我国未来的能源情景和建筑低碳发展路径江亿清华大学建筑节能研究中心我国能源系统面对的挑战能源安全问题,石油对外依存度达到65%.天然气对外依存度超过40%•由于资源条件，国产石油,天然气很难出现大幅度增长-面对目前的世界形势，能源安全问题必须作为规划未来能源的基本出发点•治理雾霾的压力_•化石能源的使用对雾霾形成的贡献在70%以上,雾霾持续,将引发百姓心身健康，治理雾霾成为执政能力的考验•只有彻底改变能源结构「减少对燃煤的依赖，才有可能解决雾霾问题•承担碳减排的责任•为缓解气4变化戻，中国政府已郑重宣布：2030年碳排放达峰,满足2°C要求•要在2050年全国二氧化碳排放总量从目前的100亿吨降低到35亿吨以下如何实现中国未来的低碳发展目标？・应对上述挑战，还要满足经济增长、社会发展，和人民生活水平提高对能謳需糸的不谕增长•能源的四个革命：供给革命、消费革命、技术革命和体制革命•革命：彻底改变目前的能源系统供给、消费模式，改变技术体系和能源领域的管理运行体制和机制•如何规划未来低碳发展的路径：-到底我国未来需要多少能源？•低碳的条件下的能源供应方式？-与新的能源供给结构对应的能源消费方式？中国能源消费总量与构成(1980-2018)能源消费量(亿心)501900198519901G9520002OC520102015■其他■水电■天然气石油■煤炭我国未来能源预测•工业：电力5万亿度,燃料13亿tee；目前为：电力3.8亿，燃料16亿•交通：电力2万亿度,燃油2亿吨；目前为：电力0.1亿，燃油5亿•建筑：电力3万亿度,燃料2.5亿tee；目前为：电力L5亿，燃料4.5亿•总计：电力10万亿度，燃料19亿tee约折合50亿tee发达国家能源供给结构的变化100%100%80%60%40%20%0%--------------------------------------------196019651970197519801985199019952000200&20102015主要用能结构发展变化：煤炭--油气--可再生——FranceGermany—UK—DenmarkNetherlands"—US—China100%可再生能源与核能80%我国可以按照西方走过的路径从燃煤转为油气吗?,10万亿度电：•可再生与该能3万亿,天然气7万亿/则需要L4万亿m3天然气,19亿tee燃料：,9亿tee燃煤f0.7万亿m3天然气・合计:需要2万亿可再生与核电，9亿tee,2.1万亿m3天然气•碳排放：约50亿吨二氧化碳，不能满足升温不超过2K的要求褥韻盟燃气总产量的'燃气对外依存度为蜘,进口量超过全球，即使将天然气占总能源的比例提高到15%,也需要进口全球燃气贸易总额的50%,中国“缺油少气”的资源状况使我们很难按照西方的路径煤改油气•我国必须发展可再生能源与核能为主的能源供给系统，从布海渡垣国家騎经我国未来的低碳能源模式•受控热核聚变的商业化要到2050年以后•太阳能光电组件的成本十年来已经从30元/Wp降低到2元/Wp,风电装置成本也已经降低^6元/Wp以下,与燃煤电厂持平•以水电.风电、光电、海洋电和核电将成为主要的电力来源•燃煤燃气电力为可再生能源调峰•生物质能源为主要的燃料来源，燃煤燃气提供一些工业必要的直接燃料•大幅度提高终端用能中电力的比例，减少直接燃料的比例,电力的供需关系由刚性转为柔性我国可再生能源资源分布风能资源分布•可再生能源资源主要位于胡焕庸线以西•人口及经济¥舌动主要聚集于胡线以东•化石能源资源业主要分布于胡线以西•必须长途输电把可再生电力"西电东输•资源与需求分布严重不均衡水能资源分布彼国水証資源分布毘T1太阳能资源分布30我国未来可以实现的低碳能源结构.电力供应：10万亿度/年，•水电:L5万亿,目前L2万亿,嚇:15万亿,目前0,3万亿•风电：L5万亿，目前0.3万亿・光伏发电：］万亿，目前0.1万亿・燃气、燃煤电厂提供45万亿电力，,交通2万亿,工业5万亿,目前为6.1万彳乙挖掘西南的水力资源，解决弃水继续在沿海布局,使核电达15%我国北方贯穿东西的风力资源西北巨大的戈壁滩（担电力调峰，形成碳排放20亿吨,直接燃料供应：19亿吨标煤,生活消费2.5亿吨，交通3亿吨’工业13亿吨,生物质能源：折合10亿吨标煤・农业秸秆：5亿吨；林业秸秆：4亿吨；动物粪便：3亿吨；餐厨垃圾:1亿吨・制成生物燃气2600亿方，高温裂解气1600亿方，压缩颗粒燃料4亿吨'•其中生物燃气可形成负碳1亿吨,高温裂解气可形成员碳。.5亿吨•生物燃气的剩余物又成为优质月,返回农田•戈壁滩、盐碱地种植能源作物：2亿亩,生产生物质燃料2亿虻,燃气、燃油，燃煤提供9亿吨标煤的化石能源，形成碳排放能源供给结构变化要求消费结构的变化•能源输的主要形式由燃料转为电力岀/因此要求电力在终端用能的比例大幅度提高：由目前20%提高到60%以上•如何应对风电、光电不确定、不可控的变化，避免弃风弃光？•在源侧配置燃煤燃气调峰电源,以及抽水蓄能电站，与风电、光电配合，确保长途输电系统稳定输电.东部大城市用电侧接收持续稳定的长途输电，自行解决负荷侧峰谷差调节•发展新的柔性用电模式，将成为消斐侧能源革命的重要内容•用于直接燃烧的燃料比例应大幅度减少，仅用于特殊需要的工业、炊事舟亓空航;海___「改变建童用矗方式，尽可能不采用燃料直接燃烧方式，当然，也反对直接电热e91Q111213141516178192021222324我国风电目前面临的问题•严重的弃风、弃光现象：全国15%-20%『西北30%•有效上网成为进一步发展风电、光电的瓶颈•弃风弃光的原因是电力需求的严重峰谷差，而电网又缺少足够的灵活电源(M^)」oMcdP.SM未来的城市能源系统—,建筑直流供电和分布式蓄电,实现终端〃柔性用I电”•电动汽车与智能充电桩构成的蓄电系统•东部地区的电力供应___,如何解决负荷侧峰谷差的巨大变化，以接收西部的稳定供电？•抽水蓄能电站•在没有水电和足够的抽水蓄能电站时‘燃气电厂是最好的调峰电厂,燃煤电厂调峰困难,导致我国大量弃风•发展沿海核电，但同样要解决调节问题-台山核电面临的调峰问题3D9Q0IJ丄—I.1LL「1",I.L.I012345670910111213141516171819202122232^4发展柔性用电的城市能源系统•交通将以电力为主要能源方式，20kWh电力可替代10升油.全面发展纯电汽车，替代燃油车，相当于可再生能瀬区动•电动汽车也将成为城市电力削峰填谷的主要工具，例：北京400万辆汽车，♦如果50%实现电动化,将具备15000万kWh蓄电容量•夜间8小时形成连续2000万kW的蓄电能力,高于北京目前的电力峰谷差,白天如有5。％非行驶状态,可提供8小时内10。。万kW削峰能力,北京市目前：白天峰值电力负荷不至5)2600万kW,夜间低谷lOOOjjkW,靜展麟讓鱷点醴體畫筑髏籟，有停车场就•冨盘豊陽矚靈建筑配电带来灾难，而智能充电桩可以利AC380VDC/DCDC375V光伏电池直流建筑+分布式蓄电原理图蓄电池蓄电油_______发展直流配电+分布式蓄电建筑______•建筑内绝大多数电器都已成为可以直流供电的末端•照明:LED___•信息类办公与家电,转动类产品：直流变频电机-电热转换类产品：可直接接入直流____________•建筑内直接布置高压直流和低压直流两套电源，避免多次转换•光伏电池可直接接入____•分散布置于建筑各个空间的蓄电池可直接接入•建筑内形成直流微网，可高效、高可靠、高质量保障电力供应怎样实现建筑的柔性用电•当采用直流供电后,可以用直流母线电压传递对终端用电信号•电压高：电力充裕,希望末端加大用电量•电压低：电力不足，希望末端降低负载•直流母线电压可以在较大范围内变化,不会影响用电质量•每个终端设备可根据其特点自行调整用电量,信息类末端：自动调压「维持恒定用电•空调、风机、水泵类变频末端：可根据电压修正频率,改变用电量,电热、LED等：可直接接入，根据电压变化改变用电功率,冰箱、洗衣机：可智能调节，自动选择低谷运行•居住建筑可实现30%幅度的调节,办公建筑调节幅度再15%-20%怎样实现建筑的柔性用电•公用建筑、商用建筑的柔性用电•并不是"开”与〃关"，可以根据需要在一定范围内调节•冰蓄冷、水蓄冷：以获得很大成功•风机、水泵等的变频调节（降低/提高转速,室内环境在一定范围变化）•地源热泵的变频或启停控制，可加大热泵安装功率’但并不需要加大地埋管容量「利用建筑围护结构热性，可实现大范围电力调节囲.冷库，电热和热泵制备生活热水，•照明的适度调节？•分布式蓄电池可以大幅度加大柔性调节幅度•接入停车场充电桩，实行智能充电，可彻底改变建筑电负载性能建筑柔性用电控制策略•根据当地电网公司的不同政策,可以有如下调控策略•由入口的AC/DC整流器根据控制策略调节直流母线电压「实现柔性用电・最大程度接受本体安装的光伏电池输出的电力,峰谷不同电价：加大谷期用电『消减峰期负荷,容量价+电量价：恒功率运行,最大程度降低容量电费-需求侧响应电价：根据电网调度指示，按照需求侧响应模式运行，发展柔性用电的城市能源系统•彻底改变城市的配电结构・建筑用电是导致城市负荷侧峰谷差巨大变化的主要原因•通过在建筑内大量布置的蓄电池，消除负荷侧变化，使建筑稳定地接收外部电力,足够容量的分布式蓄电池系统可以大幅度提高末端电力供应的可靠性和品质-稳定地向各座建筑输电,可大大减少小区电力网低压侧配电容量-分布式蓄电可以大幅度降低城市电网配电容量、输电成本、输配电损耗・住宅：每户年用电＜3000kWhf平均不至l0.4kW,而目前配电＞5kW,利用率不到=0%,lOkVAh电池即可实现外网恒功率供电，配网容量仅为10%1•当电厂年发电小时数降低至2500小时后，蓄电池降低到1。0。元/kVAh以下时，大规模布置分布式蓄电池，经济性优于建调峰电厂北方供热的清洁热源•天然气只适合作为调峰热源，发挥其清洁、灵活、可调的特点•依靠热电联产的余热作为北方城市的主要供热热源-我国的风、光、核电需要协同的调峰电源,水电是最佳的电力调峰电源，但冬季北方水量减少，需要火电调峰-未来火电的任务：电力调峰、热电联产•要求火电厂具备的功能：,具有对电力的大范围快速调节能力:10。％~35%调节-全部乏汽余热，从主蒸汽侧计算的热效率应接近100%•在全部回收余热的基础上，全天电热比应在35:65以上（电尽可能多）降低热网回水温度是实现电厂灵活高效的关键•高背压方式丧失了灵活性，不能满足电力调峰要求•低回水温度，多台冷凝器串联，是实现低品位乏汽回收的最佳方式降低热网回水温度是实现电厂灵活高效的关键■灵活性改造•电力高峰期：停止抽汽，最大电力输，低温水箱提供的岀20。（：冷水和20。。的回水共同进入冷凝器，吸收冷凝器余热至68°C,部分存于低温水箱；部分进入高温水箱置换出100°C热水向热网供水，高温水箱为68°C回水,电力低谷期:最大抽汽，满足当时向热网供热水要求；用电动热泵把低温水箱68°C热水冷却到20温度,其热量把高温水箱内的水由68。（：加热到100°C,输出电力为最大输出的35%口68'C100°COQX.68°C20°C♦局温水箱低温水箱20X执亲未来城乡的低碳供热模式•城市供热以热电联产和工业余热为基础热源，提供峰值负荷的70%,申燃气锅炉或燃气吸收式热泵在末端调峰,提供峰值负荷30%,占总热量的7%~9%,我国北方地区的热电厂和规模以上工业余热可满足城镇75%建筑的基础负荷，其余25%可采用各类电动热泵,以及部分燃气锅炉供热•通过跨区域大联网解决热源位置和建筑负荷的不匹配问题•核心的问题是如何把回水温度有效降低•农村采暖热源：•生物质颗粒锅炉，空气源热泵‘太阳能采暖降低热网回水温度的路径•按照低温供暖设计末端装置，地板采暖，加大散热器面积，35°C•增大热力站换热能力，减少端差，回水温度40。。•采用楼宇式吸收换热器，回水温度20°C,在热力站采用吸收式换热，回水温度20°C•在回水干管上设置回水降温热力站，通过电动热泵提取热量,在原来的集中锅炉房设置燃气直燃型吸收式热泵结论•矗驟舅聖藤離骚以輸舊原艇離慌主'雨卜充好•磐創駕譏勺变化,消费侧将大幅度增加电力的比例,迎接新一期“电•发展蓄能末端和柔性末端是实现低碳能源的关键•电动汽车、智能充电桩、建筑直流配电和分布式蓄电、可中断负载，一一这都应该是能协助解决上述问题的有效途径.以热电联产和工业余热为基础热源的跨区域热网+末端调峰将成为北方城镇供热的主导方式