熱電聯產技術對丹麥零棄風的貢獻

2017-10-03 13:31:25 中國電力網　點擊量：評論 (0)

棄風棄光是當下風電和光電產業發展面臨的最大挑戰之一，造成棄風棄光的典型原因是電網靈活性不足，這有時是不可避免的，這也常常被用來解釋為什么可再生能源利用率較低的國家，想要在電力系統中大幅增加可再

棄風棄光是當下風電和光電產業發展面臨的最大挑戰之一，造成棄風棄光的典型原因是電網靈活性不足，這有時是不可避免的，這也常常被用來解釋為什么可再生能源利用率較低的國家，想要在電力系統中大幅增加可再生能源發電比例也非常困難。

　　但流行的解釋未必就是對的。事實上，許多已建設備本可以實現更具靈活性的運營，但因為沒有動力去做技術改造而作罷。本文以熱電聯產系統應用較為成功的丹麥為例，展示了如何通過不斷克服“技術局限”，提高電力系統整體靈活性，從而大幅減少棄風棄光現象。這其中的關鍵，是丹麥監管當局通過重塑電力市場結構，刺激電廠積極開發新技術和管理解決方案，從而提高其運行靈活性和利潤最大化。

　　這一舉措使得丹麥擁有了世界上最高的風電比例——42%，同時將棄風現象減少到可以忽略的水平。

　　熱電聯產靈活性不足帶來棄風棄光

　　幾十年來，丹麥很大一部分電力是通過被公認為最缺乏靈活性的熱電技術提供的，即熱電聯產（CHP）。顧名思義，熱電廠具有同時向用戶提供熱力和電力的雙重職責，這也正是其缺乏靈活性的原因：當熱電廠提供熱力時，就必須同時生產電力。因此在冬季，當熱電廠為了提供熱力而持續運行時，它也在不斷向電網輸送電力——無論電力需求是否存在。因此，當電力需求量很低，風電充足，而熱電聯產機組又必須運行時，電力系統運營商必須優先滿足供熱需求（即優先使用機組同時生產的電力），不得不放棄更具經濟性的風力發電。

　　由于具備超高的能效，熱電聯產技術對于許多國家實現減排目標至關重要，尤其是處在寒冷氣候帶的國家。由于熱電聯產技術將發電過程中產生的余熱（通常是被浪費的）用于供熱，對于分別生產電力和熱力，熱電聯產技術能夠節約30%左右的化石燃料，提高了整體的能效。

　　中國熱電聯產技術在靈活性方面的欠缺對可再生能源并網帶來了極大的挑戰，導致了在供熱需求較高的東三省地區棄風棄光現象比較嚴重。2015年至2016年間，中國全國棄風棄光率分別達到了17%和10%，相當于浪費了風電和太陽能電力行業341億元人民幣的營收。雖然丹麥的風電裝機及發電比例遠超過中國一些因熱電聯產而棄風現象嚴重的省份（如風電比例達到17%的吉林省），但其電網當前的棄風率僅為0.2%（吉林省2016年棄風率為30%）。

　　市場機制刺激技術升級

　　丹麥在其風電比例尚未達到如今的高度時就意識到了熱電聯產缺乏靈活性的問題——用戶的電力需求常常與供熱需求并不一致，尤其是在夜間，溫度驟降（供熱需求升高，因此熱電聯產電力產量也升高），但企業停工、居民入睡（電力需求降低）。經過深入研究，丹麥人逐漸開發了一系列得以廣泛應用的技術解決方案，幫助解決供熱與電力需求不匹配的問題：

　　* 存儲熱力供以后使用，這意味著電力生產可以擺脫供熱需求的影響。

　　* 在電力供應過剩而供熱需求未被滿足時，電熱鍋爐和熱泵可以將電力轉換為熱力。

　　* 作為最后的手段，以降低綜合能效為代價，可以打開旁通閥讓熱電聯產機組將蒸汽導向渦輪四周，從而只生產熱力而不生產電力，這比原來同時生產熱力和電力時燃燒更少的燃料。

　　雖然這些技術解決方案十分關鍵，但丹麥人更重要的創新在于他們部署這些技術的方式。丹麥并沒有強制推行這些技術解決方案，而是依靠市場的力量激勵運營商改造熱電聯產設備并調整它們的運營，使其更具靈活性。

　　丹麥早在1999年就引入了競爭性電力市場，當時并未將熱電聯產電廠并入這些市場，因為他們將熱力供應視為公共福利，認為其不應受到市場力量控制。對電網來講，這意味著供熱需求在任何時刻都控制著來自熱電廠的最低水平電力供應，限制電網使用其他成本更低的發電方式。雖然熱電廠能夠提高其出力水平，但出力水平的降低程度是受技術限制的。由于熱電聯產的優先級高于低邊際成本的風電和太陽能電力，電力系統必須選擇并網優先級別高的熱電聯產生產的電力，造成了棄風棄光現象的發生。簡而言之，熱電廠被認為是“必須運行”的發電機組。

　　但隨著不斷開發新的技術解決方案，“必須運行發電機組”的概念受到了質疑。丹麥決定分解對熱電聯產的調度決策：熱力供應繼續作為受監管的公共服務，但對電力生產則開始引入市場機制。這意味著熱電聯產的熱力供應將與過去一樣，按照用戶實際使用的熱量、以規定的費率得到補償，但熱電聯產的電力生產必須在批發電力市場中收回成本。

　　這一變革的結果是：對于燃燒的每噸煤炭而言，來自熱力的收益只能收回燃料的部分成本。熱電廠生產的電力必須接受市場價格，這意味著在電價較低時（風力資源豐富及需求量較低），熱電廠將無法回收他們的全部邊際成本，但當電價較高時（電力市場價格上升反映了電力供應的不足），熱電廠則能夠獲得更高收益。在這個系統中，熱電廠必須更具靈活性才能獲得最大收益：在低電價時段盡量降低電力生產，而在高電價時段最大化電力生產。

　　價格波動僅由需求波動決定時，熱電廠提高靈活性的經濟意義并不大，但隨著丹麥國內風力發電比例持續上升，低電價時段越來越多，熱電廠提高靈活性的利益動機就越發強烈。

　　熱電廠開始通過優化當前運營方式來提高靈活性，當電力需求較為穩定、電廠以高效且平穩的水平出力時，經驗邊界值（特定供熱水平下的最低必須發電量）被認為是難以逾越的技術局限。這種看法使運營商認為熱電廠無法同時實現高效、有效且靈活的運營。但在靈活運營的利益動機激勵下，這些運營商開始發現電廠其實能夠穩定地實現這樣的運營并保持可控的設備磨損度。丹麥熱電聯產產業得以進一步降低最低運行率，減少開機時間和成本，并提高快速爬坡能力。如今，丹麥的熱電廠在快速調整出力方面已達到世界最高水平。

　　在優化了當前運營方式后，運營商們開始考慮具備成本效益的改造項目。例如，按照2010年丹麥市場價計算，儲熱罐與旁通技術改造的折現回收期大約是三年左右。熱電聯產運營商首先保證地區熱力站現有儲熱罐得到最大化利用，隨后開始加大投資建設大型上游儲熱設施。鑒于大型電力存儲技術成本仍然較高（雖然已在快速降低），因此熱力存儲的性價比更高，尤其是它能夠被用來最大化低價時段和高價時段的整體收益。

　　為了進一步提高熱電廠的靈活性，電廠接下來開始使用電熱鍋爐或熱泵，在電網收到降低電力生產的經濟信號時，通過利用富余電力生產熱量來補充熱力供應。與熱電聯產技術的熱力生產相比，電熱鍋爐一般成本高昂且效率低下。但當電力價格因風電生產量大而非常低（甚至是負值）時，電熱鍋爐成為了更具吸引力的投資選項。

　　例如，按照2013年市場價格和稅收制度計算，在典型熱電廠加裝一套75兆瓦的電熱鍋爐，每年能夠為熱電廠節約大概300萬歐元。

　　這就是說，當許多國家正在通過購置天然氣調峰電廠和電池存儲設施等高成本方式來中和大量增加可再生能源所帶來的電網波動，丹麥則以更低的成本實現了這種運營靈活性，將風險從用戶轉移至發電者，從而激勵后者承擔責任，通過創新在市場中保持盈利。

　　新的挑戰

　　在整個丹麥能源系統中，選擇改造的電廠、提高靈活性的熱電廠能夠實現更高的經濟回報，而其他純冷凝或未改造電廠則喪失了競爭力，逐漸退出市場。2000年至今，丹麥約有2吉瓦裝機的熱電機組退役，另外1吉瓦則處于長期待機狀態。雖然這些市場淘汰是難以避免的，但將熱電廠納入電力批發市場的做法本身也存在諸多挑戰。例如，隨著越來越多低成本可再生能源并網，即使經過改造的熱電廠也只能維持微薄的利潤。未來，隨著市場電價進一步降低，熱電廠可能不再有利可圖，被迫退出市場，從而威脅到穩定的供熱能力。

　　這些挑戰和問題的確需要重視，但監管者無須因此恢復保護熱電聯產的監管制度，這將破壞在這一轉型過程中已經取得的成績，更不用說傳統電力批發市場在設計中已考慮到了火電廠的非零邊際成本?；謴蛯犭娐摦a的保護機制，將造成電網電價長時間保持接近零的水平，從而使可再生能源無力回收成本。這一問題給丹麥或中國乃至其他所有國家提出了新的挑戰，即如何設計電力市場來適應未來主導我們能源系統的發電技術，包括風電和熱電聯產等。

　　要完全擺脫化石燃料，我們就必須實現所有部門的電氣化，包括交通、烹飪、供熱等等。長遠來看，熱電聯產技術也將被取代。盡管如此，現階段還有大量熱電聯產設施在運行，而且具備很高的能效和經濟性，它們也同時以犧牲風能資源為代價在運轉。而電力供熱技術的能效仍然較低，要實現大規模應用還為時尚早。

　　文章原載于2017年9月18日《財經》雜志