綜合能源九大關鍵技術盤點

發布時間: 2020-03-30 09:41:49   來源:交能網  作者:

  前言:當信息技術革命與能源轉型攜手一次次打破傳統能源服務的壁壘時,綜合能源服務走進了大眾視野,并逐漸成為了未來能源社會不可或缺的中堅力量。綜合能源服務產業鏈涉及內容十分廣泛,從前期能源系統的設計與規劃,到能源傳輸與轉換過程中的智能調控與存儲,再到需求側的數字化管理與能效優化等等,將能源領域的各行各業進行了深度融合,并對經濟,環保,就業等諸多方面益處良多。這其中供給側能源設備與技術的選擇,不僅是綜合能源服務的底層環節,更是復雜綜合能源系統的基石。

  本文將從綜合能源服務的能源供給側切入,為大家簡要介紹一些該領域的關鍵設備與技術。在之后的綜合能源關鍵技術系列文章中,將對下文提到的九大關鍵技術進行詳細的展開介紹,涉及包括技術原理簡介,技術發展及成熟度,技術優勢分析,技術經濟性,政策現狀背景,具體項目案例以及國內外發展對比在內的不同單元。

  一.冷熱電三聯供 CCHP

  作為傳統熱電聯產CHP的擴展,冷熱電三聯供CCHP不僅可以滿足發電需求,同時釋放的熱量將成為副產品被回收利用,作為空間加熱,水加熱以及空間冷卻的熱源。CCHP由燃氣發動機,發電機,熱交換器和吸收式冷卻器組成。燃氣發電機肩負產熱和產電功能,而廢熱將被輸送到吸收式冷卻器中,利用此產生冷卻能。該技術常常應用于建筑物的空調設備,而吸收式制冷機產生的電能與廢熱之比可以通過變化來滿足特定的要求。

  

 

  圖1:冷熱電三聯產CCHP功能圖

  與獨立的供熱與電力系統相比,冷熱電三聯產系統不僅提高了能源效率,節約了能源,也降低了燃料和能源成本,因而更具有經濟效益。而CCHP與例如沼氣等可再生能源的結合,也進一步促進了能源轉型,同時通過二氧化碳減排為日益嚴重的溫室效應做出貢獻,潛力不容忽視。

  二. 電池技術 Battery

  近年來電池技術的研究越來越受到重視,僅在2019年上半年,世界各國對電池技術的投資就超過了14億美元。目前,電池領域中,不同類別的電池正在不同的應用場景中發揮優勢。電池技術的飛速發展也加快了全球能源轉型的步伐。

  

 

  圖2:鋰電池Lithium-ion battery充放電原理圖

  電池技術種類眾多,其中最常見的鋰離子電池的效率可達80%到85%,不需要復雜的安裝條件,具有壽命長、輸出功率高的特點,但是安全性能稍差,且對電池管理系統的要求比較高,電池系統的成本也較高。目前主要應用在調頻、調壓、移峰、電動汽車和光伏儲能系統中,未來在汽車行業中的市場需求量十分可觀。而鉛酸電池的總效率在70%到75%左右,可以通過控制過充電反應來提高安全性能,無需復雜的電池管理,短期攤銷和初始投資相對較低,但是其對通風的要求較高且循環壽命有限,目前主要應用在調頻、調壓、不間斷電源、光伏儲能系統和孤島電網中,未來如果能建立起完整的自動化生產線則應用規模會繼續拓展。此外,熔鹽電池的總效率在68%到75%左右,這類電池能量密度較高,使用壽命長,約在15到20年,且鈉硫資源原料成本低,但是其工作溫度很高,在使用過程中可能會帶來潛在危險,目前主要應用在調頻、移峰、電動汽車、孤島電網和不間斷電源中。

  三.電轉氣技術 Power to Gas

  天然氣與天然氣基礎設施具有高脫碳潛力,因而是未來基于可再生能源的能源系統中的必要組成部分。電力基礎設施與天然氣基礎設施的連接起著重要作用,這不僅可以更好地整合可再生能源,同時具有經濟效益,在滿足能源可持續性和供應安全性的前提下進一步優化了能源供應系統。因而電轉氣技術即P2G是未來能源供應的一大趨勢。

  

 

  圖3:Power to Gas綜合能源系統圖

  P2G技術的核心原理是利用電解水反應產生氫氣,并將其與大量甲烷混合進入天然氣管道,或者進一步轉化成甲烷或其他合成燃氣。而與可再生能源電力的結合,不僅可以減少二氧化碳的排放,還可以在長時間內實現幾乎無損失的存儲。“綠色”氫幾乎可以用于工業和交通運輸的所有領域, 例如區域鐵路運輸的電氣化以及減少公共交通中柴油車輛的使用率,還可以為工業領域帶來眾多脫碳潛力。目前P2G面臨的最大挑戰仍然是較低的能源轉化效率(約為50%-70%)和居高不下的成本。但不可忽視的是,電解水制氫的成本降低進展十分迅速,依照過去幾年經驗,如果將堆棧輸出增加一倍,那么將成本降低約20%是可行的,鑒于目前仍然偏低的生產數量,可以看到P2G經濟性的進一步提升仍具有巨大潛力。

  四.相變儲能技術 PCM technology

  在建筑領域中,相變儲能材料常用于大容量儲冷儲熱,一般與供熱系統或建筑材料結合,可成為建筑組成中的一部分,如內墻、樓板等,也可在冷熱源處配置,如冰蓄冷設備。近年來較為火熱的“被動式房屋”中,通過與采暖通風系統結合,相變儲能材料得到了很好的應用。

  

 

  圖4:相變儲能過程原理圖

  相變儲能的原理是利用相變材料(Phase Change Material, PCM)的儲熱特性來儲存或者釋放其中的熱量,從而達到一定的調節和控制該相變材料周圍環境的溫度的作用,改變能量使用的時空分布,提高能源的使用效率。在吸熱和放熱的過程中,材料溫度不變,在很小的溫度變化范圍能帶來大量能量的轉換過程,是相變儲能的主要特點。典型的相變材料有水、無機鹽類、石蠟等,具有以下主要特性:

  化學性能方面:在反復的相變過程中化學性能穩定,可多次循環利用,對環境友好、五毒、安全。

  物理性能方面:材料發生相變時的體積變化小,容易儲存;放熱過程溫度變化穩定。

  經濟性方面:材料的價格比較便宜,并且較容易制備;常見的相變狀態中,固-氣相變和液-氣相變在過程中有氣體產生,自身體積變化較大,因此很少被應用,固-固相變類型本身較少,固-液相變變成了應用的主流。

  五.氫能技術 Hydrogen technology

  氫氣是傳統化工生產領域的生產材料,也是一種十分靈活的能源載體,是除了電力以外少有的零排放能量載體之一,燃燒后的產物只有水。氫氣作為一種能源載體,在交通、工業和建筑等各個領域的能源供應在都有重要的作用,結合燃料電池技術,能夠大大提高未來低碳能源系統的操作靈活性。

  

 

  圖5:氫能產業鏈圖

  目前,氫能產業正處于將氫氣從工業原料向能源利用轉型的初期階段,受到各個國家的重視,日本東京專門為了氫能的發展制定了一整套計劃。氫氣的制造設備、運輸設備以及加氫站等基礎設施的建設是發展氫能的第一步,這也是氫能發展即將面臨的最大挑戰。基礎設備的成本在其產業鏈上的每一個環節都不容小覷。作為一種靈活的二次能源,氫能能夠十分有效的將電網、熱力管網和各類終端燃料的利用結合起來,促使能源供應端融合,實現多能互補,提升能源使用效率。比如:

  ·通過大型的燃料電池,可以將氫能再次轉化為電能,實現電網的調峰調頻。

  以一定比例混入燃氣管網,實現與熱力管網的耦合。

  作為家庭和汽車用戶的終端燃料使用。

  六.高效冷凝鍋爐 Condensing boiler

  在天然氣轉化為熱能的過程中,與常規鍋爐相比, 冷凝鍋爐可以在耗費相同燃氣的情況下產生更多的能量。傳統的鍋爐排煙溫度在110℃-200℃左右,冷凝鍋爐冷凝燃燒技術可以將煙氣溫度降到50度,將部分煙氣冷凝成液態,吸收了煙氣從氣體變為液體的熱量,也就是回收了原來被煙氣帶走的熱量,如此一來就充分利用了熱量,大大降低了熱量損失。所以熱效率比普通鍋爐高許多,可達98%。

  

 

  圖6:冷凝鍋爐工作原理圖

  此外,冷凝鍋爐還具有全預混式燃燒的功能,避免了由于空氣與燃氣量比例不配所導致的不完全燃燒和資源浪費。冷凝鍋爐的燃燒室常常由不銹鋼材料制成,相比于普通銅鋁材料具有更高的抗酸性和腐蝕性,因而壽命可達20年以上,從投資角度來看具有可觀的經濟價值。綜合來看,冷凝鍋爐不僅綠色環保,也更經濟節能,目前在歐洲已得到了廣泛應用。隨著技術的發展,不僅僅是在傳統的工業領域,冷凝鍋爐在了家庭使用的比例也在逐年升高。未來隨著能源轉型與節能減排政策的實施,冷凝鍋爐將會成為供暖行業的一大趨勢。

  七. 熱泵技術 Heat pump

  在新能源供熱技術中,熱泵是非常杰出的代表。其原理是利用制冷系統的熱循環過程,將低溫熱源,例如室外的空氣,循環水或地面的熱能,傳遞到高溫物體中,用來加熱水或采暖。為了將低溫熱源中的能量傳遞到高溫熱源,熱泵需要來自外部的電能,流量溫度越高,電能需求越大。因此低溫熱源(例如地下水,水或空氣)與加熱能(例如加熱的流動溫度)之間的溫差應盡可能小。而熱泵制冷管道中的特殊閥門可使制冷循環反向進行,因而熱泵不僅可以可以加熱也可以冷卻空間。

  

 

  圖7:熱泵夏冬季熱循環圖

  常見的熱泵種類有空氣熱泵或空氣-水熱泵,可以將來自周圍空氣或廢氣的熱量傳遞到需要加熱的房屋內。由于巧妙地使用了冷卻劑,壓縮和加熱技術,因此無論是在夏季的高溫下還是溫度零下的冬季均可使用。而水熱泵(也稱為水-水熱泵)需要從相對溫暖的地下水中提取熱量,再將地下水引導回去,為了保護土壤和地下水,此類熱泵常需要經過批準才能使用。另外還有一種地熱熱泵,可以通過探頭或表面收集器直接吸地熱能,十分方便,應用廣泛。熱泵不僅低碳環保,運行也相對安靜,可以在較小的建筑面積上使用,因而已越來越多地被使用到現代化加熱系統與家庭領域。從經濟型角度長期來看,由于不需要額外的燃料費用,相比于傳統的加熱和冷卻系統更具優勢。

  八. 生物質能 Biomass

  隨著近些年來可再生能源的擴張,生物質在能源領域的應用也不斷地被開發。通過熱處理過程如焚燒、氣化和高溫分解,又或者通過細菌分解技術等,可以從生物質中以熱能,氣體或液體燃料的形式提取能量,在這個過程中產生的熱水或水蒸氣,又可以作為發電機的動力來源,因而時常與熱電聯產設備配合使用。

  

 

  圖8:生物質能發電廠的工作原理圖

  生物質能種類繁多,來源包括:

  林業資源如伐木廢料,殘留的樹枝、樹葉和木屑等,以及林業副產品的廢棄物,如果殼和果核等;

  農業資源如玉米秸稈,甘蔗渣等,以及農業加工業的廢棄物,如稻殼等;

  生活污水如城鎮居民生活、商業和服務業的廚房排水、糞便污水、洗衣排水等;

  工業有機廢水如酒精、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業生產過程中排出的廢水等,其中都富含有機物;

  城市固體廢棄物如居民生活、商業、服務業垃圾和少量建筑業垃圾等固體廢物等

  生物質能在化石能源的替代性,產品多樣性,可循環性和環保性方面的優勢不言而喻。除此之外,生物質能還有利于創造就業市場,拉動內需,同時在一定程度上可以通過自主生產燃料抑制石油價格,未來發展潛力巨大。

  九. 物聯網虛擬電廠 Virtual power plant

  物聯網指將所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來,實現智能化識別和管理。虛擬電廠以物聯網為基礎,通過分布式電力管理系統將電網中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體,參與電網的運行和調度,協調智能電網與分布式電源間的矛盾,充分挖掘分布式能源為電網和用戶所帶來的價值和效益。

  

 

  虛擬電廠=發電系統(DG)+儲能設備+可控負荷+通信系統

  圖9:虛擬電廠構想圖

  虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源,包括分布式電源、可控負荷和儲能裝置等。在虛擬電廠中,分散安裝在配電網中的清潔電源、受控負荷和儲能系統合并作為一個特別的電廠參與電網運行,每一部分均與能量管理系統(EMS)相連,控制中心通過智能電網的雙向信息傳送,利用EMS系統進行統一調度協調機端潮流、受端負荷以及儲能系統,從而達到降低發電損耗、減少溫室氣體排放、優化資源利用、降低電網峰值負荷和提高供電可靠性的目的。未來,虛擬電廠將憑借其自身的多種優越特性進一步“侵入能源市場”。

      關鍵詞: 綜合能源

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