日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)應用及啟示

2018-02-04 17:49:41 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

文/任洪波楊濤吳瓊高偉俊，上海電力學院能源與機械工程學院日本北九州市立大學國際環(huán)境工學部1前言自上世紀70年代末引入分布式能源...

文/任洪波楊濤吳瓊高偉俊，上海電力學院能源與機械工程學院日本北九州市立大學國際環(huán)境工學部

1前言

自上世紀70年代末引入分布式能源以來，日本政產(chǎn)學研各界對其一直寄予厚望。從最初的增效節(jié)能，到本世紀初的二氧化碳減排，直至現(xiàn)今的能源安全與能源自立，分布式能源系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢正在被全面挖掘。

截至2016年3月，日本國內(nèi)基于熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)總裝機容量突破1000萬kW，其中民用領域占21%；總裝機臺數(shù)為16424臺，民用占72%。然而，就實施效果而言，無論是民用還是工業(yè)領域，系統(tǒng)綜合能效遠未達到其最大潛力。究其原因，供需兩側熱、電等多元能源的匹配與平衡是影響系統(tǒng)性能的關鍵所在。

在日本，既有分布式能源系統(tǒng)大多以單體用戶為供能對象，用戶負荷單一，逐時波動性強，供需互動難以有效實現(xiàn)。為破解上述困局，近年來日本各大能源商開始嘗試突破現(xiàn)有分布式能源系統(tǒng)的供能邊界，將同一區(qū)域范圍內(nèi)多個相鄰的分布式能源用戶納入統(tǒng)一供能體系，通過構建區(qū)域能源微網(wǎng)，實現(xiàn)能源在有限區(qū)域內(nèi)的共享、融通。

另一方面，2011年東北大地震后，能源安全、業(yè)務持續(xù)計劃(BCP)、停電對應型能源系統(tǒng)等概念受到空前關注，而基于多用戶、多類型分布式能源的網(wǎng)絡化、智能化應用被認為是應對上述問題的有效解決方案?；谏鲜隼砟?，東京燃氣等大型能源服務商已開展了實證示范，并取得了初步成效。

在我國，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源理念正逐步滲透，相關示范項目也在如火如荼建設中。不可否認的是，我國在分布式能源相關理念、技術、政策等層面與日本存在一定差距，日本在該領域的實踐經(jīng)驗對我國具有非常大的參考意義，通過總結其經(jīng)驗教訓，可有效縮短我國的試錯過程，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。長期以來，日本能源領域的發(fā)展一直是國內(nèi)學者關注的重點，但已有研究大多集中于宏觀能源政策的整理與分析。

在分布式能源領域，楊映等從政策法規(guī)、并網(wǎng)管理等角度分析了日本分布式能源發(fā)展的實踐經(jīng)驗。筆者等也對日本分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程、技術現(xiàn)狀、未來趨勢等進行了分析。總體而言，既往研究多著力于宏觀分析，對于實際案例的介紹與分析目前相關研究甚少。

為此，本文針對區(qū)域?qū)用娣植际侥茉吹木W(wǎng)絡化應用這一日本能源領域新的發(fā)展動態(tài)，在介紹其基本理念、相關政策的同時，通過具體案例分析，深入探討其技術架構及實施效果，為我國“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源理念在區(qū)域?qū)用娴木呦蠡峁┯幸鎱⒖肌?/div>

2分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的理念與架構

分布式能源互聯(lián)網(wǎng)是協(xié)同、共享的互聯(lián)網(wǎng)理念在能源領域的滲透與融合，其提出的根本動因是為了破解常規(guī)分布式能源系統(tǒng)供需失衡的困境，由點及面深度挖掘節(jié)能減排潛力。另一方面，以綜合能源服務為導向的電力和能源體制改革，也為分布式能源的網(wǎng)絡化應用提供了有效支撐。

如圖1所示，常規(guī)分布式能源系統(tǒng)以小型化、分散化為立足點，著力于為特定用戶提供量身定做的能源服務。然而，單體用戶用能需求大多呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性和時空性波動，而且電、熱需求亦不同步。為適應需求側用能行為的動態(tài)變化，供給側運行調(diào)度即使從技術層面能夠?qū)崿F(xiàn)，也必將以犧牲系統(tǒng)效率為代價。分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的提出則使分布式能源的應用超越了傳統(tǒng)時空約束，在廣域范圍內(nèi)實現(xiàn)供需統(tǒng)合。

具體而言，在供給側，各用戶所配置的多類型分布式能源設備協(xié)調(diào)運行；在需求側，多元用戶負荷平均、互補，呈現(xiàn)更良好的負荷特性。最終，通過區(qū)域內(nèi)多個分布式能源用戶間的協(xié)同調(diào)度、能源共享，確立剛柔并濟的新型區(qū)域供能體系。

3日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)相關政策

在日本，分布式能源互聯(lián)網(wǎng)在物理層面上是傳統(tǒng)區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)與分布式能源的耦合，為此，相關政策亦是從這兩個角度提出?；仡櫰浒l(fā)展歷程，1972年日本區(qū)域供熱供冷協(xié)會成立，2006年更名為城市環(huán)境能源協(xié)會，旨在通過更深入、徹底的節(jié)能推進低碳城市發(fā)展。

在分布式能源領域，日本于1985年設立了熱電聯(lián)產(chǎn)研究會，1997年更名為“日本熱電聯(lián)產(chǎn)中心”，2011年再次更名為“熱電聯(lián)產(chǎn)與能源高效利用中心”。從上述兩協(xié)會的發(fā)展歷程可見，傳統(tǒng)區(qū)域供熱供冷與分布式能源正逐漸統(tǒng)合，旨在面向分布式能源在區(qū)域?qū)用娴木W(wǎng)絡化應用。

在政策層面，自2005年“京都議定書目標達成規(guī)劃”發(fā)布以來，日本出臺的一系列能源相關政策均明確提出要促進城市能源面域利用體系的構建，而分布式能源的網(wǎng)絡化應用則是其重要舉措之一。

在2010年內(nèi)閣府發(fā)布的“新增長戰(zhàn)略”中，作為100個戰(zhàn)略行動之一，提出要通過能源的面域利用促進需求側能源有效管理，并開始著手相關法律的制定。同年發(fā)布的“能源基本規(guī)劃”也重點強調(diào)了城市和街區(qū)層面的能源優(yōu)化利用，特別是區(qū)域內(nèi)可再生能源、未利用能源的有效利用。

為了引導能源區(qū)域?qū)用娴木W(wǎng)絡化應用，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于2005年發(fā)布了“能源面域利用導則”，在探討其技術經(jīng)濟可行性的基礎上，詳細闡述了能源面域利用的實施流程、相關法規(guī)手續(xù)等。2007年，再次發(fā)布了“基于未利用能源面域利用的供熱促進導則”，重點探討了將城市內(nèi)部廣域分散的低品位未利用熱能，通過構建區(qū)域熱網(wǎng)進行有效利用的可能性。在宏觀引導的同時，日本環(huán)境省﹑經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省﹑國土交通省等部門也頒布了一系列的激勵制度，以切實有效推進區(qū)域能源的網(wǎng)絡化利用。

表1給出了日本區(qū)域能源網(wǎng)絡化利用的一些相關激勵制度。除國家層面外，各地方政府也出臺了相應政策措施。

作為日本的政治、經(jīng)濟和文化中心，東京以2020年奧運會為契機，提出了以“世界第一的城市———東京”為主旨的長期發(fā)展愿景，針對2個基本目標，制定了8大城市戰(zhàn)略和25個政策方針，其中之一即為構建智能能源城市。為此，東京都政府推出了“智能能源區(qū)域形成推進事業(yè)”的補助制度，2015～2019年預計投入55億日元，補助熱電融通網(wǎng)絡及熱電聯(lián)產(chǎn)等項目的初期投資費用。

4日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)典型案例

日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的應用實踐主要是由東京燃氣、大阪燃氣等幾大能源公司推動。下面分別介紹當前各大公司正在推進的典型案例。

4.1東京燃氣熊谷分社熱融通網(wǎng)絡

根據(jù)日本于2008年修正的節(jié)能法，2000m2以下中小規(guī)模樓宇需要進行節(jié)能改造。在此背景下，東京燃氣熊谷分社(建于1984年，建筑面積1400m2)和相鄰的賓館(建于1986年，建筑面積為8940m2)于2009年進行了協(xié)同節(jié)能改造，通過構建熱融通系統(tǒng)，確立了新型能源面域利用模式。

如圖2所示，改造前熊谷分社大樓屋頂已安裝有太陽能集熱器(72m2)、太陽熱驅(qū)動吸收式制冷機(35.2kW)和燃氣吸收式冷溫水機(141kW)，本次改造新設光伏發(fā)電系統(tǒng)(5kW)和基于燃氣內(nèi)燃機的熱電聯(lián)產(chǎn)設備(25kW)。

如圖3所示，熊谷分社電負荷由光伏系統(tǒng)和內(nèi)燃機供應，冷熱需求由太陽能集熱器和內(nèi)燃機產(chǎn)生的余熱供應。根據(jù)辦公建筑用能特點，燃氣公司大樓春秋兩季熱需求較少，其他季節(jié)的非工作時間和雙休日熱需求也較少，會產(chǎn)生多余熱量；而相鄰賓館則具有全年較穩(wěn)定的熱需求。

因此，通過在兩棟大樓之間安裝熱融通管道，可將熊谷分社太陽能集熱器產(chǎn)生的余熱融通至臨近賓館，以實現(xiàn)熱能的最大限度利用，避免損失。若太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量不夠，可由熱電聯(lián)產(chǎn)機組回收的余熱供應，從而節(jié)約能源且減少溫室氣體排放。據(jù)估計，通過上述改造，兩棟建筑可實現(xiàn)年減排二氧化碳11t。

4.2大阪市巖崎智慧能源網(wǎng)絡

大阪市巖崎地區(qū)擁有京瓷大阪體育場、永旺百貨等大型設施。該地區(qū)早在1996年便建有巖崎能源中心，對區(qū)域內(nèi)13家用戶供熱供冷；2013年開始，利用區(qū)域內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為特定電氣事業(yè)，對5家用戶供電。在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供的同時，利用IT技術實施需求側響應，確立了智慧能源網(wǎng)絡架構。

如圖4所示，巖崎能源中心由1個主站和3個分站構成，主站配有燃氣直燃機、余熱回收型吸收式制冷機、電制冷機、熱水鍋爐等。分站1位于ICC大樓內(nèi)，設置有燃氣內(nèi)燃機和余熱回收型吸收式制冷機，其產(chǎn)生的余熱除自身使用外，亦可融通至主站。分站2位于地鐵站附近，設置有燃氣直燃機和燃氣鍋爐。分站3設置于2015年開業(yè)的大阪燃氣公司宣傳體驗設施“hu+g”博物館內(nèi)，設置有余熱回收型吸收式制冷機，其熱源來自于大樓內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱以及太陽熱，剩余部分可以融通至主站。除上述各能源站外，區(qū)域建筑自身亦配置有不同類型的分布式能源系統(tǒng)，具體情況如圖5所示。

永旺百貨配有1630kW的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，京瓷體育場配置有1000kW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，“hu+g”博物館配有停電對應型熱電聯(lián)產(chǎn)機組(420kW)、SOFC燃料電池(4kW)、太陽能集熱器(120kW)、光伏發(fā)電系統(tǒng)(20kW)和蓄電池(50kW·h)。區(qū)域內(nèi)建筑用戶與能源站進行電、熱融通，從面域?qū)用鏄嫿ǜ咝茉蠢皿w系。

4.3 千住混合功能區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)

該項目是日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的實證示范項目，于2011年開始運行。區(qū)域范圍內(nèi)主要有東京燃氣公司的千住技術中心和荒川區(qū)立養(yǎng)老院，其中技術中心又由辦公建筑A(26190m2)、辦公建筑B(8881m2)、智能示范樓和能源中心(C樓)構成，如圖6所示。

如圖7所示，能源中心可利用多種熱源，通過控制系統(tǒng)為其設置了優(yōu)先順序，太陽熱優(yōu)先、熱電聯(lián)產(chǎn)余熱其次。同時，在技術中心和養(yǎng)老院間構建了雙向熱融通網(wǎng)絡。實測結果表明，通過構建上述能源網(wǎng)絡，區(qū)域全年節(jié)能13.6%，減排35.8%。

4.4東京豐洲碼頭區(qū)域智能能源網(wǎng)絡

東京燃氣集團以其2020愿景為導向，于2014年開始在新開發(fā)的豐洲碼頭地區(qū)構建智能能源網(wǎng)絡。在設置兼具能源供應與防災提升功能的智能能源中心的同時，利用ICT技術導入了可對設備進行實時最優(yōu)控制的SENEMS系統(tǒng)，為區(qū)域內(nèi)4個地塊提供電、熱等綜合能源服務。

具體而言，能源中心配置有7MW級大型高效燃氣內(nèi)燃機組、利用燃氣壓差的壓差發(fā)電機(560kW)、余熱回收型吸收式制冷機(2000RT)、電動制冷機(4000RT)、蒸汽鍋爐，同時還設置有電力自營線路、強抗災性中壓燃氣管網(wǎng)(見圖8)。

該燃氣內(nèi)燃機額定發(fā)電效率高達49%，與其他分布式能源協(xié)同，大約可提供區(qū)域電力峰值的45%；同時，發(fā)電余熱亦在區(qū)域內(nèi)融通。此外，熱源系統(tǒng)還配置有BCP對應功能，即使在停電時亦可提供45%的峰值熱需求。根據(jù)預測，導入上述智能能源網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)年二氧化碳減排3400t，減排率約40%。

5日本實踐對我國的啟示

5.1我國分布式能源網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢

在我國，2015年3月15日，中共中央國務院下發(fā)《關于進一步深化電力體制改革的若干意見(中發(fā)[2015]9號)》，明確了“三放開、一獨立、一研究、三強化”的改革基本主線，明確要放開售電側，多途徑培育市場主體，允許擁有分布式電源的用戶或微網(wǎng)系統(tǒng)參與電力交易。2016年2月24日，發(fā)改委發(fā)布《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見(發(fā)改能源[2016]392號)》，指出要加強多能協(xié)同綜合能源網(wǎng)絡建設，發(fā)展可接納高比例可再生能源、促進靈活互動用能行為和支持分布式能源交易的綜合能源微網(wǎng)。

同年7月4日，發(fā)改委發(fā)布《關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見(發(fā)改能源[2016]1430號)》，要求通過天然氣熱電冷三聯(lián)供、分布式可再生能源和能源智能微網(wǎng)等方式，實現(xiàn)多能協(xié)同供應和能源綜合梯級利用；提出“十三五”期間，建成國家級終端一體化集成供能示范工程20項以上，到2020年，各省(區(qū)、市)新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)采用終端一體化集成供能系統(tǒng)的比例達到50%左右，既有產(chǎn)業(yè)園區(qū)實施能源綜合梯級利用改造的比例達到30%左右。首批23個多能互補集成優(yōu)化示范工程于2016年12月26日對外發(fā)布。

同時，2016年7月26日，國家能源局發(fā)布《關于組織實施“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知(國能科技[2016]200號)》，提出要開展園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)試點示范，首批55個示范項目已于2017年6月28日對外發(fā)布。2017年5月5日，首批新能源微電網(wǎng)示范項目也對外公布。

此外，2017年2月7日，國家能源局發(fā)布《微電網(wǎng)管理辦法》(征求意見稿)，對微電網(wǎng)的定義與范圍、建設管理、并入電網(wǎng)管理、運行管理、試點示范、政策保障、監(jiān)督管理等方面做了明確規(guī)定，從而進一步規(guī)范了微電網(wǎng)的建設運營管理。

5.2 值得借鑒的日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的實踐經(jīng)驗

根據(jù)上述分析，我國分布式能源已經(jīng)從傳統(tǒng)單體應用模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡化應用模式，并已進入先導示范階段。在此歷史性階段，借鑒日本已有實踐經(jīng)驗，可以為我國示范工程建設及后期可能的規(guī)?；瘧锰峁┯幸鎱⒖?。

具體而言，以下幾方面值得關注：

①日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)大多以燃氣公司為主來推進，所配置的設備也大多是以天然氣為燃料的燃氣內(nèi)燃機、直燃機等，而光伏、光熱只作為補充。相反，我國首批能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目則大多由電力公司牽頭申請，而且光伏等可再生能源占比均較大。這主要是由于我國的能源互聯(lián)網(wǎng)理念是由國網(wǎng)公司最先提出，并以智能電網(wǎng)作為核心支撐。

電是典型的二次能源，而天然氣是一次能源，以燃氣公司為主體推進能源互聯(lián)網(wǎng)建設，可以使互聯(lián)網(wǎng)理念在能源領域的滲透更深入、更徹底。值得欣慰的是，新奧等傳統(tǒng)燃氣供應商已在積極行動，提出了“泛能網(wǎng)”等創(chuàng)新理念，并在逐步推進。

②日本分布式能源的網(wǎng)絡化應用更關注區(qū)域內(nèi)用戶間的熱融通，而電融通則相對較少。相反，我國無論是多能互補示范項目，還是能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，以新能源、儲能等為核心的區(qū)域內(nèi)電力匹配與協(xié)調(diào)均是建設重點。

誠然，作為一種典型的分布式能源，以光伏為主體的可再生能源應用需要引入新的思路，而能源互聯(lián)網(wǎng)理念為其提供了機遇。然而，綜合考慮電和熱的基本物理特性，熱能的傳輸損失要遠大于電，而且在終端能源需求中，熱能占比也高于電。為此，在區(qū)域?qū)用妫瑯嫿崮芫钟蚓W(wǎng)的迫切性要高于電能局域網(wǎng)。

③日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模均較小，即使相鄰兩棟建筑間也可建立能源融通網(wǎng)絡，這與我國動輒數(shù)十兆瓦容量的區(qū)域分布式能源系統(tǒng)大相徑庭。而既有實踐表明，我國一些已建成的區(qū)域分布式能源系統(tǒng)，由于預估負荷不能到位，難以正常運行。為此，在今后區(qū)域?qū)用娴姆植际侥茉聪到y(tǒng)規(guī)劃設計過程中，不能貪大貪多，應立足于可確定負荷，分步、分期實施。

④日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)大多是結合既有建筑節(jié)能改造進行推進。相反，我國區(qū)域?qū)用娴姆植际侥茉磻脛t大多數(shù)是結合新區(qū)規(guī)劃實施?？梢韵胂螅诮窈笕舾赡曛?，我國必然有大量既有建筑面臨能源系統(tǒng)改造，而在此過程中，可以借鑒日本的實踐經(jīng)驗，擴展思路，構建跨邊界的一體化節(jié)能改造框架體系。

6結語

作為分布式能源的先行者之一，日本的分布式能源應用正從傳統(tǒng)單體模式走向互聯(lián)網(wǎng)模式。

日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的推進大多以燃氣公司為實施主體，以既有建筑為實施對象，以區(qū)域熱融通為實施內(nèi)容，側重于互聯(lián)網(wǎng)理念在能源物理層面的滲透。這與我國正在推進的能源互聯(lián)網(wǎng)、多能互補等示范項目的實施理念存在一定的差異性。作為一種具有革命性的能源利用思路和模式，分布式能源互聯(lián)網(wǎng)所呈現(xiàn)的不同技術路徑各有優(yōu)劣，在今后的實證示范過程中，可以借鑒日本經(jīng)驗，結合我國國情，確立最佳實現(xiàn)方案。