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  未來城市供熱什么樣可再生能源供熱藍圖顯現

發布時間:2018-12-27    字號:【

    2016年,煤炭在中國一次能源消費結構中占比61.3%,中國仍處于煤炭時代,很多人呼吁中國首先應該進入油氣時代,尤其是提高天然氣消費比重,以盡快降低碳排放,然后再向以可再生能源為主的能源結構轉變。
    然而,如果以中國實際情況為基礎進行分析,這種轉型路徑成本是極高的。從資源稟賦來說,中國富煤貧油少氣,加大油氣消費比例,需要進一步提高油氣對外依存度,能源安全問題如芒在背。從技術條件來說,中國的燃煤發電技術全球領先,發電標準煤耗是世界上最低的,而各種燃氣應用技術則比發達國家落后很多,燃氣設備幾乎全部依賴進口,放棄自身的優勢技術,去追求劣勢技術,并不一定明智。
    縱觀發達國家的能源轉型過程,在上世紀50年代之前,美國以及歐洲國家均以煤炭作為主要能源,從50年代初到70年代中期,這些國家掀起了一場以油氣替代煤炭的能源革命,逐漸過渡到油氣時代。到本世紀初,能源轉型再次在歐美國家興起,可再生能源嶄露頭角,讓其碳排放A量進一步降低。中國供熱信息網數據顯示,英國2016的碳排放量較1990年減少了約36%,已經降至自1894年以來除20世紀20年代煤炭開采糾紛期間的最低水平。
    從能源轉型進度分析,時間上也不允許中國走從油氣時代過渡的老路。石油、天然氣是化石能源,即使中國將全部燃煤都換為天然氣,考慮到經濟發展和用能增長,每年的碳排放量也很難低于70億噸。如果先花10~15年時間進入油氣時代,再花15~20年轉向低碳時代,投入巨資打造的油氣基礎設施還未真正發揮作用,便要分期廢棄掉,是不科學、不經濟、不聰明的選擇。
考慮到能源革命的緊迫性,以及具體國情與資源分布特點,中國的能源轉型可能應該一步到位地擁抱可再生能源,以可再生能源發電為基礎規劃未來的能源系統。
    按照30~35億噸的年碳排放標準,可以這樣規劃中國2050年的能源結構。第一部分為電力,電氣化水平達到50%以上,年發電量8.5萬億~9萬億千萬時,其中核電1萬億、水電1.5萬億、風電和太陽能(5.490, 0.01, 0.18%)發電均為1萬億,這樣非碳電力達到4.5萬億千瓦時,再由燃煤、燃氣產生4萬億~4.5萬億千瓦時,由此造成的碳排放量大約為22億噸。第二部分,非電燃料全年消費17億噸標準煤,其中生物質提供8.5億噸,燃煤燃氣燃油提供8.5億噸,綜合起來形成的碳排放大致在14億噸左右。與前面發電碳排放加總為每年36億噸,略高于屆時的碳配額,如果再通過進一步造林等碳匯活動,應該能夠找回這1億噸排放量,從而實現中國的低碳承諾。
其實,由煤炭時代直接向以電為主的低碳時代過渡的能源轉型方案,與中國能源需求未來發展方向是相契合的。本世紀以來,中國能源消費快速增長,主要拉動因素是持續大規模的基礎設施建設,而這種大規模基建可能再持續十余年便將告一段落,只要不“大拆大建”,未來將不會像現在這樣需要巨量鋼鐵、有色金屬、水泥等依靠燃煤生產的建筑材料。到那時,能源需求盡管還會很高,用能結構已然不同,對煤炭需求大幅減少,對電力需求快速增加,恰好可以與低碳能源結構改造相適應。
    未來城市供熱系統藍圖
以可再生能源電力為中心,構建面向未來的能源系統,需要對能源需求端進行比較大的改造。中國的可再生能源地域分布與傳統化石能源類似,絕大多數資源分布在三北地區,而能源需求中心在東部沿海地區,尤其是東部的城市,西電東輸、北電南送的能源輸送格局成為必然,這就要求東部城市必須滿足大規模接入區外電力的條件。
這并非一件容易做到的事情。目前,中國已經遭遇了比較嚴重的棄風、棄光、棄水問題,其中,約7成左右的棄風出現在供暖期,在供暖期棄風電量中,低谷時段棄風又占供暖期總棄風的80%。供熱信息網了解到原因在于,現在的熱電廠在供暖季調峰能力不足。熱電廠除了發電,還要承擔北方城市的供暖任務,且均采用“以熱定電”的模式運行,這導致其在供暖季的發電量很難調控,難以為風電、太陽能發電騰出接納空間。
    隨著中國城鎮化發展,城市供熱需求還將增加。為了在不影響居民用熱的情況下,增加城市能源系統對可再生能源電力的接納能力,就要改變熱電廠以熱定電的運行模式。一個可行的辦法是,采用“熱電廠+蓄能罐+電動熱泵”的方式,實現高效的能源轉換和電力調峰。具體做法為,給熱電廠加裝巨型蓄熱裝置和調峰裝置,在電力需求較大時發揮機組最大發電能力,靠蓄熱裝置供熱,在電力需求較小時,只輸出相當于最大容量40%左右的電力,其他全高效地轉換為熱能,除滿足當時的供給要求外還蓄存到蓄能罐中。這樣,可以根據電力負荷變化,在鍋爐主蒸汽量僅在80%~100%范圍內調節的條件下,實現對輸出電力的連續調節,在避免高效電廠低效運行前提下解決區外電力的供需矛盾。
    充分利用純凝電廠和各類工業余熱作為熱源,進行城市集中供熱,也可以在很大程度緩解因供暖造成的電力消納不足問題。目前,在冬季,全國純凝火力發電廠有大約6億千瓦熱量可用,,五大耗能工業(鋼鐵、有色、建材、石化、煉油)排放的余熱為2億千瓦,如果取熱電廠余熱的70%和工業余熱的50%作為城鎮供熱的基礎熱源,則二者合計為5.2億千瓦,可為130億平方米建筑提供40瓦/平方米的熱量,只需再補充一部分用于調峰的末端燃氣鍋爐,就可以滿足目前北方城鎮集中供熱系統的熱源需求。
    未來的城市供熱系統,應該是一張跨區域聯接的大熱網,把不同的低品位工業余熱熱源聯接在一起,與分散在城市中的成千上萬個熱力站連接,通過大管網互通互聯,輸送到城市,根據電力需求變化調節熱電廠出力,根據工廠生產需要互通有無,滿足城市居民的熱需求。這樣的場景模式不但解決了當前的難題,還可以大幅度地提高城市能源利用效率。

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