中国分布式能源及燃料电池分布式系统发展展望

 

一、分布式能源是未来能源系统的发展趋势

 

能源的集中式开发利用一直以来都是我国能源供给的主要模式，然而，随着我国能源结构优化和清洁化目标的提出，能源集中式开发在传输损耗、利用效率、环境污染等方面都不能满足要求;光伏、风电等波动性可再生能源发电比例要求的提升，电动车等大功率用电交通的普及，也对集中式供电网络的弹性和安全性提出了挑战。

 

另一方面，能源网络将气、冷/热、氢等用户主要的消费能源从生产端输送到用户端，并具有大规模储能的优势。因此，依托互联网信息技术的引导，通过分布式能源转换技术，将智能电网及能源网络融合互补，突破各自局限，提高能源控制能力，建立多元化供应体系，成为未来能源系统的发展趋势。

 

二、能源系统向分布式转型的优势

 

分布式能源是指在用户端智能的组合、利用本地资源，以经济和环境效益最优化来确定技术路径与容量规模，为客户提供价格合理、清洁、可靠的生活、生产所需电能、热/冷能的能源供应方式;同时，依托于先进信息技术以及微电网控制策略，分布式能源可以与电网进行并网互动，为电网提供储存服务。

 

分布式能源有以下的优势：

 

1. 提高能源利用效率：更具需求侧个性化定制，通过多能源和多级能源利用，以获得较高的整体能源效率(80-90%);

 

2. 减少能源传输成本：通常来说，输配电成本占集中供应电力最终电费的30%左右，分布式能源在用户侧安装，可就近供能，避免了输配损耗，减少了大规模基础设施的建设和维护费用;

 

3. 减少环境污染：分布式能源可以将化石燃料为主的中央能源系统转变为利用更清洁、低碳的能源的系统，包括天然气、氢气、风能或太阳能等;或者提供多样的灵活的消纳和储能解决方案整合可变发电电力，提高可再生发电份额，间接的减少污染物排放总量;

 

4. 提高能源系统安全性：可作为备用电源，用来应对洪水、地震及火灾等大规模灾害，当集中式供电系统受损时，维持正常电力供应;

 

5. 提高电网弹性：每个分布式发电装置都相当于电网的旋转备用，可作为电网的缓冲容量，削峰平谷，用来缓解电网中用电高峰和低谷所带来的波动，减轻电网调解、调度的压力，提高电力利用效率;

 

6. 解决离网地区的供能问题：边远地区集中供能困难、代价高昂，可根据当地资源禀赋发展分布式能源，避免高压长输电网建设的巨大投入，降低供能成本;

 

7. 有利于能源市场的发展：多样化、本地化和产销合一的供能方式为小型企业及电力用户创造了参与能源供应的机会，也使用户拥有更强的能源消费主导权，可刺激能源交易需求，促进能源交易市场的开放。

 

未来，通过分布式能源系统，整个能源传输网络将逐步转型升级为智能电网与能源网的高度融合，能源消费端将逐步形成利用柔性负荷、多能互补、产销一体为主的模式，能源交易市场也将不断放开，最终实现自主交易。

 

三、燃料电池分布式系统是实现产销一体，多能互补的有效途径

 

根据国际能源署统计，加热需求约占全球能源相关二氧化碳排放量的30%，并且其中一半需求用于建筑物。燃料电池分布式系统利用氢燃料电池技术产生放电反应，同时实现反应余热的梯级利用，为工业园区，商业中心，数据中心，办公楼，社区设施，住宅等提供热力和电力的联合供应服务。

 

燃料电池分布式系统的优势：

 

1. 供能效率高：相比于天然气、风能、太阳能，燃料电池系统通过电化学反应实现能量的转换，发电效率最高;同时余热品味高，热能利用难度小，整体效率可到95%。尤其是在微型CHP(<5kW，住宅、社区公共设施、商铺等)应用领域，效率优势尤其明显。

 

2. 环境效益突出：燃料电池分布式以天然气为原料，可显著减少二氧化硫、氮氧化物和颗粒物质的排放;同时，天然气重整流程相比天然气分布式系统的直接燃烧流程，有着更低的排放指标，尤其是在小功率发电领域。

 

3. 负载弹性：燃料电池分布式相比风、光等可再生分布式能源具有更高的时间和输出可控性和可靠性。通过充分了解用户负荷的需求特性以及期望的可靠性水平，个性化优化能源供应容量规模;在使用过程中启停灵活、响应速度快，可以实现负荷跟随，减少储能成本。

 

4. 城市适应能力强：该系统原料来自现有城市燃气网络，供能主体为燃料电池模组，模块化、规格化的产品特征使其无基础设施要求、建设周期短、扩容升级简单;相比于风力，太阳能光/热系统，燃料电池分布式占用空间小，无安装位置要求;相比于燃气引擎，燃料电池系统无动设备参与，运行安静无噪音。

 

四、利用家庭燃料电池分布式系统匹配电动车充电负荷

 

目前，我国电动车产业稳步发展，电动车已成为国内家庭的重要交通工具之一。若按照我国2030年8000万辆电动汽车的规划，每辆车2万公里的边界条件来计算，全年电网需要增加的充电电力供应总量将达到3200亿度(三峡年发电量的3.3倍)。目前市售的家用电动汽车中，特斯拉Model S的续航里程超过400公里，其电池容量达到了85kWh;比亚迪e6的续航里程达到了300km，它的的电池容量为57kWh;以常见的国家电网慢充桩为例，其电压为220V，电流在25A左右，输出功率约5.5kW，因此为一辆电动汽车充满电所耗费的时间为10-15个小时。按照家庭生活习惯，在晚间下班回家后人们即会将电动车停在家用车库或小区共用车库开始充电，至早上再次驾驶出门。同样按照居民生活习惯，城市用电高峰期为晚间下班回家至入睡前，以及晨间起床洗沐至出门上班前。但是，如果电动车在城市用电高峰负荷时充电，不但不能对电网负荷起到调节作用，反而使得电网更加雪上加霜，降低电网效率，造成严重不利影响。

 

基于用电高峰期间同样是家庭用热的需求高峰时段，这里提出安装家庭燃料电池CHP(~5kW)来匹配电动车充电负荷的解决方案，可以在高峰时段满足家庭热水和空间热能需求的同时，利用同步产生的电力为电动车辆充电，避免对电网的冲击，减少用户用电费用，甚至获得需求响应的政策奖励。使得高峰时期和低谷时期城市电力需求差距越来越小，提高电网基荷用电量，提升电网整体效率，总体需求上升时，发电成本却越来越低，每个居民的用电成本都能得到实质改善。