國旭濤，蔡潔聰，韓高巖，謝 娜，呂洪坤

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

由于人口快速增長和生活水平不斷提高，世界各地的能源問題日益嚴重，尤其是我國的能源市場正在面臨巨大的壓力[1]。根據國際能源署(International energy agency，IEA)的統(tǒng)計數據，2016年我國的年總用電量為5.177×1012kW·h，排名全球第一。BP Statistical (2018)報告顯示，按照目前的一次能源消耗趨勢進行估算，現有的石油儲量最多能夠維持全球能源消耗至2050年。在過去10年中，電力需求顯著增長，燃料成本以及相關設備價格大幅提高，這導致能源短缺問題更加突出[2-3]。同時，全球的競爭關系、氣候問題對能源形勢造成了較大的壓力。因此，除了節(jié)約能源之外，促進可持續(xù)或可再生能源發(fā)展，提高能源系統(tǒng)的綜合效率都是優(yōu)化能源使用、解決能源短缺問題的重要方法[4]。

分布式能源(distributed energy resources, DERs)是靠近用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，可以獨立運行，也可以并網運行。一次能源采用氣體燃料或可再生能源；二次能源以靠近用戶側的冷熱電為主，通過能源梯級利用的方式，實現直接滿足用戶多種能源需求的目的。在傳統(tǒng)的能源供應模式中，由電網滿足電力需求，由燃氣或者是燃油鍋爐提供熱能。先進燃煤電廠的供電效率通常可達40%[5]，傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐只有70%左右的熱效率[6]，使用化石能源的傳統(tǒng)能源利用方式導致大量的溫室氣體排放，電力與熱能分開生產的方式效率低下，對環(huán)境的污染較大。分布式能源系統(tǒng)則是將冷熱電三者聯(lián)合生產，一次能源利用效率可達80%～90%[7-8]，而且具有能效梯級利用、損耗小、污染低、系統(tǒng)經濟性好、運行靈活等特點，被認為是解決能源瓶頸的有效方案，從而被各個國家廣泛應用。為了深入分析分布式能源的技術原理和發(fā)展現狀，本文通過文獻綜述著重介紹不同類型分布式能源系統(tǒng)的特點。

1 分布式能源技術

分布式能源系統(tǒng)可以利用包括天然氣、生物質、風能、太陽能、地熱能等多種能源，還可以與余熱、余壓、余氣等能源形式耦合互補。由于采用的能源形式不同，分布式能源系統(tǒng)形式多樣，結構各不相同。根據原動機為分類標準，分布式能源系統(tǒng)主要包含以下幾種技術：熱電聯(lián)產、可再生能源、儲能以及燃料電池等，其技術框圖如圖 1所示[9]。其中，使用天然氣的熱電聯(lián)產技術發(fā)展迅速。根據BP Statistical (2018)公布的數據，2016年我國的一次能源消耗量為3.047×109t石油當量，占當年經合組織國家一次能源消耗量的54.9%。圖 2為2017年國際能源署公布的2000—2016年期間經合組織國家各種能源發(fā)電量情況。從圖 2可以發(fā)現，2000—2016年經合組織國家的能源消耗穩(wěn)步上升，尤其是天然氣消耗量逐年增大。

圖1 分布式能源技術組成框圖Fig.1 Different DERs technologies

圖2 2000—2016年經合組織國家各種能源發(fā)電量情況Fig.2 Electricity generation of different energy in OECD countries during 2000—2016

1.1 熱電聯(lián)產

熱電聯(lián)產(combined heat and power, CHP)是利用熱機或者電站從單一燃料或能量源在靠近用戶側同時生產電力和熱能，以滿足用戶變化的熱電需求。在單獨的電力生產中，通常有一定比例的熱量作為廢熱被放棄，但是在熱電聯(lián)產系統(tǒng)中，低位熱量可以被回收，達到能量最大化利用的目的。如前文所述，我國先進燃煤發(fā)電廠的供電效率一般為40%，熱電聯(lián)產的綜合能源利用效率在70%以上。一般，熱電聯(lián)系統(tǒng)被分為蒸汽輪機、燃氣輪機、往復式內燃機、斯特林機。表1為熱電聯(lián)產系統(tǒng)不同技術特點匯總[10-11]。

熱電聯(lián)產蒸汽輪機是一項成熟的能源利用技術，能夠同時承擔供熱和發(fā)電兩種任務，主要有凝汽式、背壓式和抽汽背壓式等幾種型式。將汽輪機改造設計成一次調節(jié)抽汽或二次調節(jié)抽汽式，從而實現能源梯級利用，做到“能質匹配”。與其他幾種熱電聯(lián)產方式相比較，蒸汽輪機具有較低的運行維護費用。雖然蒸汽輪機的發(fā)電效率只有7%～30%，但是系統(tǒng)的綜合效率較高，可達80%以上。同時，蒸汽輪機具有較大的單機容量(0.05～500 MW)，因此蒸汽輪機被廣泛應用于負荷調節(jié)波動不大的工業(yè)對象。

表1 熱電聯(lián)產系統(tǒng)不同技術特點匯總表Table 1 Different characteristics of CHP technologies

燃氣輪機是一種高技術含量的發(fā)電設備，具有高效率、低能耗、無環(huán)境污染、啟動快等優(yōu)點[12]。由于天然氣價格較低且儲量較大，因此大容量的熱電聯(lián)產系統(tǒng)較多地應用燃氣輪機。燃氣輪機的發(fā)電效率要高于蒸汽輪機的發(fā)電效率，同時燃氣輪機的安裝費用也低于蒸汽輪機。另外，燃氣輪機的排氣溫度較高，可作為二次能源進行利用，如作為溴化鋰吸收式制冷劑的熱源。燃氣輪機主要分為開式燃氣輪機、閉式燃氣輪機以及微型燃氣輪機。微型燃氣輪機具有體積小、無污染、無噪聲，便于攜帶和安裝的特點，目前主要應用于汽車等設備。

往復式內燃機通過活塞往復直線運行將壓力轉換為旋轉運行，氣缸內發(fā)生的燃燒反應主要是天然氣和汽油的火花點火，或是柴油等燃料的壓縮點火。往復式內燃機分為高速(1 000～3 600 r/m)、中速(274～1 000 r/m)和低速(58～275 r/m)。往復式內燃機采用缸套水冷卻系統(tǒng)和潤滑油冷卻系統(tǒng)降低原動機部件的溫度，避免出現由于高溫造成系統(tǒng)故障。缸套水冷卻系統(tǒng)和潤滑油冷卻系統(tǒng)，以及高溫排氣所含熱量占一次能源熱量的50%～60%，這部分熱量可作為二次能源進行利用，從而提高系統(tǒng)綜合效率(可達90%以上)[13]。由于往復式內燃機具有單機負荷較小、啟動快等優(yōu)點，因此常被用作調峰設備。

斯特林機是一種能夠以多種燃料為能源的閉循環(huán)回熱式發(fā)動機，目前尚處于開發(fā)階段。斯特林機適用于各種能源，噪音小，NOx排放低，具有90%以上的理論高效率。但是，受限于材料等技術，斯特林機目前并沒有得到廣泛應用。

目前，我國的熱電聯(lián)產技術發(fā)展迅速。根據《中國區(qū)域清潔供暖發(fā)展研究報告》[14]，2016年熱電聯(lián)產熱覆蓋面積占集中供熱覆蓋總面積的51%，已經成為我國最主要的集中供熱方式。其中，燃氣熱電聯(lián)產的熱覆蓋面積占比僅有3%。國務院2013年9月印發(fā)的《大氣污染防治行動計劃》中指出，鼓勵發(fā)展天然氣分布式能源等清潔高效利用項目，對工業(yè)燃煤逐步實施清潔能源替代[15]。隨著燃煤鍋爐逐漸被淘汰，我國集中供暖的燃料結構將會不斷變化。這意味著我國的天然氣熱電聯(lián)產項目存在巨大的應用前景。

圖 3為2015年部分省/直轄市熱電聯(lián)產供裝機容量和城鎮(zhèn)區(qū)域供暖需求[16]。由圖 3可知，如果可以充分回收利用機組的余熱，熱電聯(lián)產的供暖產能可以滿足2015年我國部分采暖地區(qū)80%左右的供暖需求。因此，通過熱電聯(lián)產等方式的余熱回收利用可以提高能源系統(tǒng)的綜合效率，減少大氣污染物排放，解決目前集中供熱存在的高能耗、高污染、缺乏經濟性的問題。另外，熱電聯(lián)產還可以因地制宜的結合可再生能源進行利用，發(fā)展清潔高效的集中供能系統(tǒng)，進一步降低煤炭消費。

圖3 2015年我國部分省/直轄市熱電聯(lián)產供裝機容量和城鎮(zhèn)區(qū)域供暖需求Fig.3 Installed capacity of CHP and heating demand of urban for some provinces/municipalities in 2015

1.2 可再生能源

由于可再生能源清潔無污染、開發(fā)成本低、潛力巨大，全球正在積極開展可再生能源利用的相關研究。常用的可再生能源主要有太陽能、風能、生物質能、地熱能等。太陽能供應不穩(wěn)定，受天氣、地理位置影響較大，地熱能受到地域限制，因而可再生能源具有互補特性。

太陽能利用主要分為光伏和光熱兩個途徑。前者利用光伏效應，是光-電轉換；后者采用大規(guī)模集熱器吸收太陽能，然后利用吸收的熱能將工質轉變?yōu)檎羝?，由蒸汽驅動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，是一種光-熱-電轉換。根據IEA報告顯示，預計在2050年前太陽能光伏(solar photovoltaic, PV)系統(tǒng)可為全球貢獻16%的電力，而太陽能熱力發(fā)電(solar thermal electric power generation, STE)將提供11%的電力。我國西部地廣人稀，日照資源十分豐富，這一特征滿足光熱發(fā)電方式占地面積大的缺點，目前我國正在大力研究光熱發(fā)電方式。截至2018年底，我國有13個商業(yè)化光熱電站已開建，總裝機容量為750 MW[17]。其中，中控德令哈50 MW塔式光熱電站、首航節(jié)能敦煌100 MW塔式光熱電站、中廣核德令哈50 MW槽式光熱電站等約200 MW的示范項目將在2018年內建成投運。目前，太陽能利用形式中有熱水型、蝶式與槽式發(fā)電方式都屬于靠近用戶側的能源利用方法，屬于分布式能源。

我國幅員遼闊，風能資源非常豐富[18]。He Gang等人對我國的風能資源進行了評估，指出我國每年的風力發(fā)電量可達2.0×1012～3.5×1012kW·h[19]。風機發(fā)電是目前主要的風能利用方式。風機相比火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠等成本低廉，而且采用風能沒有伴生的環(huán)境污染問題，因此，風力發(fā)電在我國發(fā)展迅速，風機裝機總容量和增長速度處于全球領先地位。由國際風能協(xié)會發(fā)布的資料顯示，截至2016年底，我國風機裝機總容量為168.73 GW，占全球風機裝機總容量的百分比為34.7%[20-22]。

地熱能具有資源量大、利用率高、CO2減排效果明顯等特點。同時，相比太陽能和風能，地熱能非常穩(wěn)定，不會對電網造成太大的影響。地熱能的利用方式主要有熱水型和蒸汽型，地熱能發(fā)電則包括干蒸氣發(fā)電、閃蒸蒸汽發(fā)電和二元循環(huán)發(fā)電等。一般而言，地熱能的利用與分布式能源是脫離不開的。汪集暘院士指出，地熱能與太陽能、風能、或者生物質能等可再生能源相結合建設分布式能源系統(tǒng)，可以更好地實現優(yōu)勢互補[23]。根據《中國地熱能發(fā)展報告(2018)》，截至2017年底，我國地源熱泵裝機容量位居世界第一，達20 GW[24]。

生物質能的利用方式主要是直接燃燒、發(fā)電、氣化和轉變成成型燃料。其中，氣化是指將秸稈等生物質通過工業(yè)方法變成天然氣，用秸稈轉變成的天然氣在經濟性、環(huán)保性上相比煤氣、天然氣具有高競爭性。利用秸稈等轉化的天然氣，不僅能解決秸稈處理的問題，而且可以為天然氣分布式能源系統(tǒng)提供天然氣。近年來，生物質能發(fā)電得到了快速發(fā)展。2016年我國生物質能發(fā)電總裝機容量達12.248 GW，發(fā)電量為634.1×108kW·h，相當于2/3個三峽水電的年發(fā)電量。根據“十三五”生物質能源發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國生物質發(fā)電總裝機容量要達到30 GW[24-25]。

2000—2017年，全球可再生能源發(fā)電量情況如圖4所示，我國總發(fā)電量與可再生能源發(fā)電量占比如圖5所示[15]。在這18年間，全球風力發(fā)電發(fā)展迅速，發(fā)電量由31.42×109kW·h增加至1.123×1012kW·h；全球太陽能發(fā)電量由1.18×109kW·h增加至442.62×109kW·h；我國可再生能源總發(fā)電量由3.15×109kW·h增加至471.68×109kW·h，可再生能源發(fā)電量占比由0.29%提高到7.26%。

圖4 2000—2017年全球可再生能源發(fā)電量變化情況Fig.4 Global renewable electricity generation during 2000—2017

圖5 2000—2017年我國總發(fā)電量與可再生能源發(fā)電量占比Fig.5 Total electricity generation and percentage of renewable generation for China

1.3 儲能

儲能技術通過儲存電能可以滿足一段時間內電能或熱能/冷能需求，具有削峰填谷、調頻調壓、平滑過渡、減輕電網波動的作用。儲能技術可以解決間歇性可再生能源受環(huán)境因素限制的缺陷，保證能源系統(tǒng)的供需平衡。根據儲能技術能量存儲原理的不同，儲能技術可以分為物理儲能、電氣儲能和儲熱技術三種。目前，較多的儲能技術正處于技術研發(fā)和市場示范兩個階段。表 2為不同儲能技術相對發(fā)展情況的統(tǒng)計結果[26-27]。據中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟的不完全統(tǒng)計，截至2017年底，全球已投運儲能項目的總裝機容量達175.4 GW。其中，商業(yè)化最成熟的抽水蓄能的裝機容量占比最大，為96%；電化學儲能的裝機容量為2.93 GW，占比僅1.7%。儲能技術比較如表3所示[28]。

表2 不同儲能技術的相對發(fā)展情況Table 2 Development of different energy storage technologies

表3 不同類型儲能技術比較Table 3 Comparison of different energy storage technologies

1.4 燃料電池

燃料電池(fuel cell, FC)是一種不經過燃燒，通過電化學反應直接將氫氣等燃料的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置[29]。由于燃料電池不涉及燃燒，不受卡諾循環(huán)的限制，因此能量轉化率高。另外，燃料電池不使用機械傳動部件，沒有噪聲污染；反應產物主要為電、熱和水，排放的NOx和SOx等有害氣體極少。因此，燃料電池是一種高效、環(huán)境友好、可靠性高、安靜的能源轉換方式，是目前能源領域研究的熱點之一。到目前為止已研發(fā)出多種類型的燃料電池，其分類方法也很多。根據電解質類型不同可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cells, AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cells, PAFCP)、質子交換膜燃料電池(polymer electrolyte fuel cells, PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cells, MCFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cells, SOFC)五大類，其特點如表 4所示[10,30]。其中AFC、PEMFC屬于低溫燃料電池，啟動速度快。MCFC和SOFC工作溫度高，為余熱利用提供了有利條件。這兩者單獨的發(fā)電效率約為50%，通過余熱利用可以將綜合效率提高至60%。部分容量為100～200 kW的PAFC項目已處于示范測試階段[31-32]。

2 分布式能源經濟性的影響因素

對于分布式能源項目方案的選擇，需要分析技術、環(huán)境等因素，但是首要考慮的是經濟性。用戶使用分布式能源一定是追求能源和環(huán)境制約條件下利潤的最大化。如果分布式能源技術具有良好的經濟性，那么用戶會首先選擇分布式能源的配置方案。如果經濟性較差，就需要政府的政策支持或由于電網可靠性不高的原因，用戶才會選擇成本費用較高的分布式能源[33]。一般而言，分布式能源的經濟性主要受到以下因素的影響：(1)初始投資；(2)燃料成本和當地電價；(3)年平均能源綜合利用率；(4)運營和維護成本；(5)上網電價；(6)是否配置儲能設備；(7)考慮冗余設備；(8)相關政策[34-37]。

表4 燃料電池的分類以及特點Table 4 Characteristic of different fuel cells

初始投資對分布式能源項目經濟性的影響最大。我國目前尚未實現分布式能源成套設備的自主生產，關鍵設備依賴進口。雖然設備價格逐年下降，但是仍然維持在較高的水平[38-39]。其次是燃料成本，分布式能源普遍采用天然氣等能源，相比化石能源，其價格相對較高且波動性很大。鄒道安等人[36]以樓宇型建筑為研究對象，進行了分布式能源站反測電價的敏感性分析。結果表明，當天然氣價格提高20%時，反測電價增大11%，對于項目經濟性影響較大。由于我國上網電價受到政策影響，無法進行商談，但是冷熱供應的價格供需方可以進行商討，從而平衡雙方的項目經濟性。年平均能源綜合利用率對于項目的經濟性也十分重要。周靈宏[37]通過對實際分布式能源項目的經濟計算指出，只有盡可能保證能源系統(tǒng)的年利用率，才能提高項目經濟性，減少投資資本的回收周期。

3 結論

由于全球能源緊缺、環(huán)境問題日益嚴重，分布式能源已成為當下能源領域研究的重點方向。本文通過技術原理和發(fā)展現狀對分布式能源的特點進行了綜述。按照原動機不同，分布式能源可分為熱電聯(lián)產、可再生能源、儲能和燃料電池。對不同分布式能源的差異性進行了總結。本文分析了影響分布式能源經濟性的條件，其中初始投資、燃料成本以及年利用率是關系分布式能源系統(tǒng)經濟性的主要因素。