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，以及國家能源發(fā)展戰略要求，構建清潔能源微網(wǎng)是實(shí)現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(shí)現區域性分布式冷熱電氣聯(lián)供。本文闡述了清潔能源微網(wǎng)的內涵、四個(gè)特征、五個(gè)層次以及設計思路，重點(diǎn)分析了可再生能源系統、環(huán)境能源系統、潔凈煤和氫能等能源開(kāi)發(fā)利用中的關(guān)鍵技術(shù)，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

能源革命的內涵之一是推動(dòng)能源供給革命，建立多元供應體系。實(shí)現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(shí)現多能互補耦合，建立區域性分布式冷熱電氣供應系統，實(shí)現產(chǎn)能、供能、用能、蓄能和節能相互協(xié)調統一的能源供應系統，帶動(dòng)可再生能源的規?；瘧门c發(fā)展，推進(jìn)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)系統有以下特征：(1)能量利用合理化：提高能源系統?效率，實(shí)現品位對接、溫度對接、梯級利用與互補耦合，提升系統經(jīng)濟性能，并最大限度使用可再生能源。(2)能源系統環(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：系統實(shí)現可再生能源、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(shí)現電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)、信息網(wǎng)三網(wǎng)融合。

清潔能源微網(wǎng)系統包含五個(gè)層次：一是能源側，包括可再生能源、化石能源、環(huán)境能源等。二是能源轉換、耦合互補側，根據不同區域可再生資源稟賦及用能側需求，選擇多種能源的組合和能量轉換的方向與路徑，以實(shí)現耦合互補和梯級利用。三是能量?jì)Υ鎮?，根據能源側供能特性及需求側用能需求，以及能量管理、智能調控要求進(jìn)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，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(dòng)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)補充的調控原則，并利用“云大物移智”等現代信息技術(shù)，建立基于專(zhuān)家數據庫的能源微網(wǎng)智能控制及系統運行管理系統，以保證系統平穩、快速響應。五是用能側，根據用能側負荷氣象氣候特征及使用特性，構建用能潛能分析及系統預測方法，實(shí)現熱(冷)電氣多網(wǎng)聯(lián)供。

清潔能源微網(wǎng)系統設計思路：結合區域規劃，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?xún)?、儲電、制氫儲氫、儲氣為儲能手?以余熱利用、能量梯級利用、水源熱泵及建筑低能耗等為節能手段，以市政電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)補充為調控手段，通過(guò)多能互補耦合、品位對接、梯級利用、儲用結合、分級響應、精準調控、智能控制的策略，基于不確定性的可再生能源系統動(dòng)態(tài)校驗規劃設計方法，構建清潔能源微網(wǎng)供能系統。在構建清潔能源微網(wǎng)時(shí)，應以可再生能源最大限度利用和區域內使用為原則。

二、清潔能源微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

(一)可再生能源系統

可再生能源系統涉及到多層面多因素、多系統隨機動(dòng)態(tài)復雜過(guò)程。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)基于不確定性的可再生能源系統動(dòng)態(tài)規劃設計方法。結合區域氣候氣象特征分析，揭示穩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技術(shù)架構。針對可再生能源系統高隨機性、弱互聯(lián)及動(dòng)態(tài)特性等關(guān)鍵問(wèn)題，構建全工況動(dòng)態(tài)特性仿真模型，探索變工況狀態(tài)各因素間的關(guān)聯(lián)規律，提出基于不確定性的可再生能源系統動(dòng)態(tài)校驗規劃設計方法。

(2)基于氣象數據預測的可再生能源熱電氣儲耦合氣象數據庫。分析氣象要素時(shí)空分布特征及供/用能需求關(guān)聯(lián)特性，建立區域基礎氣象數據庫，開(kāi)展潛能分析和短期預測，獲得氣象條件對供/用能系統的影響規律。

(3)以多種可再生能源為基礎的熱電氣儲耦合機理、調控機制及高效轉換技術(shù)?；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)物可調節技術(shù)，結合儲能單元能量高效轉換、梯級利用以及分級跟蹤響應技術(shù)，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)化下的高效能量轉換和調控機制。

(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的先進(jìn)控制與能量管理技術(shù)。綜合運用多時(shí)間尺度優(yōu)化調度、多能流動(dòng)態(tài)建模、隨機預測控制等技術(shù)，提出完整的先進(jìn)控制和能量?jì)?yōu)化管理方法。建立面向節能、經(jīng)濟、環(huán)保多目標的日前、日內、實(shí)時(shí)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調度模型，通過(guò)預測誤差反饋校正和滾動(dòng)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(shí)現多/強擾動(dòng)下系統的平穩運行和負荷快速跟蹤。

(二)環(huán)境能源供能系統

傳統的能源是指向自然界提供能量轉化或可做功的物質(zhì)，而環(huán)境能源則是指在維護和改善環(huán)境的同時(shí)，可綜合發(fā)展及合理利用的能源統稱(chēng)，其特征是以最優(yōu)化原理來(lái)解決環(huán)境與能源可持續發(fā)展問(wèn)題，即在環(huán)境治理時(shí)盡量使廢棄物資源化利用，在處置過(guò)程中減少二次污染，在資源化過(guò)程中經(jīng)濟合理、運行可靠。處置及資源化過(guò)程采用一系列高參數手段，如高溫、高壓、高級氧化、超臨界和高電荷(等離子體等)等。環(huán)境能源供能系統是在安全、清潔處置固體廢棄物的同時(shí)使其最大限度的資源化、能源化，同時(shí)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(shù)瓶頸，主要有：技術(shù)裝備要求高，能源效率有待提升，處置過(guò)程二次污染，產(chǎn)品深度利用不足，缺乏顛覆性技術(shù)等。環(huán)境能源供能系統關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

(1)低溫熱解—氣固兩相多組分高溫逆流氣流床熱化學(xué)轉化相結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(xué)反應，高效轉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(jiǎn)單。氣相產(chǎn)物可進(jìn)一步深度利用，如制氫，殘渣轉化為建材。整個(gè)工藝過(guò)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(shù)工藝。

(2)新型有機固廢高效熱解技術(shù)。針對生活垃圾這類(lèi)有機固廢，研發(fā)新型回轉式碳剝離、深度熱分選與低溫熱解耦合技術(shù)，主要是通過(guò)爐料金屬、無(wú)機物和裝置結構的雙重作用，對熱解碳物質(zhì)進(jìn)行物理動(dòng)態(tài)連續破碎，同時(shí)通過(guò)裝置結構實(shí)現塊狀金屬及塊狀無(wú)機物熱分選，提高熱解速率和效率。針對污泥這類(lèi)有機物固廢，采用圓盤(pán)型雙通道外熱式移動(dòng)床熱解新技術(shù)，通過(guò)雙通道加熱，圓盤(pán)型換熱，設計物料移動(dòng)推進(jìn)和熱解氣柔性分隔結構等，解決污泥干燥熱解一體化、污泥流動(dòng)性差、傳熱傳質(zhì)效率低、熱解反應控制等技術(shù)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(shù)。采用新型雙水內冷多噴嘴結構及爐內布置形式與工藝參數結合，構建爐內中心高溫熱島，形成爐內明顯溫度梯度，實(shí)現氣固多組分熱解產(chǎn)物高效熱化學(xué)轉化、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(shù)。環(huán)境能源供能系統經(jīng)濟性制約了有機固廢安全、徹底處置技術(shù)的工業(yè)化應用。有機固廢熱化學(xué)處置制氫是實(shí)現系統經(jīng)濟效益的重要途徑，而氫氣安全儲運也是當前的技術(shù)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(shù)具有高穩定性、高可逆性、高儲氫量、低成本等特點(diǎn)，與高壓儲氫、低溫液體儲氫、液氨儲氫等技術(shù)相比，實(shí)現了常溫常壓條件下氫高密度儲運，可利用現有化石能源輸運構架，大幅降低加氫站建設門(mén)檻與成本。該技術(shù)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(kāi)辟了另一路徑。

(三)氫能技術(shù)

氫能是我國能源戰略的重要組成部分。2019年全世界已有19個(gè)國家和城市制定了各自的氫能戰略和發(fā)展路線(xiàn)圖。很多國家將氫能產(chǎn)業(yè)化作為新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，力爭保持現有的全球競爭力。在清潔能源微網(wǎng)系統中，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(shù)，通過(guò)氫能可實(shí)現廢棄能源的儲存與高值化利用。

(四)煤炭清潔高效利用技術(shù)

推動(dòng)煤炭清潔高效利用是我國能源轉型的主要任務(wù)，但目前高碳能源低碳化的利用技術(shù)仍是煤化工的技術(shù)瓶頸。建立綠色化現代煤化工產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)煤基燃料全面發(fā)展，開(kāi)發(fā)高效清潔煤氣化技術(shù)、高效污染物脫除技術(shù)、多污染物協(xié)同控制技術(shù)、廢水零排放技術(shù)以及“三廢”資源化利用技術(shù)，是實(shí)現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(shù)難題提供了一種途徑。

三、結語(yǔ)

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(dòng)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(guò)綜合運用可再生能源、環(huán)境能源、清潔能源等一系列關(guān)鍵技術(shù)，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