深评｜分布式能源的发展实践与环境效益研究

四、分布式能源项目的环境效益及评估

受限于机组装机规模通常不大，单个分布式能源节能减排绝对量值并不是很大;但是从能源供应的角度，可以有效地降低能源在传输中的损耗，就近满足负荷需求，如果能有更丰富的DER供给出行，在更大视角上审视DER，其为能源系统带来的节能减排效益将非常可观。有学者[王康达,张保会.远方集中式与就地分布式光伏供电经济性比较[J].电力系统自动化,2017,41(16):179-186]对远方集中式光伏电站与就地分布式光伏电站的发输配电成本进行了比较，结果表明：光照小时数、输电距离、单位容量投资是影响远方集中式光伏电站与就地分布式光伏电站成本差异的主要因素;两地光照小时差越大、电能输送距离越近，远方集中式光伏发电系统成本相对越低，越适合发展光伏远距离输电，反之越适合发展本地分布式光伏电站。由此可见，因地制宜地发展分布式能源值得鼓励。

本研究除了考察分布式能源(DER)的共性环境效益之外，同时基于能源来源是否可再生，分别考察分布式能源的环境效益，本研究初步将其分为可再生能源DER(RenewableDER，以下简称R-DER)和常规能源DER(ConventionalDER，C-DER);其中前者几乎没有直接的污染排放或生态环境破坏，而后者比如使用天然气为燃料的燃气轮机为动力装置的分布式能源以及燃用生物质燃料的生物锅炉，尽管其排放水平相比其他常规化石能源利用形式如燃煤和燃油而言，已有不同程度的削减，但仍客观存在一定量的直接大气污染物排放。关于生物质发电的环境效益及评估，将在另一研究中单独予以说明。

(一)项目适用范围

根据现行的《分布式发电管理暂行办法》(发改能源[2013]1381号)，发展分布式发电的领域包括：(一)各类企业、工业园区、经济开发区等;(二)政府机关和事业单位的建筑物或设施;(三)文化、体育、医疗、教育、交通枢纽等公共建筑物或设施;(四)商场、宾馆、写字楼等商业建筑物或设施;(五)城市居民小区、住宅楼及独立的住宅建筑物;(六)农村地区村庄和乡镇;(七)偏远农牧区和海岛;(八)适合分布式发电的其他领域。

适用于分布式发电的技术包括：(一)小水电发供用一体化技术;(二)与建筑物结合的用户侧光伏发电技术;(三)分散布局建设的并网型风电、太阳能发电技术;(四)小型风光储等多能互补发电技术;(五)工业余热余压余气发电及多联供技术;(六)以农林剩余物、畜禽养殖废弃物、有机废水和生活垃圾等为原料的气化、直燃和沼气发电及多联供技术;(七)地热能、海洋能发电及多联供技术;(八)天然气多联供技术、煤层气(煤矿瓦斯)发电技术;(九)其他分布式发电技术，常见的其他类型分布式发电技术还包括储能装置、燃料电池等类型。

总体而言，分布式能源可以在用能负荷的周围或邻近地区和用能单位的建筑之上，布置分布式能源生产设备，用以直接服务于周边负荷所需的电力、热力和制冷的负荷需求，并且依托电网，可以实现余电上网以及负荷不足时从电网获取电力(孤岛运行的除外)。而最为典型的分布式能源项目，也是政策重点关注的领域，即包括天然气分布式能源以及利用建筑屋顶和幕墙等安置的分布式光伏。

此外，分布式风力发电是一种利用小型风电机组(发电功率一般在30MW至50MW)作为分布式电源，布置在用户附近的模块化、分散式的新型发电模式;另外还有则基于小水电自发自供的分布式发电模式。

(二)R-DER的环境效益及环境影响

1、环境效益

集中式的燃煤火电厂占据了我国电力生产的大部分市场，但由于燃煤的缘故，在提供巨大的发电量的同时，也向环境中排放了大量的CO2､SO2､NOx、颗粒物等。虽然我国已经有较大规模的高标准低能耗的新型火电机组，同时已经执行了全球最严厉的大气污染物排放标准，且不少机组实施对标燃气机组排放标准的超低排放，但火电行业大气污染物的排放总量仍很大。而对于采用可再生能源的R-DER项目而言，光伏、小型水电、小型风电机组在运营阶段均没有直接的大气污染物排放，其生产的电力、热力等能源，相比仍有污染排放的集中式火电机组而言，大气污染物减排效益明显。

集中式电站发电和大电网输配电到终端用户，电力生产和最终消费是分离的，电网输配电的损耗通常在5%~7%，面向终端的基层低压配电网络的损耗则更高，约8%~12%，部分农村地区低压输配线路损耗则更高。布置在能源负荷中心附近的分布式能源，避免了此类的输配电线损，损耗几乎为零，保证了能源使用的高效率。节约了无谓损失的能源，也即减少了能源生产的二氧化碳排放。

评价R-DER运行水平的高低，则主要可以从以下方面开展。

(1)可再生能源的转化效率

R-DER主要基于光伏、小型水电、小型风电等可再生能源，且目前的应用以光伏为主。小型风电和小型水电，则受限于区域资源条件以及能源生产装置所需要的场地条件，通常分布于远离城市区域的小型聚居区。而分布式光伏可以充分利用各种建筑外立面、屋顶、闲置空地等诸多场地，适用性更强。

从分布式能源最终用能目标的角度考虑，能源的转化效率将直接决定了分布式能源生产效率和运行水平。光伏组件转化效率的高低评估，可基于不同光伏组件的类型予以分别考察和评估。同样的采光面积、光照时间下，组件转化效率更高的光伏电池，其能源生产量会更高，产生的节能减排效益也越显著。例如，在国家能源局2017年发布的《关于推进光伏发电“领跑者”计划实施和2017年领跑基地建设有关要求的通知》(国能发新能[2017]54号)中，技术领跑基地采用的多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率应分别达到18%和18.9%以上，硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率原则上参照晶硅电池组件效率提高幅度相应提高;应用领跑基地采用的多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率应分别达到17%和17.8%以上，硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率原则上参照晶硅电池组件效率提高幅度相应提高;各类光伏电池组件的衰减率指标要求保持不变。这之前，2015年提出“领跑者计划”的《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》(国能新能【2015】194号)文中要求，“领跑者”先进技术产品应达到以下指标：多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率分别达到16.5%和17%以上;高倍聚光光伏组件光电转换效率达到30%以上;硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率分别达到12%、13%、13%和12%以上。由此可见，在两年间主流市场的先进多晶/单晶组件即已经分别提高了1.5%和1.9%的转化效率，技术进步明显。因而分布式光伏组件亦可以参照此行业内的先进水平进行评估。类似的，小水电机组、风机的转化效率，亦需作为此类能源生产项目的评价指标之一。

(2)可利用小时数

基于可再生能源的R-DER项目，其能源生产与区域环境有直接关系，同时亦与项目的设计和运营有直接关联。可利用小时数，反映了项目所能用以电力生产的有效时间，进而可以表征项目所带来的环境效益，同时反映了项目设计或运营管理的水平。

以文献[邵汉桥,张籍,张维.分布式光伏发电经济性及政策分析[J].电力建设,2014,35(07):51-57.]所披露的数据，我国各地分布式光伏(包括居民和工商业)的年利用小时，最高为呼和浩特的1,458小时，最低为成都的825小时，处于中间水平的包括天津的1,320小时、杭州的1,073小时。文献[马溪原,郭晓斌,周长城,雷金勇,胡洋,赵卓立,郭祚刚.电网公司投资分布式光伏发电系统的典型运营模式分析[J].南方电网技术,2018,12(03):52-59.]在分析分布式光伏发电系统的典型运营模式时，援引的《南方电网新能源运行总结分析报告(2016年)》中的数据，贵州省光伏发电典型年利用小时数为1,300小时左右。从光伏发电的整体情况看，以6000千瓦及以上电厂发电设备利用小时为例，2015年~2017年，全国全年平均利用小时数分别为1,133小时、1,129小时、1,205小时。对于太阳能日照资源相对充足优质的西部地区，2017年，西北电网光伏电站的平均利用小时数1,253小时。整体上而言，基于现有的文献和数据，分布式光伏的平均利用小时数略高于光伏行业整体情况。

(3)布置的合理性

与集中式的光伏电站、风电场、水电站不同，R-DER的项目通常需要直接布置在终端负荷附近。而终端负荷以居民住宅、工商业建筑为多。因而此类项目需要充分利用有效的空间和土地/建筑面积，同时保证电力生产设备的合理布置，并且降低对周边建筑、生态环境等造成的负面影响。对于分布式水电和风电项目而言，受限于自然资源禀赋，其布置区域通常远离城市建成区，距离小型聚居区较近(比如海岛、边远农林山区等地点)，空间资源相对充裕，但同样需要关注与周边生态系统的匹配、减少环境影响，以及服务于终端负荷的有效性和可靠性。

2、环境影响

基于光伏的R-DER的主要环境影响较小，主要需考察建安施工过程的绿色施工行为、屋顶幕墙等处组件安全性、日常维护冲洗污水的合理收集截排，总体负面环境影响较小。而小型水电则需要重点考察对于河流流域的水土保持和生态影响;小型风电则需要重点考察运营时期的噪音控制。

(三)C-DER的环境效益及环境影响

1、环境效益

对于使用天然气的C-DER项目，与R-DER项目类似，污染物减排量是天然气分布式能源环境效益最重要的一个衡量指标，但其本身仍客观存在少量的氮氧化物排放。天然气几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%;燃烧时产生二氧化碳少于煤，同时氮氧化物排放量亦可以明显削减，因此天然气DER系统在大气污染物减排量方面，相比集中式能源系统、特别是火电机组仍有明显减排效益。类似的，其减排二氧化碳的效益同样显著。

以小型的分布式LNG(液化天然气)热电冷联供系统为例，其可以实现对LNG气化-燃烧的全过程的热量梯级利用：液态的LNG气化可获得气态天然气和伴生的冷能;天然气燃烧获得的高品位热能推动燃气轮机进行发电;利用燃气轮机尾气中所含相对低品位的热量推动制冷、制热设备工作;所产生的冷、热能源直接就近供给终端用户;系统主要设备包括气化装置、燃气轮机、发电机组、余热锅炉、制冷机组等。所生产的能源不需要远距离输送，因此系统的能源综合利用效率高达80%以上[雷坤.南海岛礁分布式LNG冷热电联供(LNG-CCHP)经济性研究[J].船舶,2018(04):27-32.]。类似的分布式天然气系统，总体上能源利用效率高，还具有节能减排、对电网双重削峰填谷的作用，并增强能源供应的安全性。

评价C-DER运行水平的高低，则主要可以从以下方面开展。

(1)能源利用效率

能源效率指天然气冷热电联供系统发电，能源转换技术的有效功的输出(包括电力、热力和制冷量)和输入的一次能源之间的比值;相比常规燃煤火电厂汽轮机15%~45%的能源转换率(平均为33%左右)，天然气冷热电联供系统供能技术具有明显的优势(60%~90%)，将节省更多的一次能源。能源利用效率，也可以衍生出分布式能源相比集中式能源的节能率的评价指标。不同项目之间的横向比较，则需要考察不同项目能源利用效率的高低;效率越高的项目，其能源使用率越高。如前述梯级利用液化天然气的分布式能源系统，其能源效率可达80%以上，能源的投入可以充分转换为所需的电力和制冷(采暖)负荷，有效减少了无谓热损耗所带来的能源损失。

燃用生物质燃料的分布式能源项目，则需要根据具体的能源利用形式进行考察。对于直接燃用成型生物质燃料的分布式能源供热/发电/热电联产类型的项目，可以考察不同形式的能源输出量(如电力、热力、蒸汽等)与成型生物质燃料的输入量的比例;而对于使用普通生物质，并经过多道工序的分布式能源项目，则需要考察不同工序的能源产出品的热值累加值(如生物质气化气、热力/电力等)与生物质的输入量的比例，同时亦需要注意不同工序的能源产出品是直接作为产品供给系统之外、还是作为后续工序的输入能源继续在系统中参与生产。

(2)单位能源输出的污染物排放强度

不同天然气分布式项目之间的对比评价，还需要考察污染物的排放强度。因为此类项目的主要大气污染物为氮氧化物，因此需要重点关注氮氧化物的排放强度。虽然天然气燃气轮机的氮氧化物排放量显著低于燃煤锅炉，但是此类项目通常直接布置在城市区域，大气污染物仍会对区域空气质量产生影响。因而，采取低氮燃烧或者脱硝处理的项目，则其环境表现整体更良好。对于农林生物质锅炉也需要同样关注燃用农林生物质的烟气处理和排放情况，以及包括氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放强度。

(3)利用小时数及负荷匹配程度

类似前述的R-DER，可利用小时数亦可作为反映项目设计或运营管理的水平、表征项目所带来的环境效益的指标。在此之外，C-DER由于需要燃用天然气等燃料，与利用可再生能源的R-DER有明显差异，设计负荷与实际运行负荷的匹配程度很大程度影响了项目的经济性，进而影响项目是否可以持续运行。此外，我国前期的天然气分布式能源示范项目中，但受到多种因素影响，约半数在运行，半数因电力并网、效益或技术等问题处于停顿状态[刘满平.我国天然气分布式能源发展制约因素及对策研究[J].中外能源,2014,19(01):3-10.]。有文献[杨允. 区域型分布式供能系统优化配置研究及不确定性优化探索[D].中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2016.]披露相关的案例显示，上海黄浦区中心医院分布式供能项目发电机组设计容量为1,130kW，而医院实际电负荷仅为600kW，这导致系统长期在低负荷、低效率情况下运行，且系统副产的蒸汽也无法得到充分利用;北京次渠门站综合楼分布式供能工程发电设计容量为80kW，而实际电负荷不足30kW，这导致系统超过60%的发电能力无法发挥作用，系统效率低下;北京燃气集团指挥调度中心大楼项目的分布式供能机姐发电容量为1,200kW，而实际电负荷最大不足500kW，导致发电设备只能在极低出为的工况下运行，系统一半的发电能力无法发挥作用。其中最重要的影响因素之一，即是机组所设计的负荷与实际用户端负荷不匹配，天然气机组的经济性欠佳，进而影响了机组持续地运转的经济性。因而在具体项目的评估中，如果是设计建设阶段的项目，需要考察项目用户端负荷预测和设计的合理性;如果是运行期的项目，则需要考察项目的机组输出和用户端负荷的一致性。

2、环境影响

(1)噪声污染的减缓和控制。分布式能源电站若采用燃气-蒸汽联合循环机组，比较突出的环境影响就是噪声问题。因为分布式能源电站一般是在靠近用电、用热负荷的地方建设，离声环境敏感点比较近，执行的噪声标准要求比较高;另外，联合循环机组一般采用机力塔，机力塔设备多数靠近厂界布置，电站建设对周边环境敏感点的影响相对比较大。若不采取治理措施，厂界噪声一般不达标。

(2)燃用天然气项目的低氮排放和生物质发电的烟气排放。这里与前述环境效益评价中“单位能源输出的污染物排放强度”的目标基本一致，但这里需要重点关注氮氧化物排放的浓度是否能满足环保排放标准，以及不同负荷情况下、尤其是尖峰负荷条件下的排放情况。虽然天然气项目总体的大气污染物排放确实不高，但是由于其所处的区位环境，仍需要予以关注。此外，农林生物质发电项目的烟气排放的现行执行标准不高，但随着火电行业超低排放的进行，普通生物质锅炉的烟气排放相比火电排放标准已逐步出现劣势，因而需要注意分布式农林生物质项目的排放标准是否符合国家或地方要求，同时有无采取合适的脱硝除尘等技术手段。

五、总结与展望

分布式能源与大电网的结合是我国电力工业未来的发展方向之一，也受到了政策的重点支持和关注。目前已分布式光伏、天然气分布式能源等类型项目为代表，我国的分布式能源发展正在进入快速的发展期。特别地，考虑到光伏爆发式增长的不可持续性，我国政策对于分布式光伏亦有部分政策导向的微调，以期带动包括分布式光伏在内的分布式能源市场的稳步健康发展。

分布式能源具有的明确的节能减排效益，同时其鲜明特点和独特优势，值得在更大范围内进行推广和示范，国家亦制定了相关的规划，并安排开展相关的试点工程;并且因其灵活的特点，亦成为开展市场化交易、推进电力体制改革的重要推手之一。分布式能源预期将得到合理有效的进一步发展，而以此作为融资标的、特别是绿色金融支持的项目，预计也就在市场中涌现。