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构建清洁能源微网的思路与探索

作者:朱跃钊 来源:能源研究俱乐部 发布时间:2020-08-28 浏览:次
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清洁能源微网建设探索

朱跃钊

(南京工业大学)

针对我国能源生产和消费面临的挑战,以及国家能源发展战略要求,构建清洁能源微网是实现我国能源革命的重要途径之一。清洁能源微网以可再生能源为基础,环境能源、天然气和洁净煤等能源协同,化石能源补充,实现区域性分布式冷热电气联供。本文阐述了清洁能源微网的内涵、四个特征、五个层次以及设计思路,重点分析了可再生能源系统、环境能源系统、洁净煤和氢能等能源开发利用中的关键技术,为清洁能源微网构建提供参考。

一、清洁能源微网的构建

能源革命的内涵之一是推动能源供给革命,建立多元供应体系。实现路径之一是构建高效的清洁能源微网,即以可再生能源为基础,天然气、洁净煤、环境能源等协同,化石能源补充,实现多能互补耦合,建立区域性分布式冷热电气供应系统,实现产能、供能、用能、蓄能和节能相互协调统一的能源供应系统,带动可再生能源的规模化应用与发展,推进洁净煤、环境能源在多元供应体系中的应用。

清洁能源微网系统有以下特征:(1)能量利用合理化:提高能源系统㶲效率,实现品位对接、温度对接、梯级利用与互补耦合,提升系统经济性能,并最大限度使用可再生能源。(2)能源系统环保性:优先采用可再生能源和清洁能源,近零排放,环境友好。(3)能源资源集成化:系统实现可再生能源、清洁能源、化石能源等能源资源的整合。(4)多网协同性:实现电力网、热力网、信息网三网融合。

清洁能源微网系统包含五个层次:一是能源侧,包括可再生能源、化石能源、环境能源等。二是能源转换、耦合互补侧,根据不同区域可再生资源禀赋及用能侧需求,选择多种能源的组合和能量转换的方向与路径,以实现耦合互补和梯级利用。三是能量储存侧,根据能源侧供能特性及需求侧用能需求,以及能量管理、智能调控要求进行储热(冷)、储电、储氢、储气,提高供能质量与能源利用效率。四是智能控制侧,综合考虑气候气象因素、可再生能源的多源异质、多/强扰动等约束条件,建立可再生能源优先使用,天然气、洁净煤、环境能源等能源协同,电网、热网、气网补充的调控原则,并利用“云大物移智”等现代信息技术,建立基于专家数据库的能源微网智能控制及系统运行管理系统,以保证系统平稳、快速响应。五是用能侧,根据用能侧负荷气象气候特征及使用特性,构建用能潜能分析及系统预测方法,实现热(冷)电气多网联供。

清洁能源微网系统设计思路:结合区域规划,以可再生能源为基础,天然气、洁净煤、环境能源等能源协同,化石能源补充,以储热、储电、制氢储氢、储气为储能手段;以余热利用、能量梯级利用、水源热泵及建筑低能耗等为节能手段,以市政电网、热网、气网补充为调控手段,通过多能互补耦合、品位对接、梯级利用、储用结合、分级响应、精准调控、智能控制的策略,基于不确定性的可再生能源系统动态校验规划设计方法,构建清洁能源微网供能系统。在构建清洁能源微网时,应以可再生能源最大限度利用和区域内使用为原则。

二、清洁能源微网关键技术

(一)可再生能源系统

可再生能源系统涉及到多层面多因素、多系统随机动态复杂过程。关键技术主要包括:

(1)基于不确定性的可再生能源系统动态规划设计方法。结合区域气候气象特征分析,揭示稳定供应型与间歇型可再生能源的高效互补机理,探明用能侧负荷气候气象跟随特性,建立可再生能源热电气储耦合供能系统技术架构。针对可再生能源系统高随机性、弱互联及动态特性等关键问题,构建全工况动态特性仿真模型,探索变工况状态各因素间的关联规律,提出基于不确定性的可再生能源系统动态校验规划设计方法。

(2)基于气象数据预测的可再生能源热电气储耦合气象数据库。分析气象要素时空分布特征及供/用能需求关联特性,建立区域基础气象数据库,开展潜能分析和短期预测,获得气象条件对供/用能系统的影响规律。

(3)以多种可再生能源为基础的热电气储耦合机理、调控机制及高效转换技术。基于气候特征、气象跟踪、资源禀赋,采用可再生能源各单元供能负荷及产物可调节技术,结合储能单元能量高效转换、梯级利用以及分级跟踪响应技术,探索多能源输入、热电气输出与储能的耦合机理,揭示变工况多能互补、热电气储联产、稳定快速跟踪供能、经济性等多目标优化下的高效能量转换和调控机制。

(4)高随机性、弱互联及多能耦合下可再生能源热电气储系统的先进控制与能量管理技术。综合运用多时间尺度优化调度、多能流动态建模、随机预测控制等技术,提出完整的先进控制和能量优化管理方法。建立面向节能、经济、环保多目标的日前、日内、实时的多时间尺度优化调度模型,通过预测误差反馈校正和滚动优化,提出基于鲁棒自适应状态估计的多变量随机预测控制方法,实现多/强扰动下系统的平稳运行和负荷快速跟踪。

(二)环境能源供能系统

传统的能源是指向自然界提供能量转化或可做功的物质,而环境能源则是指在维护和改善环境的同时,可综合发展及合理利用的能源统称,其特征是以最优化原理来解决环境与能源可持续发展问题,即在环境治理时尽量使废弃物资源化利用,在处置过程中减少二次污染,在资源化过程中经济合理、运行可靠。处置及资源化过程采用一系列高参数手段,如高温、高压、高级氧化、超临界和高电荷(等离子体等)等。环境能源供能系统是在安全、清洁处置固体废弃物的同时使其最大限度的资源化、能源化,同时可以将其组合到我们的能源微网当中。然而目前还存在一些技术瓶颈,主要有:技术装备要求高,能源效率有待提升,处置过程二次污染,产品深度利用不足,缺乏颠覆性技术等。环境能源供能系统关键技术包括以下几个方面。

(1)低温热解—气固两相多组分高温逆流气流床热化学转化相结合的复合热解新工艺。有机固废低温热解产物经高温热化学反应,高效转化为一氧化碳和氢气。在高温还原气氛下,气体的深度净化变得简单。气相产物可进一步深度利用,如制氢,残渣转化为建材。整个工艺过程,能量梯级利用,不直接对外排烟,是一种清洁、高效、安全、经济的有机固废热解及资源化利用技术工艺。

(2)新型有机固废高效热解技术。针对生活垃圾这类有机固废,研发新型回转式碳剥离、深度热分选与低温热解耦合技术,主要是通过炉料金属、无机物和装置结构的双重作用,对热解碳物质进行物理动态连续破碎,同时通过装置结构实现块状金属及块状无机物热分选,提高热解速率和效率。针对污泥这类有机物固废,采用圆盘型双通道外热式移动床热解新技术,通过双通道加热,圆盘型换热,设计物料移动推进和热解气柔性分隔结构等,解决污泥干燥热解一体化、污泥流动性差、传热传质效率低、热解反应控制等技术瓶颈。

(3)气固两相多组分高温逆流气流床中心高温热岛构建及有害有毒物质高温热阻断技术。采用新型双水内冷多喷嘴结构及炉内布置形式与工艺参数结合,构建炉内中心高温热岛,形成炉内明显温度梯度,实现气固多组分热解产物高效热化学转化、避免熔渣等对炉壁冲刷、熔蚀、挂壁、堵塞及合成气出口温度高的难题,以及有害有毒物质,特别是重金属固熔、二噁英高温热阻断。

(4)基于不饱和稠杂环芳烃化合物载体的常温常压高密度可逆储氢、制纯氢技术。环境能源供能系统经济性制约了有机固废安全、彻底处置技术的工业化应用。有机固废热化学处置制氢是实现系统经济效益的重要途径,而氢气安全储运也是当前的技术难题。基于不饱和稠杂环芳烃化合物载体的有机液体储供氢技术具有高稳定性、高可逆性、高储氢量、低成本等特点,与高压储氢、低温液体储氢、液氨储氢等技术相比,实现了常温常压条件下氢高密度储运,可利用现有化石能源输运构架,大幅降低加氢站建设门槛与成本。该技术储氢密度达到6wt%(每100质量单位里含有6质量单位),氢气纯度为99.99%,为应用于燃料电池开辟了另一路径。

(三)氢能技术

氢能是我国能源战略的重要组成部分。2019年全世界已有19个国家和城市制定了各自的氢能战略和发展路线图。很多国家将氢能产业化作为新的经济增长点,力争保持现有的全球竞争力。在清洁能源微网系统中,综合运用可再生能源制氢、有机废物制氢以及制氢储氢发电等技术,通过氢能可实现废弃能源的储存与高值化利用。

(四)煤炭清洁高效利用技术

推动煤炭清洁高效利用是我国能源转型的主要任务,但目前高碳能源低碳化的利用技术仍是煤化工的技术瓶颈。建立绿色化现代煤化工产业体系,推进煤基燃料全面发展,开发高效清洁煤气化技术、高效污染物脱除技术、多污染物协同控制技术、废水零排放技术以及“三废”资源化利用技术,是实现煤炭清洁利用的重要手段。煤热解—两相多组分高温逆流气流床气化—熔融新工艺为破解这一技术难题提供了一种途径。

三、结语

从我国能源消费需求、化石能源储采比及应对气候变化考量出发,我国亟需推动能源供给革命,探索能源供给新模式。清洁能源微网供能体系通过综合运用可再生能源、环境能源、清洁能源等一系列关键技术,可有效破解当前能源与环境发展面临的诸多瓶颈,为我国能源高质量发展提供思路。

参考文献:

[1]谢克昌. 以煤为主格局决定能源转型立足点和首要任务[N]. 中国科学报,2019-12-09(007).

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[3]李兵,牛洪海,陈俊,耿欣,娄清辉.多能互补综合能源系统运行优化研究[J].分布式能源,2018,3(02):53-57.

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[6]肖波,马隆龙,李建芬,朱跃钊.生物质热化学转化技术[M].北京:冶金工业出版社,2016.

原文首发于《电力决策与舆情参考》2020年8月7日第31期

关键字:微电网 储能

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