将低温可再生能源整合到区域能源系统2021-IRENA国际可再生能源署(中文版).pdf
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- 低温 可再生能源 整合 区域 能源 系统 2021 IRENA 国际 中文版
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1、概述 IRENA 2021 版权所有 除非另有说明,否则此出版物和本文的材料均属于国际可再生能源署 (IRENA) 的财产且其版权为 IRENA 所拥有。本出版物中的资料可自由引用、分 享、复制、再版、打印和/或存储,但需注明其出处源于 IRENA 并载有版权符号 ( IRENA) 和版权年份。本出版物中由第三方提供的材料可能受第三 方版权和单独的使用条款和限制的约束,包括与任何商业用途相关的限制。 本文件概述了 IRENA 和奥尔堡大学 (2021) 与“将低温可再生能源整合到区域能源系统:决策者指南”相关的基本内容,国际可再生能源署,奥尔堡 大学,阿布扎比,哥本哈根 (ISBN: 978-
2、92-9260-318-2)。 本文件为“Integrating low-temperature renewables in district energy systems: Guidelines for policy makers”的译本 ISBN: 978-92-9260-316-8 (2021)。 如中文译本与英文原版的内容不一致,概以英文版为准。 关于 IRENA 国际可再生能源署 (IRENA) 是一个政府间组织,它为各国向可持续能源未来过渡提供支持,并作为国际合作的主要平 台、卓越中心以及可再生能源政策、技术、资源和金融知识的信息库。IRENA 推进广泛采用和可持续利用各种形式的
3、可再生能源,包括生物能源、地热、水电、海洋、太阳能和风能,以追求可持续发展、能源获取、能源安全和低碳经 济增长和繁荣。www.irena.org 关于奥尔堡大学 奥尔堡大学建立于 1974 年。奥尔堡大学规划系就包括能源规划在内的多个领域开展了研究。奥尔堡大学规划系的可 持续能源规划 (SEP) 研究组开发的跨领域方法将可持续能源计划与技术经济、地理和社会政治进行了全方位结合, 已 25 年以上的经验。 www.en.plan.aau.dk/research+groups/SEP/ 致谢 IRENA 对来自 IRENA 和奥尔堡大学的特设专家咨询团队成员(小组成员来自全球地热联盟 (GGA)
4、和其他与区域供热供冷部门相 关的机构)作出的宝贵贡献表示诚挚的谢意。我们收到了以下专家(团队)提供的意见和反馈:Eirikur Bragason(北极绿色能 源公司),Leoni Paolo 和 Ralf-Roman Schmidt(奥地利技术研究所 能源中心),Wang Weiquan(中国能源研究会可再生能 源专业委员会 CREIA),Isabel Cabrita 和 Maria Carla Lourenco(能源与地质总局 葡萄牙),Olivier Racle(Engie 集团), Samra Arnaut(Enova 波斯尼亚),Eloi Piel (Euroheat & Power)
5、,Bojan Bogdanovic 和 Greg Gebrail(欧洲复兴开发银行), Catherine Hickson (Geothermal Canada),Christiaan Gischler(美洲开发银行 IDB), Marit Brommer(国际地热协会 IGA), Jure Cizman(约瑟夫斯特凡研究所 斯洛文尼亚),Annamaria Nador(匈牙利矿业和地质调查局),Paul Bonnetblanc(生 态、可持续发展和能源部长 法国),Paul Ramsak(荷兰企业管理局 RVO),Jn rn Jnsson(雷克雅未克地热有限公司), Christian Ho
6、lter(SOLID solar thermal systems 公司),Sebastien Danneels(特伦特河畔斯托克市议会 英国),Celia Martinez 和 Zhuolun Chen(联合国环境规划署),Astu Sam Pratiwi 和 Marc Jaxa Rozen(日内瓦大学),Elin Hallgrimsdottir 和 Joeri Frederik de Wit(世界银行能源部门管理援助计划)及 Emin Selahattin Umdu(亚萨尔大学 土耳其)。来自 IRENA 的同事 Fabian Barrera、Yong Chen、Jinlei Feng、Im
7、en Gherboudj、Seungwoo Kang、Paul Komor 和 Toshimasa Masuyama 均给予了宝贵意 见。2019 年 12 月,塞尔维亚举办了一场主题为“将低温可再生能源整合至区域供热供冷系统”的活动,其参与者提供的宝贵意见完 善了本报告的内容。 请前往 IRENA 网站浏览研讨会报告: https:/irena.org/events/2019/Dec/Energy-Solutions-for-Cities-of-the-Future 撰稿人:本报告在 Gurbuz Gonul 和 Salvatore Vinci (IRENA) 的总体指导以及 Jakob Z
8、inck Thellufsen(奥尔堡大学)的技术指导下, 由多位作者撰写,包括 Luca Angelino 和 Jack Kiruja (IRENA)、Nis Bertelsen、Brian Vad Mathiesen、Sren Roth Djrup、Nomi Schneider、Susana Paardekooper、Luis Snchez-Garca、Jakob Zinck Thellufsen 和 John Kapetanakis(奥尔堡大学)。同时我们对 Amjad Abdulla (IRENA) 提供的宝贵意见表示诚挚谢意。 IKI 支持: 本报告是“未来城市能源解决方案”项目的一
9、部分,该项目得到了国际气候倡议 (IKI) 的支持。德国联邦环境、自然保护与核安全部 (BMU) 基于一项德国联邦议院决议为该项计划提供支持。 如需了解更多信息或提供反馈,请访问:publicationsirena.org 本报告可供下载,请访问:www.irena.org/publications 和 www.energyplan.eu/irena/ 免责声明 本出版物及本文所使用的材料均按“原样”提供,仅供参考之用。 IRENA 已经采取了所有合理的措施,以验证本出版物中材料的可靠性。IRENA 或其任何官员、代理人、数据或其他内容、第三方内容提供商或许可方均不对此类材料的 准确性、完整性
10、、特定用途或使用此材料的适用性,或对第三方造成的侵权行为作出任何担保;且对于本出版物及其中的材料的使用,以上各方不承担任何责任或义务。 本文件所含的材料不一定代表 IRENA 成员的观点,也不代表对任何项目、产品或服务提供商的认可。本文件所使用的名称和材料的表述并不代表 IRENA 对任何地区、国 家、领土、城市、区域或任何当局的法律地位,或边界及边界的划定的任何意见。 将低温可再生能源整合到 区域能源系统 减少供热供冷部门的碳排放量对于缓解气候变化和 减少空气污染至关重要。因此,区域供热供冷系统 可以按照一定比例增加可再生能源的使用率,提高 能源效率、降低供热供冷部门化石燃料的使用率, 优化
11、城市空气质量。 传统模式中,区域供热系统需在高温环境下运行, 以满足保温性能较差的建筑的高热量需求。在大多 数情况下,只有使用化石燃料才能达到所需的高 温。然而,科技创新和数字化的发展以及当今世界 的节能建筑转型浪潮,使得广泛部署清洁能源技术 成为大势所趋,如新一代区域能源系统中的低温地 热能、太阳热能、水源热能以及低温余热能源。许 多区域的地方级政府均可广泛利用这些资源。不 过,由于无法立即与目前的区域能源基础设施和现 有建筑相兼容,这些技术仍然具有极大的开发空 间。 区域能源系统中的低温可再生能源和可持续余热能 源的利用存在许多障碍,包括: 数据匮乏 知识储备量不够充足,对最佳技术不了解
12、与建筑改造策略的脱节 与化石能源供热系统或电力供冷系统存在的不公 平竞争 高昂的前期成本 市级政府的财政预算有限 监管不到位且审批程序繁琐 在此背景下,本指南列举了可用工具和解决方案的 示例,以提高低温可再生热源在新建和既有区域能 源系统中的使用率,为决策者提供了有益的指导方 针。除此之外,本指南还概述了采用低温可再生能 源发展区域供热供冷及使能技术的应用。本指南重 点介绍了在低温环境下利用太阳热能、地热能和水 体能量的能源系统和热泵支持系统。在区域供热 中,生物质能是一种举足轻重的可再生能源,其现 有的相关基础设施也在高温条件下运行,不存在重 大的技术整合问题。因此,本报告不会重点介绍将 生
13、物质能整合至区域供热系统的过程。 主要建议如下: 以明确的政治驱动因素为基础,制定供热供冷战略 计划,并确保主要利益相关者全程参与。尽管该过 程可由地方主管部门牵头,但仍需国家政府提供关 键支持,以制定宏伟的目标和可行的框架。 对于国家层面来说,制定适当的管理和监管框 架、确定整个能源系统的实施方向以及发挥区域 能源在脱碳和可持续发展中的作用十分重要。 提升劳动者的必要技能,包括他们需掌握的与各 可再生能源技术和某些市场上与区域能源基础设 施现代化改造相关的知识。 制定因地制宜的供热供冷战略计划,确定参与这 一过程的利益相关者及其参与原因,以及让其参 与这一过程的方法。 提高公众对于低碳供热供
14、冷技术的接纳度,实施 基于可再生能源的区域能源项目。该目标可以通 过全民参与和透明化流程实现,使公众进一步了 解区域能源系统和可再生技术的优势所在。 根据供热供冷的需求和资源分布情况,制定详细的 技术方案。 实地测量建筑物的各种数据或借助现有工具对建 筑物进行自上而下/自下而上的建模以预估其需 求,扩展供热供冷需求数据的收集范围。 借助地理信息系统等既有工具或通过制定热资源 分布图册,评估建筑物供热供冷中可利用的热资 源。区域能源系统的规划和投资可充分利用从这 些工具中获得的信息。 确保供热供冷发展方案符合长期目标。 整合供应变化、管网现代化技术和建筑改造计划, 使技术性能和社会经济效益均达到
15、最佳水平,并避 免产生锁定效应和脱节的情况。 协调区域能源和节能建筑的发展,并构建其协同 效应的形成机制。例如,制定近邻计划,在需求 侧和供应侧同时实施节能措施。大力提倡节能措 施,逐步转向对所有消费者实行以耗能为基础的 计费方式。 采取措施降低现有居民区中已投入运行的原有系 统和新型区域供热网络的运行温度。此目标可从 两方面着手:i)在建筑物方面,可引入控制系 统、重新设计供热设备、改造为节能型建筑物围 护结构以及重新设计家用热水系统和换热站等来 实现此目标;ii)在管道网络方面,采取管道保温 措施、采用增温技术、采取措施降低回水温度、 避免因高流量而造成网络损坏等来实现此目标。 解决根深蒂
16、固的问题,推行利用当地的可再生能源 进行供热供冷。 加强建设能力合理开发可再生能源项目,并在将 低温能源整合至新的或既有的区域能源系统的过 程中,积极应对存在的技术挑战。 务必遵守当地利用可再生能源的最佳实践。因其 能够最大程度提升成本效益和资源可持续利用 率。例如,地热回灌或季节性太阳能储能。 提供良好的监管条件、扶持融资方案和商业模式, 并确保这些措施落实到位。 将区域能源网划分为公共基础设施,并借助财政 杠杆实施立法与价格监管等措施,确保提供公平 的竞争环境,同时也需考虑温室气体排放或空气 污染物等产生的外部效应。 / 4将低温可再生能源整合到区域能源系统 制定战略规划并找出 主要利益相
17、关方 应对技术挑战和 解决与现有基础设施 的兼容性 实施监管和 融资框架 依据需求和资源匹配 制定技术方案 并提出项目 2.4. 1. 3. 供热和供冷战略规划的范围和目的 利益相关者的识别和协调 分析供热和供冷需求 识别和评估地热、 太阳热能和其他热源 制定供热/供冷的各种方案 评估与现有建筑物的兼容性 评估与现有网络的兼容性 应对低温热源的技术挑战 所有权 定价 法规 融资和风险缓解 业务模型 能 力 建 设 和 技 能 发 展 率先付诸行动,与高需求消费者进行对接吸引投 资,这不仅能够克服与供热供冷需求相关的不确 定性,同时还能确保充分挖掘潜力。 除了寻求公共财政资金支持(包括资助),还
18、需 深入调查私营部门的参与程度和创新实践,如与 能源服务公司 (ESCO) 建立合作伙伴关系或发起 众筹项目。 制定计划,降低可再生能源应用的使用风险。例 如,完善根据市场成熟度制订的地热能支持计 划,减少投资者钻探低产能地热井的可能性和/或 减少投资者面临地热井产能下降的风险。 通过制定所有权方案并出台监管和定价措施,建 立全面透明的管理方案,推广区域供热供冷系 统。同时确保这些系统能够以可再生能源和余热 能源为基础投入运行,并与社会目标保持一致。 将低温可再生能源整合至区域能源系统的框架示意图 5 /决策者指南 太阳能 集热器 热储存 备用 工业 余热 地热厂 单户住宅 多户住宅 办公室
19、保温管道 换热站 第三产业 建筑 生产井注入井 热储 注意:这些仅是区域供热网络可能使用的能源的示例 区域供热系统(或称热网系统)的主要作用是供 热。系统的一个(或多个)中心(或分散)站点将 产生的热能通过带有保温功能的输配管道和辅助设 备进行输送。该系统可满足住宅建筑和第三产业建 筑对于空间供热和生活热水 (DHW) 的需求。上图所 示为使用多种能源和技术的分散式区域供热系统的 示例:太阳热能、中等温度地热资源、工业余热、 备用锅炉和季节性储能。也可以使用其他技术,例 如热电联产、热泵和来自服务业的废热。 区域供冷系统相当于逆向加热网,其功能原理与区 域供热系统的原理基本相似。区域供冷系统负
20、责将 冷水分配至各个住宅和商业建筑、办公室和工厂。 区域能源网络可以从锅炉、热电联产、热泵、季节 性储能或可再生资源(例如地热或太阳能)获取供 热和供冷所需的能源。这提高了区域能源的利用效 率,并促进了工业或服务业的余热利用。 借助智能能源系统,能够更加高效地发展 100% 可再 生能源系统。其背后的主要原理是整合供电网、供热 网和供气网以实现各部门之间的共赢,并以极具成本 效益的方式实施储能解决方案(H. Lund 等,2017)。 为了使智能能源系统达到最佳性能,所有与能源相 关的部门(包括电力、供热、工业、交通部门等) 都将被视为能源系统的一部分,然后再将各部门进行 整合以使现存的协同作
21、用达到最大化。在这种智能 能源系统中,区域能源系统发挥着不可或缺的作用 (Mathiesen 等,2019)。 区域供热供冷系统 / 6将低温可再生能源整合到区域能源系统 区域能源技术的演变、运行温度和能源示例 随之而来的区域供热供冷 (DHC) 技术的发展不仅 提高了能源使用效率还具备了使用更低的供给温度 的能力。第一代区域供热系统采用高温蒸汽技术进 行供热,第二代系统采用高压技术进行供热,到第 三代和第四代时,供热系统已经能够以越来越低的 温度条件运行。区域供冷系统的技术发展过程如下 所示:第一代系统使用供冷剂作为输送流体,而从 第二代便开始使用水作为输送流体,因此,供应温 度不断攀升,能
22、源的可用性也呈提高趋势(Lund 等,2018)。因此即使在不同的季节,那些具有 不同供热/供冷季节的国家也能共享区域供热供冷 网络。 “低温”指代的并非特定或绝对的温度范围,这取 决于所考虑的能源或区域能源网络中的温度设置。 在给定的城市或区域中,不同的本地可用热源不允 许在区域供热网络中实现相同的工作温度范围。化 石燃料(如天然气)或可再生燃料(如生物能源) 燃烧后的温度高达几百摄氏度,因此使热载体达 到 100(摄氏度)并非难事。相反,使用浅层地热 能或借助非常规余热能源回收技术(例如数据中心 的冷却)却很难达到这样的温度。太阳热能、工业 余热能源、大型热泵等属于中温供热范围。网络的 工
23、作温度越低意味着可开发的能源范围越广,且将 其纳入低碳和清洁能源的潜力也越大。 注: 1G:第一代区域供热系统;2G:第二代区域供热系统;3G:第三代区域供热系统;4G:第四代区域供热系统。 CHP:热电联产 来源:Lund 等,(2018) 能能效效/温温度度水水平平 第一代:蒸汽 第二代:就地供热第三代:预制4G:第四代供热系统 蒸汽系统、设于混凝土 管道中的蒸汽管 加压热水系统 重型设备 大型“就地建设的”供热站 预保温管 工业紧凑型供热站(也带保温包围) 供热计量和监测 低能源需求智能能源(能源、 分配和消耗的最佳相互作用) 双向区域供热 区域供热流量 区域供热回流 能源效率 区域供热
24、网 蒸汽储存 煤炭 废弃物 第一代/1880 年至 1930 年 200 C 80C 70C 100 C 100 C 50-60C (70 C) (ULTDH 50 C) 储热 热电联产煤炭 热电联产石油 煤炭/ 废弃物 局部区域供热 大型太阳能 生物质 热电联产生物质 工业余热 储热 热电联产废弃物 热电联产煤炭 热电联产石油 燃气、废油、 煤炭 区域供热 第二代/1930 年至 1980 年 第三代/1980 年至 2020 年 第四代/2020 年至 2050 年 区域供热 区域供热 数据中心 季节性储热 大型太阳能 地热 光伏、波浪能、风电 过剩电力 储热 工业过剩 热电联产 垃圾焚烧
25、 25C 未来能源 生物质能转化 双向 区域 供热 例如,超市 区域供冷网 热电联产 生物质 集中式区域 供冷厂 储冷 集中式热泵 也是低能耗 建筑 发发展展历历程程 (区域供热的代别)/ 当时最佳可用技术的年代 7 /决策者指南 决策者指南 制定战略型 供热供冷计划 为了达到以协调、透明的方式应对能源挑战的目 的,从长远来看,必须制定和实施能源战略规划 (SEP)。能源战略规划 (SEP) 旨在解决目前能源供应 方面存在的问题和制定长期发展战略和过渡计划。 评估中须包括与技术、经济、环境和社会相关的内 容(Krog 和 Sperling,2019)。 能源战略规划 (SEP) 可应用于各级政
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