《中国光储直柔建筑战略发展路径研究》系列报告1-光储直柔综合报告.pdf
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1、 中国光储直柔建筑 战略发展路径研究 综合课题 中国光储直柔建筑战略发展路径研究中国光储直柔建筑战略发展路径研究 项目项目组组 2022 年年 7 月月 3 目 录 1.研究背景与目标.5 1.1.农村以屋顶光伏为基础的新型能源系统.5 1.2.开发利用私家电动车电池资源的智能有序充电桩系统.5 1.3.城镇建筑的“光储直柔”配电.6 1.4.课题设置.8 2.项目实施情况.10 2.1.专题技术研讨会.10 2.2.区域级示范应用.10 2.3.公众宣传推广.11 2.4.宣传推广取得的主要成果.12 3.项目研究总结.13 3.1.标准体系.13 3.2.技术体系.13 3.3.示范工程.
2、16 3.4.政策机制.24 3.4.1.农村地区光储直柔的商业模式.24 3.4.2.城市地区光储直柔的商业模式.25 4.存在问题与进一步对策.28 4.1.农村的光储直柔发展.28 4.2.城市的光储直柔发展.29 4.3.核心问题是光储直柔与电网的协调.30 4.4.技术推广中的障碍.31 4.5.未来需要进一步开展的工作.31 5.课题技术报告摘要.33 课题 2:中国“光储直柔”建筑未来发展实施路径研究.33 课题 3:“光储直柔”建筑与电网的关系技术及相关政策研究.38 课题 4:中国光储直柔建筑中直流关键技术体系研究.40 课题 5:建筑电器直流化技术及接口标准研究.42 课题
3、 6:“光储直柔”直流建筑标准体系研究.45 4 课题 7:中国光储直柔建筑发展的关键政策机制研究.51 课题 8:“光伏+智能充电桩”可行性分析与示范.54 课题 9:芮城城镇地区光储直柔建筑示范项目.56 课题 10:农村光储直柔系统示范项目技术方案及商业模式研究.58 课题 11:浙江电网湖州鲁能公馆示范项目.60 课题 12:青岛奥帆中心建筑光储直柔改造示范研究.63 课题 13:深圳未来大厦“光储直柔”工程实践与示范研究.65 5 1.研究背景与目标 针对要实现能源革命、把以化石能源为基础的碳基能源系统转型为以可再生能源为基础的零碳能源系统这一伟大任务,本项目提出要通过全面建设“光储
4、直柔”的建筑新型配电系统,使建筑在电力系统中从目前扮演的单一的消费者的角色转型为“产、消、调蓄”三位一体的新角色,从而有效解决发展零碳的新型电力系统中面对的缺少风电光电安装空间、缺少有效的调蓄能力等关键问题;也使建筑领域在全社会低碳发展大战略下,不仅继续在建筑节能上持续努力,同时还助力于新型电力系统的建设,在开发可再生电力资源、实现可再生电力调蓄、有效消纳风电光电等方面辟出新径,破解零碳新型电力发展中的难题。围绕这一目标,经过几年的研究和工程尝试,认识到近阶段光储直柔工作可从如下三方面重点突破:1.1.农村以屋顶光伏为基础的新型能源系统 通过识别分析卫星高分辨图片,我国农村可安装屋顶光伏 20
5、 亿 kW,年发电量2.5 万亿 kWh,为未来农村实现全面电气化后需要用电量的 34 倍。在山西芮城农村现场调查,每户可安装光伏的容量在 2040kW之间,全年可发电 2.54.0 万 kWh。目前每户全年用电量不超过 3000kWh,即使全面推广生产和交通电气化,也将有大量剩余电力。全面推广农机电气化,有可能使每户拥有 60kWh 以上的储电能力(各类可移动农机和车辆的电池),这就为调蓄每户屋顶光伏的电力提供了合适的储能资源,既可以协调发电与各种用电之间在时间上的不匹配,还可以协调剩余电力与电网输电能力及希望的输电时间段之间的矛盾,从而有可能实现一个配电台区或一个村庄电力的“只出不进只出不
6、进”,也就是只通过农网向大电网输出电力,而在任何时刻都不从电网获取电力。一个村庄成为一个发电厂。这将彻底改变农村电力系统状况:对农民来说,屋顶光伏将成为其新的经济收入;对电力系统来说,农网将从长期以来依靠财政补贴的包袱转身变为可对电网起一定支撑作用的新型电源。这是从来没有过的电力系统架构,需要从每户、每个台区变压器以下的供电区、每个村庄的电力系统结构设计、安全分析、运行调度等多方面进行全面研究、创新和工程尝试与示范。1.2.开发利用私家电动车电池资源的智能有序充电桩系统 6 大比例发展风电光电电源的瓶颈是由于缺少足够储能资源导致的大幅度弃风弃光。而我国到 2040 年将拥有 3 亿辆私家电动车
7、,日储能能力 150 亿 kWh 以上,可满足未来中东部地区风电光电消纳任务的 70%。私家车 85%以上的时间停在住区或工作地点的停车场内,如果实行“一位一桩”、“既停既插”,就有可能使停靠车辆的车载电池服务于电网的峰谷差调节和风光电消纳。停车场旁边必然是居住或上班的建筑,我国城镇的高层、多层建筑屋顶光伏仅能提供建筑用电的 15%30%,再加上附近停车场通过充电桩连接的车载电池,可以在电网电力富足时(由于风电光电富足或处于用电低谷期)通过建筑对停车场车载电池充电,而在电网电力不足时由车辆放电满足建筑用能。这样就使光伏建筑成为“只进不出”模式,使城镇建筑加上其周边停靠的电动车仅在电网电力富足时
8、从电网取电,满足其需求,而在电网电力不足时则停止或最少的从电网取电。既协助电网削峰填谷,又不由于反向送电给电网带来麻烦。1 万平方米的办公建筑+100 辆 5 座电动车,全年用电约 100 万 kWh(建筑 80 万 kWh,车辆 20 万 kWh),自身光伏发电 10 万 kWh(1000 平方米),日最大发电量 1000kWh,不到车辆可使用储电量的 30%;通过车辆的储能每天可以吸收低谷电力 20003000kWh,转移到电力负荷高峰期为建筑供电,从而助力电网的削峰填谷或消纳外界风电光电 0.51MW,同时维持“只进不出”,不影响电网的潮流。在目前电力系统电源仍以火电为主时,停车场车辆仅
9、是消纳建筑自身光伏;而未来电网电源大比例为风电光电、停车场车辆也主要是电动车之后,则白天通过电网储存外界多出的风电光电,夜间在驻地停车场通过充电桩放电,为居住建筑供电。1.3.城镇建筑的“光储直柔”配电 充分利用建筑外表面安装光伏,建筑内部设分布式蓄电,光伏、蓄电池、邻近停车场的充电桩和建筑的电器设备直接接入建筑内的直流配电网,通过直流配电网与外电网的 AC/DC 接口调节直流母线电压实现对从外电网取电功率的调节和控制。蓄电池、充电桩以及连接在直流母线上的各种用电设备都根据直流母线电压的变化自行调节自己的用电或充/放电功率,从而实现整个建筑从电网取电功率的调节。除了仓库、会展中心、体育场馆等特
10、殊的可大比例安装屋顶光伏的建筑,一般城镇建筑都可以是“只进不出只进不出”,但却可大比例消纳外电网的风电光电。光储直柔建筑由此成为连接电网和有序充电桩之间的桥梁,并且在未来零碳的新型电力系统中起到“生产、调蓄、消费”三位一体的重要作用。如果未来中国城镇建筑中 350 亿平方米的居住建筑和 100 亿平方米的办公建筑都成为这种配电模式,与 3 亿辆私人电动车相配 7 合,就足以实现 40 亿 kW 风电光电的调蓄和消纳。这就解决了我国未来规划的 70亿 kW 风光电的 60%的消纳问题。未来我国建筑年运行耗电量 4 万亿 kWh,私家车 0.7 万亿 kWh,农村生产生活0.5 万亿 kWh,农村
11、为大电网提供 1 万亿 kWh,共 6.2 万亿 kWh,为规划的风电光电总量 9 万亿 kWh 的 70%。图 1 我国实现碳中和目标时电力系统的构成(注:图中“a 亿/b 万亿”是指“a 亿 kW/b 万亿 kWh”)图 1 给出规划的我国实现碳中和时的电力系统构成。其中东西部划分主要是依据胡焕庸线,仅在个别处有所修订。中间的四个方块为主要的电力负荷。其中中东部制造业和市政及交通供电依靠由核电、风光电、水电和调峰火电提供的电力供应,依靠水电和调峰火电可完全满足调峰的需要;中东部农村的屋顶光伏在满足自身电力需求的基础上,将剩余 0.8 万亿 kWh 电力经过调蓄在指定时间段送出,为电力主干网
12、供电;而城市建筑及与其连接的私家电动车则要依靠自身屋顶光伏,并承担中东部集中的风电光电(20 亿 kW,2.6 万亿 kWh)的消纳任务。因此城乡建筑光储直柔成为我国未来实现以风电光电为主要电源的零碳电力的主要任务,是消纳与调蓄风电光电的主要支撑。上述目标是涉及城乡建筑、车辆、农机、和电力系统的巨型工程,需要 30 到 40年的时间、15 万亿的投资、以及全社会用电文化革命性变化才能实现。本项目就是围绕这一目标,尝试其可行性,规划技术路线,厘清实现这一目标的技术、政策、机制、产业、金融、文化等各个方面的障碍,并通过几个不同类型的典型工程的策 8 划与实施过程探索克服这些障碍的途径,从而初步规划
13、出我国实现上述目标的路线图。为这个宏伟目标的实现初步探讨其可行路径,是本项目的主要目的。1.4.课题设置 按照这样的思路,2021 年 5 月启动的“光储直柔”一期项目设计了 13 个课题,如表 11 所示。各课题已完成结题技术报告,报告摘要见第 5 部分。表 11 光储直柔一期项目(2021 年 6 月到 2022 年 6 月)课题 课题编号课题编号 课题名称课题名称 所属类别所属类别 承担单位承担单位 1 综合管理、总报告、宣传推广 综合 清华大学,深圳建科院 2 宏观规划研究 规划 深圳建科院,清华大学 3 光储直柔与电网的关系 技术 南方电网深圳供电局 4 光储直柔配电系统 技术 南京
14、国臣 5 建筑电器的直流化与柔性化 技术 珠海格力电器 6 光储直柔相关技术标准体系 标准 国网电科院 7 光储直柔政策机制 政策 中科华跃能源互联网研究院 8 有序充电桩系统 政策、技术 清华大学 9 芮城县城公共建筑光储直柔 示范 清华大学,深圳建科院 10 芮城县农村建筑光储直柔 示范 国臣,清华大学 11 湖州鲁能公馆光储直柔示范 示范 清华大学,国网湖州电力公司 12 青岛奥帆中心光储直柔改造 示范 清华大学,青岛奥帆中心 13 深圳未来大厦光储直柔 技术 深圳建科院 这一组课题设计的基本思路是通过课题 3、4、5 对光储直柔的关键技术进行进一步研究,弄清其中的逻辑关系、技术难点、可
15、能的突破口。课题 13 则是围绕中国第一座全面按照本项目理念建成的光储直柔建筑进一步的测试分析和实验,说明本项目目标的可实现性和需要进一步解决的各种问题。这四个技术研究性课题既为示 9 范工程提供技术支持,同时也为国家有关部门设立相关重大科研项目初步探明技术方向。课题 912 则是不同场合的示范工程研究,分别包括农村以屋顶光伏为基础的新型农村能源系统(10),中小县城级通过光储直柔有效消纳外部风电光电从而实现零碳电力的可能性(9),新建商住综合体的光储直柔(11)、以及既有公建改造项目在改造中同时实现光储直柔(12)。这四个示范工程的初步探讨试图通过深入研究在各类工程项目立项初期,如何通过技术
16、、经济和绿色发展愿景等作为推动力实现光储直柔技术的落地,梳理出在不同场合下推动光储直柔的动力和阻力、影响项目落地的瓶颈、障碍,可能的融资机制和经济回报。由于智能有序充电桩成为光储直柔建筑最主要的储能资源,所以又专门设置了课题 8 研究充电桩相关的技术、推广机制、以及如何改变目前的充电文化,从而能充分挖掘利用电动车车载电池的储能潜力。课题 2 则是以我国多个机构目前提出的中国未来低碳能源规划,研究和规划光储直柔在低碳能源系统中的作用,尤其是在建立零碳的新型电力系统中,对挖掘可再生能源开发所需要的空间资源、解决风电光电有效消纳所需要的电力调蓄能力所具有的重要作用。同时规划出需要与我国能源系统转型同
17、步实施的建筑光储直柔实施路线图。希望这个项目的全面完成能够科学地回答发展光储直柔对我国实现低碳能源转型的意义和作用,初步厘清发展中必须解决的关键技术政策和机制问题,从而汇集各种资源,有计划有目的地解决这些问题,调动起全社会各相关方的积极性,通过全面利用各种资源,使建筑的光储直柔被全社会接受,并进入正常的研究、发展和推广轨道。10 2.项目实施情况 2.1.专题技术研讨会 项目在 2021 年 5 月正式启动,由于新冠抗疫的要求,大多数交流和研讨活动只能在线上开展,但各个课题克服困难,基本上按照原计划进行,完成了原定计划中的各项工作。围绕本项目的开展,综合组协调组织了多次进展交流会和专题技术讨论
18、会,疫情期间主要以线上会议方式进行,主要的线上交流活动如表 21。表 21 项目专题交流与讨论会 时间时间 主题主题 主要议题与成果主要议题与成果 2021 年 5 月 21 日 项目启动会 项目启动与整理研究计划 2021 年 8 月 20 日 专题学术沙龙 直流微网架构与技术体系 2021 年 11 月 89 日 各课题进展讨论会 各课题汇报研究计划与进展 2022 年 2 月 23 日 专题学术沙龙 智能充电桩关键技术专题研讨 2022 年 3 月 2 日 专题学术沙龙 光储直柔关键技术与示范项目 2022 年 3 月 16 日 专题学术沙龙 建筑配电系统关键技术专题研讨 2022 年
19、4 月 14 日 专题学术沙龙 标准体系和政策机制 2022 年 6 月 16 日 专题研讨 项目研究进展总结与研究展望 2022 年 6 月 23 日 专题研讨 项目研究关键总结与下阶段工作计划 2.2.区域级示范应用 本项目依托的示范工程之一是山西芮城县。由县委县政府正式委托本研究团队承担芮城全县零碳规划。根据对全国能源零碳转型研究的认识,提出零碳能源的评价指标。一个区域由于能源使用导致的碳排放应为区域内直接燃烧化石燃料导致的碳排放和由于引入外界电力导致的间接碳排放之和。尽管芮城全年的光电和风电发电量已高于全年的用电量,但由于缺少调蓄能力,约 40%的用电量依然来自于山西电网,其主要成分为
20、燃煤火电,因此并不能认为其实现了零碳。只有通过城乡建筑的“光储直柔”和全县车辆电气化与有序充电,获得足够的储能和调节能力,使全县不再依靠电网的燃煤火电,实现电力自给,才能真正成为零碳。由此明确了全县通过全面推广光储直柔技术要实现的目标:在 2025 年实现碳达峰,2035 年实现碳中和,并通过能源低碳转型拉动经济发展,使全县人均 GDP 从不到全国平均水平的50%提高到全国平均水平。这个规划在 2021 年 9 月在芮城组织了专家审查评议会,由国内电力、能源、建筑等领域的专家和中央有关部委、山西省地方政府部门人员对规划进行了全面研讨和评审,高度认可了通过光储直柔实现碳中和目标这一发展 11 思
21、路和实施路线。依据本项目课题 9 和 10 的成果,这一规划提出把农村通过光储直柔建设成在满足自身全面电气化的基础上实现净对外输出电力的基地,而县镇又依靠农村电力和多种储能措施,以及生物质调峰电厂实现电力供给的零碳和平衡。这可以认为是如何依靠光储直柔实现整个区域能源零碳,而不依靠 CCS 或 CCUS 的一个具体例证。围绕有序充电桩系统建设,研究规划了海南岛电力系统的零碳方案,提出通过建成全岛的有序充电桩网络并实行全岛车辆电气化,就可以由岛上核电承担基荷、风电光电保证电量,车载电池满足储能和调节,使全岛电力零碳和自给。这一方案在 2021 年 4 月在海口“汽车百人论坛”上初步提出,在 202
22、2 年 4 月海南绿色金融论坛上深入讲述,并几次向海南省有关部门汇报。2021 年 11 月应邀在北京市参事室就北京市建设智能有序充电桩系统做汇报,并形成参事室专门建议,上报北京市政府。2.3.公众宣传推广(1)光储直柔专业委员会光储直柔专业委员会 在本项目的支持下直流建筑联盟持续开展活动,并在中国建筑节能协会的支持下,成立了“光储直柔”专业委员会,全面组织光储直柔的技术交流、标准制定、以及相关宣传、推广工作。2021 年 5 月在成都的全国绿建大会上组织了专场报告会,受到参会者的高度关注。(2)直流联盟公众号直流联盟公众号 直流建筑联盟公众号自 2018 年 4 月发布以来,共推送直流建筑技
23、术、建筑电气化、建筑柔性、光储直柔、专家报告分享等文章共 323 篇,其中原创文章 177 篇,累计阅读量 40 余万人次(截至 2022 年 6 月)。(3)重要会议报告重要会议报告 就光储直柔的发展及其对建设新型电力系统的重要意义,根据本项目研究结果,已分别写入中国工程院和中国科学院组织的中国实现碳达峰碳中和路径的两个重大咨询项目中,作为建议提交国务院。自 2021 年 5 月本项目开题以来,江亿等先后在国家和省的电力部门、建筑部门和科技管理部门组织的各种会议和培训班上做了十八次报告(每次 20 分钟到 2 小 12 时)(配电大会 21.9.14,22.4.27,中关村论坛 21.11.
24、25,海南绿色金融论坛 22.4.15,电力系统光储直柔论坛(江苏电网主持)22.4.11,山东科协低碳论坛 22.5.26,海南岛21.9.15,横琴岛零碳能源 22.6.13,中国建筑节能协会 22.6.14,京能集团 22.4.29,天津科协22.5.21,华润集团总部21.12.11,全国政协常委会提案委员会学习会22.3.23,五道口金融学院 22.4.22,清华经管学院 22.5.12,新华网绿色投资 22.4.25,电机工程学会 21.12.15,淄博市 21.12.9)。2.4.宣传推广取得的主要成果 通过本项目支持的各项活动,使各级政府和有关部门开始关注这一技术。2021年
25、10 月国务院2030 年前碳达峰行动方案文件中明确写明“提高建筑终端电气化水平,建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑”。2022年 5 月国家发改委节能中心还专门举行了“光储直柔技术宣讲与推广会”,由各省地市两级发改委负责人员参加,宣讲和学习讨论光储直柔技术。经过多年努力,国家科技部也已经把光储直柔正式列入“十四五”的重大科技支撑项目,目前已经发通知征集科研团队,2022 年将先支持建筑电器直流化产品,解决目前没有系列的建筑直流化产品问题,2023、2024 年将陆续立项光储直柔的架构与调控理论研究、以及示范工程建设。国网公司、南网公司也相继在 2021、2022
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