盘点综合能源九大关键技术

　　【综合能源】

　　前言：当信息技术革命与能源转型携手一次次打破传统能源服务的壁垒时，综合能源服务走进了大众视野，并逐渐成为了未来能源社会不可或缺的中坚力量。综合能源服务产业链涉及内容十分广泛，从前期能源系统的设计与规划，到能源传输与转换过程中的智能调控与存储，再到需求侧的数字化管理与能效优化等等，将能源领域的各行各业进行了深度融合，并对经济，环保，就业等诸多方面益处良多。这其中供给侧能源设备与技术的选择，不仅是综合能源服务的底层环节，更是复杂综合能源系统的基石。本文将从综合能源服务的能源供给侧切入，为大家简要介绍一些该领域的关键设备与技术。在之后的综合能源关键技术系列文章中，将对下文提到的九大关键技术进行详细的展开介绍，涉及包括技术原理简介，技术发展及成熟度，技术优势分析，技术经济性，政策现状背景，具体项目案例以及国内外发展对比在内的不同单元。

　　一．冷热电三联供 CCHP

　　作为传统热电联产CHP的扩展，冷热电三联供CCHP不仅可以满足发电需求，同时释放的热量将成为副产品被回收利用，作为空间加热，水加热以及空间冷却的热源。CCHP由燃气发动机，发电机，热交换器和吸收式冷却器组成。燃气发电机肩负产热和产电功能，而废热将被输送到吸收式冷却器中，利用此产生冷却能。该技术常常应用于建筑物的空调设备，而吸收式制冷机产生的电能与废热之比可以通过变化来满足特定的要求。

图1：冷热电三联产CCHP功能图

　　与独立的供热与电力系统相比，冷热电三联产系统不仅提高了能源效率，节约了能源，也降低了燃料和能源成本，因而更具有经济效益。而CCHP与例如沼气等可再生能源的结合，也进一步促进了能源转型，同时通过二氧化碳减排为日益严重的温室效应做出贡献，潜力不容忽视。

　　二． 电池技术 Battery

　　近年来电池技术的研究越来越受到重视，仅在2019年上半年，世界各国对电池技术的投资就超过了14亿美元。目前，电池领域中，不同类别的电池正在不同的应用场景中发挥优势。电池技术的飞速发展也加快了全球能源转型的步伐。

　图2：锂电池Lithium-ion battery充放电原理图

　　电池技术种类众多，其中最常见的锂离子电池的效率可达80%到85%，不需要复杂的安装条件，具有寿命长、输出功率高的特点，但是安全性能稍差，且对电池管理系统的要求比较高，电池系统的成本也较高。目前主要应用在调频、调压、移峰、电动汽车和光伏储能系统中，未来在汽车行业中的市场需求量十分可观。而铅酸电池的总效率在70%到75%左右，可以通过控制过充电反应来提高安全性能，无需复杂的电池管理，短期摊销和初始投资相对较低，但是其对通风的要求较高且循环寿命有限，目前主要应用在调频、调压、不间断电源、光伏储能系统和孤岛电网中，未来如果能建立起完整的自动化生产线则应用规模会继续拓展。此外，熔盐电池的总效率在68%到75%左右，这类电池能量密度较高，使用寿命长，约在15到20年，且钠硫资源原料成本低，但是其工作温度很高，在使用过程中可能会带来潜在危险，目前主要应用在调频、移峰、电动汽车、孤岛电网和不间断电源中。

　　三．电转气技术 Power to Gas

　　天然气与天然气基础设施具有高脱碳潜力，因而是未来基于可再生能源的能源系统中的必要组成部分。电力基础设施与天然气基础设施的连接起着重要作用，这不仅可以更好地整合可再生能源，同时具有经济效益，在满足能源可持续性和供应安全性的前提下进一步优化了能源供应系统。因而电转气技术即P2G是未来能源供应的一大趋势。

图3：Power to Gas综合能源系统图

　　P2G技术的核心原理是利用电解水反应产生氢气，并将其与大量甲烷混合进入天然气管道，或者进一步转化成甲烷或其他合成燃气。而与可再生能源电力的结合，不仅可以减少二氧化碳的排放，还可以在长时间内实现几乎无损失的存储。“绿色”氢几乎可以用于工业和交通运输的所有领域， 例如区域铁路运输的电气化以及减少公共交通中柴油车辆的使用率，还可以为工业领域带来众多脱碳潜力。目前P2G面临的最大挑战仍然是较低的能源转化效率（约为50%-70%）和居高不下的成本。但不可忽视的是，电解水制氢的成本降低进展十分迅速，依照过去几年经验，如果将堆栈输出增加一倍，那么将成本降低约20％是可行的，鉴于目前仍然偏低的生产数量，可以看到P2G经济性的进一步提升仍具有巨大潜力。

　　四．相变储能技术 PCM technology

　　在建筑领域中，相变储能材料常用于大容量储冷储热，一般与供热系统或建筑材料结合，可成为建筑组成中的一部分，如内墙、楼板等，也可在冷热源处配置，如冰蓄冷设备。近年来较为火热的“被动式房屋”中，通过与采暖通风系统结合，相变储能材料得到了很好的应用。

　　图4：相变储能过程原理图

　　相变储能的原理是利用相变材料（Phase Change Material, PCM）的储热特性来储存或者释放其中的热量，从而达到一定的调节和控制该相变材料周围环境的温度的作用，改变能量使用的时空分布，提高能源的使用效率。在吸热和放热的过程中，材料温度不变，在很小的温度变化范围能带来大量能量的转换过程，是相变储能的主要特点。典型的相变材料有水、无机盐类、石蜡等，具有以下主要特性：

　　化学性能方面：在反复的相变过程中化学性能稳定，可多次循环利用，对环境友好、五毒、安全。

　　物理性能方面：材料发生相变时的体积变化小，容易储存；放热过程温度变化稳定。

　　经济性方面：材料的价格比较便宜，并且较容易制备；常见的相变状态中，固-气相变和液-气相变在过程中有气体产生，自身体积变化较大，因此很少被应用，固-固相变类型本身较少，固-液相变变成了应用的主流。

　　五．氢能技术 Hydrogen technology

　　氢气是传统化工生产领域的生产材料，也是一种十分灵活的能源载体，是除了电力以外少有的零排放能量载体之一，燃烧后的产物只有水。氢气作为一种能源载体，在交通、工业和建筑等各个领域的能源供应在都有重要的作用，结合燃料电池技术，能够大大提高未来低碳能源系统的操作灵活性。

　　图5：氢能产业链图

　　目前，氢能产业正处于将氢气从工业原料向能源利用转型的初期阶段，受到各个国家的重视，日本东京专门为了氢能的发展制定了一整套计划。氢气的制造设备、运输设备以及加氢站等基础设施的建设是发展氢能的第一步，这也是氢能发展即将面临的最大挑战。基础设备的成本在其产业链上的每一个环节都不容小觑。作为一种灵活的二次能源，氢能能够十分有效的将电网、热力管网和各类终端燃料的利用结合起来，促使能源供应端融合，实现多能互补，提升能源使用效率。比如：

　　通过大型的燃料电池，可以将氢能再次转化为电能，实现电网的调峰调频。

　　以一定比例混入燃气管网，实现与热力管网的耦合。

　　作为家庭和汽车用户的终端燃料使用。

　　六．高效冷凝锅炉 Condensing boiler

　　在天然气转化为热能的过程中，与常规锅炉相比, 冷凝锅炉可以在耗费相同燃气的情况下产生更多的能量。传统的锅炉排烟温度在110℃-200℃左右，冷凝锅炉冷凝燃烧技术可以将烟气温度降到50度，将部分烟气冷凝成液态，吸收了烟气从气体变为液体的热量，也就是回收了原来被烟气带走的热量，如此一来就充分利用了热量，大大降低了热量损失。所以热效率比普通锅炉高许多，可达98%。

　　图6：冷凝锅炉工作原理图

　　此外，冷凝锅炉还具有全预混式燃烧的功能，避免了由于空气与燃气量比例不配所导致的不完全燃烧和资源浪费。冷凝锅炉的燃烧室常常由不锈钢材料制成，相比于普通铜铝材料具有更高的抗酸性和腐蚀性，因而寿命可达20年以上，从投资角度来看具有可观的经济价值。综合来看，冷凝锅炉不仅绿色环保，也更经济节能，目前在欧洲已得到了广泛应用。随着技术的发展，不仅仅是在传统的工业领域，冷凝锅炉在了家庭使用的比例也在逐年升高。未来随着能源转型与节能减排政策的实施，冷凝锅炉将会成为供暖行业的一大趋势。

　　七． 热泵技术 Heat pump

　　在新能源供热技术中，热泵是非常杰出的代表。其原理是利用制冷系统的热循环过程，将低温热源，例如室外的空气，循环水或地面的热能，传递到高温物体中，用来加热水或采暖。为了将低温热源中的能量传递到高温热源，热泵需要来自外部的电能，流量温度越高，电能需求越大。因此低温热源（例如地下水，水或空气）与加热能（例如加热的流动温度）之间的温差应尽可能小。而热泵制冷管道中的特殊阀门可使制冷循环反向进行，因而热泵不仅可以可以加热也可以冷却空间。

图7：热泵夏冬季热循环图

　　常见的热泵种类有空气热泵或空气-水热泵，可以将来自周围空气或废气的热量传递到需要加热的房屋内。由于巧妙地使用了冷却剂，压缩和加热技术，因此无论是在夏季的高温下还是温度零下的冬季均可使用。而水热泵（也称为水-水热泵）需要从相对温暖的地下水中提取热量，再将地下水引导回去，为了保护土壤和地下水，此类热泵常需要经过批准才能使用。另外还有一种地热热泵，可以通过探头或表面收集器直接吸地热能，十分方便，应用广泛。热泵不仅低碳环保，运行也相对安静，可以在较小的建筑面积上使用，因而已越来越多地被使用到现代化加热系统与家庭领域。从经济型角度长期来看，由于不需要额外的燃料费用，相比于传统的加热和冷却系统更具优势。

　　八． 生物质能 Biomass

　　随着近些年来可再生能源的扩张，生物质在能源领域的应用也不断地被开发。通过热处理过程如焚烧、气化和高温分解，又或者通过细菌分解技术等，可以从生物质中以热能，气体或液体燃料的形式提取能量，在这个过程中产生的热水或水蒸气，又可以作为发电机的动力来源，因而时常与热电联产设备配合使用。

　　图8：生物质能发电厂的工作原理图

　　生物质能种类繁多，来源包括：

　　林业资源如伐木废料，残留的树枝、树叶和木屑等，以及林业副产品的废弃物，如果壳和果核等；

　　农业资源如玉米秸秆，甘蔗渣等，以及农业加工业的废弃物，如稻壳等；

　　生活污水如城镇居民生活、商业和服务业的厨房排水、粪便污水、洗衣排水等；

　　工业有机废水如酒精、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物；

　　城市固体废弃物如居民生活、商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物等

　　生物质能在化石能源的替代性，产品多样性，可循环性和环保性方面的优势不言而喻。除此之外，生物质能还有利于创造就业市场，拉动内需，同时在一定程度上可以通过自主生产燃料抑制石油价格，未来发展潜力巨大。

　　九． 物联网虚拟电厂 Virtual power plant

　　物联网指将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。虚拟电厂以物联网为基础，通过分布式电力管理系统将电网中分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合体，参与电网的运行和调度，协调智能电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。

　　虚拟电厂=发电系统（DG）+储能设备+可控负荷+通信系统

　　图9：虚拟电厂构想图

　　虚拟电厂的提出是为了整合各种分布式能源，包括分布式电源、可控负荷和储能装置等。在虚拟电厂中，分散安装在配电网中的清洁电源、受控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行，每一部分均与能量管理系统（EMS）相连，控制中心通过智能电网的双向信息传送，利用EMS系统进行统一调度协调机端潮流、受端负荷以及储能系统，从而达到降低发电损耗、减少温室气体排放、优化资源利用、降低电网峰值负荷和提高供电可靠性的目的。未来，虚拟电厂将凭借其自身的多种优越特性进一步“侵入能源市场”。