基于可再生能源与储能耦合的建筑能源规划与利用

2024-04-08逄敏

储能科学与技术 2024年2期

逄敏

（1中国铁建昆仑投资集团有限公司，四川成都 610040；2中铁建重庆投资集团有限公司，重庆 400000）

能源是经济社会发展的命脉，也是落实国家发展战略的重要支柱。长久以来，化石燃料的大规模开采与使用推动了世界经济的发展，也引发了环境污染、资源短缺、全球变暖等一系列问题。为改善全球生态环境、建设低碳绿色城市，我们应积极优化能源结构，增加太阳能、风能、潮汐能、地热能等可再生资源的使用占比。然而，可再生能源利用过程中，发电能力受自然因素影响较深，产能存在间歇性、波动性及不可控性，导致大量可再生能源被弃用；建筑能源消耗受季节、天气等波动较大。储能技术作为提高电力系统灵活度、改革能源结构的途径之一，能与可再生能源在时间、空间及强度上实现耦合，促进电力系统供需平衡，提升可再生能源利用效率，达到削峰填谷、稳定运行的目的[1]。

1 新型建筑能源系统特征

“双碳”目标下，建筑能源从高碳逐步向低碳甚至零碳发展，可再生能源的大规模开发和高效利用成为未来发展方向。从建筑能源利用角度而言，可再生能源利用具备以下特征。其一，当前建筑电力能源供应已开始由煤炭、天然气等化石燃料向可再生能源转换，正逐步建立多种能源耦合的综合能源系统。与传统稳定可控的能源供应不同，可再生能源波动性供应模式与居民生活端高度电气化存在供需矛盾，提升能源效率成为建设绿色节能型社会的必然要求。其二，伴随着可再生能源并网使用，储能技术在发电系统中起到良好的中介作用。目前，我国东部地区分布式发电模式与高负荷需求不完全匹配，西部地区大规模的发电基地又依赖大量电力电子设备实现可再生资源优化配置[2]。高比例的电力电子占比给建筑能源长期规划带来了一定的挑战。其三，在电源端发展能源转换技术，使可再生能源具备灵活调节及故障穿越能力。特别是抽水蓄能、电化学储能及氢储能技术的逐渐成熟，在弥补可再生能源波动性弊端方面起到关键作用。而且在电网侧，灵活柔性的特点提升了资源的跨时空互补及跨区域共享能力，有效助力可再生能源消纳。其四，可再生能源与储能技术耦合通过规模化发展储能技术，全力保障可再生能源的高比例接入，不仅攻克了新能源稳定运行问题，而且降低了电力电子设备安全风险，实现了能源系统的灵活调节[3]。

2 可再生能源长期规划面临的挑战

建筑能源供应类型受到政府政策、能源价格、新兴技术等不确定因素的影响，而这些不确定性也表征在参数及政策等层面。其中，参数不确定性分为经济参数和技术参数。经济参数以能源负荷预测及可再生能源投入成本为例。能源负荷预测与人均GDP、电气化程度、能源效率息息相关，即使是国内外权威机构所出具的预测结果，不确定性仍相对较大[4]。可再生资源投入成本受到技术发展、政策导向、宏观经济等不确定因素影响，对其未来技术发展方向将产生较大影响。“双碳”发展背景下，电源侧、电网侧、消费侧对于可再生能源发电技术、输电技术及储能技术的需求激增，技术发展的不确定性也成为能源转型发展的限制因素。

建筑能源需求端与供应端呈随机性，已经由原先的源随荷动转变为源荷互动，给能源供应系统带来了新的挑战。风光出力一方面在日内呈现波动性，另一方面受季节性波动影响较大，导致可再生能源应用供需匹配度不高。虽然现有储能技术能灵活应对需求变化，但多被应用于日内调节，尚无法满足季节性调节需求，因此，解决可再生能源供需不平衡问题成为能源长期规划所面临的重大挑战。

电力供应系统的安全性是指在事故状态下避免引发失控或连锁反应的能力。近年来，随着可再生能源占比的增加，世界各地的停电事故频发，因此建立安全稳定的能源供应系统需要从系统安全性入手。不同于传统化石燃料能源系统，可再生能源系统稳定性有待提升，特别是在遇到电压或频率巨大波动时，系统保护设备会出现大规模脱网，增加大面积停电的风险。

可再生能源不同区域间差异性较大，不仅表现在资源类型，而且与负荷情况、并网后运行状况相关。以我国风能发电为例，在不考虑电网接入成本及输电成本的情况，蒙西与新疆的上网电价几乎一致；而考虑输电成本后，蒙西的上网电价远低于新疆[5]。因此，有必要在长期规划中综合考虑区域间的资源差异，合理规划可再生能源的利用，以满足整体资源配置及功率平衡。

3 可再生能源与储能技术耦合的建筑能源规划

我国正逐步构建可再生能源并网、多能源并存的低碳系统，建筑能源系统要实现供需平衡，依赖储能技术稳定能源供应，优化资源空间调动。而不同储能方式在特征及性能上存在差异，需要根据需求选择合适的储能技术，以解决可再生能源大规模、长周期储能需求[6]。

近年来，电储能技术研发受到各界关注，主要分为物理储能和化学储能两种。其中物理储能技术对地理环境要求较高，使用安全性仍有待提升；化学储能技术主要被应用于各类电池，其中锂离子电池因寿命长、效率高、能量密度高等特点而得到广泛应用。张永明等[7]选取西北某园区作为案例对锂离子电池储能技术进行研究，发现锂电子电池性能优良，可满足多种充放电策略；锂离子电池采用梯级利用模式电池寿命较高，比新电池的经济效益还高，且一充一放模式的寿命高于两充两放；两充两放比一充一放更快获得40%的经济收益，适合峰谷电价差异较大的区域；锂离子电池保持在0.3～0.5 C 充放电倍率下，电池损耗较小。随着锂电池储能技术的发展，其储能效率、使用寿命都得到提升，但仍无法满足季节性储能需求。

氢储能技术是将可再生能源通过电解转变为氢气并进而转化为氢基化学品进行储存，其在容量及放电时长方面具备突出优势，将成为可再生能源长周期储能的重要方向。张鹏等[8]发现电氢耦合体系通过氢形式向其他领域拓展，以达到稳定能源供应的目的；随着可再生能源多能互补技术、电解氢技术及氢储能技术的发展，安徽、内蒙古、河北等地风光氢储能项目从试点走上了商业化，但三北地区风光氢储能尚处在探索阶段，仍需通过政策、市场调控降低全产业链成本，统筹建设绿氢基础设施，加快自主核心技术研发，提升绿氢市场竞争力，因地制宜带动区域经济增长。

建筑能源在我国能源消耗中占比较大，随着可再生能源的开发，构建多能互补的能源体系将成为能源供应的良好解决方案。但传统储能技术多采用单一模式，无法同时满足多能源供应需求，因而有必要开发混合储能技术以提高建筑能源供应的稳定性。混合储能技术通过不同储能设备或手段实现不同能源的切换与储存，进而保障建筑能源的流动性及协调性。同时考虑到储能设备成本及使用周期等因素，建筑能源系统可根据需求选择合适的混合储能技术。因此，混合储能技术需遵循以下原则及要求。其一，考虑到能源利用效率及经济性原则，应结合建筑现有储能源搭配储能设备。其二，混合储能优先匹配对能源质量要求的区域，未来随着成本的降低，混合储能技术的应用范围将不断扩大[9]。其三，在实际应用中需要统筹规划好各设备的系统调度，以确保整个体系的高效运作。

混合储能技术在建筑中的应用通常包含以下几种。其一，电能和热能是建筑能源重要组成部分，电-热混合储能技术能在两者间建立联系，实现两种能源的灵活调度，提高建筑能源利用效率。其二，电-气混合储能技术减少了能源系统弃风消纳率，以电气双向耦合同时满足用户电能及热能需求。其三，电-气-热混合储能技术则是在之前两种技术的基础上，统一规划建筑电、热、气三种负荷，三者的耦合提高了整个系统的经济性，虽然前期投入成本较高，但运行成本会逐渐降低。此外，电-热-冷混合储能、电-热-气-冷混合储能也得到发展，而且蓄热蓄冷可实现一罐两用，降低存储设备成本。