2016年7月，為加快推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》。意見的出臺(tái)，旨在加快推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)，提高能源系統(tǒng)效率，增加有效供給，滿足合理需求，帶動(dòng)有效投資，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)。

意見指出，2016年在已有相關(guān)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，推動(dòng)項(xiàng)目升級(jí)改造和系統(tǒng)整合，啟動(dòng)第一批示范工程建設(shè)。意見要求，到2020年，各省(區(qū)、市)新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)采用終端一體化集成供能系統(tǒng)的比例達(dá)到50%左右，既有產(chǎn)業(yè)園區(qū)實(shí)施能源綜合梯級(jí)利用改造的比例達(dá)到30%左右;國(guó)家級(jí)風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)示范工程棄風(fēng)率控制在5%以內(nèi)，棄光率控制在3%以內(nèi)。

今年1月19日，國(guó)家電網(wǎng)召開新聞發(fā)布會(huì)，提出了20項(xiàng)促進(jìn)新能源消納的具體措施，涉及電網(wǎng)建設(shè)、調(diào)峰能力建設(shè)、統(tǒng)一規(guī)劃研究以及關(guān)鍵技術(shù)研究等多個(gè)方面，包括2個(gè)目標(biāo)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)：2017-2018年有效緩解棄風(fēng)棄光矛盾;到2020年根本解決新能源消納問題，棄風(fēng)棄光率控制在5%以內(nèi)，就地解決是重中之重。多能綜合利用，尤其是在歐美，實(shí)際上是解決新能源消納和提高能源利用效率的重要方法，也將成為未來能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)公司的利器。

近幾年來，隨著我國(guó)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)發(fā)展、微網(wǎng)與新能源發(fā)電的普及、新投資模式的不斷升級(jí)，同時(shí)注重可靠技術(shù)與經(jīng)濟(jì)回報(bào)的理念加深。伴隨著新供需形勢(shì)下的需求，發(fā)展多能互補(bǔ)概念下的終端一體化集成供能系統(tǒng)和風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)就成為了不二選擇。

國(guó)家能源局公布的首批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程入選項(xiàng)目有23個(gè)之多，并且多數(shù)為終端一體化集成供能系統(tǒng)。相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案已經(jīng)完成，但由于項(xiàng)目復(fù)雜度等多種原因，多數(shù)項(xiàng)目還處于未開工的狀態(tài)，具體效果還有待能源局組織相關(guān)評(píng)估。

除此之外，在多能互補(bǔ)概念公布之前，就已經(jīng)存在大型城市綜合能源站等相關(guān)示范項(xiàng)目，在分布式燃機(jī)與能源梯級(jí)利用方面取得了一定示范效果。園區(qū)內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，實(shí)際上也是基于多種能源應(yīng)用的基礎(chǔ)模式，如何實(shí)現(xiàn)熱電解耦將是電力改革背景下的重點(diǎn)。

歐洲多能互補(bǔ)與多網(wǎng)耦合的概念是在可再生能源高速發(fā)展的背景下提出的，由于可再生能源的波動(dòng)性和異地消納的困難性，對(duì)于既有能源系統(tǒng)的靈活性和可儲(chǔ)存性提出了更高的要求。傳統(tǒng)電力供應(yīng)由于其必須連續(xù)供電、不可大規(guī)模儲(chǔ)存，必須時(shí)刻平衡等特性，無法提供所需的靈活性。

與此相對(duì)的熱網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng)則具備天然的儲(chǔ)存特性，能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，儲(chǔ)熱和儲(chǔ)氣設(shè)備在大多數(shù)情況下也比電池儲(chǔ)能要便宜。因此多網(wǎng)耦合作為多能互補(bǔ)的一種實(shí)現(xiàn)方式被提了出來。歐洲多網(wǎng)耦合中的網(wǎng)是個(gè)廣義的網(wǎng)絡(luò)概念，需求側(cè)的各類設(shè)備通過互聯(lián)和集中控制也能形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，同樣在未來具有很大潛力的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)也是多網(wǎng)耦合的重要組成部分。

圖1電熱氣三網(wǎng)耦合示意圖(來源：德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)De Doncker教授)

無論是大系統(tǒng)還是小系統(tǒng)，未來電力供應(yīng)中基荷將會(huì)逐漸消失，靈活性將具備更大的價(jià)值。在傳統(tǒng)能源逐漸退出市場(chǎng)的長(zhǎng)期過程中，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)一段時(shí)間的電力過剩，在很多情況下，可再生能源的發(fā)電將會(huì)大于負(fù)荷。

根據(jù)德國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)的測(cè)算，到2020年時(shí)，德國(guó)全國(guó)電力每30分鐘的峰谷差將有可能超過裝機(jī)容量的50%。此外，盡管可再生能源的預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，一些突發(fā)狀況仍然可能對(duì)可再生能源的預(yù)測(cè)產(chǎn)生很大的影響。波動(dòng)性逐漸增大的系統(tǒng)自然需要更多的靈活性設(shè)備如儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣裝置、可中斷負(fù)荷等。

基于多網(wǎng)耦合的多能互補(bǔ)方案的主流技術(shù)路徑

虛擬電廠下的分布式社區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供方案

區(qū)域內(nèi)一部分社區(qū)配備小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，另一部分社區(qū)配備熱泵，這些社區(qū)與風(fēng)電和光伏設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并通過一個(gè)中央控制室集中優(yōu)化。所有設(shè)備共同組合成一個(gè)虛擬電廠。在可再生能源過剩的情況下，熱泵消耗電力并高效地生產(chǎn)熱量供給給社區(qū);在可再生能源供應(yīng)不足的情況下，小型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)同時(shí)生產(chǎn)電力和熱量供應(yīng)給社區(qū)。

分布式的設(shè)備具有靈活性高，響應(yīng)快的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠在各種情況下高效運(yùn)轉(zhuǎn)?；谏疃葘W(xué)習(xí)技術(shù)的預(yù)測(cè)和調(diào)度算法，是整個(gè)虛擬電廠系統(tǒng)的核心。丹麥學(xué)者已經(jīng)提出的基于綠色能源發(fā)電“第四代區(qū)域供熱技術(shù)”既是這種理念。

多聯(lián)需求側(cè)響應(yīng)方案

基于多網(wǎng)耦合的多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，需求側(cè)響應(yīng)是一個(gè)重要的靈活性選項(xiàng)。傳統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)主要調(diào)節(jié)電負(fù)荷，通過對(duì)負(fù)荷的遷移和調(diào)節(jié)來降低電網(wǎng)負(fù)載并最大化可再生能源的利用。在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，電能只是各類能源中的一部分，且熱負(fù)荷可能占終端能源消耗的比重比電負(fù)荷更大，因此多聯(lián)需求側(cè)響應(yīng)比單一需求側(cè)響應(yīng)更有潛力。

多聯(lián)需求側(cè)響應(yīng)能夠同時(shí)響應(yīng)終端用戶的電、熱、冷、氣等能源，其中熱能的響應(yīng)成本最低且時(shí)間較長(zhǎng)，但是響應(yīng)速度較慢，而電能的響應(yīng)速度快但是持續(xù)的時(shí)間較短。在集中式區(qū)域供暖的模型中，建筑墻體就是天然的儲(chǔ)熱和熱能響應(yīng)單元，能夠通過靈活的供暖策略儲(chǔ)存大量的熱能。

電轉(zhuǎn)氣綜合利用解決方案

電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas，簡(jiǎn)稱P2G)是目前多網(wǎng)耦合的主流方案和路徑之一。將可再生能源富余電力通過電解水轉(zhuǎn)換為氫氣和氧氣，根據(jù)氫氣利用路徑的不同可以直接利用或者繼續(xù)甲烷化為天然氣。在德國(guó)，電轉(zhuǎn)氣方案已經(jīng)在多地試點(diǎn)推廣。

西門子公司2015年在德國(guó)曼海姆設(shè)立的風(fēng)電制氫工廠已經(jīng)能夠商業(yè)應(yīng)用并每年產(chǎn)生超過200噸的氫氣。該工廠應(yīng)用了最新的質(zhì)子交換膜(PEM)設(shè)備，其快速的響應(yīng)速度帶來了巨大的收益?？焖夙憫?yīng)使得該方案不僅能夠利用富余的風(fēng)電，還能夠搭配儲(chǔ)氣設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備提供調(diào)頻輔助服務(wù)。

在近兩年的運(yùn)行中已經(jīng)證明，這家電制氫工廠的固定成本在年利用小時(shí)數(shù)超過6000小時(shí)的場(chǎng)景下將很快獲得回收，關(guān)鍵是運(yùn)行成本。如果用于電解水的電力來源都是清潔且低廉的風(fēng)電，項(xiàng)目的效益將會(huì)更高?？梢约僭O(shè)在多能互補(bǔ)場(chǎng)景中，如果風(fēng)光發(fā)電和電轉(zhuǎn)氣方案統(tǒng)籌規(guī)劃，不僅系統(tǒng)靈活性得到了極大的提升，還能帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。

電動(dòng)車智能充電系統(tǒng)

電動(dòng)車的發(fā)展為交通網(wǎng)和能源網(wǎng)的耦合帶來了機(jī)遇。如果對(duì)電動(dòng)車的充電不加控制，集中充電時(shí)段將對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷監(jiān)控的動(dòng)態(tài)智能充電系統(tǒng)能夠很好的解決這個(gè)問題，不僅在峰時(shí)平抑了電網(wǎng)負(fù)荷，還能夠?qū)⒎稚⒃诟鱾€(gè)電動(dòng)車中的電池聚合起來，適時(shí)提供調(diào)頻服務(wù)和社區(qū)供電服務(wù)。

電動(dòng)汽車和電網(wǎng)的雙向互動(dòng)不僅在技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，商業(yè)上也具備了很大的價(jià)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力汽車在95%的時(shí)間內(nèi)是處于停駛的狀態(tài)，只要在多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)擁有足夠的充電設(shè)施，保證電動(dòng)汽車在停駛時(shí)間能夠接入電網(wǎng)，車載電池就能夠得到充分的利用。

為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域的最優(yōu)能源供應(yīng)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源稟賦將幾條技術(shù)路徑進(jìn)行組合。德國(guó)為了實(shí)現(xiàn)2050年80%的電力由可再生能源電力供應(yīng)的目標(biāo)，積極實(shí)驗(yàn)多能互補(bǔ)多網(wǎng)耦合方案，目前通過E-Energy項(xiàng)目已經(jīng)開展了多個(gè)試點(diǎn)。這些試點(diǎn)結(jié)合了多種多能互補(bǔ)技術(shù)路徑，如庫(kù)克斯港項(xiàng)目通過2個(gè)虛擬電廠耦合了風(fēng)光電力、沼氣發(fā)電、分布式熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備與終端的冷熱負(fù)荷，并通過分段電價(jià)和動(dòng)態(tài)電價(jià)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)之間的智能互動(dòng)。

另一個(gè)典型的項(xiàng)目為哈慈山區(qū)E-Energy試點(diǎn)，其囊括了可再生能源發(fā)電設(shè)備和電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能設(shè)備，并通過中央數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化模型和用戶家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)和熱網(wǎng)的耦合以及能源供應(yīng)的最優(yōu)組合。

金屬質(zhì)感分割線

無論是哪一類技術(shù)路徑，背后的技術(shù)都大致相同，其中核心的組成主要是通信設(shè)備和技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方案、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備與接口以及能源網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)在相關(guān)通信技術(shù)和能源設(shè)備上已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是在系統(tǒng)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估層面還沒有統(tǒng)一的工具和方案。如下圖所示，系統(tǒng)優(yōu)化方案的第一步為設(shè)備的數(shù)字化建模。

圖2能源資產(chǎn)數(shù)字化建模示意圖(來源：BoFiT系統(tǒng)軟件)

數(shù)字化建模不僅僅是后期數(shù)學(xué)優(yōu)化的基石，還通過信息流將多種網(wǎng)絡(luò)的能源真正的管理起來，可以說是多能互補(bǔ)方案的大腦。在以上的建模案例中，不同顏色的線條代表不同能源形式、物理形式或現(xiàn)金流，熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、儲(chǔ)熱設(shè)備、電力市場(chǎng)和碳交易市場(chǎng)等作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)的優(yōu)化提供了足夠的靈活性選項(xiàng)。

多能互補(bǔ)可以為園區(qū)建設(shè)提供靈活性解決方案，內(nèi)部靈活性可以幫助企業(yè)盈利，外部靈活性可以提高國(guó)家能源供應(yīng)安全穩(wěn)定。大范圍的發(fā)展多能互補(bǔ)對(duì)燃?xì)饫糜幸欢ê锰?，也?duì)大規(guī)模消納新能源背景下的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力有所補(bǔ)充。同時(shí)，可以提高一帶一路產(chǎn)業(yè)布局中出口產(chǎn)品的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，使得中國(guó)制造更收全世界人民歡迎。

結(jié)合我國(guó)正在進(jìn)行的能源體制改革，可以期待，未來發(fā)電計(jì)劃放開、現(xiàn)貨市場(chǎng)出現(xiàn)和終端電價(jià)調(diào)整后的多能互補(bǔ)項(xiàng)目會(huì)在比園區(qū)更加廣泛的區(qū)域范圍甚至大型城市供能領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。從世界各國(guó)的多能互補(bǔ)項(xiàng)目發(fā)展來看，大多數(shù)試點(diǎn)都在區(qū)域電網(wǎng)層級(jí)展開，因此多能互補(bǔ)經(jīng)常會(huì)和微網(wǎng)混為一談。

微網(wǎng)是一個(gè)相對(duì)于大電網(wǎng)和大型集中式電力生產(chǎn)的概念。微網(wǎng)通過調(diào)節(jié)所連接的微型電力生產(chǎn)、儲(chǔ)存設(shè)備與負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域電力和熱力的最優(yōu)配置與供應(yīng)。微網(wǎng)強(qiáng)調(diào)區(qū)域性和分布式，雖然并不要求微網(wǎng)必須孤島運(yùn)行，但是微網(wǎng)內(nèi)部的能量供需必須基本平衡。

鑒于能源供應(yīng)的獨(dú)立性，微網(wǎng)內(nèi)部可以看作一個(gè)小型多能互補(bǔ)區(qū)域，通過儲(chǔ)能設(shè)備和電熱網(wǎng)絡(luò)的耦合實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源的清潔和高效供應(yīng)。但是多能互補(bǔ)不僅局限于微網(wǎng)層面，將多個(gè)小型多能互補(bǔ)微網(wǎng)向上集成成更大范圍的能源互聯(lián)網(wǎng)將是未來的趨勢(shì)。

多能互補(bǔ)一定會(huì)成為未來能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)公司的利器，無論電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等運(yùn)營(yíng)商都需要提早掌握相關(guān)的商業(yè)模式、運(yùn)營(yíng)技巧與技術(shù)手段，抓住歷史發(fā)展機(jī)遇!

【無所不能特約作者，范征，畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)回國(guó)創(chuàng)業(yè)，從事新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)劃和電力軟件研發(fā)等工作。曾就職于德國(guó)電力經(jīng)濟(jì)與能源研究所、Photon光伏測(cè)試實(shí)驗(yàn)室等】