特约供稿 · 2019-08-01 10:00

【综合能源】未来可期,能源消费端关键技术大概览!

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综合能源

在德国综合能源系统中,建筑,交通和工业是三大消费终端领域,随着风能、光伏等可再生能源的逐步渗透与扩张,能源效率标准的不断提升,以及能耗端的日益复杂化,大量的能源技术应运而生。本文将从三大能源消费终端的角度出发,并结合负载管理,为大家简要介绍一些与此相关的未来关键技术

建筑领域

建筑物是最常见的能源消费端,占德国全部能耗的32%,其相关的二氧化碳排放量占所有温室气体排放量的20%左右。在建筑物内部,供暖和用水所需的低温热能为建筑能耗的最大份额。随着综合能源系统转型的推进,对建筑物的能源效率和隔热性能都提出了更高的要求,因而对老旧建筑外层的翻新、新型节能建筑的推广和高效的能源转换技术广受欢迎,与此同时,可再生能源作为建筑一次能源消耗所占的比重也在大幅提升,例如光伏、光热和地热能等在小型综合能源系统中的利用。目前常见的建筑领域能源关键技术有以下几种:

 

  • 热电联产技术提升能源利用率与经济性,同时减少二氧化碳排放量
  • 适用于低温供热系统的地热或空气热泵
  • 面向对象为密集城市地区的大型城区供热网络以及针对小型城市或社区分布式供热系统
  • 利用太阳能建立的光伏发电系统、光热系统
  • 在光热、热泵等系统中使用冷凝锅炉技术

此外,将建筑产电直接用于供热需求,比如对电热泵的使用,也可以有效提升建筑能源的利用率,然而从中长期的角度来看,由于各种原因,电热泵的安装往往难以实施。

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地源热泵空调系统示意图

 

交通领域

目前在交通运输领域,私人交通工具中约有76%的汽油和柴油动力汽车,在货运交通工具中该比例为70%,电能在交通能源消耗中仅占1%的份额,但随着电池行业和燃料行业的技术革新电动交通工具和合成燃料在未来有望发挥关键作用,主要用于铁路、地铁和有轨电车而可再生能源在交通领域能耗份额近年来一直停滞在5%左右,交通运输部门正在不断尝试新的技术来提升这一数字:

 

  • 电池电动汽车的投入使用,电动驱动器比内燃机相比往往效率更高,且更安静,有害排放物较少
  • 混合动力汽车的投入使用,同时具有高性能电池和内燃机的电动机的混动汽车,功率密度更高和成本更低,插电式混动车及自带内燃机增程器的设置将电动汽车的续航里程大幅提升
  • 燃料电池汽车的大力推广(目前比电池电动汽车价格更高)
  • 天然气汽车的研发,其燃料成分为天然气、生物甲烷及合成甲烷
  • 合成液体燃料的使用,由于其具有汽油和柴油的基本性质,因为不需要对车辆和加油站站点网络做出替换或更改

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智能电动汽车户外充电桩

为了实现综合能源系统在交通领域的转型,对电池技术的进一步开发势在必行,以便扩大使用范围并降低成本,同时,充电基础设施的推广与覆盖也十分重要。在长距离运输和货运领域,易存储和运输的高密度燃料例如氢气、甲烷和液体燃料以及合成燃料等相关的技术发展在未来也将扮演不容忽视的角色。

工业过程领域

目前,工业领域是温室气体排放的最大来源。工业生产过程中的能耗占德国总能耗的30%左右,其中三分之二是热量消耗,一次能源消耗层面,天然气所占百分比最大,约75%,因而该领域的能效提升与能源节约潜力十分巨大。碳排放量少的燃料,例如生物质能以及对高热需求生产过程的电气化在工业领域成为了新的趋势。减少温室气体排放的措施的另外一些方法可以通过增加工业生产过程中的开关,使用高能源利用率的设备和提升可再生能源的比重等。主要有以下方法:

 

  • 超高温工业过程(部分超过1500 °C)中能源载体的多重利用。例如焦炭除了用作能源供应外还是一种主要还原剂,并且由于其机械稳定性可以确保高炉过程中的稳定分层
  • 提高废热回收利用率,使其再次进入热网络
  • 在某些工业过程中,可以使用电力代替化石燃料,或使用电力和天然气混合系统
  • 热电联产设备的投入使用
  • 生物质能参与工业流程能源供应

 

此外,随着工业流程在未来的多样化与复杂化发展,个性化的针对性解决方案的需求会日益增长,对技术成熟度的要求也会相应提高。

 

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负载管理

德国目前的电力供应系统基于发电跟随消耗的原理,即所谓的发电厂的负载跟踪操作。灵活的生产控制可以确保消耗和生产始终保持一致,以保持电网的稳定性目前,传统的电厂更多用于补偿太阳能和风能发电系统与天气和需求变化有关的波动随着可再生能源发电份额的提升和传统能源发电量的下降,对电力需求侧的灵活性的要求提高,由此衍生出的有针对性的负载控制称为负载管理也叫需求侧管理通过影响电力需求的措施,包括控制需求侧负荷和减少电力消耗的措施,以降低能源成本,为电网运营商提供平衡能量。负载管理是打造高智能化、高自动化的智慧能源系统的重要工具。

目前德国负载管理总容量约为15.2GW,主要应用领域如下表所示:

 

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参考资料

1、http://www.dsm-bayern.de/dsm/geeignete-branchen-und-prozesse/

2、»Sektorkopplung« – Optionen für dienächste Phase der Energiewende

3、Integrated energy systems modelling,Karlsson, Kenneth; Skytte, Klaus; Morthorst, Poul Erik; Bacher, Peder;Madsen, Henrik

4、Handbuch Lastmanagement,dena

5、dena-Leitstudie IntegrierteEnergiewende

End

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编辑可汗

作者:尹华琛

联系作者:huachen.yin@jiaonengwang.com

投稿请联系:info@jiaonengwang.com

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原文始发于微信公众号(交能网):【综合能源】未来可期,能源消费端关键技术大概览!

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