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去燃烧化——区域级燃气热电联产怎么办?

目前,有些咨询单位仍在推行区域级燃气热电联产(CHP)或冷热电三联供(CCHP)方案,并含混地表述为这是国家倡导的“分布式能源”项目和“低碳技术”。但很多专家明确提出,包括热电联产在内的燃烧设备应退出城市。本文作客观的分析。



首先要明确一个概念:分布式能源的核心是分布式发电。有发电的CHP或CCHP是分布式能源的一部分,但不是全部。所谓分布式发电,是指“在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网,且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施”。碳中和建筑能源系统也属于分布式能源系统,只不过把一大部分发电职责交给了可再生能源。



从供暖需求的角度看CHP。图2给出了常规CHP系统的流程。假定采用燃气发动机作为原动机,其综合一次能源效率可以达到80%,输入1 m天然气,发电效率40%,得到4 kW·h电和4 kW·h的供热量。最终可得10 kW·h供热量的碳排放为2.74 kg。


去燃烧化——区域级燃气热电联产怎么办?(图1)


对照表1可知,CHP系统在华北、东北等高碳排放因子电网地区应用有一定减排效益,但在包括北京在内的其他地区并没有减排作用。确切地说,热电联产是低碳技术,由于利用了余热,相比热电分产或在以煤为主而且发电效率较低的火电厂电网中它是节能低碳的,但相对碳中和目标而言它仍是高碳技术。



笔者提出用CHP发出的电力驱动热泵,可以最大限度提高效率。



从图3可以看出,末端用能效最低的多联机系统(=2.2),最终可产出供热量12.8 kW·h。系统综合一次能源效率为128%。可以认为系统利用了可再生热源2.8 kW·h。而10 kW·h供热量碳排放量为1.71 kg,这在国内大部分地区都有减排效益。而如果用更高效率的水源离心热泵,则可以得到更多的减排量。例如,如果有合适的热源(例如利用既有城市热网的回水),采用磁悬浮离心热泵,供暖季节性能系数可高达8.93,碳排放只有0.55 kg。不过,如果热泵热源来自一次热网(否则不可能有这么高的性能系数),热源碳排放也要考虑在内。所以,要尽量用天然热源和余热废热。


去燃烧化——区域级燃气热电联产怎么办?(图2)


2021年12月,北京市发展改革委发布了《北京市新增产业的禁止和限制目录(修订征求意见稿)》,明确指出北京市将禁止新增火力发电、热电联产和燃气独立供暖。这为我国一、二线城市树立了一个标杆。表明城市去化石燃料燃烧是必然趋势。上海市也在酝酿2030年全市公共建筑全面电气化。因此,近期拟投资建区域热电联产能源站的决策者要慎重考虑以下因素:



1)燃烧天然气造成CO直接排放,会给当地2030年碳达峰增加负担。未来国家对碳达峰的控制是实行严格的碳配额和总量控制政策,为解决供暖而投资建设燃气热电联产和燃气锅炉将不利于碳达峰和碳中和目标的实现。



2) 2030年后(甚至之前),预计国家会对既有区域(冷)热电联供进行改造和调控。非居住区的锅炉房实行“煤改电”或“气改电”;商务区能源中心的冷热电联供系统很大可能是将供冷供热与发电脱钩,发电设备成为电网的可调度电源或调峰电源,用来解决高渗透率可再生能源电网的负荷平衡问题。相应地,系统的直接碳排放不再记在当地总量的帐上,而是计入电网的碳排放因子中。



3)根据既有区域热电联供能源中心的建设经验:一是投资大,特别是原动机,基本都选用进口设备,价格高,一定规模的能源中心投资上亿元甚至数亿元;二是投资回收期长,商务区形成规模最少要5~8年,能源中心长期亏损,背负沉重的债务压力。而现在建设的热电联供系统等到开始有少许利润,得到2030年后了,很可能变成不良资产。国际上称之为“碳沉淀资产”。



4)我国天然气的对外依存度近50%,减少天然气应用,有利于能源安全。



那么,已建成的区域热电冷联供系统怎么办?可采取以下措施:



1)如上文所述,变成电网的可调度电源。其运行必须服从电网统一调度,变成区域级的调峰电源或爬坡电源。此举是否对投资者有经济补偿不确定,对设备所有者而言应当遵从国家碳中和战略。



2)改造成用生物质燃料。生物质燃料燃烧也会产生碳排放,但因为是把植物通过光合作用从大气中吸收的碳重新释放回大气,所以被认为是碳中和燃料。但我国生物质资源并不丰富,也没有形成成熟完整的生物质燃料产业链,所以对大多数城市而言,这一方式不现实。



3)改造成用氢燃料。如图4所示,氢燃料驱动效率为81%的氢燃气发动机,再驱动热泵多联机供暖(=2.2)。如果电解水的电力来自光伏(碳排放因子0.035~0.050 kg/(kW·h)),可以认为系统为近零排放;而如果电力来自电网(例如北京电网,碳排放因子0.627 6 kg/(kW·h)),则按电力计算的综合性能系数只有0.86,10 kW·h制热量碳排放高达7.32 kg,反而比天然气锅炉增加了碳排放。此外,还必须注意热泵热源是否含碳,以及发动机的适氢化改造。这个方案只有在100%可再生能源(或核电、水电)条件下方可取。


去燃烧化——区域级燃气热电联产怎么办?(图3)


4)为天然气CHP加装碳捕集、利用和贮存系统(CCUS)。到2060年,预计中国能源结构中非化石能源占比将达80%,余下的化石能源的碳排放就要靠CCUS消除,以实现碳中和的目标。既有区域CHP系统当然也可以采取这个措施,但目前还没有区域CHP系统利用CCUS的案例。捕集—输运—贮存碳的总成本约100美元/t,而且在高密度城市中,完全没有条件就地贮存或利用CO。因此这一方法短期内看不到应用前景。



综上所述,今后在区域级别的新建项目中应把资金投向可再生能源,不应再投向燃气锅炉或燃气热电联供。


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