前言：當信息技術革命與能源轉型攜手一次次打破傳統(tǒng)能源服務的壁壘時，綜合能源服務走進了大眾視野，并逐漸成為了未來能源社會不可或缺的中堅力量。綜合能源服務產(chǎn)業(yè)鏈涉及內(nèi)容十分廣泛，從前期能源系統(tǒng)的設計與規(guī)劃，到能源傳輸與轉換過程中的智能調(diào)控與存儲，再到需求側的數(shù)字化管理與能效優(yōu)化等等，將能源領域的各行各業(yè)進行了深度融合，并對經(jīng)濟，環(huán)保，就業(yè)等諸多方面益處良多。這其中供給側能源設備與技術的選擇，不僅是綜合能源服務的底層環(huán)節(jié)，更是復雜綜合能源系統(tǒng)的基石。
本文將從綜合能源服務的能源供給側切入，為大家簡要介紹一些該領域的關鍵設備與技術。在之后的綜合能源關鍵技術系列文章中，將對下文提到的九大關鍵技術進行詳細的展開介紹，涉及包括技術原理簡介，技術發(fā)展及成熟度，技術優(yōu)勢分析，技術經(jīng)濟性，政策現(xiàn)狀背景，具體項目案例以及國內(nèi)外發(fā)展對比在內(nèi)的不同單元。
一.冷熱電三聯(lián)供 CCHP
作為傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)CHP的擴展，冷熱電三聯(lián)供CCHP不僅可以滿足發(fā)電需求，同時釋放的熱量將成為副產(chǎn)品被回收利用，作為空間加熱，水加熱以及空間冷卻的熱源。CCHP由燃氣發(fā)動機，發(fā)電機，熱交換器和吸收式冷卻器組成。燃氣發(fā)電機肩負產(chǎn)熱和產(chǎn)電功能，而廢熱將被輸送到吸收式冷卻器中，利用此產(chǎn)生冷卻能。該技術常常應用于建筑物的空調(diào)設備，而吸收式制冷機產(chǎn)生的電能與廢熱之比可以通過變化來滿足特定的要求。
圖1：冷熱電三聯(lián)產(chǎn)CCHP功能圖
與獨立的供熱與電力系統(tǒng)相比，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅提高了能源效率，節(jié)約了能源，也降低了燃料和能源成本，因而更具有經(jīng)濟效益。而CCHP與例如沼氣等可再生能源的結合，也進一步促進了能源轉型，同時通過二氧化碳減排為日益嚴重的溫室效應做出貢獻，潛力不容忽視。
二. 電池技術 Battery
近年來電池技術的研究越來越受到重視，僅在2019年上半年，世界各國對電池技術的投資就超過了14億美元。目前，電池領域中，不同類別的電池正在不同的應用場景中發(fā)揮優(yōu)勢。電池技術的飛速發(fā)展也加快了全球能源轉型的步伐。
圖2：鋰電池Lithium-ion battery充放電原理圖
電池技術種類眾多，其中最常見的鋰離子電池的效率可達80%到85%，不需要復雜的安裝條件，具有壽命長、輸出功率高的特點，但是安全性能稍差，且對電池管理系統(tǒng)的要求比較高，電池系統(tǒng)的成本也較高。目前主要應用在調(diào)頻、調(diào)壓、移峰、電動汽車和光伏儲能系統(tǒng)中，未來在汽車行業(yè)中的市場需求量十分可觀。而鉛酸電池的總效率在70%到75%左右，可以通過控制過充電反應來提高安全性能，無需復雜的電池管理，短期攤銷和初始投資相對較低，但是其對通風的要求較高且循環(huán)壽命有限，目前主要應用在調(diào)頻、調(diào)壓、不間斷電源、光伏儲能系統(tǒng)和孤島電網(wǎng)中，未來如果能建立起完整的自動化生產(chǎn)線則應用規(guī)模會繼續(xù)拓展。此外，熔鹽電池的總效率在68%到75%左右，這類電池能量密度較高，使用壽命長，約在15到20年，且鈉硫資源原料成本低，但是其工作溫度很高，在使用過程中可能會帶來潛在危險，目前主要應用在調(diào)頻、移峰、電動汽車、孤島電網(wǎng)和不間斷電源中。
三.電轉氣技術 Power to Gas
天然氣與天然氣基礎設施具有高脫碳潛力，因而是未來基于可再生能源的能源系統(tǒng)中的必要組成部分。電力基礎設施與天然氣基礎設施的連接起著重要作用，這不僅可以更好地整合可再生能源，同時具有經(jīng)濟效益，在滿足能源可持續(xù)性和供應安全性的前提下進一步優(yōu)化了能源供應系統(tǒng)。因而電轉氣技術即P2G是未來能源供應的一大趨勢。
圖3：Power to Gas綜合能源系統(tǒng)圖
P2G技術的核心原理是利用電解水反應產(chǎn)生氫氣，并將其與大量甲烷混合進入天然氣管道，或者進一步轉化成甲烷或其他合成燃氣。而與可再生能源電力的結合，不僅可以減少二氧化碳的排放，還可以在長時間內(nèi)實現(xiàn)幾乎無損失的存儲。“綠色”氫幾乎可以用于工業(yè)和交通運輸?shù)乃蓄I域， 例如區(qū)域鐵路運輸?shù)碾姎饣约皽p少公共交通中柴油車輛的使用率，還可以為工業(yè)領域帶來眾多脫碳潛力。目前P2G面臨的最大挑戰(zhàn)仍然是較低的能源轉化效率(約為50%-70%)和居高不下的成本。但不可忽視的是，電解水制氫的成本降低進展十分迅速，依照過去幾年經(jīng)驗，如果將堆棧輸出增加一倍，那么將成本降低約20%是可行的，鑒于目前仍然偏低的生產(chǎn)數(shù)量，可以看到P2G經(jīng)濟性的進一步提升仍具有巨大潛力。
四.相變儲能技術 PCM technology
在建筑領域中，相變儲能材料常用于大容量儲冷儲熱，一般與供熱系統(tǒng)或建筑材料結合，可成為建筑組成中的一部分，如內(nèi)墻、樓板等，也可在冷熱源處配置，如冰蓄冷設備。近年來較為火熱的“被動式房屋”中，通過與采暖通風系統(tǒng)結合，相變儲能材料得到了很好的應用。
圖4：相變儲能過程原理圖
相變儲能的原理是利用相變材料(Phase Change Material, PCM)的儲熱特性來儲存或者釋放其中的熱量，從而達到一定的調(diào)節(jié)和控制該相變材料周圍環(huán)境的溫度的作用，改變能量使用的時空分布，提高能源的使用效率。在吸熱和放熱的過程中，材料溫度不變，在很小的溫度變化范圍能帶來大量能量的轉換過程，是相變儲能的主要特點。典型的相變材料有水、無機鹽類、石蠟等，具有以下主要特性：
化學性能方面：在反復的相變過程中化學性能穩(wěn)定，可多次循環(huán)利用，對環(huán)境友好、五毒、安全。
物理性能方面：材料發(fā)生相變時的體積變化小，容易儲存;放熱過程溫度變化穩(wěn)定。
經(jīng)濟性方面：材料的價格比較便宜，并且較容易制備;常見的相變狀態(tài)中，固-氣相變和液-氣相變在過程中有氣體產(chǎn)生，自身體積變化較大，因此很少被應用，固-固相變類型本身較少，固-液相變變成了應用的主流。
五.氫能技術 Hydrogen technology
氫氣是傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領域的生產(chǎn)材料，也是一種十分靈活的能源載體，是除了電力以外少有的零排放能量載體之一，燃燒后的產(chǎn)物只有水。氫氣作為一種能源載體，在交通、工業(yè)和建筑等各個領域的能源供應在都有重要的作用，結合燃料電池技術，能夠大大提高未來低碳能源系統(tǒng)的操作靈活性。
圖5：氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖
目前，氫能產(chǎn)業(yè)正處于將氫氣從工業(yè)原料向能源利用轉型的初期階段，受到各個國家的重視，日本東京專門為了氫能的發(fā)展制定了一整套計劃。氫氣的制造設備、運輸設備以及加氫站等基礎設施的建設是發(fā)展氫能的第一步，這也是氫能發(fā)展即將面臨的最大挑戰(zhàn)。基礎設備的成本在其產(chǎn)業(yè)鏈上的每一個環(huán)節(jié)都不容小覷。作為一種靈活的二次能源，氫能能夠十分有效的將電網(wǎng)、熱力管網(wǎng)和各類終端燃料的利用結合起來，促使能源供應端融合，實現(xiàn)多能互補，提升能源使用效率。比如：
·通過大型的燃料電池，可以將氫能再次轉化為電能，實現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。
以一定比例混入燃氣管網(wǎng)，實現(xiàn)與熱力管網(wǎng)的耦合。
作為家庭和汽車用戶的終端燃料使用。
六.高效冷凝鍋爐 Condensing boiler
在天然氣轉化為熱能的過程中，與常規(guī)鍋爐相比, 冷凝鍋爐可以在耗費相同燃氣的情況下產(chǎn)生更多的能量。傳統(tǒng)的鍋爐排煙溫度在110℃-200℃左右，冷凝鍋爐冷凝燃燒技術可以將煙氣溫度降到50度，將部分煙氣冷凝成液態(tài)，吸收了煙氣從氣體變?yōu)橐后w的熱量，也就是回收了原來被煙氣帶走的熱量，如此一來就充分利用了熱量，大大降低了熱量損失。所以熱效率比普通鍋爐高許多，可達98%。
圖6：冷凝鍋爐工作原理圖
此外，冷凝鍋爐還具有全預混式燃燒的功能，避免了由于空氣與燃氣量比例不配所導致的不完全燃燒和資源浪費。冷凝鍋爐的燃燒室常常由不銹鋼材料制成，相比于普通銅鋁材料具有更高的抗酸性和腐蝕性，因而壽命可達20年以上，從投資角度來看具有可觀的經(jīng)濟價值。綜合來看，冷凝鍋爐不僅綠色環(huán)保，也更經(jīng)濟節(jié)能，目前在歐洲已得到了廣泛應用。隨著技術的發(fā)展，不僅僅是在傳統(tǒng)的工業(yè)領域，冷凝鍋爐在了家庭使用的比例也在逐年升高。未來隨著能源轉型與節(jié)能減排政策的實施，冷凝鍋爐將會成為供暖行業(yè)的一大趨勢。
七. 熱泵技術 Heat pump
在新能源供熱技術中，熱泵是非常杰出的代表。其原理是利用制冷系統(tǒng)的熱循環(huán)過程，將低溫熱源，例如室外的空氣，循環(huán)水或地面的熱能，傳遞到高溫物體中，用來加熱水或采暖。為了將低溫熱源中的能量傳遞到高溫熱源，熱泵需要來自外部的電能，流量溫度越高，電能需求越大。因此低溫熱源(例如地下水，水或空氣)與加熱能(例如加熱的流動溫度)之間的溫差應盡可能小。而熱泵制冷管道中的特殊閥門可使制冷循環(huán)反向進行，因而熱泵不僅可以可以加熱也可以冷卻空間。
圖7：熱泵夏冬季熱循環(huán)圖
常見的熱泵種類有空氣熱泵或空氣-水熱泵，可以將來自周圍空氣或廢氣的熱量傳遞到需要加熱的房屋內(nèi)。由于巧妙地使用了冷卻劑，壓縮和加熱技術，因此無論是在夏季的高溫下還是溫度零下的冬季均可使用。而水熱泵(也稱為水-水熱泵)需要從相對溫暖的地下水中提取熱量，再將地下水引導回去，為了保護土壤和地下水，此類熱泵常需要經(jīng)過批準才能使用。另外還有一種地熱熱泵，可以通過探頭或表面收集器直接吸地熱能，十分方便，應用廣泛。熱泵不僅低碳環(huán)保，運行也相對安靜，可以在較小的建筑面積上使用，因而已越來越多地被使用到現(xiàn)代化加熱系統(tǒng)與家庭領域。從經(jīng)濟型角度長期來看，由于不需要額外的燃料費用，相比于傳統(tǒng)的加熱和冷卻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。
八. 生物質(zhì)能 Biomass
隨著近些年來可再生能源的擴張，生物質(zhì)在能源領域的應用也不斷地被開發(fā)。通過熱處理過程如焚燒、氣化和高溫分解，又或者通過細菌分解技術等，可以從生物質(zhì)中以熱能，氣體或液體燃料的形式提取能量，在這個過程中產(chǎn)生的熱水或水蒸氣，又可以作為發(fā)電機的動力來源，因而時常與熱電聯(lián)產(chǎn)設備配合使用。
圖8：生物質(zhì)能發(fā)電廠的工作原理圖
生物質(zhì)能種類繁多，來源包括：
林業(yè)資源如伐木廢料，殘留的樹枝、樹葉和木屑等，以及林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等;
農(nóng)業(yè)資源如玉米秸稈，甘蔗渣等，以及農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物，如稻殼等;
生活污水如城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務業(yè)的廚房排水、糞便污水、洗衣排水等;
工業(yè)有機廢水如酒精、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水等，其中都富含有機物;
城市固體廢棄物如居民生活、商業(yè)、服務業(yè)垃圾和少量建筑業(yè)垃圾等固體廢物等
生物質(zhì)能在化石能源的替代性，產(chǎn)品多樣性，可循環(huán)性和環(huán)保性方面的優(yōu)勢不言而喻。除此之外，生物質(zhì)能還有利于創(chuàng)造就業(yè)市場，拉動內(nèi)需，同時在一定程度上可以通過自主生產(chǎn)燃料抑制石油價格，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
九. 物聯(lián)網(wǎng)虛擬電廠 Virtual power plant
物聯(lián)網(wǎng)指將所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。虛擬電廠以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，通過分布式電力管理系統(tǒng)將電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運行和調(diào)度，協(xié)調(diào)智能電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益。
虛擬電廠=發(fā)電系統(tǒng)(DG)+儲能設備+可控負荷+通信系統(tǒng)
圖9：虛擬電廠構想圖
虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源，包括分布式電源、可控負荷和儲能裝置等。在虛擬電廠中，分散安裝在配電網(wǎng)中的清潔電源、受控負荷和儲能系統(tǒng)合并作為一個特別的電廠參與電網(wǎng)運行，每一部分均與能量管理系統(tǒng)(EMS)相連，控制中心通過智能電網(wǎng)的雙向信息傳送，利用EMS系統(tǒng)進行統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào)機端潮流、受端負荷以及儲能系統(tǒng)，從而達到降低發(fā)電損耗、減少溫室氣體排放、優(yōu)化資源利用、降低電網(wǎng)峰值負荷和提高供電可靠性的目的。未來，虛擬電廠將憑借其自身的多種優(yōu)越特性進一步“侵入能源市場”。
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