《中国光储直柔建筑战略发展路径研究》系列报告2-中国光储直柔建筑未来发展实施路径研究.pdf
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1、 中国光储直柔建筑战略 发展路径研究 子课题 2:中国“光储直柔”建筑未来发展实施路径研究 Research on Chinas PEDF Building System Development Sub project 2:Implementation Path of PEDF Building in China 深圳市建筑科学研究院股份有限公司深圳市建筑科学研究院股份有限公司 2 2022022 年年 6 6 月月 3 30 0 日日 Shenzhen Institute of Building Research co.,Ltd June 30,2022 i 前言前言 本研究是清华大学牵头的
2、中国“光储直柔”建筑发展战略路径研究的子课题 2:中国“光储直柔”建筑未来发展实施路径研究(以下简称“本课题”)。课题旨在系统梳理中国建筑规模,全面分析建筑负荷特性,研判光伏、储能、直流、柔性等技术发展趋势与不确定性因素,规划发展“光储直柔”建筑的技术路径。本研究项目受能源基金会资助,由清华大学牵头,深圳市建筑科学研究院股份有限公司承担,并邀请来自清华大学、深圳供电局有限公司等单位的专家学者共同完成。减少建筑直接碳排放是低碳发展的前提,建筑电气化则是其中的重要技术路径。由能源基金会支持的“建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径”项目研究指出,要实现 2温升目标,在建筑节能的基础上,建筑电气化率要
3、从当前的 48%提高到 2050 年的 90%以上,非化石电力在建筑总电量中的比例至少从当前的 29%提高到 2050 年的 90%以上。建筑电气化率的提高,意味着需要更多的电力,非化石电力比例的提高在总量上将能够满足电气化率提高所带来的电力总量增长的需求。着眼未来电力发展,我们仍将面临总量平衡的问题,同时面临电力不平衡的挑战。未来大规模的风电、光伏发电等可再生能源的发展,将彻底改变当前的发电形态,同时经济发展和用能习惯的改变,也将改变用能负荷形态。做到总量平衡不易,做到实时电力平衡,就需要“源荷互动”、“荷随源动”等新技术的应用。“光储直柔”新型能源系统是建筑实现自身减排、减少间接碳排放的重
4、要技术,更是与电网互动、解决电力平衡的关键技术。分布式光伏将能够直接抵消建筑用能,但在城市农村、不同建筑对象,发展策略不同;储能尚处在技术快速发展进步中,是否利用电动车电池、如何发展分布式储能等诸多方向等待明确;低压直流建筑应用是当前国际的热点,其关键技术和应用障碍有待深入研究;柔性技术是建筑与电网协同实现电力平衡的重要桥梁,但也是发展相对滞后的,面临技术攻关和政策机制的突破。光、储、直、柔四项主要技术所处的发展阶段不同,如何客观认识并做到合ii 理的预测,如何根据“3060”目标看待“光储直柔”技术的未来,如何从识别障碍到问题解决再到规模化应用,如何理解其与交通和电网的关系,如何量化评估“光
5、储直柔”技术对于目标的支撑,如何开展工程实践以及技术目标的性能实现等,都得到了行业广泛的关注。iii 执行摘要执行摘要-光储直柔光储直柔1(PEDF)是新型电力系统的重要组成,是建筑节能新方向是新型电力系统的重要组成,是建筑节能新方向。建筑节能经历了 30%、50%、65%的“三步走”,建筑本体的性能以及设备系统效率大幅提升,采暖空调用能占建筑能耗的比例由过去的三分之二逐步降低到三分之一。同时,电器设备用能比例逐步提高。在建筑电气化的背景下,考虑可再生能源边际成本的降低,未来建筑负荷灵活性的作用甚至超过能效提高发挥的作用。未来建筑将融合光伏、储能、电动车,逐步由用能者转为产消者。“光储直柔”技
6、术即是在建筑能效提升基础上进一步实现电能替代与电网友好交互的新型建筑配电技术,是建筑节能的新方向。图 I 2001-2020 年建筑终端电能占比变化趋势 -未来未来电力峰谷电力峰谷将被重新定义将被重新定义,光储直柔光储直柔着力着力解决电力日平衡需求解决电力日平衡需求。当前电力系统面临负荷连年增长的巨大压力,但尖峰负荷持续时间并不长。尤其是夏季,建筑空调负荷作为夏季电力负荷的重要组成,利用建筑空调负荷的可调节性参与需求响应是当前电力领域和建筑领域都共同关注的焦点。随着高比例可再生能源发电的接入,未来电网的挑战是风光电出力与用电负荷的不匹配。当我们同时考虑风电和光伏发电,未来的峰 1 民用建筑直流
7、配电设计标准T/CABEE 030-2022 术语 2.1.1。iv 谷将被重新定义。从日平衡角度看,未来电力可能白天是谷晚上是峰,与现在正好颠倒过来。现在的电力紧张主要是由于用电负荷高峰,而未来的电力紧张还要看风光电出力的大小。用电负荷低但风光电出力更低的情况仍然会出现电力紧张,而用电负荷高但风光电出力更高的情况依然会出现电力盈余。随着能源结构的转变,电力供需关系也发生改变,建筑柔性价值也将发生改变。建筑柔性(负荷调节和电动车)对不同时间尺度的储能容量需求和累计储能量起不同程度的替代效果。在替代储能容量方面,建筑柔性几乎能解决全部的日调峰需求,不依赖于电网储能和调峰电源,如图 II 所示。图
8、 II 建筑柔性解决储能容量和年累计储能量的比例 -光储直柔光储直柔应遵循城乡差异化发展应遵循城乡差异化发展,城市应用重在城市应用重在“柔柔”且先公建、后住宅且先公建、后住宅,而而农村应用重在农村应用重在“光光”和和“光伏光伏+”。在城市地区,建筑用电负荷高、需求大,发展以“储”和“柔”为核心的“光储直柔”配电系统,发挥建筑的资源聚合作用,使建筑成为虚拟电厂,主动调节建筑负荷,与电动车、电力系统的双向友好互动,提高电力系统的经济性,提高可再生能源的消纳比例。且在前期由政府办公建筑带头发展分布式光伏,推动公车电动化和有序充放电模式,鼓励柔性用电。同时,结合峰谷价差、电力市场、需求响应等有关政策机
9、制,探索“光储直柔”的市场化推广模式,走先公建、后居住的发展路径。如图 V 所示。而在农村地区,建筑屋顶资源丰富,发v 展以“光”为核心的“光伏+”系统,自发自用、余电外送,围绕农村建筑屋顶和周边场地的太阳能资源全面开发,推动农村用能电气化、农业机具电动化、用电管理有序智能化,建设村级直流配电网和蓄电蓄热设施,促进光伏发电的高效利用和充分消纳。图 V 光储直柔在城市和农村的发展策略 -中国中国光储直柔光储直柔建筑未来发展实施路径近期侧重政策与科技研发,近中期建筑未来发展实施路径近期侧重政策与科技研发,近中期重点在于示范,中远期则在于柔性价值突破重点在于示范,中远期则在于柔性价值突破。光储直柔技
10、术现阶段仍处于发展初期,其应用及推广离不开全社会对零碳电力和柔性用电的认知,离不开发电侧与用电侧的协同共识,离不开政府部门的带头示范,离不开商业模式与机制的探索与构建,更离不开持续的技术攻关与设备研发。总体看,近期侧重政策与科技研发,近中期重点在于示范,中远期则在于柔性价值突破,如图 VI 所示。具体推动光储直柔建筑发展应从以下六个方面入手:1)从标准入手,确保太阳能光伏应用;2)推动充电桩与建筑停车位绑定,成为规划审批的重要组成;3)公共机构示范先行,尤其是建筑电动车交互2(BVB);4)探索零碳标识认证,解决“帽子”驱动力;5)探索建筑电力交互3(GIB)商业模式,解决“利益”驱动力;6)
11、组织技术与产品装备的科技攻关,解决 1-100 多元化。2 民用建筑直流配电设计标准T/CABEE 030-2022 术语 2.1.12。3 民用建筑直流配电设计标准T/CABEE 030-2022 术语 2.1.2 vi 图 VI 光储直柔实施路径 vii Executive Summary-PEDF4 is an important component of the new power system and a new direction for building energy efficiency.The building energy efficiency has been throu
12、gh a“three-step process”of 30%,50%,and 65%,during which,the performance of the building envelope and the equipment efficiency have been greatly improved.The energy consumption of heating ventilation and air conditioning(HVAC)in the building gradually reduced from two-thirds of the total energy consu
13、mption to only one-third.Meanwhile,the proportion of energy used by electrical appliances has gradually increased.In the context of building electrification,considering the reduction of marginal cost of renewable energy,the role of future building energy flexibility will exceed that of the energy ef
14、ficiency improvement.Future buildings will integrate PV,energy storage,electric vehicles,and gradually turn from energy consumers to prosumers.Based on the building energy efficiency improvement,PEDF is a new building electricity distribution technology that will further realize electric energy subs
15、titution and grid-friendly interaction,which is the new direction of building energy efficiency.Figure 1.Change Trend of the Proportion of Building End Power from 2001 to 2020 -With re-definition of future power peaks and valleys,PEDF focuses on meeting the daily balance demand of power.The current
16、power system is under tremendous pressure of increasing load growth,but the spike load does not last long.Especially in summer,building an air conditioning load,as an important component of the summer power load,4 PEDF is short for photovoltaics,energy storage,direct current and flexibility.viii is
17、part of the demand response with its adjustable nature,which is currently a common focus of both the power field and the building field.With a high percentage of renewable energy generation connected,the challenge for future power grids is the mismatch between wind power and PV output and the power
18、consumption load.When we consider both wind power and PV generation,the peak and valley of the future will be redefined.From the perspective of daily balance,the future power may be a valley during the day and a peak at night,which is exactly the reverse of today.The current power tension is mainly
19、due to the peak power load,while the future power tension will also depend on the size of the wind power and PV output.When the power load is low but the wind power and PV output are lower,there will still be a power tension.When the power load is high but the wind power and PV output are higher,the
20、re will be a power surplus.As the energy mix shifts,the relationship between power supply and demand also changes.As shown in Figure 2,building flexibility can solve almost all of the daily peak shaving demand,without relying on grid storage and peak shaving power.Figure 2.The ratio of demand flexib
21、ility and its equivalence energy storage per year -PEDF should follow the differentiated development of urban and rural areas.Its urban applications focus on“F”and public construction before residence,while its rural applications focus on“P”and“PV+”.In urban areas where the power consumption of buil
22、dings features high power load and high demand,PEDF power distribution systems with“energy storage”and“flexibility”as the core give play to the resource aggregation of the building,so that the building can become a virtual power plant,actively adjust the building load,interact with electric vehicles
23、 and power system in a friendly way,improve the economy of the power system,and increase the proportion of renewable energy consumption.In the early stage,government office buildings should take the lead in developing distributed PV,promote the ix electrification of public vehicles and orderly charg
24、ing and discharging mode,and encourage flexible power consumption.Meanwhile,combined with the peak-valley price difference,power market,demand response and other relevant policy mechanisms,it explores the market-oriented promotion mode of PEDF and takes the development path of public construction be
25、fore residence.As shown in Figure 5,rural areas are abundant in building rooftop resources and“PV+”systems with PV as the core should be developed.They self-generate and self-consume and deliver the surplus power out.Centering on the comprehensive development of solar power resources of the building
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