構建清潔能源微網(wǎng)的思路與探索

針對我國能源生產(chǎn)和消費面臨的挑戰(zhàn)，以及國家能源發(fā)展戰(zhàn)略要求，構建清潔能源微網(wǎng)是實現(xiàn)我國能源革命的重要途徑之一。清潔能源微網(wǎng)以可再生能源為基礎，環(huán)境能源、天然氣和潔凈煤等能源協(xié)同，化石能源補充，實現(xiàn)區(qū)域性分布式冷熱電氣聯(lián)供。本文闡述了清潔能源微網(wǎng)的內(nèi)涵、四個特征、五個層次以及設計思路，重點分析了可再生能源系統(tǒng)、環(huán)境能源系統(tǒng)、潔凈煤和氫能等能源開發(fā)利用中的關鍵技術，為清潔能源微網(wǎng)構建提供參考。

一、清潔能源微網(wǎng)的構建

能源革命的內(nèi)涵之一是推動能源供給革命，建立多元供應體系。實現(xiàn)路徑之一是構建高效的清潔能源微網(wǎng)，即以可再生能源為基礎，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等協(xié)同，化石能源補充，實現(xiàn)多能互補耦合，建立區(qū)域性分布式冷熱電氣供應系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)能、供能、用能、蓄能和節(jié)能相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的能源供應系統(tǒng)，帶動可再生能源的規(guī)?；瘧门c發(fā)展，推進潔凈煤、環(huán)境能源在多元供應體系中的應用。

清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)有以下特征：(1)能量利用合理化：提高能源系統(tǒng)?效率，實現(xiàn)品位對接、溫度對接、梯級利用與互補耦合，提升系統(tǒng)經(jīng)濟性能，并最大限度使用可再生能源。(2)能源系統(tǒng)環(huán)保性：優(yōu)先采用可再生能源和清潔能源，近零排放，環(huán)境友好。(3)能源資源集成化：系統(tǒng)實現(xiàn)可再生能源、清潔能源、化石能源等能源資源的整合。(4)多網(wǎng)協(xié)同性：實現(xiàn)電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)、信息網(wǎng)三網(wǎng)融合。

清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)包含五個層次：一是能源側(cè)，包括可再生能源、化石能源、環(huán)境能源等。二是能源轉(zhuǎn)換、耦合互補側(cè)，根據(jù)不同區(qū)域可再生資源稟賦及用能側(cè)需求，選擇多種能源的組合和能量轉(zhuǎn)換的方向與路徑，以實現(xiàn)耦合互補和梯級利用。三是能量儲存?zhèn)?，根?jù)能源側(cè)供能特性及需求側(cè)用能需求，以及能量管理、智能調(diào)控要求進行儲熱(冷)、儲電、儲氫、儲氣，提高供能質(zhì)量與能源利用效率。四是智能控制側(cè)，綜合考慮氣候氣象因素、可再生能源的多源異質(zhì)、多/強擾動等約束條件，建立可再生能源優(yōu)先使用，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等能源協(xié)同，電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)補充的調(diào)控原則，并利用“云大物移智”等現(xiàn)代信息技術，建立基于專家數(shù)據(jù)庫的能源微網(wǎng)智能控制及系統(tǒng)運行管理系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)、快速響應。五是用能側(cè)，根據(jù)用能側(cè)負荷氣象氣候特征及使用特性，構建用能潛能分析及系統(tǒng)預測方法，實現(xiàn)熱(冷)電氣多網(wǎng)聯(lián)供。

清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)設計思路：結(jié)合區(qū)域規(guī)劃，以可再生能源為基礎，天然氣、潔凈煤、環(huán)境能源等能源協(xié)同，化石能源補充，以儲熱、儲電、制氫儲氫、儲氣為儲能手段;以余熱利用、能量梯級利用、水源熱泵及建筑低能耗等為節(jié)能手段，以市政電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)補充為調(diào)控手段，通過多能互補耦合、品位對接、梯級利用、儲用結(jié)合、分級響應、精準調(diào)控、智能控制的策略，基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動態(tài)校驗規(guī)劃設計方法，構建清潔能源微網(wǎng)供能系統(tǒng)。在構建清潔能源微網(wǎng)時，應以可再生能源最大限度利用和區(qū)域內(nèi)使用為原則。

二、清潔能源微網(wǎng)關鍵技術

(一)可再生能源系統(tǒng)

可再生能源系統(tǒng)涉及到多層面多因素、多系統(tǒng)隨機動態(tài)復雜過程。關鍵技術主要包括：

(1)基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動態(tài)規(guī)劃設計方法。結(jié)合區(qū)域氣候氣象特征分析，揭示穩(wěn)定供應型與間歇型可再生能源的高效互補機理，探明用能側(cè)負荷氣候氣象跟隨特性，建立可再生能源熱電氣儲耦合供能系統(tǒng)技術架構。針對可再生能源系統(tǒng)高隨機性、弱互聯(lián)及動態(tài)特性等關鍵問題，構建全工況動態(tài)特性仿真模型，探索變工況狀態(tài)各因素間的關聯(lián)規(guī)律，提出基于不確定性的可再生能源系統(tǒng)動態(tài)校驗規(guī)劃設計方法。

(2)基于氣象數(shù)據(jù)預測的可再生能源熱電氣儲耦合氣象數(shù)據(jù)庫。分析氣象要素時空分布特征及供/用能需求關聯(lián)特性，建立區(qū)域基礎氣象數(shù)據(jù)庫，開展?jié)撃芊治龊投唐陬A測，獲得氣象條件對供/用能系統(tǒng)的影響規(guī)律。

(3)以多種可再生能源為基礎的熱電氣儲耦合機理、調(diào)控機制及高效轉(zhuǎn)換技術?；跉夂蛱卣?、氣象跟蹤、資源稟賦，采用可再生能源各單元供能負荷及產(chǎn)物可調(diào)節(jié)技術，結(jié)合儲能單元能量高效轉(zhuǎn)換、梯級利用以及分級跟蹤響應技術，探索多能源輸入、熱電氣輸出與儲能的耦合機理，揭示變工況多能互補、熱電氣儲聯(lián)產(chǎn)、穩(wěn)定快速跟蹤供能、經(jīng)濟性等多目標優(yōu)化下的高效能量轉(zhuǎn)換和調(diào)控機制。

(4)高隨機性、弱互聯(lián)及多能耦合下可再生能源熱電氣儲系統(tǒng)的先進控制與能量管理技術。綜合運用多時間尺度優(yōu)化調(diào)度、多能流動態(tài)建模、隨機預測控制等技術，提出完整的先進控制和能量優(yōu)化管理方法。建立面向節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保多目標的日前、日內(nèi)、實時的多時間尺度優(yōu)化調(diào)度模型，通過預測誤差反饋校正和滾動優(yōu)化，提出基于魯棒自適應狀態(tài)估計的多變量隨機預測控制方法，實現(xiàn)多/強擾動下系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和負荷快速跟蹤。

(二)環(huán)境能源供能系統(tǒng)

傳統(tǒng)的能源是指向自然界提供能量轉(zhuǎn)化或可做功的物質(zhì)，而環(huán)境能源則是指在維護和改善環(huán)境的同時，可綜合發(fā)展及合理利用的能源統(tǒng)稱，其特征是以最優(yōu)化原理來解決環(huán)境與能源可持續(xù)發(fā)展問題，即在環(huán)境治理時盡量使廢棄物資源化利用，在處置過程中減少二次污染，在資源化過程中經(jīng)濟合理、運行可靠。處置及資源化過程采用一系列高參數(shù)手段，如高溫、高壓、高級氧化、超臨界和高電荷(等離子體等)等。環(huán)境能源供能系統(tǒng)是在安全、清潔處置固體廢棄物的同時使其最大限度的資源化、能源化，同時可以將其組合到我們的能源微網(wǎng)當中。然而目前還存在一些技術瓶頸，主要有：技術裝備要求高，能源效率有待提升，處置過程二次污染，產(chǎn)品深度利用不足，缺乏顛覆性技術等。環(huán)境能源供能系統(tǒng)關鍵技術包括以下幾個方面。

(1)低溫熱解—氣固兩相多組分高溫逆流氣流床熱化學轉(zhuǎn)化相結(jié)合的復合熱解新工藝。有機固廢低溫熱解產(chǎn)物經(jīng)高溫熱化學反應，高效轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣。在高溫還原氣氛下，氣體的深度凈化變得簡單。氣相產(chǎn)物可進一步深度利用，如制氫，殘渣轉(zhuǎn)化為建材。整個工藝過程，能量梯級利用，不直接對外排煙，是一種清潔、高效、安全、經(jīng)濟的有機固廢熱解及資源化利用技術工藝。

(2)新型有機固廢高效熱解技術。針對生活垃圾這類有機固廢，研發(fā)新型回轉(zhuǎn)式碳剝離、深度熱分選與低溫熱解耦合技術，主要是通過爐料金屬、無機物和裝置結(jié)構的雙重作用，對熱解碳物質(zhì)進行物理動態(tài)連續(xù)破碎，同時通過裝置結(jié)構實現(xiàn)塊狀金屬及塊狀無機物熱分選，提高熱解速率和效率。針對污泥這類有機物固廢，采用圓盤型雙通道外熱式移動床熱解新技術，通過雙通道加熱，圓盤型換熱，設計物料移動推進和熱解氣柔性分隔結(jié)構等，解決污泥干燥熱解一體化、污泥流動性差、傳熱傳質(zhì)效率低、熱解反應控制等技術瓶頸。

(3)氣固兩相多組分高溫逆流氣流床中心高溫熱島構建及有害有毒物質(zhì)高溫熱阻斷技術。采用新型雙水內(nèi)冷多噴嘴結(jié)構及爐內(nèi)布置形式與工藝參數(shù)結(jié)合，構建爐內(nèi)中心高溫熱島，形成爐內(nèi)明顯溫度梯度，實現(xiàn)氣固多組分熱解產(chǎn)物高效熱化學轉(zhuǎn)化、避免熔渣等對爐壁沖刷、熔蝕、掛壁、堵塞及合成氣出口溫度高的難題，以及有害有毒物質(zhì)，特別是重金屬固熔、二噁英高溫熱阻斷。

(4)基于不飽和稠雜環(huán)芳烴化合物載體的常溫常壓高密度可逆儲氫、制純氫技術。環(huán)境能源供能系統(tǒng)經(jīng)濟性制約了有機固廢安全、徹底處置技術的工業(yè)化應用。有機固廢熱化學處置制氫是實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟效益的重要途徑，而氫氣安全儲運也是當前的技術難題?；诓伙柡统黼s環(huán)芳烴化合物載體的有機液體儲供氫技術具有高穩(wěn)定性、高可逆性、高儲氫量、低成本等特點，與高壓儲氫、低溫液體儲氫、液氨儲氫等技術相比，實現(xiàn)了常溫常壓條件下氫高密度儲運，可利用現(xiàn)有化石能源輸運構架，大幅降低加氫站建設門檻與成本。該技術儲氫密度達到6wt%(每100質(zhì)量單位里含有6質(zhì)量單位)，氫氣純度為99.99%，為應用于燃料電池開辟了另一路徑。

(三)氫能技術

氫能是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。2019年全世界已有19個國家和城市制定了各自的氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖。很多國家將氫能產(chǎn)業(yè)化作為新的經(jīng)濟增長點，力爭保持現(xiàn)有的全球競爭力。在清潔能源微網(wǎng)系統(tǒng)中，綜合運用可再生能源制氫、有機廢物制氫以及制氫儲氫發(fā)電等技術，通過氫能可實現(xiàn)廢棄能源的儲存與高值化利用。

(四)煤炭清潔高效利用技術

推動煤炭清潔高效利用是我國能源轉(zhuǎn)型的主要任務，但目前高碳能源低碳化的利用技術仍是煤化工的技術瓶頸。建立綠色化現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系，推進煤基燃料全面發(fā)展，開發(fā)高效清潔煤氣化技術、高效污染物脫除技術、多污染物協(xié)同控制技術、廢水零排放技術以及“三廢”資源化利用技術，是實現(xiàn)煤炭清潔利用的重要手段。煤熱解—兩相多組分高溫逆流氣流床氣化—熔融新工藝為破解這一技術難題提供了一種途徑。

三、結(jié)語

從我國能源消費需求、化石能源儲采比及應對氣候變化考量出發(fā)，我國亟需推動能源供給革命，探索能源供給新模式。清潔能源微網(wǎng)供能體系通過綜合運用可再生能源、環(huán)境能源、清潔能源等一系列關鍵技術，可有效破解當前能源與環(huán)境發(fā)展面臨的諸多瓶頸，為我國能源高質(zhì)量發(fā)展提供思路。

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原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年8月7日第31期