向楠 李鹏 张雪芹 许凯
摘 要：分布式能源因其在能源结构和能源安全方面的优势被认为是未来能源的终极利用形式，也是我国能源结构转型的重要组成。发达国家分布式能源发展开始较早，对我国分布式能源的发展具有一定的借鉴意义。通过分析国内主要分布式能源系统的发展优势及制约因素，提出不同系统未来的发展展望。并通过分析典型城市总结我国分布式能源的发展现状。
关键词：能源 燃气分布式能源 光伏光热分布式能源
中图分类号：TM611 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0038-07
随着国民经济水平的不断提高，我国对能源的需求不断增加。同时，世界各国对环境保护的要求逐渐增加。为了满足我国对能源和环保的双向需求，驱动社会的良性发展，保证电力供给的安全可靠，能源结构的转型升级。区别于传统的发电模式，指以满足特定用户需要并可以与现有电网系统进行匹配联动运行的一种供能系统。
分布式能源的发展离不开政策对其的推动，支持力度也是由最初的宏观鼓励到实质性的支持。我国分布式能源的发展具有4种模式：独立运行、并网不上网、并网上网以及发电量全部电量上网。不同模式对不同时期、不同地区、不同利益集团均有特殊意义[1]（见图1、图2）。
1 国内外分布式能源发展状况
1.1 国外分布式能源发展状况
近年来，基于环保、可持续发展等诸多原因，世界各国均在积极寻求清洁能源的发展，其中分布式能源成为了发展的重点。相对于集中式发电，分布式的诸多优势已显现出来，如能效高、能源自足、可靠性高、环境污染小等。目前，分布式能源已在美国、日本、丹麦、德国等发达国家得到广泛应用。根据《BP世界能源统计》，2017年全球一次能源消费强劲增长，主要由天然气和可再生能源引领[2]。随着技术的成熟、政策的支持、商业模式的不断创新，我国分布式能源也迎来了稳步增长期。
（1）美国。
美国从20世纪70年代末期开始发展分布式能源，分别从节能与环保两个出发点推进分布式能源的发展。环保署专门成立了分布式能源协作小组，明确分布式能源是经济可行的清洁能源解决方案，且视为国家首要事务之一。
美国分布式能源以天然气为主，光伏等其他分布式能源较少，占比分别为71%和29%，应用项目类型集中在工业和制造业领域[1]，热电联产总装机容量超过美国发电量的15%[3]。目前，美国能源部认为，美国分布式能源的发展潜力还有110～150GW，其中，工业领域的分布式能源潜力为70～90GW，商业及民用领域的分布式能源潜力为40～60GW。同时美国政府发布多项鼓励政策，如减免部分投资税、缩短资产折旧年限、简化经营许可程序、项目并网等，调动项目投资的积极性。这些配套政策提高了项目的经济性，鼓励和推动了分布式能源项目的发展。
（2）日本。
受资源和位置限制，日本很早就开始重视节能减排技术的推广。日本分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电为主，商业分布式发电项目主要用于医院、饭店、公共休闲娱乐设施等;工业分布式发电项目主要用于化工、制造业、电力、钢铁等行业。据日本经济贸易产业省（METI）预计，到2030年，日本热电联产装机容量将可能达到1630万kW，并计划在2030年前分布式能源系统发电量将占总电力供应的20%。
政策方面，日本政府通过特殊税费、低息贷款、投资补贴、新技术发展补贴等方式，保证分布式能源项目的投资回报，大力推广分布式能源项目，提高能源利用效率。东京政府以2020年奥运会为契机，制定了8大城市战略和25个政策方针，其中之一即为构建智能能源城市。为此东京都政府推出了“智能能源区域形成推进事业”的补助制度，2015—2019年预计投入55亿日元，补助热电融通网络及热电联产等项目的初期投资费用[4]。
（3）丹麦。
丹麦是世界上能源利用效率最高的国家，80%以上的区域供热能源采用热电联产方式产生，分布式发电量超过全部发电量的50%。丹麦以其风电产业和大规模的风力发电闻名世界。早在1975—2000年，丹麦已经减少30%用于住宅供暖的化石能源消费。20世纪90年代，热电联产（CHP）已经被丹麦的城镇、村庄以及住宅落户广泛应用，形成了小型CHP与区域供暖相结合的系统[5]。
丹麦对于分布式能源采取了一系列明确的鼓励政策，先后制定了《供热法》《电力供应法》和《全国天然气供应法》等，在法律上明确了保护和支持立场。《电力供应法》规定，电网公司必须优先购买热电联产生产的电能，而消费者有义务优先使用热电联产生产的电能。
（4）德国。
德国的分布式能源利用以可再生能源为主，是全球推广分布式光伏发电最成功的国家之一。截至2017年底，德国光伏发电装机容量达到41.7GW，主要应用形式为屋顶光伏发电系统。以天然气为燃料的小型热电联供设备（CHP）在德国也占有相当市场，德国对其支持政策体现在多方面，如：CHP向公共电网售电实行“优先价格法”;全年能效超70%，享受退税优惠等。分布式能源微型化在德国也已实现，极适用于家庭用户。同时德国也涌现了如西门子公司等全球卓越的分布式能源技术领跑者。德国2050年能源战略转型计划见表1[6]。
1.2 我国分布式能源发展状况
随着我国持续推进能源供给侧结构性改革，推动能源发展方式由粗放式向提质增效转变，天然气、光伏、地热能等分布式能源，已成为我国应对气候变化、保障能源安全的重要内容，势必会在新一轮能源消费结构中占据重要地位。截至2017年，我国累计分布式装机容量为16.58亿kW。北京、上海和广州等地率先开展了多个分布式冷热电三联供系统的示范性项目建设，取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。据统计，2017年燃气发电、风电、光伏等各類能源利用形式在国家政策调控下各有增长，其中光伏发电增长尤其迅速。2018年光伏分布式能源新增装机量达到20.96GW。随着我国能源结构的不断调整，城镇化率不断提高，分布式能源潜在市场广阔。
但总体而言，我国分布式能源产业发展仍处于初期，存在受政策影响程度大、缺少整体发展规划、核心设备需引进等问题[6]。针对于此，国家及地方正在积极出台相应政策，完善指导和推动分布式能源的健康高效发展;国家发展与改革委员会、能源局联合发布《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》，推进分布式能源基础装备研发制造，同时鼓励与拥有先进分布式能源技术的国外企业开展国际合作。随着竞争性电力市场的开放，“互联网+”智慧能源示范项目、多能互补集成优化示范工程效果逐渐显现，我们分布式能源市场正快速打开。
2 两种典型分布式能源发展的优势和瓶颈
2.1 光伏光热分布式能源
分布式太阳能系统以其对能源的利用方式可以分为3种。第一种是直接吸收太阳辐射的热量用于生活热水或供热（制冷）的太阳能热利用型分布式能源;第二种是将热量通过传热介质收集后直接或间接带动发电机发电;第三种是以光伏发电技术为核心技术将辐射能量直接用于发电。第一种在我国发展时间最长，技术和市场也最为成熟，以下主要分析后两种新兴利用方式。
2.1.1 发展优势
（1）环境友好、可再生。太阳能属于新能源、清洁能源、可再生能源，对社会的可持续发展、绿色健康节能发展都具有十分重要的意义。不仅如此，光伏光热发电的过程中可以达到零排放、零噪声污染，可以在居民区内安装且不会对日常生活造成影响，是典型分布式能源概念的诠释。对我国在能源结构方面的转型升级起到了积极的推动作用。
（2）政策红利。光伏光热分布式能源系统的市场应用离不开政策导向的作用，包括对光伏光热发电进行政策性补贴，享受用户侧电价。政策对相关产业方向的引导作用不仅局限于政策补贴，还在于对未来该产业方向的发展给出前瞻性的政策支持。
（3）应用范围广泛。我国属于太阳能资源丰富的国家，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h，年辐射量大于5000MJ/m2。全国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿标准煤的储量。太阳能资源丰富便于获取，且具有环境普适性，尤其适宜于孤岛型城镇乡村的使用。
（4）光伏发电可同时利用直射光和散射光，安装区域的选择范围很广，可安装于负荷中心或工业厂房屋顶等位置。
（5）光热发电可通过传热介质进行热储存，与常用的电化学储能系统相比，使用寿命长、损耗小。
2.1.2 制约因素
（1）发电存在波动性。光伏发电由于受季节性、气候性以及时段性的限制，不能像传统电网一样提供稳定、源源不断的电量，并且会对并入的电网造成一定的冲击。这是制约光伏分布式能源发展的最大问题。目前最佳的处理方法是在发电侧增设储能系统，保证供电的稳定性，但是需要增加相应的设备投资。对于储能系统的设备可循环次数、电解质泄露等问题仍存在一定的疑虑，并且储能系统的成本虽然与2015年相比已经下降了将近50%，但每千瓦时的成本仍需要2000元。因此，储能系统目前只是在示范工程中进行试点应用，还不具备市场大规模化应用的能力。
（2）光热发电对系统安装的地理条件要求高，需要安装在太阳能直射较好的地方，同时占地面积也较大。除此之外，光热发电成本是光伏发电成本的2～3倍，只有在规模足够大的前提下，才能实现经济效益。以上两点是制约光热发电发展的主要因素，大体量的投资使投资者望而却步，又在客观上延缓了光热发电成本的下降。
（3）光伏发电能量转化效率只有10%～20%。光伏电池板在生产过程中存在一定的污染。发电过程对太阳辐射要求较高，发电稳定性较差，配置的储能系统多为电化学储能。
2.1.3 发展展望
太阳能分布式能源是对清洁可再生能源的充分应用，促进了我国能源结构的转型升级，缓解了传统化石资源对环境的污染和破坏，具有替代传统能源的潜力。
（1）随着光伏发电相关政策的改变，目前市场将呈现无补贴项目与补贴项目共存状态，促使光伏发电成本和价格步入“快速下降通道”，预计2022年内可以实现光伏发电的平价上网。
（2）光热发电不具有衰竭的风险，与传统火力发电存在共性，适合集中式大规模发电。其储热成本低且效率高，年发电小时数长，可以与其他发电有效契合，是最具有条件逐步替代火电，担当基础电力负荷的新能源。
2.2 天然气分布式能源
我国国家发展改革委、财政部、住房城乡建设部、国家能源局四部委联合发文的《关于发展天然氣分布式能源的指导意见》（2011）中明确天然气分布式能源是指：利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。
2.2.1 发展优势
（1）能源有效利用率高。通过合理的能量梯级利用方案，天然气分布式能源系统的能源利用率可高达85%，远高于传统的燃煤发电效率（30%～55%）。
（2）天然气是传统能源和未来新能源之间最佳的过渡能源。传统能源如煤、石油等在燃烧过程中会释放出大量的空气污染物，随着社会发展的发展，环境保护与社会发展需要和谐共存，不能以牺牲环境为代价而只强调加速社会发展。天然气是清洁能源，燃烧不会产生污染物。同时，可再生新能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、核能等，虽然经过了长时间的研究发展，目前仍存在相应的弊端，尚不具备替代传统能源的能力，只能作为传统能源的补充。而在新能源替代传统能源这个漫长的过程中，就需要天然气这种清洁、利用方式简单、供应稳定的能源先对市场上的传统能源进行初步替代。
（3）天然气分布式能源可中断的特性，有效缓解用电峰谷差。常规电网覆盖范围广泛，一旦发生断电事故影响范围也广。天然气分布式能源以天然气作为能源，特殊需求建筑可自行储备天然气，可靠性高于传统电网。
（4）政策支持。《能源发展“十三五”规划》《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》《大气污染防治行动计划》均提出，在京津冀鲁、长三角、珠三角等大气污染重点防控区，鼓励发展天然气分布式冷热电联供项目，结合热负荷需求适度发展燃气热电联产项目。2016年11月份发布的《电力发展“十三五”规划（2016—2020年），2017年6月发布的《加快推进天然气利用的意见》都对天然气分布式能源的发展起到了实质性的促进作用[7]。
2.2.2 制约因素
第一，分布式能源站发展的根本是节能，但是目前国内分布式能源站的节能效果尚未达到国外节能技术水平。主要原因是分布式能源站对系统集成能力要求较高，而我国目前在这方面的水平相对较低[8]。
第二，燃气分布式能源目前投资收益较差。主要表现在：技术、设备成本较高，国产化程度偏低;天然气气源不足，价格偏高;电力上网困难、售价较低。江苏省除江苏凤凰数据中心及盐城亭湖医院项目具有收益外，其余项目均亏损[7]。
第三，实际负荷不足。区域天然气分布式能源方案设计需要对该地区的冷热负荷进行计算，当负荷预测不够准确时，实际投运的设备机组选型就会偏大，导致部分机组非满负荷运行，分布式能源系统的综合能源利用效率就会相应减少。
2.2.3 发展展望
任洪波等人选取上海市典型办公楼、医院和宾馆作为研究对象，计算建筑能耗、经济性、环境性和节能性。通过对比得到双源型分布式能源系统在经济性、节能性、环保性3个方面具有良好表现，并且对燃气和电力调峰有较好的意义，可望为今后燃气分布式能源的应用于推广提供新的思路与模式，促进我国燃气分布式能源的快速发展[9]。在分布式能源发电上网政策尚未普及的地区，双源型系统更具有市场竞争力。
第一，政策上的支持既是优势也是制约因素。目前天然气分布式能源的发展基本依赖于政策的支持和推动，市场推动能力较低。对于这种现象，加快低成本设备、系统的研发是最佳途径。
第二，我国天然气供需平衡情况不容乐观，根据《2019—2025年中国天然气行业市场供需预测及发展前景预测报告》天然气消费量具有较强的季节性，一、四季度需求量较为旺盛，二、三季度为需求淡季。2017年全国天然气消费呈现淡季不淡、旺季更旺的特点。同时，2017年我国天然气对外依存度高达39%。天然气的供需不平衡是制约天然气分布式能源发展的重要原因。
3 部分区域的分布式能源应用现状
我國天然气分布式能源项目主要分布在环渤海、长三角、珠三角以及川渝等地区[10]（见表2）。
3.1 北京
3.1.1 政策背景
在国家《能源发展“十三五”规划》等相关政策的指导下，结合现有能源布局及环境状况，北京市针对区域分布式能源的发展提出了相应的发展规划、实施指导意见和补偿措施等相关政策，更具针对性和实施性地指导了分布式能源项目的推进和落地（见表3）。
总体规划中，《北京市“十三五”时期能源发展规划》提出优化能源结构，加快开展压减燃煤和燃气设施体系完善工作，有序发展中小型天然气分布式能源系统。《“十三五”时期新能源和可再生能源发展规划》提出，到2020年，北京新能源和可再生能源开发利用总量达到620万t标准煤，较2015年增长35%以上，占全市能源消费总量的比重达到8%以上，其中，新增光伏发电装机容量100万kW、新增地热及热泵利用面积2000万m2;相关鼓励政策，根据《北京市分布式光伏发电奖励资金管理办法》，并网发电的分布式光伏发电项目，市级财政按项目实际发电量给予奖励，奖励标准为0.3元/kW·h（含税），奖励期限5年。《关于进一步明确煤改地源热泵项目支持政策的通知》，规定煤改地源热泵项目，市政府固定资产投资按照工程建设投资的50%安排资金支持。
随相关政策机制的推进和完善，逐步明确了分布式能源发展的形式和目标，规范了其市场管理，北京分布式能源市场将进入新一轮增长期（见表3）。
3.1.2 应用现状
“十二五”期间，天然气分布式能源产业在政策的支持下，得到较快发展，局部成为了替代燃煤和能源高效使用的典范，但仍处于起步阶段。“十三五”期间，北京市在发展模式、发展规划和加快建设智能电网等方面采取了一系列措施，规划到2020年，北京市天然气年用气量达到200亿m3，在北京市能源结构中的比例达到33%，其中优先保障居民用气，推进采暖用气，鼓励发展燃气分布式能源系统用气。
近年来，北京光伏、地热、风电等可再生能源开发利用规模也显著提升，政策环境及配套服务体系逐步完善。据统计，2015年，全市新能源和可再生能源开发利用总量达450万t标准煤，占能源消费总量的比重提升至6.6%。其中，太阳能利用水平显著提高，实施金太阳示范工程，启动了海淀、顺义国家级分布式光伏发电应用示范区建设，全市太阳能光伏装机规模从2010年的2.3MW大幅提升至2015年的165MW。地热及热泵系统利用实现突破，方式由单体小型项目逐步向区域复合型项目发展，建成延庆三里河深层地热、未来科技城烟气余热利用等大型示范项目。2015年，全市地热及热泵使用面积达到5000万m2。生物质、风能利用规模稳步提高，2015年，全市生物质发电和风电装机规模分别达到10万kW和20万kW。
配套政策的完善和技术革新，吸引社会资本不断进驻分布式能源市场，项目进入实质性开发阶段，部分项目信息见表4。北京目前已实施和在建天然气分布式能源项目30余个。其中，中国石油科技创新基地大数据能源中心是全国第一个采用冷热电三联供系统功能的数据中心，总装机容量为16.5MW，能实现全年制冷量为34.86万GJ，全年供热量为11.22万GJ，年发电量为11万MW·h，为其他数据中心的节能减排起到示范作用。同时，部分项目因电力并网、效益或技术等问题处于停顿状态[7]，也反映了北京市燃气分布式能源的制约因素。主要有：（1）法律配套及补贴政策不完善;（2）专业化公司较少，未形成良好的市场竞争;（3）缺乏前期规划，现在实施改造较为困难。但随着更多央企的加入以及综合功能体系的推广，天然气分布式能源发展虽面临一些难题，但前景广阔。
未来北京分布式能源的应用将以天然气、太阳能、风能、地热等多种能源综合调配、相互补充的形式逐步开展。
3.2 上海
3.2.1 政策背景
上海市对分布式能源的政策支持力度处于全国前列（见表5）。
3.2.2 应用现状
上海市分布式能源的快速发展与国家和上海市政府的大力支持密不可分。在各种扶持政策的鼓励和支持下，从“十一五”期间至今上海市燃气分布式能源不仅在数量上有所增加，而且在质量上也取得了进步。上海市分布式能源的发展经过了2005—2007年的试点阶段和2008—2011年的扩大试点阶段和2012—2015年的继续扩大试点阶段。从2015年之后分布式能源项目进入了爆发式增长的阶段，截至2016年，建成项目43个，覆盖医院、办公、宾馆、工厂和交通枢纽、商务区、旅游、会展中心等多个行业，总装机规模150MW，总规模居全国第一（见图3）。
上海市人民政府发展研究中心对分布式能源资源普查，上海市总共建成并投产的分布式能源项目中调研了26个项目，其中除6个项目由于设计、选型、经营的原因停用外，其余项目均运行良好。已停运的项目有黄浦区中心医院、上海燃气市北销售公司等，其停运原因主要有以下几点：（1）由于设计之初对冷热负荷分析预测不准确，导致后续设备选型时机组不能耦合负荷侧的负荷变化，致使设备未能满负荷运行，造成设备的浪费;（2）系统经济性较差，业主自行放弃;（3）客观原因造成项目停运，如市政动迁、天然气供应不足[11]。
3.3 小结
我国的主要城市正在逐渐形成分布式能源网络，目的是将多种能源和信息网络高度融合，形成新型智能化的能源网络系统。多能源作为能源互联网的物理载体，需要对系统的模型、运行特性、动态行为和稳定性等关键理论与技术进行深入研究[12]。通过将区域内的多种可再生能源与天然气以分布式能源的方式与终端用户联接，实现冷、热、电即产即用和双向传输，并通过物质流、能量流和信息流的協同控制，实现整个网络的有序化，从而构建高效的分布式能源网络系统[3]。这种新兴的分布式能源网络系统是中国未来能源网络的有效补充，也是中国能源互联网发展的基础之一。
4 结语
分布式能源在发达国家已经具有数十年的历史，在我国也已经具有20多年的历史。从早期新能源的简单利用，到提出系统的部署能源微网络，世界各国正在积极寻求能源结构最优化的形式。我国也在近年来加快了分布式能源的发展步伐，通过出台一系列国家及地方政策，扶持相关产业的发展。根据国际能源署的研究，中国将会成为继俄罗斯、德国之后分布式能源占比最高的国家，预计2030年可达到28%。与此同时，分布式能源的发展具有客观的制约因素，包括能源利用稳定性、安全性以及经济性等。解决制约因素，促进相关产业由粗放到精细化高质量的发展，将是我国分布式能源行业未来一段时间内的发展重点。
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