建立能源公社，实现区域能源一体化最优化

北京恩耐特分布能源技术有限公司 冯江华

推广提供了最佳条件。同时在首先满足公社本身需求的基础上，对多余的能源由公社统一外销。公社将有能力保证外销能源的质量，特别是电力质量。这种统一并网方式与大量分布能源和可再生能源分别并网相比，将大大降低了并网成本，提高了电力质量、减少了给大电网带来的麻烦和不安全性。当然，公社的能源外购（电力、天然气、煤等）也是统一的。公社的能源配送、调峰和储存也是统一的。

1)更经济的独立能源系统及与外部能源系统的统一结算：能源公社将作为一个独立用户或能源销售者与外部能源供应商或购买者（电力、天然气、煤、热力）

进行结算；大量的分布能源和可再生能源系统和工业节能所产生的能源在与传统能源系统并网和结算时往往遇到很大的阻力；而且系统的拥有者需要支付昂贵的容量费或容量备用费；特别是电力系统并网，由于供电部门担心这些系统对电网的冲击，需要用户支付巨额的电力保护装置费用；这些问题严重制约了分布能源的发展。能源公社先形成局域能源网络，再统一与传统能源并网和结算，将有效降低并网费用和能源备用费，极大促进分布能源和可再生能源技术的普及。

2)高智能集中控制系统：公社的中心集控系统将通过区域能源网络在确保独立用户用能需求的基础上寻求整体最优（能源安全、效率和环境影响的最优化）。此集散控制系统将合理的调配各个用户和能源合作社的能源设备，使其在优化的状态下运行。比如峰水期时尽量用水电、日照条件好时尽可能使用太阳能、夜间大电网按低谷电价供电时尽可能使用电力和耗电量大的地源、水源、污水源热泵或冰蓄冷、夏季天然气价格低时尽可能使用燃气三联供。

3)集约式的运行管理和维修维护：公社将统一为用户的分布能源设施提供集约化的运行管理和维修维护服务，将有效的降低成本增加可靠性和安全性；4)为投资者搭建一个具有良好经济性的平台：公社创造了区域能源系统的全面整合，以及能源市场和供应的合理框架；为用户和投资者同时带来了可观的节能利益，同时可能有效地降低用户在能源设备方面的投资。投资者将可以在公社层面也可以在局部设施或项目上参与投资，与用户分享节能效益。

1.能源公社创意的由来—总结国内外的经验A.伦敦市以分布式能源为主体的新能源规划2006年伦敦市市长发布了今后五十年的城市能源规划报告，提出伦敦应该成为解决英国乃至世界气候变化的先导者，规划到2020年，降低60%的排放量；同时维持能源供应的可靠性，控制能源成本，解决燃料匮乏。

规划指出只有通过提高能源效率和分散供能相结合，也就是说，在用户端附近建立能源供应中心，才能使以上这些相互关联的目标得以充分实现。伦敦现有的集中式发电系统存在相当大的能源浪费，电站有65%的热能排放到大气、湖泊或海洋中；在输配电的过程中有9%的能源损耗；在发电站，约有50%的水资源用于蒸发余热。分布式能源有不同的技术形式：包括冷、热、电三联供系统，太阳能、风能、氢和燃料电池等可再生能源，从城市垃圾、厨房垃圾和污水获取能源的新型清洁技术。比如城市热电联产系统（CHP）则充分利用了余热，从根本上减少了输电和配电的损耗，以及节约了水资源。

伦敦目前每年能源消费超过130TWh，其中约25%来自电力，60%为城市热力。规划对发展集中式核电和分布能源的4种方案进行了比较。结果表明：a)分布式能源较之核电站可以降低17%的二氧化碳排放；b)分布式发电在升级和更新中央输电网方面，每年可节约10亿英镑的资本开支（不包括核废料的管理成本），进而可降低零售供电成本；c)伦敦集中式发电系统需要消耗大量的天然气，而高分布式能源方式则可节约天然气的使用量降低14%；分布式零售电价将低于核电站6%；d)分布式能源发电系统的多元化，增加了发电结构的可靠性和灵活性，缓解了用电高峰，降低电网的投资，降低输配电的损失和用于电网维护的投资；e)分布式能源发电系统使电网更加稳固安全；在降低运行成本和输配电损失方面可获得30英镑/兆瓦的效益；减少了装机容量、能源和排放的成本。

面对气候变化的问题，伦敦在二十一世纪需要一个全新的能源结构。这个报告中有一句精辟的结论：“我们不再有多余的时间用来犯错误，有责任尽我们的所能，为子孙后代提供一个最佳的生存空间”。

B.美国的农电合作社美国农电合作社是农户（农场主）自发组织起来的非营利的管电组织。

1935年以前，美国农村大多数地区仍无电可用。

由于农村地广人稀，用电量小，供电线路长，损耗大，农村供电投资大，并且无利可图，所以没有一家电力公司愿意在广大的农村投资办电。30年代，美国经济出现大萧条。1933年罗斯福总统倡导成立“农电合作社”。其主体思想是：由一定地域范围的农户以自愿的原则组成各自的农电合作社，通过同比例集资和向联邦政府申请低息贷款的方式筹集电力建设资金，建设本地区的供用电设施，向本地区所有合作社成员供应低价电力。农电合作社的成立大大推进了美国农村电气化的进程和农村经济的发展，为美国经济的复苏奠定了稳定的基础。1997年农电合作所服务人口只占全国的11％（约3000万），供电面积占到全国的70％，配电线路长达300万千米，超过全国配电线路总长度的一半。

C.国外的微电网研究和分布能源与配电网形成的细胞结构a)分布能源在2006年欧洲大停电事故中的负面作用在欧洲，越来越多的分布能源系统由配电公司和输电公司管理。运行者必须特别注意分布能源系统供能的间歇性特征和运行特点（如风能和热电联供）。

2006年11月4日电力输送协调联盟在欧洲所有区域的电力系统受到主要来自德国北部输电网的严重干扰。

许多高压线路跳闸，导致严重的电力不平衡和频率偏差。分布能源的发电机组本应该为电网的频率调节做出贡献，但是当时大量的分布能源，主要是风电和热电联供，在低频率区被自动断开，同时，在高频率区自动重新连接。这样的运行形式增强了供需之间的不平衡，从而对电网的频率波动（如一定数量或在一定时间段用户从电网的退出）产生了负面的干扰。

b)分布能源与大电网的依存关系，一个新概念的提出—“细胞架构”

由于分布能源的不断发展，给预测和控制电网的供电量带来了困难，如热电联产运行主要是根据热负荷的需求，风电是根据有效的风力。当分布能源电力超过了本地的消耗时，需要通过输电网向邻区出售剩余的电力。同时随着越来越多分布能源的建立，电网的经营者必须面对更多的安全性和可靠性问题。

面对分布能源系统的上述问题，丹麦输电公司开发了一种名为“细胞架构”的技术。这种系统架构的目的是通过配电系统使大量的分布能源的并网并受到集中控制，同时开发分布能源优势和制衡其对电网运行的影响。

c)“细胞构架”及其与输电网的关系“细胞”可以被定性为丹麦西部配电系统中包含了电压最低为150/60kv变电站的区域电网，其中分布能源的发电能力累计通常高达100MW。一个“细胞”在结构上就像一个微型电网。通过这个形式，输电公司能够把细胞作为传统供电的发电厂加以控制。

在上游紧急情况下细胞可以从输电网络断开（孤岛运行）；同时具有故障复位运行的黑启动能力。细胞依靠输电网，输出分布能源多余的电力，或当自产能源足时，输入必要的电力。细胞与输电网之间的信息传递非常重要。

随着分布能源的不断发展，规划和开发新的配电结构（如微型电网和虚拟电厂计划）以避免在电力系统中可能出现的问题是十分重要的。“细胞架构”

正是这样一种将分布能源与配电网结合的新结构。他不仅解决了电网的安全可靠性问题，同时解决了分布能源并网难和成本高的问题，为实现分布能源的大发展、区域能源安全和节能减排创造了条件。

D.国内a)几百个农村电气化县的经验小水电是我国目前最大、也是最成熟的分布式能源，在促进农村经济发展、保障电力主网安全、改善生态环境和节能减排等方面都发挥着独特的作用。

2007年底，全国已建成小水电站4.5万多座，总装机容量4747万KW，占全国水电装机的32.6%。目前全国小水电的在建规模约2000万KW,年投产装机约500万KW。目前全国有1519个县（市）建有小水电站，其中583个县以小水电为主供电，200多个县拥有完整的县域小水电供应区，3000多个乡村小水电自供区。2007年小水电全年发电量为1437亿KWH,占全国水电发电量的29.5%。至上世纪九十年代中期，我国有800多个县近3亿人口通过开发小水电实现了农村电气化。

在2008年上半年两次突如其来的严重自然灾害中，小水电在灾难应急中发挥了巨大的作用。今年5.12汶川地震后，重灾区电力主网因灾失电。灾区各市县通过修复当地的小水电及其配电网，短时间内恢复了不少县城和片区的供电，有力地支援了抗震救灾工作。

b)能源安全—雪灾的启示这今年雪灾中，直接暴露了我国电力建设中的问题：重视主干电网建设，忽视地区电网建设。主干电网一趴下，地区电网就不能独立运行。在电源建设方面近年来大力发展大电源，忽视了分布式电源建设。

但是，雪灾中最终保下来的两个省会大城市——贵州的贵阳和江西南昌，在一片黑暗中成为仅有的亮光，都是靠保留下来的分布式电厂。在供电方面重视跨区供电而忽视就地供电。如果要把电网的抵御灾害天气能力提高到50年一遇，电力设备建设造价要翻8倍，这是我国国力无法承受的。因此发展分布电源和地区电网是保证能源安全的关键。

c)北京不合理的能源结构—天然气和电力的不和谐体系北京2008年电力夏季最高负荷已达1400万千瓦，其中40%用于电空调。也就是说电力公司要多投资几百亿元建的电厂来解决调峰问题。而燃气年用量近为40亿立方米，70%以上用于冬季采暖。这意味着燃气公司几百亿元建的城市燃气管网年利用率不超过40%。这种不合理的能源结构给北京市的燃气和电力行业带来的损失是巨大的，而多年来得不到解决。

2.能源公社概念发展中的案例北京恩耐特分布能源技术有限公司是北京燃气集团控股的专门发展分布能源和燃气三联供的专业技术公司。成立6年来在自己的工作实践中创立了能源公社的概念并将其在实践中应用和发展。

1）奥运能源公园2003年在徐建中院士的领导下，北京恩耐特公司和中科院工程热物理所在北京燃气集团的支持下提出了在奥运村建立绿色能源公园的建议。并请北京建筑设计院牵头完成了在奥运村建设绿色能源公园的可行性研究报告。报告建议在奥运村建设集燃气冷热电三联供、地源热泵、污水源热泵、冰蓄冷、太阳能等新能源和可再生能源技术为一体，并与常规能源（市电和天然气）配合的独立能源体系。项目范围包括鸟巢和水立方在内的奥运能源公园，建议修建园区内的供冷、供热管网和微电网，将园区所有的供能设备和能源用户连接在一起，并将建设一个强有力的控制中心，优化能源的生产和使用。由于此概念在当时还很难被人接受，项目最终未得到实施。

2）京火车南站综合能源中心项目北京火车南站能源中心供能范围为14万平米，包括12万平米的站房和2万平米左右的写字楼，设计冷负荷12500kW，设计热负荷12000kW。

项目采用了热电冷联产与污水热泵相结合的综合能源系统。发电采用2台1570kW的燃气内燃发电机组，与两台1620kW的烟气热水型余热吸收式空调机组直接对接负责供冷供热。利用与市政污水泵站相邻的优势，调峰设备采用的是污水源热泵系统（两台3692kW的离心机和两台890kW的螺杆机）。能源站总投资7000多万元。南站主站房屋顶大面积采用太阳能光伏发电系统，总装机容量300kW，投资约5000万元。

在夏季，天然气发电承担基本电力负荷，不足部分由市电提供，发电烟气和部分缸套水余热进入烟气热水吸收机制冷，不足的冷量由污水源热泵提供，吸收机利用后的低温烟气进入烟气热回收器，换出热水和发电机缸套水一并送入站外办公楼除湿系统的再生器；在冬季，烟气吸收机按照热泵模式运行，回收冷凝热，不足部分由污水源热泵提供。

南站已于8月1日投入使用，能源中心已部分投产，提供了制冷。

3）北京炼焦化学厂能源研发科技中心北京炼焦化学厂能源研发科技中心占地约15万平方米，总规划用地为186.15亩，建设面积约为23.5万平方米。项目主要是以科研办公、产品展示、综合配套等功能分区的综合建筑群，项目有充分的条件建设成以燃气三联供为核心、结合可再生能源等先进能源技术的区域能源综合利用系统。建成后将为北焦能源科技中心提供所需的全部空调、采暖和生活热水，及部分电力；同时还将满足区域外14万m2其他建筑的冬季热负荷需求。

项目设计负荷为：冷负荷25233kW，热负荷18231kW，热水负荷1165kW电负荷14624kW。

另还需要向周边1公里处约14m2的学校供暖约为7000kW。项目采用2台2179kW燃气内燃发电机，发电机组分别与2台5815kW烟气热水型余热吸收式空调机组直接对接，调峰设备采用1台4652kW的标准直燃机和4台1194kW的三工况地源热泵机组，夏季采用冰蓄冷，在屋顶设置约3500m2的太阳能集热板供应生活热水，同时还设置了燃气锅炉作为生活热水备用。

三联供系统能满足全年电需求的53%，其余由电网补充，冷需求的33%，热需求的35%，热水需求的26%。

发电机并网运行，在冷热季日间运行，夜间和过渡季停机，优先利用余热供冷热，不足部分再由地源热泵或直燃机补燃供应，结合实时负荷变化、能源价格和实际选定的设备参数等因素进行系统优化运行。

全系统节能率约33%，减少CO2排放约10445t，年节约850万元左右的能源费用，系统综合利用率提高到75.8%。

4）在北京经济技术开发区东区建立能源公社的可行性研究报告北京经济技术开发区于是北京市唯一的国家级经济技术开发区，是同时享有国家级经济技术开发区和国家高新技术产业园区双重政策的经济区域。开发区一期规划用地（亦庄西区）15.8平方公里已经基本开发完成，亦庄东区（14平方公里）已经开始启动。

中国燃气协会和瑞典环境科学院联合参与欧盟—中国能源环境项目，正在对在亦庄东区建立绿色区域能源公社的可行性进行研究。亦庄东区地块内没有规划集中能源供应设施，开发区提供燃气和高压电力接入，由各个企业自行解决能源问题。但是由于企业在节能技术和节能投资方面的困惑；同时由于各企业的用能性质不同（如铁合金加工用电量大，食品和制药用热量大），在该地区推广节能的三联供技术方面也遇到了障碍。以传统的能源供应方式很难推进节能减排。能源公社将针对各个企业的特点建立统一的能源系统，推广工业节能技术、燃气冷热电三联供，及其它新能源或可再生能源技术。可以考虑先组建立由两个或多个企业的能源合作社，通过能源互助建立高能效的三联供和其他供能节能项目，进一步通过规划和建设必要的公用设施，联合各能源合作社建立全区域的能源公社。这种能源公社的建立可以增强整个工业区域的能源安全性和可靠性，同时大幅度提高能源利效率。

通过在东区内推进燃气三联供的建设，将使该区域不仅大规模实现节能减排，增加燃气使用量（目前规划为2.5亿m3/年，有可能增加到5亿m3/年）。

3.总结现代能源科学预见，20世纪由于技术进步，能源生产曾经历了从小到大（追求规模效益）、从近到远的发展；而21世纪随着技术的进一步发展，能源生产又将从大到小、从远到近、回到我们身边。在上个世纪末期，当大电网大电厂统治全世界时，美国的农电合作社和中国以小水电，热电厂和燃气三联供都在悄然兴起。近年来全世界已掀起了节能减排的浪潮。

事实上，优化的区域能源合一架构—能源公社，将为节能减排提供更重要的保证。它将是历史的必然产物。

a)新能源和可再生能源项目大规模的兴起，大量的项目面临着电力并网和与传统能源系统结合的问题。发达国家提出在配电网上建立“细胞构架”和正在兴起的微电网研究为在我国建立能源公社提供了借鉴。

b)今年的雪灾和地震已证明完全依靠大电网的幻想是不实际的，建立区域相对独立的能源体系将是保证区域能源供应的唯一选择。

c)区域能源结构的不合理所带来的损失是巨大的。北京的天然气和电力供应之间存在着很大的整合空间。我国各地政府往往每年要对十几个领域进行规划，但是很少有人会去作整体的能源规划。英国伦敦市的能源规划给我们一个很好的榜样。能源公社的基本概念就是对一个地区的能源全面进行整合。

d)实现能源公社的基本保证是区域必须获得能源的统一管理权。新的国家能源局是为实现国家能源合一而成立的，对区域能源实施统一管理才有可能实现能源公社的设想。

e)由于洁净天然气的可输送性和易于被梯级利用的性质，使它将成为建立能源公社的催化剂，同时能源公社又为天然气的大规模、高效和分布利用提供了条件。因此，能源公社将成为我国天然气发展的重要市场。