yè)大學De Doncker教授)
無論是大系統(tǒng)還是小系統(tǒng)，未來電力供應中基荷將會逐漸消失，靈活性將具備更大的價值。在傳統(tǒng)能源逐漸退出市場的長期過程中，整個系統(tǒng)將會經(jīng)歷較長一段時間的電力過剩，在很多情況下，可再生能源的發(fā)電將會大于負荷。
根據(jù)德國可再生能源協(xié)會的測算，到2020年時，德國全國電力每30分鐘的峰谷差將有可能超過裝機容量的50%。此外，盡管可再生能源的預測技術已經(jīng)比較成熟，一些突發(fā)狀況仍然可能對可再生能源的預測產(chǎn)生很大的影響。波動性逐漸增大的系統(tǒng)自然需要更多的靈活性設備如儲熱、儲氣裝置、可中斷負荷等。
基于多網(wǎng)耦合的多能互補方案的主流技術路徑
虛擬電廠下的分布式社區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供方案
區(qū)域內(nèi)一部分社區(qū)配備小型熱電聯(lián)產(chǎn)設備，另一部分社區(qū)配備熱泵，這些社區(qū)與風電和光伏設備聯(lián)網(wǎng)并通過一個中央控制室集中優(yōu)化。所有設備共同組合成一個虛擬電廠。在可再生能源過剩的情況下，熱泵消耗電力并高效地生產(chǎn)熱量供給給社區(qū);在可再生能源供應不足的情況下，小型燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)設備啟動同時生產(chǎn)電力和熱量供應給社區(qū)。
分布式的設備具有靈活性高，響應快的特點，使得整個系統(tǒng)能夠在各種情況下高效運轉?；谏疃葘W習技術的預測和調(diào)度算法，是整個虛擬電廠系統(tǒng)的核心。丹麥學者已經(jīng)提出的基于綠色能源發(fā)電“第四代區(qū)域供熱技術”既是這種理念。
多聯(lián)需求側響應方案
基于多網(wǎng)耦合的多能互補系統(tǒng)中，需求側響應是一個重要的靈活性選項。傳統(tǒng)的需求側響應主要調(diào)節(jié)電負荷，通過對負荷的遷移和調(diào)節(jié)來降低電網(wǎng)負載并最大化可再生能源的利用。在多能互補系統(tǒng)中，電能只是各類能源中的一部分，且熱負荷可能占終端能源消耗的比重比電負荷更大，因此多聯(lián)需求側響應比單一需求側響應更有潛力。
多聯(lián)需求側響應能夠同時響應終端用戶的電、熱、冷、氣等能源，其中熱能的響應成本最低且時間較長，但是響應速度較慢，而電能的響應速度快但是持續(xù)的時間較短。在集中式區(qū)域供暖的模型中，建筑墻體就是天然的儲熱和熱能響應單元，能夠通過靈活的供暖策略儲存大量的熱能。
電轉氣綜合利用解決方案
電轉氣(Power to Gas，簡稱P2G)是目前多網(wǎng)耦合的主流方案和路徑之一。將可再生能源富余電力通過電解水轉換為氫氣和氧氣，根據(jù)氫氣利用路徑的不同可以直接利用或者繼續(xù)甲烷化為天然氣。在德國，電轉氣方案已經(jīng)在多地試點推廣。
西門子公司2015年在德國曼海姆設立的風電制氫工廠已經(jīng)能夠商業(yè)應用并每年產(chǎn)生超過200噸的氫氣。該工廠應用了最新的質子交換膜(PEM)設備，其快速的響應速度帶來了巨大的收益。快速響應使得該方案不僅能夠利用富余的風電，還能夠搭配儲氣設備和燃氣輪機發(fā)電設備提供調(diào)頻輔助服務。
在近兩年的運行中已經(jīng)證明，這家電制氫工廠的固定成本在年利用小時數(shù)超過6000小時的場景下將很快獲得回收，關鍵是運行成本。如果用于電解水的電力來源都是清潔且低廉的風電，項目的效益將會更高。可以假設在多能互補場景中，如果風光發(fā)電和電轉氣方案統(tǒng)籌規(guī)劃，不僅系統(tǒng)靈活性得到了極大的提升，還能帶來額外的經(jīng)濟效益。
電動車智能充電系統(tǒng)
電動車的發(fā)展為交通網(wǎng)和能源網(wǎng)的耦合帶來了機遇。如果對電動車的充電不加控制，集中充電時段將對電網(wǎng)造成較大的沖擊。結合電網(wǎng)負荷監(jiān)控的動態(tài)智能充電系統(tǒng)能夠很好的解決這個問題，不僅在峰時平抑了電網(wǎng)負荷，還能夠將分散在各個電動車中的電池聚合起來，適時提供調(diào)頻服務和社區(qū)供電服務。
電動汽車和電網(wǎng)的雙向互動不僅在技術上已經(jīng)實現(xiàn)，商業(yè)上也具備了很大的價值。據(jù)統(tǒng)計，純電動車和插電式混合動力汽車在95%的時間內(nèi)是處于停駛的狀態(tài)，只要在多能互補區(qū)域內(nèi)擁有足夠的充電設施，保證電動汽車在停駛時間能夠接入電網(wǎng)，車載電池就能夠得到充分的利用。
為了實現(xiàn)區(qū)域的最優(yōu)能源供應，可以根據(jù)當?shù)氐馁Y源稟賦將幾條技術路徑進行組合。德國為了實現(xiàn)2050年80%的電力由可再生能源電力供應的目標，積極實驗多能互補多網(wǎng)耦合方案，目前通過E-Energy項目已經(jīng)開展了多個試點。這些試點結合了多種多能互補技術路徑，如庫克斯港項目通過2個虛擬電廠耦合了風光電力、沼氣發(fā)電、分布式熱電聯(lián)產(chǎn)設備與終端的冷熱負荷，并通過分段電價和動態(tài)電價實現(xiàn)多網(wǎng)之間的智能互動。
另一個典型的項目為哈慈山區(qū)E-Energy試點，其囊括了可再生能源發(fā)電設備和電轉氣儲能設備，并通過中央數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化模型和用戶家庭能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)和熱網(wǎng)的耦合以及能源供應的最優(yōu)組合。
金屬質感分割線
無論是哪一類技術路徑，背后的技術都大致相同，其中核心的組成主要是通信設備和技術、系統(tǒng)優(yōu)化與經(jīng)濟性評估方案、能源轉換設備與接口以及能源網(wǎng)絡。我國在相關通信技術和能源設備上已經(jīng)達到或接近國際標準，但是在系統(tǒng)優(yōu)化和經(jīng)濟性評估層面還沒有統(tǒng)一的工具和方案。如下圖所示，系統(tǒng)優(yōu)化方案的第一步為設備的數(shù)字化建模。
圖2能源資產(chǎn)數(shù)字化建模示意圖(來源：BoFiT系統(tǒng)軟件)
數(shù)字化建模不僅僅是后期數(shù)學優(yōu)化的基石，還通過信息流將多種網(wǎng)絡的能源真正的管理起來，可以說是多能互補方案的大腦。在以上的建模案例中，不同顏色的線條代表不同能源形式、物理形式或現(xiàn)金流，熱電聯(lián)產(chǎn)設備、儲熱設備、電力市場和碳交易市場等作為關鍵節(jié)點為系統(tǒng)的優(yōu)化提供了足夠的靈活性選項。
多能互補可以為園區(qū)建設提供靈活性解決方案，內(nèi)部靈活性可以幫助企業(yè)盈利，外部靈活性可以提高國家能源供應安全穩(wěn)定。大范圍的發(fā)展多能互補對燃氣利用有一定好處，也對大規(guī)模消納新能源背景下的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力有所補充。同時，可以提高一帶一路產(chǎn)業(yè)布局中出口產(chǎn)品的系統(tǒng)經(jīng)濟性，使得中國制造更收全世界人民歡迎。
結合我國正在進行的能源體制改革，可以期待，未來發(fā)電計劃放開、現(xiàn)貨市場出現(xiàn)和終端電價調(diào)整后的多能互補項目會在比園區(qū)更加廣泛的區(qū)域范圍甚至大型城市供能領域發(fā)揮更大的作用。從世界各國的多能互補項目發(fā)展來看，大多數(shù)試點都在區(qū)域電網(wǎng)層級展開，因此多能互補經(jīng)常會和微網(wǎng)混為一談。
微網(wǎng)是一個相對于大電網(wǎng)和大型集中式電力生產(chǎn)的概念。微網(wǎng)通過調(diào)節(jié)所連接的微型電力生產(chǎn)、儲存設備與負荷，以實現(xiàn)區(qū)域電力和熱力的最優(yōu)配置與供應。微網(wǎng)強調(diào)區(qū)域性和分布式，雖然并不要求微網(wǎng)必須孤島運行，但是微網(wǎng)內(nèi)部的能量供需必須基本平衡。
鑒于能源供應的獨立性，微網(wǎng)內(nèi)部可以看作一個小型多能互補區(qū)域，通過儲能設備和電熱網(wǎng)絡的耦合實現(xiàn)區(qū)域能源的清潔和高效供應。但是多能互補不僅局限于微網(wǎng)層面，將多個小型多能互補微網(wǎng)向上集成成更大范圍的能源互聯(lián)網(wǎng)將是未來的趨勢。
多能互補一定會成為未來能源網(wǎng)絡運營公司的利器，無論電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等運營商都需要提早掌握相關的商業(yè)模式、運營技巧與技術手段，抓住歷史發(fā)展機遇!
【無所不能特約作者，范征，畢業(yè)于德國亞琛工業(yè)大學，現(xiàn)回國創(chuàng)業(yè)，從事新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)劃和電力軟件研發(fā)等工作。曾就職于德國電力經(jīng)濟與能源研究所、Photon光伏測試實驗室等】
