日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lǐng)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(lǐng)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(cè)熱、電等多元能源的匹配與平衡是影響系統(tǒng)性能的關(guān)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(gòu)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(wù)持續(xù)計劃(BCP)、停電對應(yīng)型能源系統(tǒng)等概念受到空前關(guān)注，而基于多用戶、多類型分布式能源的網(wǎng)絡(luò)化、智能化應(yīng)用被認為是應(yīng)對上述問題的有效解決方案。基于上述理念，東京燃氣等大型能源服務(wù)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(guān)示范項目也在如火如荼建設(shè)中。不可否認的是，我國在分布式能源相關(guān)理念、技術(shù)、政策等層面與日本存在一定差距，日本在該領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗對我國具有非常大的參考意義，通過總結(jié)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(lǐng)域的發(fā)展一直是國內(nèi)學者關(guān)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(lǐng)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(shù)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(guān)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(luò)化應(yīng)用這一日本能源領(lǐng)域新的發(fā)展動態(tài)，在介紹其基本理念、相關(guān)政策的同時，通過具體案例分析，深入探討其技術(shù)架構(gòu)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(gòu)

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(lǐng)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(wù)為導向的電力和能源體制改革，也為分布式能源的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)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(wù)。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(yīng)需求側(cè)用能行為的動態(tài)變化，供給側(cè)運行調(diào)度即使從技術(shù)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(yīng)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(cè)，各用戶所配置的多類型分布式能源設(shè)備協(xié)調(diào)運行；在需求側(cè)，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?cè)岵男滦蛥^(qū)域供能體系。

3日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)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(guān)政策亦是從這兩個角度提出。回顧其發(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(lǐng)域，日本于1985年設(shè)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(luò)化應(yīng)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(guān)政策均明確提出要促進城市能源面域利用體系的構(gòu)建，而分布式能源的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)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(cè)能源有效管理，并開始著手相關(guān)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(luò)化應(yīng)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(shù)經(jīng)濟可行性的基礎(chǔ)上，詳細闡述了能源面域利用的實施流程、相關(guān)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(gòu)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(luò)化利用。

表1給出了日本區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)化利用的一些相關(guān)激勵制度。除國家層面外，各地方政府也出臺了相應(yīng)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(gòu)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(yù)計投入55億日元，補助熱電融通網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)

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(gòu)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(shè)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(shè)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(yīng)，冷熱需求由太陽能集熱器和內(nèi)燃機產(chǎn)生的余熱供應(yīng)。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(yīng)，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(luò)

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(shè)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(shù)實施需求側(cè)響應(yīng)，確立了智慧能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

如圖4所示，巖崎能源中心由1個主站和3個分站構(gòu)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(shè)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(shè)置有燃氣直燃機和燃氣鍋爐。分站3設(shè)置于2015年開業(yè)的大阪燃氣公司宣傳體驗設(shè)施“hu+g”博物館內(nèi)，設(shè)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(yīng)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?gòu)建高效能源利用體系。

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(shù)中心和荒川區(qū)立養(yǎng)老院，其中技術(shù)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(gòu)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(shè)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(shù)中心和養(yǎng)老院間構(gòu)建了雙向熱融通網(wǎng)絡(luò)。實測結(jié)果表明，通過構(gòu)建上述能源網(wǎng)絡(luò)，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(luò)

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(gòu)建智能能源網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)置兼具能源供應(yīng)與防災(zāi)提升功能的智能能源中心的同時，利用ICT技術(shù)導入了可對設(shè)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(wù)。

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(shè)置有電力自營線路、強抗災(zāi)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(yīng)功能，即使在停電時亦可提供45%的峰值熱需求。根據(jù)預(yù)測，導入上述智能能源網(wǎng)絡(luò)，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(luò)化發(fā)展趨勢

在我國，2015年3月15日，中共中央國務(wù)院下發(fā)《關(guān)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(cè)，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(guān)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(luò)建設(shè)，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(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)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(yīng)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(guān)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(shè)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(shè)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(yīng)用模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)化應(yīng)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(shè)及后期可能的規(guī)模化應(yīng)用提供有益參考。

具體而言，以下幾方面值得關(guān)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(shè)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(shè)，可以使互聯(lián)網(wǎng)理念在能源領(lǐng)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(yīng)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(luò)化應(yīng)用更關(guān)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(shè)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(yīng)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?gòu)建熱能局域網(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(luò)，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(yù)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(shè)計過程中，不能貪大貪多，應(yīng)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(jié)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?yīng)用則大多數(shù)是結(jié)合新區(qū)規(guī)劃實施。可以想象，在今后若干年中，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(gòu)建跨邊界的一體化節(jié)能改造框架體系。

6結(jié)語

作為分布式能源的先行者之一，日本的分布式能源應(yīng)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(cè)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(shù)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(jié)合我國國情，確立最佳實現(xiàn)方案。