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        碳中和背景下沿海港船多能源應(yīng)用對策

        2023-06-14 05:17:42李響徐曉健周垣孜
        水運管理 2023年1期
        關(guān)鍵詞:碳中和綠色發(fā)展發(fā)展對策

        李響 徐曉健 周垣孜

        【摘 要】 為實現(xiàn)港口和船舶的節(jié)能減排,推動綠色港口建設(shè),助力交通運輸業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標,應(yīng)采用切實可行的對策。從資源儲備、技術(shù)發(fā)展和政策支持方面展開分析,提出針對沿海港船綠色發(fā)展的多能源應(yīng)用對策。為更好地落實該對策,應(yīng)重點發(fā)展多能源狀態(tài)監(jiān)測及能源管理技術(shù),助力我國沿海港船綠色發(fā)展。

        【關(guān)鍵詞】 沿海港船;碳中和;綠色發(fā)展;多能源應(yīng)用;發(fā)展對策

        0 引 言

        近年來,為了實現(xiàn)我國“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標[1],黨中央、國務(wù)院及各有關(guān)部門先后出臺了多份文件,包括2021年出臺的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》,交通運輸部及各級政府也紛紛制訂了節(jié)能減排目標。港口的節(jié)能減排和綠色發(fā)展是交通運輸業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的一個重要環(huán)節(jié)[2]。

        1 多能源應(yīng)用發(fā)展對策概述

        在碳中和背景下,綠色港口和綠色船舶的建設(shè)、升級常采用替代性清潔能源這種技術(shù)手段,將多種清潔能源融合應(yīng)用,可作為沿海港口和船舶綠色發(fā)展的重要對策。

        多能源應(yīng)用,包括風(fēng)能、太陽能與傳統(tǒng)電能的融合應(yīng)用,形成風(fēng)、光互補發(fā)電,實現(xiàn)風(fēng)能供能、太陽能供能、融合供能等多種模式,同時形成風(fēng)、光互補發(fā)電、儲能、港口用電與總電網(wǎng)之間的協(xié)同互動,保證風(fēng)、光清潔能源在港口和船舶的融合應(yīng)用。在港口和船舶多能源應(yīng)用方面,國內(nèi)國際各港口已有相關(guān)實踐。

        美國休斯頓港利用Spilman's island規(guī)劃光伏電站,直接為港口區(qū)域供能。印度欽奈港,光伏與風(fēng)電機配合為集裝箱區(qū)域供電。我國天津港成功發(fā)布全球首個“智慧零碳”碼頭(如圖1所示)。構(gòu)建“風(fēng)光儲荷一體化”智慧綠色能源系統(tǒng),實現(xiàn)綠電100%自主供應(yīng)及全程零碳排放,確保全部靠港船舶100%使用岸電。寧波舟山港也在積極探索港口多能源應(yīng)用和綠色轉(zhuǎn)型路徑。

        2 發(fā)展基礎(chǔ)分析

        2.1 沿海風(fēng)、光資源豐富

        我國沿海港口風(fēng)能資源豐富[3],東南沿海在距海岸千米之內(nèi)基本為風(fēng)能豐富地區(qū)。山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西、海南等?。ㄊ校┭睾=?0 km寬的地帶,常年風(fēng)功率密度在200 W/m2以上,風(fēng)功率密度線平行于海岸線。

        我國沿海港口太陽能資源豐富,沿海港口位于太陽能較豐富地帶,絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh/(m2穌)以上,全年太陽輻射總量達2,日照充足,其中海南西部、黃淮、江淮、江漢及華南區(qū)域均屬于太陽能資源豐富區(qū)域。

        2.2 風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)成熟

        風(fēng)力發(fā)電極其環(huán)保,可供發(fā)電的風(fēng)能蘊藏量巨大,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)經(jīng)過不斷迭代升級,現(xiàn)已發(fā)展成熟且被廣泛應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)特點如下:風(fēng)速大于3 m/s以上即微風(fēng)即可發(fā)電,對于環(huán)境要求較低,適用范圍廣、適應(yīng)性強;沒有燃燒過程,發(fā)電過程不需要任何燃料;發(fā)電過程沒有廢氣污染,不會產(chǎn)生輻射,也沒有廢水排放,整個發(fā)電過程零排放。另外,風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造周期短,且裝機規(guī)模可根據(jù)實際情況靈活配置,可無人值守的條件下正常穩(wěn)定工作。

        光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能電池的半導(dǎo)體界面光電伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能。目前該技術(shù)已經(jīng)比較成熟,具有以下技術(shù)特點:整個光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成,不涉及機械部件,也沒有回轉(zhuǎn)運動部件,運行過程中沒有噪聲;沒有燃燒過程,發(fā)電過程不需要任何燃料;發(fā)電過程沒有廢氣污染和廢水排放,整個發(fā)電過程零排放;設(shè)備安裝和維修保養(yǎng)都十分簡便,且維護費用低,性能可靠穩(wěn)定,使用壽命長,關(guān)鍵部件使用壽命可達25年以上;設(shè)備環(huán)境條件適應(yīng)性強,可以在不同環(huán)境下正常穩(wěn)定工作;能夠在長期無人值守的條件下正常穩(wěn)定工作;根據(jù)需要方便進行容量擴展,擴大發(fā)電規(guī)模;光伏發(fā)電功率的變化規(guī)律與人們正常生產(chǎn)生活規(guī)律相一致,可有效緩解企業(yè)用電緊張的情況,調(diào)節(jié)錯峰用電,保障企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

        2.3 政府支持港口、船舶綠色發(fā)展

        在支持港口和船舶綠色發(fā)展方面,交通運輸部、各地政府及有關(guān)部門出臺的多項文件均有涉及。交通運輸部印發(fā)的《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》要求“持續(xù)推進綠色港口建設(shè)工作,鼓勵有條件的港區(qū)或港口整體建設(shè)綠色港區(qū)(港口)”。廣東省政府辦公廳印發(fā)的《廣東省港口布局規(guī)劃(2021―2035年)》要求“全面樹立綠色安全發(fā)展理念,嚴守安全、環(huán)保底線,推動綠色循環(huán)低碳港口建設(shè)”。福建省政府印發(fā)的《福建省沿海港口布局規(guī)劃(2020―2035年)》要求“要著力推動港口總體減量、布局優(yōu)化、集約高效發(fā)展,提升港口綠色發(fā)展水平”。

        3 重點技術(shù)分析

        應(yīng)用多能源作為沿海港口和船舶綠色發(fā)展的重要對策,具有較高的可行性,但在該對策的實踐應(yīng)用中,要重點攻克船舶岸電、多能源狀態(tài)監(jiān)測和能量管理3項技術(shù)難題。

        3.1 源網(wǎng)荷儲技術(shù)

        源網(wǎng)荷儲是一種包含“電源、電網(wǎng)、負荷、儲能”整體解決方案的運營模式,如圖2所示。源網(wǎng)荷儲能精準控制電網(wǎng)可中斷用電負荷和儲能資源,提高電網(wǎng)安全運行水平,可解決清潔能源消納過程中電網(wǎng)波動性等問題?!霸丛椿パa”為不同新能源之間的有效協(xié)調(diào)互補,即通過靈活發(fā)電資源與清潔能源之間的協(xié)調(diào)互補,解決清潔能源發(fā)電受環(huán)境和氣象因素影響而產(chǎn)生的隨機性和波動性問題,可有效提高可再生能源的利用效率,減少電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用,增強系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)能力?!霸淳W(wǎng)協(xié)調(diào)”是通過新的電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)有效解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)及分布式電源接入電網(wǎng)時的“不友好”問題,確保新能源和常規(guī)電源一起參與電網(wǎng)調(diào)節(jié),使新能源朝著具有友好調(diào)節(jié)能力和特性的方向發(fā)展?!熬W(wǎng)荷互動”是將負荷轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)的可調(diào)節(jié)資源,在電網(wǎng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)問題時,通過負荷主動調(diào)節(jié)和響應(yīng)改變潮流分布,確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟可靠運行?!熬W(wǎng)儲互動”可充分發(fā)揮儲能裝置的雙向調(diào)節(jié)作用,在用電低谷時作為負荷充電,在用電高峰時作為電源釋放電能,其快速、穩(wěn)定、精準的充放電調(diào)節(jié)特性,能夠為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、需求響應(yīng)等多種服務(wù)?!霸春苫印笔闺娫磦?cè)和負荷側(cè)均能作為可調(diào)度資源參與電力供需平衡控制,負荷側(cè)響應(yīng)成為平衡電源波動的重要手段之一。引導(dǎo)用戶改變用電習(xí)慣和用電行為,匯聚各類可調(diào)節(jié)資源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納。

        3.2 多能源狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

        多能源狀態(tài)監(jiān)測包括對風(fēng)力發(fā)電機組、光伏電站及儲能系統(tǒng)的實施狀態(tài)監(jiān)測。

        風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測,應(yīng)使監(jiān)測過程安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟適用,設(shè)備配置和供能做到無人值班、少人值守。風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組廠家配套提供,用于風(fēng)力發(fā)電機組的自動監(jiān)視和控制,可以實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組的遙控、遙測和遙信,實現(xiàn)對每臺風(fēng)力發(fā)電機進行必要的控制和操作。

        對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測,宜采用以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控方案。在控制室內(nèi)設(shè)置一套計算機監(jiān)控系統(tǒng),將光伏發(fā)電單元監(jiān)控系統(tǒng)的信息接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信接口。站內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)對光伏組件串、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、集電線路和配套升壓站或開關(guān)站電氣設(shè)備的監(jiān)視與控制,并接受終端站的統(tǒng)一調(diào)度管理。

        儲能系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測依靠電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)[4]完成,BMS采集儲能電池組的電壓、溫度、電流、容量等信息,能夠?qū)崟r測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓,并計算得到電池內(nèi)阻等參數(shù),通過分析診斷模型,得出對單體電池當(dāng)前容量或剩余容量[5]的診斷、單體電池健康狀態(tài)[6]的診斷、電池組狀態(tài)評估,以及在當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電時間的估算。

        3.3 多能源能量管理技術(shù)

        多能源能量管理應(yīng)實現(xiàn)能源生產(chǎn)、消費及運營多個環(huán)節(jié)的經(jīng)濟效益最大化。依靠能量管理系統(tǒng)可保障各能源安全、經(jīng)濟、高效運行。能量管理系統(tǒng)基于傳感網(wǎng)絡(luò)采集的系統(tǒng)各設(shè)備多種類型數(shù)據(jù),實現(xiàn)對現(xiàn)場情況的實時監(jiān)測,分析系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,利用大數(shù)據(jù)、智能計算等技術(shù),預(yù)測發(fā)電功率和負荷,對風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、港口用電等多個環(huán)節(jié)進行協(xié)同調(diào)控。

        能量管理應(yīng)包括:數(shù)據(jù)采集與處理、運行監(jiān)視、電源管理、負荷管理、功率預(yù)測、負荷預(yù)測、發(fā)電及用電計劃、統(tǒng)計分析與評估、電壓無功管理、協(xié)同控制等功能。

        對于港口能耗及船岸用電數(shù)據(jù),采集器可通過互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器,并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

        風(fēng)/光功率預(yù)測基于美國、歐洲、西班牙等國家和地區(qū)多種數(shù)據(jù)源,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、多因素回歸等多種智能預(yù)測方法建立功率預(yù)測模型,同時利用改進的氣象預(yù)報模型組合預(yù)測,以提高預(yù)測 的準確性。

        負荷預(yù)測主要是通過負荷歷史數(shù)據(jù),基于差異性和相關(guān)性原理選擇相似日期預(yù)測負荷的大小。統(tǒng)計分析與評估模塊旨在轉(zhuǎn)變港口能耗統(tǒng)計及分析采用的傳統(tǒng)人工操作方式,通過建設(shè)智慧能源管控平臺,對港口用能展開全面監(jiān)測和智能分析。

        4 結(jié) 語

        本文提出的多能源應(yīng)用對策可為沿海港口和船舶綠色發(fā)展提供支撐。多能源應(yīng)用,包括風(fēng)能、太陽能與傳統(tǒng)電能的融合應(yīng)用,形成風(fēng)、光互補發(fā)電,實現(xiàn)風(fēng)能供能、太陽能供能和融合供能。多能源應(yīng)用的重點技術(shù)包括源網(wǎng)荷儲技術(shù)、多能源狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和能量管理技術(shù)。我國沿海風(fēng)、光資源豐富,風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)成熟,港口和船舶綠色發(fā)展得到政策支持,因此多能源應(yīng)用具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        參考文獻:

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