昨日發表的《1200MW的天然氣分布式能源項目?》引發了很大的爭議,有網友表示發改委批復文件中說的冷熱電三聯供項目,并未說明該項目是天然氣分布式能源站,二者還是有區別的。個人認為說的有道理。
那么,分布式能源與冷熱電三聯供在定義上如何區分?本文引用湖南大學殷平教授的文章,供大家參考。
隨著我國政府《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》、《天然氣“十二五”規劃》、《天然氣利用政策》、《可再生能源發展“十二五”規劃》、《可再生能源電價附加補助資金管理暫行辦法》以及《能源“十二五”規劃》的相繼出臺,分布式能源已成為上至政府、下至企業高度關注的焦點之一。
2012年10月國務院發表的《中國的能源政策(2012)》白皮書指出:“促進清潔能源分布式利用。中國堅持‘自用為主、富余上網、因地制宜、有序推進’的原則,積極發展分布式能源。在能源負荷中心,加快建設天然氣分布式能源系統。以城市、工業園區等能源消費中心為重點,大力推進分布式可再生能源技術應用。因地制宜在農村、林區、海島推進分布式可再生能源建設。制定分布式能源標準,完善分布式能源上網電價形成機制和政策,努力實現分布式發電直供及無歧視、無障礙接入電網。‘十二五’期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目,以及10個左右各類典型特征的分布式能源示范區域。”
按照上述政策,在今后幾年內,分布式能源項目的建設將成為我國能源建設的重頭戲之一,相關的標準、設計規范也將相繼出臺,已經是國內熱門研究課題之一的分布式能源和冷熱電三聯供(distributed energy resource,combinedcooling heating and power,以下簡稱DER/CCHP)系統的研究將掀起新一輪的高潮。
筆者從2008年開始,陸續承擔了國內多項燃氣CCHP項目和可再生能源DER的預可研報告、可行性報告、咨詢和設計任務,在完成這些任務的過程中,對國內DER/CCHP的現狀進行了深入的調查,同時對國內外DER/CCHP的研究成果、文獻資料、實踐經驗、產品性能進行了深入學習,尤其是通過參與若干具體工程的可行性報告的撰寫、評審和設計工作,獲益匪淺,感觸頗深,覺得有必要將幾年來的體會、經驗和教訓加以總結,拋磚引玉,供業內人士參考,以利于我國DER/CCHP的發展。
本文詳細討論了DER和CCHP的術語、定義、界定和相關標準,討論了與此相關的一些問題。
1背景
DER在國際上尚屬一項新技術,由于涉及的專業多,技術復雜,因此20多年來,其術語、定義和界定難以定論。
DER/CCHP的術語、定義和界定迄今為止尚未引起國內政府有關部門、學術界和企業界的高度重視。對于學術界來說,要求DER/CCHP術語的準確是毋庸置疑的,而對DER/CCHP決策者———政府的相關部門來說就更重要了。因為作為一項國家重點推廣的技術和產業,如果術語不準,定義不清,內涵和外延模糊,相關技術欠缺,不但會影響到規范、標準和規定的全面性、正確性和準確性,同時也會影響到可行性報告評審、立項的審批工作,會影響到工程設計的全面性、正確性、準確性和經濟性。這項看似簡單的工作,對于我國今后DER/CCHP的健康發展、迅速推廣具有十分重要的意義。
從目前已經頒布和實施的有關DER的各項政策、法規、規劃來看,國內DER的定義和界定標準與國際上通用的定義和界定標準大相徑庭,國內目前正在建設的DER項目的設計總裝機功率已經高達3120MW,如此規模專業人員很難認同這還是DER。
因此,對于DER/CCHP來說,當前面臨的不僅僅是技術、經濟問題,與其他諸多技術和產業不同,首先面臨的應該是術語、定義和界定問題,如果這些最基本的問題未能解決,必然使得其他問題變得更加錯綜復雜、難以妥善處理。
2術語
2.1分布式能源的術語
分布式能源目前采用的英語術語很多,如:distributed energy resource(DER),distributed generation(DG),distributed power(DP),decentralized energy(DE),on-sitegeneration,dispersed generation,embedded generation,decentralize dgeneration,distributed energy,distributed power system。
國際上很長一段時間采用DG表述分布式能源,而將其他術語僅作為DG的同義詞,這點以維基百科最為明顯,迄今為止維基百科仍以DG作為分布式能源的術語,其他均為其同義詞。
作為一門新興學科,國際上術語不統一是可以理解的。不過最近幾年來,大多數國家和主要學術文獻,已經逐漸在統一分布式能源的術語,尤其是在官方文件中,這點更為明顯。分布式能源目前采用最多的英語術語是:distributed energy resource(DER)。
美國能源部目前使用的術語是:distributed resource,從本世紀初開始,美國除政府機構外,主要的專業機構、團體和公司,例如美國供暖空調制冷工程師學會(ASHARE)、美國電力研究協會(EPRI)、美國節能經濟委員會(ACEEE)、CPSIEnergy(美國城市會共服務能源公司)基本上都是采用distributed energy resource(DER)作為術語。
從2004年開始,歐盟委員會一直使用術語distributed energy resource。歐盟2004年出版的《歐洲分布式能源項目》(European distributed energy resources projects)成為當時的重要文獻,而后歐洲成立了全球最大的有多個國家參加的歐洲分布式能源實驗室(European Distributed Energy Resources Laboratories)以及分布式能源研究合伙企業(Distributed Energy Resources Research Infrastructure),對在歐洲推廣分布式能源起到了重要作用。
由于歷史原因,目前尚有一些民間組織仍然采用初始的術語,例如國際分布式能源聯盟WADE仍然采用decentralized energy(DE)這一術語。還有部分國家和地區也采用DG作為分布式能源的術語。
在我國,本世紀初曾使用過分布式供電、分布式能量系統、分布式供能系統等稱謂,這些基本上都是根據當時國外使用的英語術語翻譯而來。2004年國家發改委第1702號文中使用“分布式能源”一詞,此后包括政府文件在內,國內各種文獻和媒體基本上都采用分布式能源這一術語。
分布式能源,我國官方文件使用的英語術語是distributed energy resource。
2.2冷熱電三聯供的術語
冷熱電三聯供目前采用的英語術語有:combined cooling heating and power(CCHP),trigeneration,combinedcooling heatingand power(CHCP),combined heatingand power(CHP)等。
與分布式能源不同,目前除美國習慣將CCHP包括在CHP范疇內之外,其他大部分國家基本上都采用combined cooling heatingand power(CCHP)這一術語。當采用天然氣作為燃料時,燃氣冷熱電三聯供的英語術語為gas-firedcombinedcoolingheatingandpower。
關于冷熱電三聯供,本世紀初我國曾使用過冷熱電聯產、冷熱電聯供、熱電冷三聯產、熱電冷三聯供等稱謂,目前國內基本上都是采用冷熱電三聯供這一術語。當采用天然氣為燃料時,有燃氣冷熱電三聯供和天然氣冷熱電三聯供兩種稱謂。
我國官方文件使用的英語術語是combined cooling heating and power(CCHP)。
3定義
3.1國際上有關DER的定義
最早對DER給予準確定義的應該是文獻3,文獻3用圖1表明了表述DG,DP,DER之間的關系。
文獻3給出的DG,DP,DDER的定義是:
1)DG,公用電網之外任何發電技術。所涉及的技術和設備包括內燃機、燃料電池、燃氣輪機、微燃機、水力發電和小型水力發電、光伏、太陽能、風能、廢熱/生物質能源,還包括非公用熱電聯產。
2)DP,任何發電和儲能技術。
3)DER,包括DG和DP在內的任何技術,以及需求側的措施。所發電可以上網銷售。
雖然與目前慣用的DER定義略有不同,但是文獻3已經指出了DER與DG和DP的本質不同。
在歐洲,在本世紀初,歐洲熱電聯產促進協會(The European Association for the Promotion of Cogeneration就在其專題報告中指出,DER的“resource(源)”,比起狹義的DG中的“generation(供電)”,涵蓋了能源管理方面更加廣泛的概念,例如儲能和用戶側管理。
目前,美國能源部給出的DER定義是:“小型、模塊化、分散、不考慮是否聯網的能源系統,該系統位于用能地點或附近。該系統為集成系統,包括發電、儲能和輸送等有效措施”。與本世紀初美國能源部的定義已有所不同:“小型、模塊化、產生電能的技術,容量范圍從幾KW到50MW,包含許多供應側的和用戶側的技術,一般位于需要能源的地點或附近”。兩者相比,最大的變化就是現在的定義增加了儲能,同時沒有限定容量范圍。
在歐洲,目前比較通用的DER的定義是:處于配電系統內位于或靠近終端用戶側的小型發電裝置。
國際分布式能源聯盟WADE對分布式能源的定義是:在使用能源的地點或很近的地方發電,不考慮這些項目的規模和采用的技術,所用燃料及該系統是否聯網等條件。
3.2國內有關DER的定義
國家發改委2004年對DER的定義是:“分布式能源是近年來興起的利用小型設備向用戶提供能源供應的新的能源利用方式。與傳統的集中式能源系統相比,分布式能源接近負荷,不需要建設大電網進行遠距離高壓或超高壓輸電,可大大減少線損,節省輸配電建設投資和運行費用;由于兼具發電、供熱等多種能源服務功能,分布式能源可以有效地實現能源的梯級利用,達到更高能源綜合利用效率。分布式能源設備啟停方便,負荷調節靈活,各系統相互獨立,系統的可靠性和安全性較高;此外,分布式能源多采用天然氣、可再生能源等清潔能源為燃料,較之傳統的集中式能源系統更加環保”。
國家能源局有關DER的定義是:“分布式能源是一種建在用戶端的能源供應方式,可獨立運行,也可并網運行,是以資源、環境效益最大化確定方式和容量的系統,將用戶多種能源需求,以及資源配置狀況進行系統整合優化,采用需求應對式設計和模塊化配置的新型能源系統,是相對于集中供能的分散式供能方式”。
國網能源研究院的定義為:“位于用戶側,優先滿足用戶自身需求,以熱電聯產、冷熱電三聯產和可再生能源發電利用技術為主,發電總裝機容量小,獨立運行或與配電網連接,包含能量產生、能量儲存和能量控制的能源綜合利用系統”。
國家發改委在《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中給出的天然氣DER的定義是:“天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料,通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用,綜合能源利用效率在70%以上,并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式,是天然氣高效利用的重要方式”。
3.3國內外有關CCHP的定義
與DER不同,目前國內外CCHP的定義基本統一:在發電的同時,利用發電所產生的余熱供熱和供冷。
對于DER和CCHP,目前國內外專家分歧較大的觀點是,CCHP是否屬于DER的一部分,WADE明確表示CCHP就是DE的一種形式。但是從DER的定義來看,更多人并不同意這一觀點。用圖2表示DER和CCHP之間的關系。
文獻13建議DER的容量范圍劃分為:微型,1~5000W;小型,5KW~5MW;中型,5~50MW;大型,50~300MW。
在美國,能源部和主要學術團體和企業聯合會均明確指出,CHP靠近用戶,但是裝機容量較大。在歐盟,對CCHP的定義是:在一個單一系統中同時高效率地生產電、熱和冷;CCHP的規模從幾百KW到MW級。從本世紀初開始,大力推廣幾KW到100KW的小型CCHP設備和系統。
根據DER的定義,CCHP只有一小部分內涵屬于DER范疇,例如樓宇式冷熱電三聯供系統(BCHP),而CCHP的更大一部分內涵由于裝機容量已經大大超出了分布式能源的范疇,所以不可能只是DER的一種形式。
4界定標準
4.1國外有關DER的界定標準
所謂DER的界定標準是指DER的內涵、劃分以及外延的臨界線。美國能源部界定的DER可應用的技術/設備是:1)往復式發動機;2)燃氣(油)輪機;3)微燃機;4)燃料電池;5)光伏系統;6)聚焦式太陽能發電;7)風力發電系統;8)小型模塊式生物質發電系統;9)儲能系統[5]。
歐洲分布式能源實驗室界定的DER技術/設備是:柴油發動機、燃氣輪機、微燃機、熱電聯產、燃料電池、小型水電站、風力發電機、生物質發電機、光伏發電機,此外,分布式能源也可以包括儲能系統,例如電池和飛輪。
WADE界定的DER包括:1)現場端的可再生能源系統;2)高效的熱電聯產;3)工業可回收能源和現場端的可利用能源。
美國能源部關于DER各種技術的能量容量范圍如表1所示,綜合多種文獻給出的DER容量范圍見表2。
如上所述,在DER的界定上,目前國外有兩種不同的分類,一種是DER不包括大中型的CHP(包括CCHP)項目;一種是包括CHP。從DER的定義來看,前一種界定方法應該更加合理,這也是當前國際的主流觀點。
4.2國內有關DER的界定標準
迄今為止,國內有關DER的界定十分模糊,雖然對DER的定義明確是“小型”,但缺乏界定標準,各種政策、法規、意見、標準均沒有明確給定DER的裝機容量,學術界也很少有人介入這方面的討論。
國網能源研究院提出的DER界定標準是:“一是節能環保。分布式能源應以能量梯級利用系統和可再生能源為主,體現節能環保原則,對于非可再生能源的分布式能源系統,能源綜合利用效率應在70%以上。二是裝機容量。發電總裝機容量限定在1萬KW及以下,主要考慮分布式能源的技術、接網和用戶需求,強調本地供能,與現行熱電聯產等法規相銜接。三是接入電壓等級。對于有并網需求的分布式能源系統,應接入35KV及以下電壓等級的電網。”
然而國家發改委在《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中并未限定天然氣分布式能源的規模:“2015年前完成天然氣分布式能源主要裝備研制。通過示范工程應用,當裝機規模達到500萬KW,解決分布式能源系統集成,裝備自主化率達到60%;當裝機規模達到1000萬KW,基本解決中小型、微型燃氣輪機等核心裝備自主制造,裝備自主化率達到90%。到2020年,在全國規模以上城市推廣使用分布式能源系統,裝機規模達到5000萬KW,初步實現分布式能源裝備產業化。”裝機容量遠遠超過了“小型”的范疇。
表3是目前國內規模較大的幾種DER項目
由表3可以看出,大多數項目的裝機容量已經遠遠超出了國際上DER的界定規模,那么這些項目是否還能稱之為DER?由于裝機容量最大的珠海橫琴島能源站仍屬于天然氣DER項目,因此其他項目也就自然被列入DER范疇內。
4.3國外有關CCHP的界定標準
美國能源部指出,CHP(CCHP)不是一項新技術,它主要應用于大型工業系統中(裝機容量大于500KW),CHP(CCHP)系統是很先進的。
歐盟指出,CHP裝機容量主要是從幾百KW到MW級。目前用于CCHP的技術和設備主要有:內燃機、燃氣輪機、汽輪機、微燃機、斯特林發動機、燃料電池、光伏、光熱、風力發電機、吸收式冷水機組、鍋爐、熱泵、干燥劑除濕裝置、生物質產品和換熱器等。
4.4國內有關CCHP的界定標準
目前國內CCHP主要是以天然氣為燃料,表4為筆者搜集的國內燃氣CCHP項目。
由表4可以看出:1)除了裝機容量世界第一外,我國CCHP單一能源站內燃機裝機容量世界第一,地下室機房裝機容量也是世界第一;2)國內最大裝機容量和最小裝機容量相比,相差幾十萬倍。
按國家規劃“十二五”期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目,以及10個左右各類典型特征的分布式能源示范區域,多大規模屬于1000個范疇內,哪些又屬于10個范疇內,目前沒有準確答案。
由于我國特殊的國情,即使是國家發改委、國家能源局也不掌握中國目前CCHP項目的確切數量,不過除孤網運行的小型CCHP項目外,由于燃氣CCHP項目都需要省市(直轄市)發改委正式批準才能建設,所以要了解核準的CCHP項目并非不可能,表4是筆者根據各省市發改委網站統計而來已經核準的國內CCHP工程以及已經運行的CCHP項目,表4所列項目無論是數量上還是裝機總功率均遠遠超出國內以往其他統計結果。
國內CCHP采用的技術與國外基本相同,只是目前燃氣輪機、內燃機、微燃機主要依賴于國外產品。【因本文收錄時間是2013年,所以下圖數據可能不準確,僅作參考】
5標準
大凡一種成熟的技術或產品,其標準包括基礎技術標準、產品標準、工藝標準、檢測試驗方法標準,以及安全、衛生、環保標準,上至國際標準、國家標準,下至行業標準、企業標準,都應齊全。但是迄今為止,國內外DER和CCHP的標準仍然極不完善。
5.1國外有關DER/CCHP的標準
歐洲分布式能源實驗室對目前已經頒布執行的與DER相關的標準進行了統計,如下:
IECTC8Systemaspectsforelectricalenergysupply
IECTC57Powersystemcontrolandassociatedcommunication
IEC61850Communicationnetworksandsystemsinsubstations
IEEE1547TMStandardfouinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems
事實上,目前尚無專門的DER標準,歐洲分布式能源實驗室今后的任務之一就是制定DER的相關標準。
由于CCHP涉及的技術繁多,所以目前主要執行的是與CCHP系統相關的技術標準,筆者未查閱到相關的國際標準和其他國家的國家標準。
5.2國內有關DER/CCHP的標準
國內目前尚無DER的相關標準,據悉DER的相關指導、補貼等政策,以及DER的標準正在制定之中。
2011年3月1日,我國第一個CCHP行業標準CJJ145—2010《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》開始實施,但是該標準只適合15MW發電機總容量以下的CCHP。CCHP的國家標準還有待制定。
目前國內CCHP的可行性報告、初步設計和施工圖設計參照的標準基本上是已經頒布的火力發電和熱電聯產標準和相關規定。
6討論
1)綜上所述,可以看出由于各國標準的不完善,導致了國際上DER/CCHP術語、定義和界定的混亂,這種局面正在改變。另一方面,我國的國情有別于其他國家,雖然DER/CCHP是國家重點推廣的技術和產業,但是政府的相關政策、國家標準和設計規范已經無法與我國DER/CCHP的發展規模和發展速度同步,因此建議國家有關部門應以指導意見先行,明確給出分布式能源和冷熱電三聯供的術語、定義和界定標準。
2)目前我國燃氣CCHP所用的燃機尚須進口,技術也落后于西方工業發達國家,但是CCHP的工程數量,尤其是總裝機容量卻遠遠超過了世界各國。盡管要實現國家發改委在《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中提出的目標任重而道遠,但是我國的CCHP學術水平并不比其他任何國家低,如果能夠充分利用全球項目最多的CCHP工程實踐的機會,并得到政府有關部門的大力支持和幫助,不但DER和CCHP的各種標準、設計規范可以盡快制定,而且設計水平和技術水平也能躍上一個新的臺階。
3)我國開展DER(主要是燃氣CCHP)最早和項目數量最多的是上海市,“從上世紀90年代中期開始,迄2011年底總共實施了26個分布式供能項目,總裝機容量達14.255MW,占上海總裝機容量的0.07%,平均裝機規模548KW。項目遍布醫院、賓館、工廠、交通樞紐、辦公樓宇等;原動機使用了微型和小型燃氣輪機、內燃機及熱氣機等;系統設計有熱電聯供的、也有熱電冷聯供的。從裝機規模上看,規模100KW以下的項目有5個,規模在100~500KW之間的有16個,規模500KW以上的有5個。從系統運行狀態上看,正常運行的項目有18個,裝機容量合計11817KW,占總裝機容量的82.9%;用于教學試驗的有上海理工大學和上海交大紫竹院等3個項目,裝機容量合計180KW,占總裝機容量的1.3%;已經停運5個項目,合計2258KW,占總裝機容量的15.8%”。從項目的數量上來看,正常運行的百分比為70%,失敗停運的為20%。由于上海市已建DER項目的總裝機容量只有14.255MW,僅占目前國內開工建設的CCHP項目總裝機容量(見表4)的0.1%不到,如果不合格率如此之高,顯然是一件十分嚴重的事情,這應引起政府有關部門、能源和電力行業的警覺。
術語、定義和界定標準只是千里之行的第一步,對于技術復雜、涉及專業多、投資巨大的DDER/CCHP系統來說,要在我國取得全面成功,“路漫漫其修遠兮”,還需全國上下齊心協力,共同努力。