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      電力企業發展綜合智慧能源的潛力與實現路徑分析
      發布者:admin | 0評論 | 1454查看 | 2021-09-14 10:14:52    

      引言


      “十三五”以來,隨著我國經濟發展步入新常態,電力消費穩步增長,用電量增速放緩。由于新舊動能轉換還未完全實現,新動力不足以支持電力消費持續快速增長,2019年全社會用電增長下降至4.5%?!笆奈濉?、“十五五”是我國能源供應與消費結構轉型的關鍵期,影響用電總量的直接因素即高耗能傳統行業用電占比下降,經濟發展方式的轉變、產業結構和布局的優化調整,以及技術進步都將導致未來電力需求增速逐步回落。


      從結構看,我國電力供應結構持續多元化,形成以水電、火電、核電、風電、太陽能發電多電源類型的電力供應結構。截止到2019年底,水電、火電、核電、風電、太陽能發電裝機占比分別為17.7%、59.2%、2.4%、10.4%和10.2%,發電量占比分別為17.8%、68.9%、4.8%、5.5%和3.1%[1]。雖然煤電在電源結構中份額逐漸降低,無論在裝機還是在發電量方面,煤電仍然是我國現階段電力供應中的主力電源,并且其主體地位近期內不會改變。


      從技術看,我國發電技術進步顯著,新能源發電成本進一步降低。隨著高參數、大容量燃煤發電技術、常規污染物控制及碳捕獲、利用與封存(CCUS)等清潔高效燃煤發電技術的發展和應用,煤炭的清潔高效利用水平不斷提升。目前,最先進的高效燃煤發電機組發電效率已超過47%;新能源發電技術的發展使得度電成本不斷下降,在過去6年間,陸上風電度電成本年平均下降14%,海上風電度電年平均下降20%,光伏度電成本年平均下降22%。


      從體制機制看,我國電力市場逐步開放、資源配置方式發生改變。國務院印發的2015年9號文標志著新一輪電力體制改革的開始[2],全國電力市場交易電量逐年快速增加,交易電量已從2016年1萬億kWh增長到2019年28344萬億kWh。資源配置方式從行政配置資源變為逐步轉變為市場配置資源模式,用戶側從被動接受電能變為積極參與電力供需平衡和需求側響應。


      我國電力企業的角色由能源供應商向能源服務商轉換。從屬性看,電力除了不易于儲存這個特點,其余均符合普通商品的屬性,因此作為商品的出售方,電力企業應適時地從能源供應商向清潔能源服務商角色轉變,延長服務鏈條,與需求側直接對話。在過去的電力供需模式中,電力供應側更多地被動根據電網負荷預測供給電能?,F階段,隨著用戶要求從用能數量向用能質量轉變,電力企業需以用戶需求為出發點,向用戶提供智慧化能源服務,從而提升社會整體的用能效率,建設節約型社會。


      本文從企業角度出發,分析了我國電力企業發展綜合智慧能源的潛力方向,并從具體實施層面,將開展綜合智慧能源實踐劃分為三個階段,提出企業實現供能質量提升的實現路徑。


      1綜合智慧能源的內涵


      綜合智慧能源,是指針對特定某一區域內的能源用戶,摒棄原有各能源品種、各供應環節單獨規劃、單獨設計、單獨運行的傳統模式,以電為核心,提供電、熱、冷、氣、水等多種不同能源品種的一體化解決方案,實現“源—網—荷—儲—用”能源供應環節協同[3,4]。從廣義上講,能源系統不僅要實現能源需求智慧化、能源運輸智慧化,還應實現能源生產智慧化。圖1為綜合能源系統示意。


      圍繞能源供應和消費系統智慧化,目前已形成了諸多具象的相關概念,如:


      (1)“互聯網+”智慧能源是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態[5],通過大數據、云計算等信息技術為用戶提供全流程的監測控制、操作運營、能效管理的綜合服務。


      (2)能源互聯網是運用電力電子技術、信息技術和智能管理技術,將由分布式信息采集裝置、能量儲存裝置和各種類型負載構成的綜合能源供應網絡的節點互聯起來,實現能量流、信息流、業務流的實時交換、共享與優化。


      (3)多能互補、集成優化能源系統主要有兩種模式[6]:一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求,因地制宜、統籌開發、互補利用傳統能源和新能源,優化布局建設一體化集成供能基礎設施,實現多能協同供應和能源綜合梯級利用;二是利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優勢,推進風光水火儲多能互補系統建設。


      (4)智慧電網是以物理電網為基礎,集成先進的傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術和控制技術,滿足用戶對電力的需求和優化資源配置,確保電力供應的安全性、可靠性和經濟性,適應電力市場化發展,實現對用戶可靠、經濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。


      2綜合智慧能源技術


      區別于傳統能源系統從產業鏈上游向下游縱向延伸的組織方式,綜合智慧能源系統涉及能源生產技術、能量存儲技術、傳輸技術、用能服務技術以及實現源、網、荷與用戶之間有機聯結的系統控制與服務技術,如基于能源互聯網的智慧能源監管技術、用電側基于能源大數據的智慧能源精準需求管理技術等。


      2.1綜合智慧能源技術體系框架


      綜合智慧能源系統以電力、熱(冷)等能源生產技術為依托,通過能源輸送管廊,向下游終端能源用戶延伸,以系統控制與服務技術為內核,以能源存儲技術為輔助,構建起智慧化能源服務運行體系。


      (1)能源生產技術主要包括燃煤(含背壓機)和燃氣多聯供、分布式直燃鍋爐、余熱余壓發電、小型風電、分散式光伏發電、地熱源與空氣源熱泵、溴化鋰制冷等,應因地制宜地選擇合適的能源生產技術組合。


      (2)能源輸送技術通常包括配電網、供熱(冷)網、天然氣管網、水網及綜合管廊,通過集成信息采集、分析處理等技術,能夠實現各種能源品種協同配送。


      (3)根據能源存儲方式,儲能技術主要包括機械儲能、電磁儲能和電化學儲能等三大類。機械儲能技術有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等,其中抽水蓄能技術和應用成熟,而受綜合智慧能源地域性限制,適用性不佳。電磁儲能技術有超導儲能、超級電容等,尚處于實驗室研發階段。電化學儲能技術有鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池等技術,近年受電動車電池技術的快速發展,鋰離子電池、鉛酸電池在儲能領域開展小規模商業化應用。


      除儲電外,能量儲存形式還包括儲熱、儲冷、儲氫等。儲熱技術有熱水蓄熱、固體磚蓄熱、熔融鹽蓄熱,目前前兩種儲熱形式在東北、西北熱電機組的供暖季熱電解耦中得到廣泛應用,熔融鹽蓄熱主要用于太陽能熱發電系統。


      (4)隨著物聯網、大數據、云計算、移動互聯網等信息與控制技術的不斷提升,綜合智慧能源的實現成為可能。在能源生產側,智慧化能源生產體現在全流程精細化管理、可再生能源精準預測、多能源品種優化供應等方面。在能源消費側,則體現在需求預測、用能優化、負荷側需求響應等其他用戶增值服務。通過信息平臺,實現源、網、荷、用的有效互聯互動。


      2.2商業模式與應用實踐


      綜合智慧能源項目實施的前提條件和關鍵要素是商業運營模式。我國能源企業紛紛布局能源互聯網、智慧能源、多能互補、能源微電網等項目,加快向綜合能源服務轉型。


      綜合智慧能源從應用場景來看,主要涉及大型能源保障基地的多能互補型、智慧城鎮型、產業園區型、以及集群樓宇型,圍繞特定用戶群的用能需求,開發適應性的能源供應體系及用能服務。國家電網公司也積極開展了多項辦公園區的綜合智慧能源示范項目。


      在政策、市場、技術等多重因素作用下,綜合能源服務正由概念導入、項目孵化邁向市場驗證階段,表1中列舉了部分國內已投運或規劃建設的綜合智慧能源項目。


      從項目整體設計角度看,運營模式主要可分為統一式開發和分散式開發兩種。其中,統一開發通常適用于規模較小、用戶分布集中的區域,項目單位基于用戶需求對區域能源系統進行統一設計、優化和運營管理;分散式開發通常有多個能源供應商、輸配商、銷售公司等主體共同參與整個能源系統的部分環節。由于綜合能源項目設計和運營管理復雜,目前國內已投運或規劃建設的項目多為統一開發模式。


      2.3當前發展面臨的問題與挑戰


      當前發電企業開展綜合智慧能源項目面臨體制機制、商業模式、技術集成等多方面挑戰。


      (1)體制機制尚待完善。


      綜合智慧能源項目通常涉及電力、熱力、燃氣、輸送管廊等方面內容,從發展規劃到審批核準分屬不同行政管理部門,為統籌規劃和頂層設計造成困難。


      (2)商業模式尚不成熟。


      綜合智慧能源的核心要義在于以用戶需求為核心,而現有的能源供應模式業已固化,同時需求側新增負荷不確定性較大,項目盈利性不明朗;能源供應側和需求側對話機制尚未形成,中間環節影響系統效率和服務質量;在現行價格機制下,綜合智慧能源系統的智能化價值無法合理轉化為經濟收益,影響項目投資積極性。


      (3)技術優化集成需要深入研究。


      綜合智慧能源系統通過先進的信息、控制等智能化技術,實現能源供應、輸運、應用等過程的協調控制。目前,能源系統全流程智慧化多停留在單一環節階段,尚需進一步探索與實踐。


      3電力企業拓展綜合智慧能源潛力方向


      我國電力企業以發電為核心主營業務,然而近年隨著電力需求增速下滑、可再生能源快速發展、電力市場化改革持續推進,傳統電力企業特別是燃煤發電企業面臨著利用小時數下滑、上網電價降低、機組運行靈活性要求升高等一系列挑戰,經營壓力空前,夾縫求存,亟需拓展和培育新的盈利增長點。


      根據對國內部分電力企業的調研,發電企業結合區域用能需求,已開展多元化的能源服務主要包括:(1)燃煤發電、風電、水電、燃氣發電、太陽能發電等其他新能源發電;(2)以燃煤和燃氣發電為基礎的供熱、供汽以及管網;(3)售電;(4)增量配電網。


      綜合智慧能源根本上是要因地制宜地選擇合適的電力等能源生產方式,通過綜合能源輸送通道,面向終端用戶提供綜合性能源供應服務,以信息技術為內核,驅動能源生產、輸送和供應全流程的質量提升。從這個意義出發,發電企業現有電力業務具備發展綜合智慧能源的基礎條件和相對優勢。


      圍繞核心發電,結合發電企業在電力領域相關業務,未來發展綜合智慧能源可以從拓展綜合能源供應、布局分布式發電、規劃能源輸送管廊、以及開發下游其他增值性用能服務等四個方面著手,逐步拓寬現有能源供應服務的邊界和質量。


      (1)拓展綜合能源供應


      以傳統發電業務為中心,結合周邊用戶的采暖、工業蒸汽、壓縮空氣等其他用能需求,進一步拓展能源生產的邊界。不同于電力生產的是,這些用能需求往往具有明顯的先發優勢,適時進入可先一步搶占市場份額。全國范圍內,相當一部分機組已根據當地用能主要是采暖、工業用汽等需求拓展能源供給品類。


      (2)布局分布式發電


      在產業聚集區、工業園區等用能需求集中區域,結合當地資源條件,發展多能互補的分布式多聯供能源系統。


      (3)規劃能源輸送管廊


      結合用戶的用能需求,綜合規劃能源輸送管廊,包括增量配電網、供冷(熱)網、工業用汽管網、氣網等,充分利用管道路由。


      (4)其他增值性服務


      結合發電企業目前已開展的售電業務,在加深用戶需求了解和增強互動響應的基礎上,為用戶提供用能優化、需求響應等增值服務。


      4綜合智慧能源的實現路徑


      綜合智慧能源作為涵蓋能源生產、輸運和供應全流程、以智慧化為驅動、以服務質量為核心的理想能源系統,電力企業在多環節都具備向外延伸、最終發展形成綜合智慧能源系統的基礎條件和潛力。


      然而,目前我國在綜合智慧能源發展中還存在諸多障礙,如頂層設計匱乏、行業標準欠缺、行業壁壘高筑、價格機制不健全等問題,綜合智慧能源系統的應用受限。因此,現階段電力企業開展智慧能源實踐應充分結合現有業務,分階段逐步實施。按照智慧能源服務范疇,可以分為以下三個層面的內容(見圖4):


      (1)基于先進信息技術實現智慧化發電;


      (2)以發電為核心拓展綜合能源供應業務;


      (3)以用戶為中心發展智慧化能源服務。


      根據調研,目前國內發電企業正在逐步開展前兩個層面的工作,包括智慧化電廠和綜合能源供應鏈延伸,同時應適時部署智慧能源服務研究,待市場價格機制、用戶訴求等外部條件逐步成熟,可以以面向用戶的售電業務為依托,進一步拓展能源服務邊界,最終形成綜合智慧能源體系。


      4.1以智慧電廠建設為契機開展存量資產智慧化


      能源生產是綜合智慧能源系統的重要環節,而智慧化發電實現整體系統的核心任務。發電企業的數字化轉型,以智慧決策和人機協調為核心,以實時動態大數據為基礎,以強大的計算能力為受端,實現從原料采購、設備運行和營銷的精細化管理。


      對發電企業而言,數字化轉型的影響不僅限于燃料、效率、管理和安全領域。通過數字化運營,發電企業實現以先進分析技術來提高最低和最高負荷,從而提升機組運行靈活性;通過引入傳感器連續監測污染物排放,以自動控制技術調整催化劑輸入,提升環境效益;采用基于數字化技術的精細化運營,有助于發電企業控制物流支出,優化水處理和排放控制等。


      4.2以發電業務為核心拓展綜合能源供給系統


      4.2.1以煤電機組為核心的供熱、供汽、供氣、蓄熱、蓄電


      近年受煤價波動、電價下行和設備利用率低等方面的影響,發電企業尤其是煤電企業為緩解發電業務運營壓力,在對周邊用戶需求調研的基礎上,積極拓展以供熱、供汽、調峰調頻等形式的能源服務。


      4.2.2以有條件的產業聚集區為中心開展天然氣分布式發電


      在產業聚集區、工業園區、商業中心等用能場景中,用戶除電外,通常還有熱、冷、壓縮空氣等其他形式的能源需求。受嚴控煤電新增產能和環保政策影響,尤其是在中東部地區,燃氣分布式冷熱電多聯供能源系統更符合地方發展規劃與趨勢。


      4.2.3探索開展增量配電網


      配電網的核心價值在于可以此為依托,打造集售電服務、用電咨詢、能源運維、節能服務、金融服務、分布式能源服務、綜合能源規劃于一體的配售電運營供應體系。


      4.2.4以負荷中心的風光建設為契機布局綜合智慧能源


      隨著風電、太陽能發電發展重心逐漸向位于負荷中心的中東南部地區轉移,傳統集中開發模式不再適用,相比而言,分布式可再生能源發電更適宜這些地區人口稠密、土地稀缺的現實情況。發電企業可以在用電負荷中心,以新能源建設為契機,綜合周邊其他用能需求,統籌規劃設計智慧能源體系。


      4.3以用戶為中心發展綜合智慧能源系統


      以用戶需求為出發點,通過集成儲能,提升能源供應的靈活性和穩定性;通過信息平臺和大數據分析,實現負荷精準預測和負荷側需求響應,幫助用戶執行用能診斷和評估、制定用能品種、優化分時用能方案、實現負荷監控與管理。


      5結論


      隨著我國經濟發展由高速轉為中高速、整體電力供應由短缺轉為過剩,電力企業面臨嚴峻的經營生存壓力。同時,電力消費側也對電力系統提出更高的要求,從過去單一地要求保障供應數量向要求提高供應質量轉變。綜合智慧能源系統概念的提出,為夾縫求生的電力企業提供了未來的發展思路和方向。結合當前現有發電業務,發電企業可以圍繞多品種能源供應、布局分布式發電、規劃能源輸送管廊、開發下游增值用能服務,逐步拓寬現有能源供應服務的邊界,提升能源供應的質量。在具體實施層面,開展智慧能源實踐應充分結合現有業務分階段逐步進行,第一階段是基于先進信息技術實現智慧化發電,第二階段是以發電為核心拓展綜合能源供應業務,第三階段是以用戶為中心發展智慧化能源服務,最終形成真正意義上的綜合智慧能源體系。

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