电力企业发展综合智慧能源的潜力与实现路径分析
发布者:admin | 0评论 | 504查看 | 2021-09-14 10:14:52    

引言


“十三五”以来,随着我国经济发展步入新常态,电力消费稳步增长,用电量增速放缓。由于新旧动能转换还未完全实现,新动力不足以支持电力消费持续快速增长,2019年全社会用电增长下降至4.5%。“十四五”、“十五五”是我国能源供应与消费结构转型的关键期,影响用电总量的直接因素即高耗能传统行业用电占比下降,经济发展方式的转变、产业结构和布局的优化调整,以及技术进步都将导致未来电力需求增速逐步回落。


从结构看,我国电力供应结构持续多元化,形成以水电、火电、核电、风电、太阳能发电多电源类型的电力供应结构。截止到2019年底,水电、火电、核电、风电、太阳能发电装机占比分别为17.7%、59.2%、2.4%、10.4%和10.2%,发电量占比分别为17.8%、68.9%、4.8%、5.5%和3.1%[1]。虽然煤电在电源结构中份额逐渐降低,无论在装机还是在发电量方面,煤电仍然是我国现阶段电力供应中的主力电源,并且其主体地位近期内不会改变。


从技术看,我国发电技术进步显著,新能源发电成本进一步降低。随着高参数、大容量燃煤发电技术、常规污染物控制及碳捕获、利用与封存(CCUS)等清洁高效燃煤发电技术的发展和应用,煤炭的清洁高效利用水平不断提升。目前,最先进的高效燃煤发电机组发电效率已超过47%;新能源发电技术的发展使得度电成本不断下降,在过去6年间,陆上风电度电成本年平均下降14%,海上风电度电年平均下降20%,光伏度电成本年平均下降22%。


从体制机制看,我国电力市场逐步开放、资源配置方式发生改变。国务院印发的2015年9号文标志着新一轮电力体制改革的开始[2],全国电力市场交易电量逐年快速增加,交易电量已从2016年1万亿kWh增长到2019年28344万亿kWh。资源配置方式从行政配置资源变为逐步转变为市场配置资源模式,用户侧从被动接受电能变为积极参与电力供需平衡和需求侧响应。


我国电力企业的角色由能源供应商向能源服务商转换。从属性看,电力除了不易于储存这个特点,其余均符合普通商品的属性,因此作为商品的出售方,电力企业应适时地从能源供应商向清洁能源服务商角色转变,延长服务链条,与需求侧直接对话。在过去的电力供需模式中,电力供应侧更多地被动根据电网负荷预测供给电能。现阶段,随着用户要求从用能数量向用能质量转变,电力企业需以用户需求为出发点,向用户提供智慧化能源服务,从而提升社会整体的用能效率,建设节约型社会。


本文从企业角度出发,分析了我国电力企业发展综合智慧能源的潜力方向,并从具体实施层面,将开展综合智慧能源实践划分为三个阶段,提出企业实现供能质量提升的实现路径。


1综合智慧能源的内涵


综合智慧能源,是指针对特定某一区域内的能源用户,摒弃原有各能源品种、各供应环节单独规划、单独设计、单独运行的传统模式,以电为核心,提供电、热、冷、气、水等多种不同能源品种的一体化解决方案,实现“源—网—荷—储—用”能源供应环节协同[3,4]。从广义上讲,能源系统不仅要实现能源需求智慧化、能源运输智慧化,还应实现能源生产智慧化。图1为综合能源系统示意。


围绕能源供应和消费系统智慧化,目前已形成了诸多具象的相关概念,如:


(1)“互联网+”智慧能源是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态[5],通过大数据、云计算等信息技术为用户提供全流程的监测控制、操作运营、能效管理的综合服务。


(2)能源互联网是运用电力电子技术、信息技术和智能管理技术,将由分布式信息采集装置、能量储存装置和各种类型负载构成的综合能源供应网络的节点互联起来,实现能量流、信息流、业务流的实时交换、共享与优化。


(3)多能互补、集成优化能源系统主要有两种模式[6]:一是面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求,因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源,优化布局建设一体化集成供能基础设施,实现多能协同供应和能源综合梯级利用;二是利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势,推进风光水火储多能互补系统建设。


(4)智慧电网是以物理电网为基础,集成先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术,满足用户对电力的需求和优化资源配置,确保电力供应的安全性、可靠性和经济性,适应电力市场化发展,实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。


2综合智慧能源技术


区别于传统能源系统从产业链上游向下游纵向延伸的组织方式,综合智慧能源系统涉及能源生产技术、能量存储技术、传输技术、用能服务技术以及实现源、网、荷与用户之间有机联结的系统控制与服务技术,如基于能源互联网的智慧能源监管技术、用电侧基于能源大数据的智慧能源精准需求管理技术等。


2.1综合智慧能源技术体系框架


综合智慧能源系统以电力、热(冷)等能源生产技术为依托,通过能源输送管廊,向下游终端能源用户延伸,以系统控制与服务技术为内核,以能源存储技术为辅助,构建起智慧化能源服务运行体系。


(1)能源生产技术主要包括燃煤(含背压机)和燃气多联供、分布式直燃锅炉、余热余压发电、小型风电、分散式光伏发电、地热源与空气源热泵、溴化锂制冷等,应因地制宜地选择合适的能源生产技术组合。


(2)能源输送技术通常包括配电网、供热(冷)网、天然气管网、水网及综合管廊,通过集成信息采集、分析处理等技术,能够实现各种能源品种协同配送。


(3)根据能源存储方式,储能技术主要包括机械储能、电磁储能和电化学储能等三大类。机械储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等,其中抽水蓄能技术和应用成熟,而受综合智慧能源地域性限制,适用性不佳。电磁储能技术有超导储能、超级电容等,尚处于实验室研发阶段。电化学储能技术有锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池等技术,近年受电动车电池技术的快速发展,锂离子电池、铅酸电池在储能领域开展小规模商业化应用。


除储电外,能量储存形式还包括储热、储冷、储氢等。储热技术有热水蓄热、固体砖蓄热、熔融盐蓄热,目前前两种储热形式在东北、西北热电机组的供暖季热电解耦中得到广泛应用,熔融盐蓄热主要用于太阳能热发电系统。


(4)随着物联网、大数据、云计算、移动互联网等信息与控制技术的不断提升,综合智慧能源的实现成为可能。在能源生产侧,智慧化能源生产体现在全流程精细化管理、可再生能源精准预测、多能源品种优化供应等方面。在能源消费侧,则体现在需求预测、用能优化、负荷侧需求响应等其他用户增值服务。通过信息平台,实现源、网、荷、用的有效互联互动。


2.2商业模式与应用实践


综合智慧能源项目实施的前提条件和关键要素是商业运营模式。我国能源企业纷纷布局能源互联网、智慧能源、多能互补、能源微电网等项目,加快向综合能源服务转型。


综合智慧能源从应用场景来看,主要涉及大型能源保障基地的多能互补型、智慧城镇型、产业园区型、以及集群楼宇型,围绕特定用户群的用能需求,开发适应性的能源供应体系及用能服务。国家电网公司也积极开展了多项办公园区的综合智慧能源示范项目。


在政策、市场、技术等多重因素作用下,综合能源服务正由概念导入、项目孵化迈向市场验证阶段,表1中列举了部分国内已投运或规划建设的综合智慧能源项目。


从项目整体设计角度看,运营模式主要可分为统一式开发和分散式开发两种。其中,统一开发通常适用于规模较小、用户分布集中的区域,项目单位基于用户需求对区域能源系统进行统一设计、优化和运营管理;分散式开发通常有多个能源供应商、输配商、销售公司等主体共同参与整个能源系统的部分环节。由于综合能源项目设计和运营管理复杂,目前国内已投运或规划建设的项目多为统一开发模式。


2.3当前发展面临的问题与挑战


当前发电企业开展综合智慧能源项目面临体制机制、商业模式、技术集成等多方面挑战。


(1)体制机制尚待完善。


综合智慧能源项目通常涉及电力、热力、燃气、输送管廊等方面内容,从发展规划到审批核准分属不同行政管理部门,为统筹规划和顶层设计造成困难。


(2)商业模式尚不成熟。


综合智慧能源的核心要义在于以用户需求为核心,而现有的能源供应模式业已固化,同时需求侧新增负荷不确定性较大,项目盈利性不明朗;能源供应侧和需求侧对话机制尚未形成,中间环节影响系统效率和服务质量;在现行价格机制下,综合智慧能源系统的智能化价值无法合理转化为经济收益,影响项目投资积极性。


(3)技术优化集成需要深入研究。


综合智慧能源系统通过先进的信息、控制等智能化技术,实现能源供应、输运、应用等过程的协调控制。目前,能源系统全流程智慧化多停留在单一环节阶段,尚需进一步探索与实践。


3电力企业拓展综合智慧能源潜力方向


我国电力企业以发电为核心主营业务,然而近年随着电力需求增速下滑、可再生能源快速发展、电力市场化改革持续推进,传统电力企业特别是燃煤发电企业面临着利用小时数下滑、上网电价降低、机组运行灵活性要求升高等一系列挑战,经营压力空前,夹缝求存,亟需拓展和培育新的盈利增长点。


根据对国内部分电力企业的调研,发电企业结合区域用能需求,已开展多元化的能源服务主要包括:(1)燃煤发电、风电、水电、燃气发电、太阳能发电等其他新能源发电;(2)以燃煤和燃气发电为基础的供热、供汽以及管网;(3)售电;(4)增量配电网。


综合智慧能源根本上是要因地制宜地选择合适的电力等能源生产方式,通过综合能源输送通道,面向终端用户提供综合性能源供应服务,以信息技术为内核,驱动能源生产、输送和供应全流程的质量提升。从这个意义出发,发电企业现有电力业务具备发展综合智慧能源的基础条件和相对优势。


围绕核心发电,结合发电企业在电力领域相关业务,未来发展综合智慧能源可以从拓展综合能源供应、布局分布式发电、规划能源输送管廊、以及开发下游其他增值性用能服务等四个方面着手,逐步拓宽现有能源供应服务的边界和质量。


(1)拓展综合能源供应


以传统发电业务为中心,结合周边用户的采暖、工业蒸汽、压缩空气等其他用能需求,进一步拓展能源生产的边界。不同于电力生产的是,这些用能需求往往具有明显的先发优势,适时进入可先一步抢占市场份额。全国范围内,相当一部分机组已根据当地用能主要是采暖、工业用汽等需求拓展能源供给品类。


(2)布局分布式发电


在产业聚集区、工业园区等用能需求集中区域,结合当地资源条件,发展多能互补的分布式多联供能源系统。


(3)规划能源输送管廊


结合用户的用能需求,综合规划能源输送管廊,包括增量配电网、供冷(热)网、工业用汽管网、气网等,充分利用管道路由。


(4)其他增值性服务


结合发电企业目前已开展的售电业务,在加深用户需求了解和增强互动响应的基础上,为用户提供用能优化、需求响应等增值服务。


4综合智慧能源的实现路径


综合智慧能源作为涵盖能源生产、输运和供应全流程、以智慧化为驱动、以服务质量为核心的理想能源系统,电力企业在多环节都具备向外延伸、最终发展形成综合智慧能源系统的基础条件和潜力。


然而,目前我国在综合智慧能源发展中还存在诸多障碍,如顶层设计匮乏、行业标准欠缺、行业壁垒高筑、价格机制不健全等问题,综合智慧能源系统的应用受限。因此,现阶段电力企业开展智慧能源实践应充分结合现有业务,分阶段逐步实施。按照智慧能源服务范畴,可以分为以下三个层面的内容(见图4):


(1)基于先进信息技术实现智慧化发电;


(2)以发电为核心拓展综合能源供应业务;


(3)以用户为中心发展智慧化能源服务。


根据调研,目前国内发电企业正在逐步开展前两个层面的工作,包括智慧化电厂和综合能源供应链延伸,同时应适时部署智慧能源服务研究,待市场价格机制、用户诉求等外部条件逐步成熟,可以以面向用户的售电业务为依托,进一步拓展能源服务边界,最终形成综合智慧能源体系。


4.1以智慧电厂建设为契机开展存量资产智慧化


能源生产是综合智慧能源系统的重要环节,而智慧化发电实现整体系统的核心任务。发电企业的数字化转型,以智慧决策和人机协调为核心,以实时动态大数据为基础,以强大的计算能力为受端,实现从原料采购、设备运行和营销的精细化管理。


对发电企业而言,数字化转型的影响不仅限于燃料、效率、管理和安全领域。通过数字化运营,发电企业实现以先进分析技术来提高最低和最高负荷,从而提升机组运行灵活性;通过引入传感器连续监测污染物排放,以自动控制技术调整催化剂输入,提升环境效益;采用基于数字化技术的精细化运营,有助于发电企业控制物流支出,优化水处理和排放控制等。


4.2以发电业务为核心拓展综合能源供给系统


4.2.1以煤电机组为核心的供热、供汽、供气、蓄热、蓄电


近年受煤价波动、电价下行和设备利用率低等方面的影响,发电企业尤其是煤电企业为缓解发电业务运营压力,在对周边用户需求调研的基础上,积极拓展以供热、供汽、调峰调频等形式的能源服务。


4.2.2以有条件的产业聚集区为中心开展天然气分布式发电


在产业聚集区、工业园区、商业中心等用能场景中,用户除电外,通常还有热、冷、压缩空气等其他形式的能源需求。受严控煤电新增产能和环保政策影响,尤其是在中东部地区,燃气分布式冷热电多联供能源系统更符合地方发展规划与趋势。


4.2.3探索开展增量配电网


配电网的核心价值在于可以此为依托,打造集售电服务、用电咨询、能源运维、节能服务、金融服务、分布式能源服务、综合能源规划于一体的配售电运营供应体系。


4.2.4以负荷中心的风光建设为契机布局综合智慧能源


随着风电、太阳能发电发展重心逐渐向位于负荷中心的中东南部地区转移,传统集中开发模式不再适用,相比而言,分布式可再生能源发电更适宜这些地区人口稠密、土地稀缺的现实情况。发电企业可以在用电负荷中心,以新能源建设为契机,综合周边其他用能需求,统筹规划设计智慧能源体系。


4.3以用户为中心发展综合智慧能源系统


以用户需求为出发点,通过集成储能,提升能源供应的灵活性和稳定性;通过信息平台和大数据分析,实现负荷精准预测和负荷侧需求响应,帮助用户执行用能诊断和评估、制定用能品种、优化分时用能方案、实现负荷监控与管理。


5结论


随着我国经济发展由高速转为中高速、整体电力供应由短缺转为过剩,电力企业面临严峻的经营生存压力。同时,电力消费侧也对电力系统提出更高的要求,从过去单一地要求保障供应数量向要求提高供应质量转变。综合智慧能源系统概念的提出,为夹缝求生的电力企业提供了未来的发展思路和方向。结合当前现有发电业务,发电企业可以围绕多品种能源供应、布局分布式发电、规划能源输送管廊、开发下游增值用能服务,逐步拓宽现有能源供应服务的边界,提升能源供应的质量。在具体实施层面,开展智慧能源实践应充分结合现有业务分阶段逐步进行,第一阶段是基于先进信息技术实现智慧化发电,第二阶段是以发电为核心拓展综合能源供应业务,第三阶段是以用户为中心发展智慧化能源服务,最终形成真正意义上的综合智慧能源体系。

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