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无论是大系统还是小系统,未来电力供应中基荷将会逐渐消失,灵活性将具备更大的价值。在传统能源逐渐退出市场的长期过程中,整个系统将会经历较长一段时间的电力过剩,在很多情况下,可再生能源的发电将会大于负荷。波动性逐渐增大的系统自然需要更多的灵活性设备,如储热、储气装置、可中断负荷等。
目前,欧洲基于多网耦合的多能互补方案有几条主流的技术路径,为了实现区域的最优能源供应,可以根据当地的资源禀赋将几条技术路径进行组合。德国为了实现2050年80%的电力由可再生能源电力供应的目标,积极实验多能互补多网耦合方案,目前通过E-Energy项目已经开展了多个试点。这些试点结合了多种多能互补技术路径,如库克斯港项目通过2个虚拟电厂耦合了风光电力、沼气发电、分布式热电联产设备与终端的冷热负荷,并通过分段电价和动态电价实现多网之间的智能互动。
欧洲这一类多能互补和多网耦合项目试点有良好的示范效应和后续应用,原因在于试点规划阶段,各试点因地制宜地考虑了本地发展情况、用能需求和技术沉淀,各试点的推进也有较强的规划性并注重经济性和实用性。就技术路线本身,欧洲大比例新能源接入后遇到的问题(追求新技术突破)、以区域能源交易市场为主的特点(注重本地需求)、交易调度机构设立(电力改革)等情况与国内改革初期类似,长期来看这种重稳定讲成效的改革模式也值得借鉴。
基于多网耦合的多能互补方案有几条主流的技术路径可供选择:
虚拟电厂下的分布式社区热电联产联供方案
区域内一部分社区配备小型热电联产设备,另一部分社区配备热泵,这些社区与风电和光伏设备联网并通过一个中央控制室集中优化。所有设备共同组合成一个虚拟电厂。在可再生能源过剩的情况下,热泵消耗电力并高效地生产热量供给社区;在可再生能源供应不足的情况下,小型燃气热电联产设备启动,同时生产电力和热量供应给社区。分布式的设备具有灵活性高、响应快的特点,使得整个系统能够在各种情况下高效运转。基于深度学习技术的预测和调度算法,是整个虚拟电厂系统的核心。丹麦学者已经提出的基于绿色能源发电的“第四代区域供热技术”即是这种理念。
多联需求侧响应方案
基于多网耦合的多能互补系统中,需求侧响应是一个重要的灵活性选项。传统的需求侧响应主要调节电负荷,通过对负荷的迁移和调节来降低电网负载并最大化可再生能源的利用。在多能互补系统中,电能只是各类能源中的一部分,且热负荷可能占终端能源消耗的比重比电负荷更大,因此多联需求侧响应比单一需求侧响应更有潜力。
多联需求侧响应能够同时响应终端用户的电、热、冷、气等能源,其中热能的响应成本最低且时间较长,但是响应速度较慢,而电能的响应速度快但是持续的时间较短。在集中式区域供暖的模型中,建筑墙体就是天然的储热和热能响应单元,能够通过灵活的供暖策略储存大量的热能。
电转气综合利用解决方案
电转气(PowertoGas,简称P2G)是目前多网耦合的主流方案和路径之一。将可再生能源富余电力通过电解水转换为氢气和氧气,根据氢气利用路径的不同可以直接利用或者继续甲烷化为天然气。在德国,电转气方案已经在多地试点推广。西门子公司2015年在德国曼海姆设立的风电制氢工厂已经能够商业应用并每年产生超过200吨的氢气。该工厂应用了最新的质子交换膜(PEM)设备,其快速的响应速度带来了巨大的收益。快速响应使得该方案不仅能够利用富余的风电,还能够搭配储气设备和燃气轮机发电设备提供调频辅助服务。在近两年的运行中已经证明,这家电制氢工厂的固定成本在年利用小时数超过6000小时的场景下将很快获得回收,关键是运行成本。如果用于电解水的电力来源都是清洁且低廉的风电,项目的效益将会更高。可以假设在多能互补场景中,如果风光发电和电转气方案统筹规划,不仅系统灵活性得到了极大的提升,还能带来额外的经济效益。
电动车智能充电系统
电动汽车的发展为交通网和能源网的耦合带来了机遇。如果对电动汽车的充电不加控制,集中充电时段将对电网造成较大的冲击。结合电网负荷监控的动态智能充电系统能够很好地解决这个问题,不仅在峰时平抑了电网负荷,还能够将分散在各个电动汽车中的电池聚合起来,适时提供调频服务和社区供电服务。电动汽车和电网的双向互动不仅在技术上已经实现,在商业上也具备了很大价值。据统计,纯电动车和插电式混合动力汽车在95%的时间内是处于停驶的状态,只要在多能互补区域内拥有足够的充电设施,保证电动汽车在停驶时间能够接入电网,车载电池就能够得到充分的利用。
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