分布式能源技術創新將迎來分布式能源發展的“技術奇點”

    近年來，得益于電力技術、信息技術、控制技術和儲能技術的快速發展，全球分布式能源項目呈現“井噴式”的發展。可再生能源發電和小型燃氣輪機技術的成熟使得平準化能源成本（LCOE）快速下降，分布式能源項目的經濟性從過去的發展障礙一躍成為了驅動力；儲能技術為分布式能源帶來了更大的靈活性，可再生能源利用可以不受制于其間歇性的特征，多余的電力和熱力也可以得到儲存；信息和通信技術在電網中的應用極大地提高了對能源實時數據訪問的能力，物聯網作為通信基礎設施的發展推動分布式能源系統從單純的機械設備向智能化、數字化演進。

    在技術創新的引領下，分布式能源系統相比于傳統集中式“發電—輸電—用電”模式的諸多優勢得到了強化：更高的綜合能源利用效率、更少的污染物和溫室氣體排放、強化的系統穩定性和供能安全，以及更低的用能成本。分布式能源技術所倚賴的電力、通信、儲能技術全面進入成熟階段，已經非常臨近打破傳統能源技術成本壁壘的平衡點。時至今日，我們即將迎來分布式能源發展的“技術奇點”。

    分布式供能技術

    分布式供能技術是分布式能源系統的核心，其中包括各種發電技術及熱電聯產技術等。例如，分布式光伏發電系統的基本模塊是進行光電轉換的光伏陣列，分布式天然氣熱電聯產（CHP）系統的核心是燃氣輪機或者內燃機（也可以使用其他燃料或者技術，比如生物質能和燃料電池）。技術創新使得光伏組件和天然氣燃氣輪機等分布式供能設備能夠適應各種用能需求，同時成本也大幅下降，為分布式能源的普及創造了客觀條件。

    天然氣分布式能源技術以燃氣輪機或燃氣內燃機等設備為核心，在發電的同時，利用燃機產生的余熱為用戶供熱和制冷。采用能源梯級利用的模式，天然氣冷、熱、電三聯供（CCHP）機組的綜合能源利用效率遠高于獨立的發電和供熱系統，如西門子SGT-300型燃氣輪機機組其冷熱電三聯供項目的燃料利用效率通常可達到80%以上，同時用能成本可降低約40%。另一方面，更高的效率也意味著更少的排放。相比于傳統的燃煤發電和燃煤鍋爐，天然氣分布式能源在氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放上具有先天優勢，燃氣發電的二氧化碳排放量也僅為燃煤發電的一半。此外，燃氣輪機獨具的燃料靈活性也使其非常適用于分布式能源領域。近期，中電（成都）綜合能源有限公司位于四川省成都高新科技產業開發區西部園區的分布式能源站項目就采用了此種設備。由于四川有得天獨厚的天然氣資源，該公司計劃利用兩臺西門子SGT-800型燃氣輪機燃料靈活性的特點，進一步降低能源成本。

    世界范圍內，發達國家在燃氣輪機、燃氣內燃機等核心動力設備的設計、試驗和制造上仍占據主導地位，同時在關鍵零部件的制造過程中不斷引入新技術。其中，3D打印（又稱“增材制造”）已經成為燃機制造企業的下一個技術突破口。利用3D打印技術，西門子等企業完成了葉片等零部件的試制和滿負荷試驗，并有望將3D打印應用于其余燃機部件的設計和批量生產中。3D打印技術可以大幅縮短設備的研發周期，改善零部件的性能，提高設備的運行效率，充分發揮技術創新的潛能。

    分布式光伏發電領域，在技術創新的推進下，“降本”和“增效”兩個光伏系統發展根本目標都取得了積極的進展。得益于傳統的晶硅材料不斷研發以及碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦等新型材料技術的突破，光伏組件能量轉換效率不斷提高，抗老化、抗紫外、導熱、阻燃等性能也大幅提升。金剛線切割、鈍化發射區背面電池（PERC）技術等成為行業熱詞，得到市場的逐漸認可；與此同時，之前甚少企業介入的全背接觸式電池（IBC）、異質結電池（HIT）以及金屬纏繞背接觸電池（MWT）等高效電池技術也受到了越來越多企業的關注和投入。“十三五”光伏技術創新規劃提出，2020年前將晶硅太陽能電池效率提高到23%以上的目標，實現HIT、IBC等電池國產化等。從成本來看，同樣3kW規模的分布式戶用屋頂光伏電站成本已經降低至3萬元人民幣以內，較十年前成本下降了50%，分布式光伏“平價上網”的時代已經越來越近。

    值得一提的是，分布式天然氣和分布式可再生能源的多能互補具有協同效應，將成為分布式供能技術未來發展的重要方向。以天然氣CCHP機組協同分布式光伏項目為例，可再生能源的加入使系統的綜合能源利用效率以及減排效益得到進一步提升；多能互補的系統不受單一能源品種的限制，天然氣與太陽能互為補充，增強了系統供能的安全性；在配備了儲能設施的系統中，光伏的波動性得以抑制，燃氣機組也可以在適當范圍內進行靈活調度，保證供能區域和電網的穩定運行。

    儲能技術

    儲能是分布式能源系統中至關重要的一環，儲能單元的存在使得原本只能“即發即用”的電、熱能的靈活應用成為可能。目前，儲能的應用場景主要分為熱能儲存（蓄冷和蓄熱）和電能儲存兩部分。蓄冷和蓄熱設施可以優化天然氣分布式系統的運行并提高項目的經濟效益，而電能儲存則可以彌補分布式可再生能源波動性和間歇性的不足，保證系統的穩定輸出。從儲能介質來看，可以分為電池、氫、罐熱、地熱、冰熱等。

    風電、光伏等可再生能源飛速發展，電能儲存的重要性不斷上升。飛輪、超級電容、鋰電池和液流電池等儲電技術可以平滑分布式光伏的輸出曲線，為系統的穩定運行提供支持。在光伏輸出大于用戶需求時，多余的電量可以被儲存。如果太陽能電池板停止工作，或出現尖峰負荷、供電不足、電網斷電等情況，儲存的電能可以被釋放出來，滿足用戶的用電需求，提高分布式光伏的綜合利用率。隨著電動汽車的推廣和能源互聯網概念的興起，將電動汽車納入儲能網絡的技術也紛紛涌現。其中，動力電池廠商、汽車制造企業以及高校已經展開相關研究，探索在分布式能源系統中利用廢舊動力電池進行儲能的技術可行性和經濟效益。熱儲存是一種簡單但基本的技術，該技術通常在建筑樓宇和工業過程中使用，一方面可以通過最優化供暖、通風和空調（HVAC）系統的方式來提高系統效率；另一方面，也可以避免高峰時段的電價溢價。

    此外，氫能源也逐漸成為儲能和分布式能源領域的下一個創新點。作為可再生能源利用的大國，德國目前已經建成數十個“風電制氫”項目：通過電解水設備，利用電網無法消納的風電生產氫氣，隨后將氫氣按照適當比例混入當地的天然氣管道，供附近用戶使用。這種方式將龐大的天然氣網絡當做儲能介質，進一步降低風電場的棄風率。今年5月，國內首個風電制氫項目的制氫站也正式開工。在用戶側，電解水制氫可以與分布式光伏充分結合，在儲能的同時生產氫氣，整個過程中不排放任何污染物和溫室氣體。借助燃料電池、氫能源汽車等技術的推廣，以氫氣為核心的分布式能源網絡也會迎來更大的發展空間。

    信息及控制技術

    數據、通信及控制技術創新為智能化的綜合能源管理系統奠定了物理基礎。隨著信息和控制技術在分布式能源系統中的廣泛應用，基于實時數據采集的監測、分析系統可以指導能源系統以最優化的方式運行，實現高效發電、實時故障檢測、需求側管理等功能。新型智能電表和能效管理軟件如微網管理系統（MGMS）樓宇能源管理系統（BEMS）都是信息和控制技術在能源管理方面重要的硬件創新和軟件創新。良好的能源管理可以提高系統可靠性、幫助節能增效，從而為更多地部署分布式和可再生能源發電創造了可能性。可以說，能源控制和管理技術變革正在深刻推動消費者改變其能源管理模式。

    在典型的集成多種供能技術及儲能設施的分布式能源系統中，作為神經中樞的能源管理系統不可或缺。能源管理系統監測和控制供能設備的運行狀態，收集并分析用戶冷、熱、電能負荷的信息，并在不同系統狀態之間進行切換。先進的能源管理技術可以保證系統的能源供需平衡，提高綜合能源效率，并降低用戶的用能成本，這在樓宇和工業園區等大型分布式能源的應用場景中顯得尤為重要。例如，德國弗萊建筑集團聯合西門子公司在德國弗萊堡市開發建設“智能綠塔”（SmartGreenTower）項目就是在當前最先進的能源管理系統的綜合調度下實現了智能、高效、經濟的穩定運行。這座商住綜合建筑的屋頂及幕墻覆蓋太陽能電池板，為整座建筑提供可再生電力，并充當幕墻外的另一層隔熱材料。建筑內部安裝了容量為0.5MWh的鋰電池儲能單元，用來儲存分布式光伏產出的多余電力，平滑光伏系統的輸出曲線，并在尖峰負荷等情況下供電。智能綠塔配備的能源管理系統控制建筑內的光伏、儲能以及耗能設備。結合分布式光伏的輸出功率監測與當地電價的變化，能源管理系統將盡可能地提高分布式光伏的利用率，降低電網電力的使用比例，提升整個系統的經濟性；儲能單元的開關受能源管理系統的控制，系統將優化太陽能電池板與電池之間的充電循環；根據運行人員的需求，系統還可以在提高能效、降低用能成本和降低二氧化碳排放等不同情景之間進行切換。根據預測，這套能源管理系統將在建筑照明上節省80%的成本，供暖、通風和空調系統的成本也可以減少20%。