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能源互联网在新型城镇化建设中的实践

发布时间:2016-12-26 09:57


一、中国新型城镇化居民用能需求状况


中国目前与世界大部分发达国家在城市化进程中经历一样,迎来了人均能源消费量的较快增长和能源结构快速变化的过程。之前的诸多文献对中国未来的能源消费或利用大多是从工业化角度,忽略了城镇化进程中生活能源消费的巨大增量。


中国的城镇化和英国城市化、美国和北美城市化、拉美及其他发展中国家城市化(欧美国家一般使用城市化概念)差异很大,中国人口规模大、贫困人口多、城镇化速度低、城乡户籍制度,加上全球化、信息化,中国城镇化进程既要符合先行欧美国家所没有遇到的严格的环保和低碳排放要求,又不能像第三阶段拉美国家采用移民的方式进行。与欧美国家相比,中国城镇化的突出特征是政府主导、大范围规划、整体推动、土地的国家或集体所有、空间上有明显的跳跃性、民间社会尚不具备自发推进城镇化的条件等特征。这些特殊性意味着中国必须根据自身条件选择一条不同的城镇化发展道路。


起点低、速度快是改革开放三十多年来中国城镇化的发展主要特征。在1980年~2013年期间,中国常住城镇人口从1.9亿人增加到7.3亿人,年均提高1个百分点,农业人口移入城镇年均1600万;城市数量从193个增加到658个,建制镇数量从2173个增加到20113个。在快速发展中,旧模式的城镇化出现了土地城镇化快于人口城镇化、城乡差距加大、东中西部城镇差异拉大等问题。新型城镇化建设目标是重质量轻速度、一体化统筹、缩小城乡差距、城市结构合理和城市群体系趋于成熟等。


能源总消耗量的大规模上升是中国城镇化的发展中必然要面对的挑战,一个农业人口转移进入城市,其生活用能消费水平将提升至原来的3倍及以上。而城镇居民的生活能源消费由直接用能量和间接用能量两部分构成。居民的间接用能量远远大于直接用能量,前者又是后者的2倍~3倍以上。根据《中国能源统计年鉴2013》数据,中国在1980至2012年期间,中国城镇人口和农村人口直接用能量都呈现增长态势,但城市人均生活用能量一直高于农村人口的消费量(图2),过去33年间城乡差值在93千克~272千克标准煤。伴随城镇化的发展,同时拉动城市基础设施建设,城镇居民生活用能总量将进一步增长,且间接用能量增速也高于直接用能量。


农村人口向城镇人口转变所引起的居民生活用能量的增加量取决于城乡居民生活用能量的差值。西方发达国家城市化发展历程表明,当其人均生活水平和质量进入发达国家行列,其人均能源消耗量不低于4000千克标准煤,人均直接生活用能量大都在1000千克~1800千克标准煤之间。根据十八大报告提出2020年“国内生产总值和城乡居民人均收入倍增目标”,届时的能源需求总量将达到53亿吨标准煤。按国家发展目标,中国将在2050年进入中等发达国家水平,城镇单位用能消耗将在目前的基础上提高15倍~20倍,届时即使中国人均能效达到目前能效水平最高的日本的水平,能源需求也将接近77亿吨标准煤。如此高的能源需求,迫使中国需要改变当前的能源生产和消费方式,寻找开发新能源之路,实现社会持续发展。


二、影响新型城镇化建设的能源问题


自中国2011年超过美国成为世界上最大的能源生产和消费国,能源问题已成为中国城镇化进一步发展的瓶颈。目前国内能源主要受三方面约束:化石能源国内供应有限,能源效率较低;石油、天然气对外依存度高;高强度能源开发对生态环境造成巨大压力;产能和用能中心在地理上布局不均衡。能源是支撑一个国家国民经济与社会发展的物质基础,更是中国新型城镇化建设的和发展的重要物质基础,中国当前面临的常规能源有限供应能力挑战和严重的生态环境危机,亦是当前世界各国需要共同面对和解决的能源问题。


1.能源效率低。与发达国家相比,中国目前能源的效率比较低。每生产1000美元GDP,中国需要消耗273千克油当量,而美国仅需要171千克,韩国为184千克,日本则为125千克。国际经验表明,一个国家或地区的城镇化率在30%~60%之间时,是这个国家城镇化加快阶段,而城镇化发展速度和城市能源需求两者关联密切。


统计数据显示,截至2013年,中国石油、天然气、煤炭、核能、水力发电、可再生能源等一次性能源消费所占比例分别为17.8%、5.1%、67.5%、0.9%、7.2%、1.5%。中国是目前世界上唯一的以煤炭为主的能源消费大国,煤炭能源在中国能源结构中仍旧处于主导的地位。


2013年中国能源总体消费情况,总能耗是34.2亿吨标煤(电热当量计算法),能源集中生产和供应中上述标煤41.7%用于发电、4.7%用于供热、14.9%用于炼油,其他用途9.1%、损失29.6%,而发电使用效率34.6%、供热使用效率74.5%炼油使用效率97.9%。煤炭作为主要的化石能源,通过火车、汽车、船运送到城市去,其中在运输过程中所产生的能耗就占到了总能耗的20%以上,能源的集中式生产以发电、供热、炼油为主,但集中式发电、供热效率非常低。如热电厂,要划分一个供热半径,以供热半径内的最高负荷来建热电站,但是供热范围内的用户不可能同时开启所有的用能设备,所以其整体的供电供热效益在40%左右,而且终端用户在建筑、工业的能源利用效率低于国际先进水平至少20%左右。


2.废水、垃圾处理难和空气污染重。废水、垃圾处理和空气污染是城镇化建设中与能源问题密切相关的另外两方面。中国目前城市环境矛盾凸显,600多座大中小城市中,有70%被废水、垃圾所包围,一些重点流域、海域水污染严重,部分区域和城市大气灰霾现象突出,形成“垃圾包围城市”的局面,许多城市和地区的主要污染物排放量超过环境容量。2012年城市生活垃圾清运量1.7亿吨,比2011年增加4.2%;城镇生活污水排放量462.7亿吨(见表1),比2011年增加8.1%,占全国废水排放总量的67.6%。预测到2030年,中国城市垃圾年产总量将达到4.09亿吨,城市废水、垃圾总量增速堪比当前国家GDP增长速度。而城市空气污染问题,根据国家统计年鉴显示的31个主要城市2012年主要废气污染物排放统计数据,这些城市年均二氧化硫排放11.19万吨,氧氮化物14.36万吨,烟尘5.28万吨。而同年北京的上述三种废弃污染物排放分别为9.38万吨、17.75万吨和6.68万吨,PM10年均值每立方109微克,2013年北京PM2.5年均值是每立方90微克。根据2012年国家颁布的空气质量新标准,PM2.5年均值达到每立方米35微克以下才算二级良好水平。在全球化、信息化的今天,中国如何在新型城镇化建设中解决上述影响城市发展的能源问题,如何优化能源结构、提高能源效率、充分利用可再生能源,能源互联网是未来能源生产和利用模式方展方向,是解决未来可再生能源大规模有效利用的重要基础设施。


三、利用能源互联网,提高能源消费结构和效率能源


互联网是美国学者杰里米·里夫金在《第三次工业革命:新经济模式如何改变世界》中提出的愿景。他的书中提出了第三次工业革命,十九世纪蒸汽产生动力带动第一次工业革命,内燃机产生电力带动第二次工业革命,到了二十一世纪进入互联网时代,是否利用互联网形成新的一次工业和产业革命?2008年美国国家科学基金(NSF)项目未来可再生电力能源传输与管理系统中明确提出了能源互联网这一学术概念。


1.能源互联网定义界定。能源互联网是一种构建在化石能源和可再生能源发电,通过分布式能源采集和储存等装置,运用先进的电力电子技术、信息技术和智能能源管理技术,将多能源网络和信息互联网结合起来新型电网结构,实现能源和信息双向流动的交换与共享网络。以可再生能源发电为基础,常规化石能源为重要补充对能源互联网络进行构建,通过云计算智能网管理系统实现实时、高速、双向的电力数据读取和可再生能源的接入。该网络具有能源种类多样化、能源来源的区域分布广、多种类能源互联、能源网络共享、系统自愈功能、运行高效、绿色环保等特点。


2.能源互联网核心技术构成。能源互联网由若干个能源局域网相互连接构成。能源局域网由能源路由器、发电设备、储能设备、交直流负载组成,可并网工作,也可脱网独立运行。能源路由器由固态变压器和智能能源控制系统组成;智能能源控制系统根据收集的能源局域网中发电设备,储能设备和负载等信息做出能量控制决策,然后将控制指令发送给固态变压器执行,即智能能源控制系统管理信息流,固态变压器控制能源流。为保证能源互联网的可靠安全工作,能源局域网的上一级干线具有智能故障管理功能,提供能源互联网故障的实时检测,快速隔离等自愈功能。


3.能源互联网面临的技术挑战。发展能源互联网需要技术跟进,现有技术面临更大的挑战。首先,能源互联网系统中的多能源网络架构和云计算信息融合机制。能源路由器是能源互联网实现的核心,但能源的路由比信息要复杂得多,如何对多种能源收集、储存和控制管理;其次,要实现能源互联网控制,电力电子技术是主要手段,根据居民用能的实际需求以指定电压和频率控制电力的传输是技术关键和难点,电力电子变压器比传统变压器效率高,但其容量和安全可靠性等方面是需要解决的关键问题;最后是分散协同式的能源控制管理,传统的能源管理系统和可再生能源管理最终在能源互联网的平台上通过云计算智能网实现统一的多种类能源生产、收集、储存和传输等信息实时采集、处理、分析与决策的产能用能,国家和企业对如何促使电网的智能化和信息化结合,信息能源基础设施的一体化发展,是互联网时代能源基础设施进行变革的新挑战。


四、能源互联网在新型城镇化建设中的实践


《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》中提出,新型城镇化建设中城镇清洁可再生能源消费比重由2012年的8.7%提高到2020年的13%,能源种类多样化、安全化、高效使用,推进新能源示范城镇建设以及智能微电网示范工程建设,支持分布式能源的接入,提高居民和企业用能的智能管理。


1.平衡能源结构及供应。目前,化石能源,比如天然气,其供应稳定、存储方便,但其使用将会产生碳排放,同时化石能源的存储量在急剧的减少;而可再生能源,具有清洁及低运营成本的优势,但其断续和生产的不确定性又将影响能源供应的可靠性和稳定性,比如光伏到了晚上就不能发电,影响供能可靠性。采用两者优势互补的原则来综合的利用。同时,生产生活过程中会产生的废弃物垃圾、污水、污泥、废热和生物质废料充分的回收利用并转化成能源作为补充,利用循环的理念来减少化石能源的需求。


2.技术实践体系。同时利用传统化石能源和可再生能源,使用集中式能源供应和分布式能源系统两种能源结构。具体做法:多元能源结构,优先使用可再生能源,化石能源为支撑;供应模式:分布式为主,集中式为辅;最后实现能源供需互动,有序配置,节约高效的平衡用能方式。


首先,在应用端,每个客户在用能的过程中同时也是产能者,利用节能技术在不断降低能源消耗和提升能源利用效率的基础上,充分回收不同用能单元在用能过程中所产生的余能、废能。其次,采用集中式和分布式能源生产结合的方式,利用以分布式发电机组为核心的分布式能源站,因地制宜利用可再生能源,不足部分再由集中式能源补充,贴近用户,根据用户对能量的品质和数量的不同需求,提供相匹配的能源和能量。在控制层面,以智能能量管理作为核心形成分布式能源控制网络,充分借助人的智慧对能源系统进行整体的优化和控制,进一步提升整体系统的能源效率。最后,以云服务平台为核心的多种能源运营管理系统,将能源的生产商、服务商、运营商、用户有机的结合在一起,通过对多能源的协同调度、监管、交易和智能化服务,形成真正意义上的能源互联网的交换和多方共赢。


3.物理布局在区域内如何实现。从物理布局上来看,在一个小型区域内,以四环节循环生产形成区域分布式能源系统,终端用户尽量利用节能技术,减少能源需求,再利用分布式能源站来匹配他们的冷、热、电、气、生活用水等多能源需求,同时利用不同能源的存储,回收垃圾、余热、废热、废气及终端用户的工业余能,可实现季节、昼夜能源峰谷的调节,来降低能源的投资和运营费用。


以一个小型的区域为示例,实践中在主干网上会有多个区域,它们都挂在主干网络之下,由现有的国家电网、中石油、中石化、中海油来负责主干网的运营,通过这多各区域之间进行多能源的互补和匹配供应,来减少能源的主干网络昼夜、季节的峰谷压力,降低能源峰谷之间的差距(夏季供冷所需的电负荷非常大,而燃气在夏天基本只是用来做饭做菜,但冬季则相反,燃气供暖消耗的负荷急速增长,国家电网或者是中石油中石化等作为单一的运营商只能提供单一的电或者是单一的燃气是无法解决多能源季节峰谷调节问题)。


五、结论


在中国新型城镇化建设过程中,多种能源可持续发展的实现应当遵循如下几点:一是以开发利用太阳能、风能和生物能等可再生的能源资源为主,提高现有技术,积极创新,通过规模化发展提高可再生能源利用的经济性;二是向环境中排放的废水、垃圾和废气等废弃物不应超过生态环境的吸收能力,减少污染环境,改善人居城镇环境;三是对常规化石能源包括煤炭、石油、天然气等不可再生的能矿资源,制定合理的能源配置规划,提升生产领域能效,提高能源效率,开发新的储量补充;加快改变中国以煤炭为主的能源生产和利用模式,提高清洁、低碳能源占一次性能源消费比重,减轻环境压力。


在解决新型城镇化能源问题的技术领域,加强与欧美发达国家国际能源机构合作,政府制定合理政策和规划,国家、专业化的能源企业和民众形成有效的合作机制,积极研究新能源技术,发展能源互联网,大力发展分布式能源,提高能源管理技术。能源互联网是互联网信息技术与传统化石能源、可再生能源相结合的产物,为解决传统能源与可再生能源相结合的平衡有效利用问题,提供了可行的思路与技术方案。本文分析了中国新型城镇化发展水平及趋势,城镇人口及农村人口用能需求和当前城市发展的用能问题,初步讨论了如何将信息互联网和多种能源物网结合在一起,为解决中国新型城镇化建设中能源问题,破解城市发展困局提供一定借鉴。


作者:左宗文 姚新超

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