能源一体化系统手册Part1Part4Part7Part3Part6Part2Part5Part8富余可再生能源+储能技术一体化能源系统概念和方法地理信息系统和大数据应用余能城市区域能耗需求与供给潜力分析余能建筑项目组织和参与-建立多方合作网络建模与模拟-能效分析能源一体化系统是指综合考虑能源的供给、传输与存储、终端消费和回收等四个环节，在各个环节采用互相关联的技术和管理措施，使得整个能源系统从整体上达到系统最优化。能源一体化系统其中，在能源生产阶段主要考虑电力、热力和冷能生产，尤其是新能源生产的充分高效利用；在终端消费环节，考虑能源的精确匹配，调节和高效利用等；在分配和储能环节，主要考虑通过有效的方式把能源的生产和消费更有效结合起来，从而提高整个系统的效率。而这些能源生产、传输、消费的环节信息结合起来，形成能源大数据综合分析，提供多种形式的能源服务，并形成能效电厂、企业能效合作网络，优化能源生产和消费结构，降低20-50%的初始能源资产投资和消费，实现整个能源系统的优化。下面分别介绍各个能源一体化模块。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术1.1概念中国有着世界上最大的用电需求，也是最大的可再生能源发电国，因此中国对全球可再生能源发展举足轻重。可再生能源发电发展最大的问题，是可再生能源资源与需求的地域和时间的不匹配，发电的间歇性与不可预测性，导致可再生能源产能利用率不到30%，浪费严重。一方面，可再生能源的发电集中时间段与用电时间段存在着不一致性。风电发电高峰一般集中在晚上，太阳能发电的高峰集中在白天。而工业用电的用电曲线较为平缓，居民用电则呈现白天、晚上两个高峰。另一方面，随着季节、天气的变化，可再生能源发电与用电曲线都会有相应的变化。中国大部分地区春季风力发电输出最大，光伏发电夏天输出最高，而且发电随天气原因剧烈变化而具有不可预测性。太阳能、风能的间歇性、随机性，使得大规模的太阳能、风电并网会增加电网中功率平衡和稳定控制等问题的复杂性，给电力系统的安全运行带来巨大挑战。目前实际发电管理中，弃光弃风现象非常普遍，导致很多可再生能源发电不能上网。太阳能和风能的不连续性的自然特性和其发电不易并网的特点导致了严重的电力闲置问题，这进一步增加了可再生能源发电的生产成本，白白浪费了大量的资源。储能技术可以适时吸收和释放能源，有助于实现电力系统在各种工况下的能量平衡，调整频率，提高光伏和风电等可再生能源的利用率。通过与能源存储系统的结合，在电力需求低时保留下来电能用于用电需求高时用电，或者直接产生其他形式的能源。据估计，通过能源存储，可再生能源的利用率可以从30%提高到60%，预计将减少电力生产成本的一半。此外，从能源存储装置中产生的再生电力和其他形式的能源是非常稳定、连续的，所以不需要更多的煤来维持电网的稳定性。下面介绍几种新兴的可再生能源与储能技术结合的主要形式：1.2可再生能源+氢气/甲烷储能+冷/热存储技术1.2.1可再生能源+氢气/甲烷储能可再生能源-氢气储能系统主要由风力或者光伏发电系统、水电解制氢系统、甲烷合成系统和存储输送系统组成。来源：Howtheenergytransition(„Energiewende“)ischangingtheGermanenergysystem富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术制出的氢气可以通过罐装或者通过管道输送，用于各类用氢场所。其应用场景主要为两个方面，一个方面是直接作为氢气供应，比如作为燃料或者还原剂用于工业，或者作为氢燃料电池供给汽车使用，生产电力；另一方面是通过与电厂的二氧化碳进行甲烷化反应产生甲烷，然后作为天然气进行存储或者加入天然气供应管道，作为汽车燃料电池、工业发电或者供热燃料。同时甲烷化过程中产生的热量可以回用到各个工业环节。优势：太阳能光伏发电和风力发电系统以制氢储能替代蓄电池储能，主要有以下优越性：第一，无论是高压贮氢还是金属贮氢，其能量密度均远高于蓄电池。例如：经粗略计算，高压贮氢能量密度大约是铅酸电池的4倍，金属贮氢大约是铅酸电池的6倍；第二，氢的储存基本没有时间限制，而铅酸电池如长时间蓄电，必须考虑硫酸化和自放电问题；第三，高压贮氢钢瓶及金属贮氢器的维护工作量极少，维护周期以若干年计。铅酸电池的维护工作量大，使用寿命不长。第四，氢气制备甲烷，加入天然气网络，可以直接利用现有天然气网络作为天然气使用，应用市场广泛。局限：1.成本约束：目前制氢的方法主要有煤制氢、天然气裂解制氢、甲醇制氢和电解水制氢。从每生产1立方米氢气的成本来看，煤制氢成本不足1元，而可再生能源制氢成本在1.25-1.5元左右，没有竞争优势。因此只能采用剩余可再生能源发电制氢，但这种方式会降低制氢设备的利用率。2.输送范围限制在运输方面，如果通过车辆运输氢气，运输距离超过300千米就没有经济性了；如果建立管网输送氢气，涉及占地拆迁等问题，难度也很大。3.技术约束传统的发电机电解制氢过程中需要稳定的电流和电压。由于风力/太阳能发电是间歇性的，连接到该电源的制氢设备很难正常工作，除非安装额外的变压器，但是这也提高了运行成本。某些专利技术使制氢设备在任何的电流和电压下得以运行，尤其提高了在间歇性的风力/太阳能发电的下的产氢效率，但是系统效率和稳定性仍然需要进一步提高。4.效率问题电能通过电解水产生氢气，需要考虑转换效率问题，目前的技术水平并不能高效的转换电能。现在又发展出太阳能热化学制氢，太阳能光化学制氢，太阳能光解水制氢，太阳能热解水制氢和光合作用制氢等等，都还不够成熟。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术1.2.2可再生能源+冷/热存储技术可再生能源与冷热能存储技术结合，是一种较高效的能源利用系统。主要由可再生能源发电系统，冷机/电热锅炉和冷热存储煤质，供冷/热网络组成。典型的冷热存储形式包括：•冰蓄冷系统•水蓄冷系统•蒸汽蓄热系统•熔融盐储能蓄热系统•其他热煤质蓄热系统一般可再生能源与蓄冷系统结合工作如下：即夜间用冷低谷，风力等可再生能源过剩时用电力来制冷，存储在冰或者冷水中，在白天用电高峰期释放存储的冷量来代替电力制冷。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术一般可再生能源与蓄热集成供热系统如下图所示：即日间太阳能热能过剩而用热需求较少时，过多的电能、热能进行存储，而在夜间或者用电高峰期，直接通过换热器释放存储的热能进行供热。优势：冷热蓄能系统的优势显而易见：1.技术相对其他蓄能系统简单。2.能源转换效率较高，直接生成了最终用户需求的能源形式，没有太大的能源转换损失。3.对于特定的可再生能源和冷热需求，能非常完美的平衡能源供应和需求的矛盾。局限：1.空间大：直接蓄热或者蓄冷系统，一般都需要较大的空间。2.应用范围有限：只有在对冷或者热需求较大的区域有较大的应用空间，并且最好可再生能源与需求供应变化正好相反时有必要建设。3，应用距离有限：蓄冷和蓄热之后，供冷和供热的输送距离受到一定限制，一般局限在2公里以内的供应范围。成功案例：汉堡一家能源综合供应系统，改造一栋旧体建筑的主体，在其内部建立一个长宽45米45米，高47米的热能存储设施，一共采用了80立方米的水泥蓄能模块来进行储热，如下图所示。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术来源：ENERGIEBUNKERWILHELMSBURG，IntegrationofRenewableEnergySystems这套蓄能系统，通过不超过5MW功率的供热系统来满足峰时超过10MW的需求，相对传统供热系统的供热初始功率减少一半，并且实现供热系统的24小时近100%的高利用率，远超过传统供热系统不到50%的供热产能利用率。来源：ENERGIEBUNKERWILHELMSBURG，IntegrationofRenewableEnergySystems1.2.3可再生能源+氢气/甲烷储能+冷/热存储技术可再生能源以上两种方式可以有效结合，即综合氢气/甲烷储能与冷热能存储技术，可以达到最佳能源利用效率。一般而言，冷热存储技术虽然可以高效的利用多余的可再生能源，但是工业用热和用冷的范围和用量需求都受到一定限制，可以存储的多余可再生能源量有限。可再生能源直接制备氢气，虽然转换效率受限，但是可以方便运输和应用于多种场景，尤其是产生的氢气进一步制作甲烷，加入天然气管道，可以直接接入城市天然气网络，可以接纳所有的冗余可再生能源，最大限度的利用多余的可再生能源。因此，综合氢气/甲烷储能与冷热能存储技术结合利用，能充分高效的利用可再生能源。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术从最佳利用可再生能源的角度来看，这个系统多余的可再生能源有限通过区域冷热源分配系统，直接进行供热和供冷，并且存储必要的热能和冷能。然后多余的可再生能源用于制氢和甲烷，供入天然气网络和氢气输送系统。也可以通过天然气输送管道，远距离输送天然气到目的地进行天然气供热或者冷热电三联供。实际系统设计和运行中，应该综合考虑到投资的制氢和冷热存储系统的利用率，避免产能浪费，系统设计和运行需要投资综合能源制备和调配系统，综合考虑可再生能源利用效率和储能系统利用率，采用灵活的制氢和冷热存储方案。综合可再生能源与氢气/甲烷储能与冷热能存储系统结合的，优势显而易见：1）综合满足多种能源供应场景2）100%利用可再生能源3）综合利用效率高局限：1.占用空间大：由于建设多个能源储存系统，对场地占用比较大。2.初期投资较高：由于投资多个能源储存利用方案，并且考虑自动能源调配系统，初期投资较高。3.控制系统复杂：由于系统运行存在多种方案，因此寻找最优方案达到最佳效果，需要有较完善的控制系统。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术1.3可再生能源+电池（燃料）储能可再生能源与电池储能技术结合是相对简单并且已经应用较为广泛的系统。比如在太阳能离网系统中，经常使用电池来进行平衡电力。其中一项具有较大应用前景，并且在德国已经具有丰富实践经验的一项技术即燃料电池与可再生能源结合的技术。可再生能源产生的多余电力直接用于氢气，用于管道输送或者气罐，在用电环节采用燃料电池转换成电力，输出用于照明、工业或者氢燃料电池交通。燃料电池燃料电池即将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。常用的燃料电池燃料包括氢气、甲醇、联氨、烃类及一氧化碳等。氧化剂一般为氧气或空气。电解质常见的有磷酸、氢氧化钾、熔融碳酸盐及离子交换膜等。其中氢燃料电池是应用最广泛、技术最成熟的燃料电池技术，在德国已经有大量应用。氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。目前,氢燃料电池的发电热效率可达65%～85%,重量能量密度500～700Wh/kg,体积能量密度1000～1200Wh/L,发电效率高于固体氧化物燃料电池。氢燃料电池在30～90℃下运行,启动时间很短,0～20s内即可达到满负荷工作，具有很好的能源特性。成功案例：德国汉堡Hafen市已经建立欧洲最大、最先进的氢气存储和输送系统。其先利用风力发电产生电力，然后利用电力分解水产生氢气。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术来源：Fuelofthefuture,HafenCityhydrogenstation来源：Fuelofthefuture,HafenCityhydrogenstation在全市推行了氢气和燃料电池（NIP）技术，尤其在公交系统进行广泛的应用，实现了公交车的零排放。根据实践，450公斤的氢气可以让一辆汽车从汉堡一直开到罗马。其他电池技术包括：锂离子电池优势：锂离子电池单体输出电压高，工作温度范围宽，比能量高，效率高，自放电率低，已在便携式设备中获得广泛应用。劣势：初始投资高是影响锂离子电池在电网储能领域广泛应用的重要因素之一。在充放电随机性较大和充电频繁的应用场合，循环寿命仍然制约着锂离子电池的应用。锂离子电池在过充、内部短路等情况下会发生温升，存在一定的安全风险。发展方向：电池材料占据了锂离子电池成本的绝大部分，未来要进一步推进产业化，加强关键材料的自主研制和大容量封装技术研究，降低初始投资成本；采用新型电极材料、保护电路或均衡电路，提高电池的循环寿命和安全性。富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术钠硫电池钠硫电池是工作在300℃附近的高温电池，比能量高，效率高，几乎无自放电，深度放电性能好，电网储能中应用较成熟。钠硫电池高温运行，需要进行严格的温度控制；电极活性物质处于熔融状态，电解质制备及稳定性要求苛刻，存在较高的安全风险。发展方向：钠硫电池是否可成功商业普及的关键是要推进产业化，降低成本，同时要提高可靠性、安全性。全钒液流电池全钒液流电池几乎无自放电，循环寿命长，功率和容量可独立设计，容量可扩展性强，适用于大容量储能应用。优势：中国钒资源十分丰富，为大规模开发应用全钒液流电池提供了有利保证。劣势：目前产业化规模尚不够，成本非常昂贵，尤其是高功率应用，有待大幅度降低，另外还要提高电池的转换效率和稳定性。总体而言，电池储能系统投资成本高，寿命有局限，不同电池系统具有不同的特点。随着电动汽车的广泛应用，电池储能系统具有广泛的发展前景。1.4可再生能源+机械能存储（压缩空气、飞轮等）可再生能源和机械能存储技术，最具应用前景的主要是压缩空气储能和飞轮存储技术。压缩空气储能，是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。形式主要有，传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。来源：压缩空气储能发电，清华大学梅生伟，陈来军，薛小代，《电力系统自动化》富余可再生能源+储能技术Part1富余可再生能源+储能技术来源：飞轮储能的关键技术分析及研究状况,马骏毅巴宇赵伟,《智能电网》,2017/3/20飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成，它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电动发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出，达到充电和放电的目的。机械能储能系统工作原理是当外部电能充足时，系统将电能通过空压机、飞轮等电动机转化为机械能储存起来；当系统外部电能不足时，将飞轮、压缩空气存储的机械能转化为电能输出到外部负载。优点：1）充放电迅速。从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄电池、抽水蓄能等，具有较快的充/放电时间。2）工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近95%。3）使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10年以上。劣势：成本较高。一套飞轮存储系统或者压缩空气存储系统，初始投资往往远高于其他能源存储技术。不宜长期存储。机械轮在现实中相对其他能源，比较难以长时间存储，容易损失部分能源。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）2.1概念电能是一种供应与需求需要实时匹配的能源。随着电力负荷的波动和可再生能源供应的波动，电力系统的整体效率会随之波动，目前整个电力系统的效率偏低，总体经济成本高。虚拟电厂（virtualpowerplant，VPP）即通过先进的控制、计量、通信等技术聚合分布式电源、可控负荷、储能系统、电动汽车等不同类型的分布式电源，并通过更高层面的软件构架实现多个分布式能源的协调优化运行，使其能够参与电力市场和辅助服务市场运营，实现实时电能交易，同时优化资源利用，大大提高供电可靠性。虚拟电厂技术往往与需求侧管理技术结合，有些文献认为需求侧管理也属于虚拟电厂技术一部分。传统电力规划只是注重电源开发，忽视终端用电的管理，而需求侧管理（DemandSideManagement,DSM）则通过仔细研究需求与供应之间的差异，尤其是需求侧的多样性，在政府法规和政策支持下，采取有效的激励和引导措施以及适宜的运作方式，通过电网企业、能源服务企业、电力用户等共同协力，提高终端用电效率和改变用电方式，在满足同样用电功能的同时减少电力消耗和电力需求，为达到节约资源和保护环境，实现社会效益最优、各方受益、成本最低的能源服务所进行的管理活动。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）通过DSM技术和VPP技术结合的方式，可以大幅优化电力生产和消耗问题，达到最优化运行。2.2技术原理和实施方式虚拟电厂是种实现分布式能源（DER）大规模接入电网的区域性多能源聚合模式，可实现对大量分布式电源的灵活控制，从而保证电网的安全稳定运行。DSM的目标主要集中在电力和电量的改变上，一方面采取措施降低电网的峰荷时段的电力需求或增加电网的低谷时段的电力需求，以较少的新增装机容量达到系统的电力供需平衡。从技术层面讲，虚拟电厂并未改变每个分布式能源并网的方式，而是通过先进的控制、计量、通信等技术聚合分布式电源、可控负荷、储能系统、电动汽车等不同类型的分布式电源，并通过更高层面的软件构架实现多个分布式能源的协调优化运行，使其能够参与电力市场和辅助服务市场运营，实现实时电能交易，同时优化资源利用，大大提高供电可靠性。DSM的对象主要指电力用户的终端用能设备，以及与用电环境条件有关的设施；而VPP则大幅提高了电网网络上的分布式能源和各类自备电源的用途。主要实现方式包括：2.2.1提高能效提高照明、空调、电动机及系统、电热、冷藏、电化学等设备用电效率节约电力和电量；2.2.2负荷管理蓄冷、蓄热、蓄电等改变用电方式转移电力，减少高峰负荷需求，避免电网为满足高峰需求增设的边际成本高于平均成本，提高电力系统的经济性和可靠性；2.2.3能源替代、余能回收；在成本效益分析的基础上，更换或新购使用其它能源形式的设备，或者回收余能代替直接使用电力。2.2.4终端、减少或者转移电力和电量转移或节约工业合同约定可中断负荷的电力和电量；改变用户消费行为减少或转移用电，节约电力和电量。2.2.5降低用电需求改善用电环境如建筑物保温、工业采用新工艺等节约电力和电量；2.2.6可再生能源，分布式电源、自备电厂用户出于可靠、经济和因地制宜考虑，装有各种自备电源，如：电池储能逆变不间断电源（UPS）、柴油发电机、太阳能发电系统、风力发电、联合循环发电、自备热电站等。将用户自备电源直接或间接纳入电力系统的统一调度，也可达到减少系统的电力和电量的目的。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）下图表示了一个DSM技术与VPP技术结合应用的一个案例：在VPP领域，其通过对光伏、风能、用户用电反馈（储能单元），智能电网管理技术等，提供多元化智能电能接入，形成虚拟电厂。来源：AccelerateEnergySystemDecarbonisation,VisionandpracticalStepstoa100%RenewableEnergySystem,IntroductionbyEasySmartGridGmbHKarlsruhe,30.01.2017Dr.ThomasWalter来源：AccelerateEnergySystemDecarbonisation,VisionandpracticalStepstoa100%RenewableEnergySystem,IntroductionbyEasySmartGridGmbHKarlsruhe,30.01.2017Dr.ThomasWalter即一方面，通过DSM技术，减少高峰用电，增加低谷用电，使得用电更加平稳；另一方面，通过对峰值光伏能源的利用和存储，提高可再生能源利用率，减少使用化石能源。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）2.3主要政策经济实施方式2.3.1政府宏观政策管理政府的宏观调控政策手段是指政府及其有关职能部门，通过法律、标准、政策、制度等规范电力消费和市场行为，推动节能增效、避免浪费、保护环境的管理活动。如将综合资源规划和需求侧管理纳入国家能源战略，出台行政法规、制订经济政策，推行能效标准标识及合同能源管理、清洁发展机制，激励、扶持节能技术、建立有效的能效管理组织体系等均是有效的行政手段。2.3.2采用各种电价激励制定一个适合市场机制的合理的电价制度，使它既能激发电网公司实施需求侧管理的积极性，又能激励用户主动参与需求侧管理活动。电价结构包括容量电价、峰谷电价、分时电价、季节性电价、可中断负荷电价等等。2.3.3财政和金融激励制定节电奖励政策，对第二、三产业用户提出准备实施或已经实施且行之有效的优秀节电方案给予“用户节电奖励”，借以树立节电榜样以激发更多用户提高效率的热情。制定优惠金融政策，鼓励金融机构向购置高效节电设备的用户，尤其是初始投资较高的那些用户提供低息或零息贷款，以减少它们参加需求侧管理项目在资金短缺方面存在的障碍。2.3.4需求侧竞价措施需求侧竞价是在电力市场环境下出现的一种竞争性更强的激励性措施。用户采取措施获得的可减电力和电量在电力交易所采用招标、拍卖、期货等市场交易手段卖出“负瓦数”，获得一定的经济回报。2.3.5宣传引导相同的经济激励和同样的收益，用户可能出现不同的反应，重点在于引导。通过引导使用户愿意接受DSM的措施，知道如何用最少的资金获得最大的节能效果，更重要的是在使用电能的全过程中自觉挖掘节能的潜力。2.4主要挑战和应对方式2.4.1终端用户配合难度大DSM需要终端用户的积极配合。在电网高峰时段控制，系统调度人员通过远程或者自动控制装置随时控制客户终端用电，这种方式是随机控制，往往会冲击生产秩序和生活秩序，大大降低了客户峰期用电的可靠性，很多用户难以接受。即使采用优惠电价的方式，也不太受到客户欢迎。应对方式：一方面采用预先商议模式与终端用户沟通，采用波动比较小的方式，如时间控制、固定模式控制等方式预先与用户用电计划进行平衡，减少对用户生产和生活秩序的干扰；另一方面先在对用电稳定性要求不是非常严格的设备、产业和区域先进行推广。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）2.4.2合理电价制定难度大电价是影响面大和敏感性强的一种很有效而且便于操作的经济激励手段，但它的制定程序比较复杂，调整难度较大。应对方式：通过深化电力市场化改革，终结政府统一制定电价的模式，逐步放开电力市场。采用市场手段形成科学合理的电价体系，包括对分布式可再生能源、自备电厂、UPS电源等供电价格，各区域、时段用电价格等采用市场手段进行交易定价等方式。2.4.3DSM和VPP知识普及率低DSM和VPP是一项需要终端用户广泛参与的系统，但是DSM和VPP本身又是相对比较专业的概念，一般终端用户对其了解程度较低，这会导致DSM和VPP在推行过程中遇到很大的阻力。应对方式：政府和相关DSM，VPP服务企业应采取多种方式进行宣传、培训，包括：主要的方式有两种：一种是利用各种媒介把信息传递给用户，进行节能知识宣传、信息发布、免费能源审计、技术推广示范、政府示范等等。；另一种是与用户直接接触提供各种能源服务，如培训、研讨、诊断、审计等。2.5应用案例：2008年，德国联邦经济和技术部启动了“E-Energy”计划，目标是建立一个能基本实现自我调控的智能化的电力系统，而其中信息和通信技术是实现此目的的关键。E-Energy同时也是德国绿色IT先锋行动计划的组成部分。绿色IT先锋行动计划总共投资1.4亿欧元，包括虚拟电厂和需求侧管理两个方面。德国联邦经济技术部通过技术竞赛选择了6个试点项目。在由“E-Energy”计划支持的6个涉及能源互联网项目中，位于德国中北部的哈茨山脉的可再生能源示范项目——RegModHarz项目，就是将新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虚拟电厂部分。该项目所选定的哈茨地区，在分布式电力供应方面拥有风能、抽水蓄能、太阳能、沼气、生物质能以及电动车等多种方式，在输配电方面主要有6家配电运营商、4家电力零售商以及1家输电商运营。主要措施包括：主要措施是：1）建立家庭能源管理系统，家电能够即插即用”到此系统上，系统根据电价决策家电的运行状态，根据用户的负荷也可以追踪可再生能源的发电量变化，实现负荷和新能源发电的双向互动。2）配电网中安装了10个电源管理单元，用以监测关键节点的电压和频率等运行指标，定位电网的薄弱环节。3）光伏、风机、生物质发电、电动汽车和储能装置共同构成了虚拟电厂，参与电力市场交易。4）哈茨地区已经存在数以千计的分散发电机组，其数量在不断增加。为了使所有这些小型发电机充分发挥智能电网的潜力，采用了一个可互操作的接口，开发了PowerBridge产品，使权力下放单位的业主能够向智能电网提供能源服务和产品。虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）Part2虚拟电厂（VirtualPowerPlant，VPP）（RegModHarz项目发电侧及用电侧负荷曲线（其中红线表示用电量，蓝线表示分布式能源发电量，风能发电占绝大部分）来源：RegModHarz项目项目报告）1）虚拟电厂的运用减少了16%的由于风电出力不确定性造成的功率不平衡问题。2）分段电价使家庭节约了13%的电能，动态电价使电价优惠期间负荷增长了30%，高峰电价时段负荷减少了20%，70%的受访参与者表示，他们会定期检测消费，20%的人每周会积极控制消费。3）虚拟电厂作为电能的生产消费者，根据内部电量的供求关系与区域售电商进行交易，降低8%~10%的成本，以热为主动的热电联产作为电能的生产者实现电力的全量销售。冷热电多级联供Part3冷热电多级联供冷热电联产是指发电厂既生产电能，又利用汽轮发电机做过功的蒸汽对用户供热和供冷的生产方式，即同时生产电、蒸汽、冷气三种能源。热电冷多级联供系统将高品位能源用于发电，发电机组排放的低品位能源（低压蒸汽、烟气余热、热水余热）用于供热或制冷，实现能源的梯级利用，提高能源的综合利用率。冷热电多级联供通常由发电机组、换热设备和溴化锂吸收式冷（热）水机组组成。其中发电机组可以是工业中常用的燃煤背压式或者抽气式发电机组，也可以是城市中的分布式燃气轮机发电机组。优势一般的发电系统效率在30%-55%左右，而实施冷热电联产（CCHP）的综合能效可以达到80%以上。工业上也使用热电联产来提高发电系统效率，但是热电联产一般都以热定电，在冬季和夏季的热负荷变化很大，夏季热负荷小，导致热电联产以纯发电为主，导致热电联产仍然处于低效运行状态。采用冷热电多级联供系统，在夏天用热低谷时期，利用蒸汽作为吸收式制冷机的动力，生产6～8℃冷水用于空调或工艺冷冻水。恰好满足夏季供冷需求，同时降低传统电力制冷的电力负荷，不但提高了整个发电系统的能源效率，还降低了夏季的峰值用电负荷，优化了整个系统的能源效率。冷热电多级联供Part3冷热电多级联供劣势冷热电多级联供系统主要受到3个方面的限制：1.投资增加需要再投资供热和溴化锂供冷系统，总投资比普通电厂投资增加20%-50%。2.占用一定场地空间供热和供冷系统需要占用额外的场地空间。3.供热供冷经济距离采用冷热电多级联供系统，向外供热、供冷需要建设专门的蒸汽、热水和冷冻水的输送管道，这些管道系统需要采用承压管道和进行保温，是一笔较大的投资，超过一定范围进行供热或者供冷，一方面输送的能源损失会比较大，另一方面相对用户直接制热和制冷就不再具有经济性，因此需要综合考虑。正能量建筑系统Part4正能量建筑系统在城市和工业区域使用太阳能、风能、地热等可再生能源产生免费的能源，可以作为城市电力的有效补充。但可再生能源包括需要占用比较大的场地和空间，在城市和工业区域单独占用宝贵土地资源开辟场地开发光伏电场、风电场显然是不合适的。但是城市和工业区域建有大量的住房和厂房建筑，有效使用建筑与可再生能源一体化技术，不但可以使用免费的空间来产生免费的能源，还可以有效降低这些建筑的能源需求。正能源建筑即采用可再生能源和被动太阳能技术与建筑结合，使得建筑成为能源净输出单元，包括：光伏建筑一体化、被动太阳能技术建筑一体化、风光电LED照明一体化技术等。4.1光伏建筑一体化技术：光伏建筑一体化[1]（即BIPVBuildingIntegratedPV，PV即Photovoltaic）是一种将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑—体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：BuildingAttachedPV)的形式。光伏建筑一体化可分为两大类：第一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。第二类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。第一种方式对于广大工业园区具有更广泛的推广意义。一般而言，工业厂房屋顶是很好的免费的光伏场地，可以直接增加光伏方阵进行发电。目前江苏大多数工业厂房的屋顶处于闲置状态，通常钢结构厂房上装光伏系统每平米会增加15公斤的重量，砖混结构厂房的屋顶每平米会增加80公斤，而工业厂房的屋顶的承重一般都满足光伏安装条件。一般而言，企业屋顶面积在几千平方米左右，从项目实施的规模来看，推荐企业拥有厂房屋顶面积超过1000平方米以上的企业安装光伏屋顶。根据经验，屋顶面积10000平方米，约可安装1MW的光伏发电。正能量建筑系统Part4正能量建筑系统4.2被动太阳能技术：建筑物空气温度调节消耗着大量的能量，占到建筑物总能耗的约70%。被动式太阳能建筑就是通过建筑设计,使建筑在冬季充分利用太阳辐射热取暖,尽量减少通过维护结构及通风渗透而造成热损失;夏季尽量减少因太阳辐射及室内人员设备散热造成的热量，以不使用机械设备为前提,完全依靠加强建筑物的遮挡功能,通过建筑上的方法,达到室内环境舒适的目的的环保型建筑。来源：《幕墙周刊》中国被动式建筑来源：GIZ，ImplementingIntegratedEnergyPlans-SupportingPoliciesonMunicipalLevel成功案例：德国弗赖堡的正能源屋是典型的正能源建筑系统，如图所示正能源屋在屋顶使用光伏发电，并且使用太阳能集热器作为夏季太阳直射的遮挡，采用了高效建筑隔热和热回收通风系统减少供热需求，使得整个建筑的全年能源需求低于产生的能源，形成输出能源大于使用能源的建筑。废弃物处理与能源一体化Part5废弃物处理与能源一体化城市每天产生大量垃圾，这些垃圾废弃物处理耗费大量的能源。新的废弃物处理技术，寻求废弃物资源化利用方式，除物料分类收集，循环利用之外，对废气物中含有的大量有机物，进行焚烧和沼气化处理，使之成为一种免费的能源，是城市废弃物处理与能源一体化的探讨方向。工业园区每天产生大量污水，目前一般都统一收集，先经过简单处理或者直接排放到园区的集中污水处理厂。实际上园区企业由于生产工艺不同，大多数工业企业在工艺过程中都会产生不同程度的轻污水、重污水、酸性污水、碱性污水等，这些不同工厂产生的废水可以通过工艺互补的属性来进一步资源化，多级循环使用，或者互相中和降低污水处理成本。如化工厂中的氨水污水可以作为印染企业的前道水处理工艺的工艺水；印染工艺的丝光废水含有碱液，可以与电镀工艺的含酸污水中和，降低污水处理成本等，如下图所示。通过园区对污水进行多级循环和梯度使用之后，再排入污水处理厂进行处理，这种多级利用可以减少污水排放20-50%左右。工业园区对收集来污水可以通过AO厌氧处理工艺产生沼气，其主要成份包括：CH460%，CO230%，N28.0%，CO0.3%，H2S0.1%，其它1.2%，低位发热值LHV5000kcal/Nm3。其主要成分是甲烷，可以作为一种再生能源，进行直接发电或者供热。如下图所示为一个进行AO厌氧处理的实物图。来源：DasKlärwerkHamburg汉堡污水处理厂废弃物处理与能源一体化Part5废弃物处理与能源一体化优势1.应用范围广城市的污水资源非常丰富，污水处理厂产生的沼气资源非常丰富。2.产生免费的能源污水处理产生沼气，直接进入天然气管道或者直接收集进行发电或者燃烧发热，用于产生免费的电力和热力。局限1.空间大厌氧处理污水，需要较大的占地空间。2.时间长沼气产气率是沼气发电的一项关键性指标，其主要受到有机物含量、厌氧时间和温度等方面的影响，一般而言，污水处理厂要获得足够的沼气，其产气时间将延长污水处理时间30%-200%左右。3.安全性厌氧产生的沼气，应注意防火、防爆、防毒。案例：德国是全世界沼气利用最发达的国家，沼气发电每年在200亿度以上,超过我国三峡工程的年发电量,占德国年平均用电量的4.9%。汉堡污泥处理厂，通过生化处理污水，每天累积约95,000立方米的生物甲烷后进入天然气网络。通过所有能源的最佳利用产生超过1亿度电。污泥处理厂本身再通过节能工艺（例如采用压力曝气）和持续优化污水处理和污泥处理，大幅减少污水处理厂的能源需求。企业能效合作网络Part6企业能效合作网络所谓企业能效合作网络平台，是指在一定地域范围内的企业互相组成信息沟通和技术共享的信息平台，从而促进各个企业建立能源合作和改善的机制。在一定的区域区，各个企业提出自身的能源需求、产生的废弃能源，需要进行节能减排措施等信息，使得在这个平台上的企业能源信息能公开透明的交流，消除信息屏障，使得企业能更高效的利用能源，互相沟通节能项目而达成最终多方共赢。这个决策过程将包括对园区内的一些企业进行各种能源与水、资源的共同协商和优化，包括：1，对园区能源供应采用统一的管理和分布式能源供应，综合各方需求，平衡能源需求和分布式能源。2，对园区各个企业的余热进行统筹考虑，建立分析模型，统筹考虑最大化利用余热，最小化使用能源。3，评估产业共生，优化设计和流程，进行跨企业数据整合，综合利用水、废水、物料等。来源：Industrie4.0inIndustrieparksundUnternehmen,Dr.MichaelWeber由于企业的多样性和能源的多样性，这种模式将大幅推动整个区域的能源综合利用的程度，降低10%-25%左右的投资成本和能源消耗。在实际执行过程中，要对参与合作信息平台的企业进行定期组织会议，公开交流企业信息，并且招募企业自愿启动一些合作项目，这些项目一般会跨越行业的限制，参与平台的各个公司都可以帮助自愿企业完成目标，从而实现逐步推进各项节能措施的实施。企业能效合作网络Part6企业能效合作网络来源：ImplementingIntegratedEnergyPlans成功案例：德国弗赖堡区域建立了企业能效合作信息平台，区域内的企业对能源信息进行了多种形式的讨论和交流，包括开启自愿任务、协调完成跨行业任务等。企业能效合作网络Part7园区企业间余热利用合作工业园区企业的工艺用热区间各不相同，总体来说，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收率达60%，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。近年来虽然江苏省在余热余压方面的回收使用已经取得了一定的成就，但是随着技术的不断进步，仍然有较大的空间，尤其是通过加强企业间余热利用的合作，将进一步大幅提高余热利用率，比如在钢铁企业难以完全高效利用的300度左右的中温烟气余热，可以直接用于印染、造纸等对温度要求较低的企业，提供低压蒸汽或者热水。按照温度品位，工业余热一般分为600℃以上高温余热300～600℃中温余热300℃以下低温余热按照来源，工业余热又可被分为:•烟气余热•冷却介质余热•废汽废水余热•化学反应热•高温产品余热•炉渣余热•可燃废气•废料余热工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有宽且稳定的运行范围，能适应多变的生产工艺要求，设备部件可靠性高，初期投入成本高，从经济性出发，需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置，综合利用能量，以提高余热利用系统设备的效率。统计目前江苏省余热资源分布如下：行业余热资源余热资源类别余热用途余热可回收率黑色金属冶炼及压延业烟气、高炉废气、循环冷却水、冲渣水高温中温低温发电、工艺生产用热、生活用热（供暖、卫生热水）30%以上石油加工炼焦及核燃料业工艺循环冷却水、工业废水、工业废气、烟气、乏汽高温中温低温发电、生产工艺用热、生活热水、建筑供暖、制冷30%~40%以上印染行业烟气、印染废水低温生产工艺用热、生活热水、建筑供暖、制冷40%以上企业能效合作网络Part7园区企业间余热利用合作行业余热资源余热资源类别余热用途余热可回收率非金属矿物制品业烟气、循环冷却水、生产污水中温低温生产工艺用热、生活热水、建筑供暖、制冷40%以上化学原料及化学制品制造业工艺循环冷却水、工业废水、工业废气、烟气、乏汽低温生产工艺用热、生活热水、建筑供暖、制冷30%以上电力、热力的生产和供应业烟气，乏汽冷凝余热低温城市供热50%以上造纸及纸制品业烟气、造纸废水低温生产工艺用热、生活热水、建筑供暖、制冷40%以上余热的回收利用途径很多。一般说来，综合利用余热最好；其次是直接利用；第三是间接利用（产生蒸汽用来发电）。依据余热介质的不同，其合理利用顺序如下：余热蒸汽的合理利用顺序是1动力供热联合使用；2发电供热联合使用；3生产工艺使用；4生活使用；5冷凝发电用。余热热水的合理利用顺序是1供生产工艺常年使用；2返回锅炉及发电使用；3生活用。余热空气的合理利用顺序是：1生产用；2暖通空调用；3动力用；4发电用。鉴于此，在工业园区上，余热一般优先供生产自用，当有剩余时，其次通过企业间合作，进行跨企业的余热利用合作，用于其他企业的工艺生产；再有剩余，再用于暖通空调和动力等其他生活使用；再有剩余，再用于低温发电使用。园区工业企业余热利用合作模式如下图所示。园区能源大数据综合管理平台Part8园区能源大数据综合管理平台能源大数据是将电力、石油、燃气等能源领域大数据与终端用户人口、地理、气象、消费、移动终端等其他领域数据进行综合采集、处理、分析，设计开发出节能环保产品，为用户提供付费低、能效高的能源使用与生活方式。该模式通过建设一个分析与应用平台，集成能源供给、消费、相关技术的各类数据，为包括政府、企业、学校、居民等不同类型参与方提供大数据分析和信息服务，从而在整个园区层面实现能源的综合利用和全社会的温室气体排放减少。如下图所示：来源：能源大数据应用模式分析,http://www.datatime.org/index.aspx?lanmuid=63&sublanmuid=751&id=1185园区能源大数据综合管理平台Part8园区能源大数据综合管理平台来源：SmarterTogether，KorinnaThielen，25November2016能源大数据管理的主要作用在于：一是能在宏观层面分析数据后，帮助消费者提高能源管理，为工业能源消费、住宅节能、交通出行等方面提供优化建议，促进节能环保。二是为智能化节能产品研发提供支撑。帮助开发出为工业用户提供节能降费服务以及快捷便利用户体验的产品，也可对能源企业尤其是电力企业改善用户侧需求管理、减少发电装机等方面发挥作用。电网企业不一定具备产品研发优势，但可利用电力数据采集与分析方面的优势，既可通过与设备制造商合作改进用户需求侧管理，也可通过共同参与研发并在产品销售中获取收益。三是面向企业内部的管理决策支撑。能源大数据对能源企业自身同样具有重要价值。通过将能源生产、消费数据与内部智能设备、客户信息、电力运行等数据结合，可充分挖掘客户行为特征，提高能源需求预测准确性，发现电力消费规律，提升企业运营效率效益。成功案例：2016年发起的一项欧洲5年项目，开始实施能源大数据分析，8个国家的30个合作方共同推动能源大数据，预计总投资2900万欧元。在这个系统里面包括了主要的工业参与者，多个中小企业，建筑业主，大学、研究机构、主要的欧洲网络服务商等。这个项目致力于协调各种数据和资源，使得城市的很大范围内实现温室气体接近零排放。下图显示了此项目对全社会能源消费形式和能源供应方式的改变。