分布式能源系统 ： 面向新能源时代的灵活高效电源

分布式能源系统 面向新能源时代的灵活高效电源 Arup和西门子开展的研究项目 前言 可靠和负担得起的能源供应是经济增长和在任何情况下实现良好福祉标准的必要条件 ：从最大的特大城市到最小的村庄。在过去的一个世纪中，能源行业取得了惊人的成就，以满足不断增长的人口和经济不断增长的需求。到目前为止，基本系统基本保持不变，大型集中式工厂通过国家和国际输配电网供电。它很好地服务于全球经济。 本研究报告由西门子和Arup共同承担，并借鉴两家公司在能源技术，建筑和能源系统设计方面的 全球专业知识。该研究旨在深入了解分散能源的世界 ，特别关注经济可行性和DES投资的更广泛的共同利益。 该报告探讨了可以刺激DES解决方案加速部署的障碍和扶持行动。通过四个案例研究，我们展示了适用于DES投资和 在接下来的几十年里，我们对能源的需求 将继续增长，但我们将需要找到一种方法来适应这种增长，同时保持可负担性，可靠性和环境可持续性。 我们如何减少发电对本地和全球环境的影响，并扩大对目前无法获得能源的估计12亿人口的访问？就其本身而言，这是一个挑战，在人为和气候变化带来的动荡和风险日益增加的世界中，还需要实施任何潜在的解决方案- 分布式能源系统(DES)技术 代表解决方案的重要组成部分：它们为建筑物所有者和能源消费者提供了重要的机会，可以通过现场发电和动态负载管理降低成本，确保可靠性并确保额外收入。 在大规模部署时，DES还可以通过更好的系统弹性和效率实现显著的经济、社会和环境共同利益，包括降低成本的电网平衡、减少温室气体排放和经济实惠的电网扩展到 可以实现的回报。 我们希望这项研究将有助于对我们能源系统的未来设计进行更广泛的讨论，并为有关DES技术适用性的决策提供信息。 诱发的自然灾害事件。在越来越依赖数字服务和紧张供应链的社会中，以及面临气候变化威胁的世界，这些更广泛的利益对 每个人都至关重要。RolandBusch博士 西门子股份公司管理委员会成员 格雷戈里·霍德金森 Arup集团董事长 下一页 Contents ExecutiveSummary5 1充满活力的能源时代案例研究1：智能能源建筑（德国）8 2DES技术解决方案案例研究2：生产设施节能措施(中国)20 3DES当前市场和机会案例研究3：城市社区能源(美国)34 4对更广泛的能源生态系统的影响案例研究4：锚式微电网(印度)44 5启用框架50 Appendix54 5 执行摘要 分布式能源系统（DES）是一个术语，涵盖了各种发电，存储，能源监控和控制解决方案。DES技术代表了一种范式转变，为建筑物所有者和能源消费者提供了重要的机会，可以通过现场发电和动态负载管理降低成本，提高可靠性并确保额外收入。 通过更好的系统弹性和效率，更广泛地采用DES还可以带来重大的经济，社会和环境共同利益，包括降低成本的电网平衡，减少温室气体排放以及将电网负担得起地扩展到未连接的社区。 提高能源供应和弹性的安全性 全球能源消费在过去的一个世纪中稳步增长。尽管生产和消费的效率都在提高，但这种由人口和经济增长驱动的趋势仍将继续。国际能源机构估计，在2035年之前，每年供应世界能源需求所需的投资将稳步上升到 20亿美元。1 然而，满足我们能源需求的方式正在迅速变化。这些变化是 inresponsetonewopportunities–suchasrenewableenergyandsmarttechnologies–andnewpolicygoals–toreduceemissionsandextendenergyaccess.Thetraditionalcentricallymodeloflinearpowergenerationanddeliverythroughlimitedmarketorcond 多样化、动态和复杂的系统，具有多个参与者和多层次的能源、信息和资金流。 本报告确定了适合用户需求的中型到大型DES应用的重要价值机会，包括降低成本，能源效率，供应安全性和碳减排。 本报告调查了DES解决方案如何应用于全球制造设施 、办公楼、城市住宅区和农村社区。The 数字为自己说话。与往常一样，运营成本降低在8 ％至28％之间，并且3-7年之间的投资回报率 （ROI）被观察到。二氧化碳排放量以类似的规模减少。 世界各地的能源基础设施正在老化，需要大量投资来更换和修复。与此类老化资产相关的风险以及大规模天气相关事件带来的冲击， 可能导致网络中的潜在故障 -停电和限电-或充其量是环境合规性差。 可以设计本地、分散和可控的DES发电和存储源，为最终用户提供本地弹性，甚至完全独立于电网。电网运营商也受益:当基础设施接近容量时，DES可以管理需求以减少峰值负荷，从而推迟对主要电网加固投资的需求。 Content下一页 6 执行摘要 降低能源成本 低但不确定的油价不仅使整体能源成本不可预测，而且增加了能源系统升级的大量投资风险，可能阻碍最终消费者的需求。可以定制DES以满足消费者的需求，并使参与者能够在 响应市场价格信号，以实现最低的能源总成本。 低碳能源与能源效率 DES包括可再生和低碳发电和控制，可将此类技术集成到网络中，从而减少碳强度和对能源系统本地环境的影响。 在地方一级，不良的空气质量会加剧严重的公共卫生问题。持续依赖化石燃料发电是严重空气质量问题的主要原因之一。依赖清洁能源发电或混合系统的DES对空气质量的影响降低，有助于维持更绿色和更清洁的生态系统。 能源效率是减少碳排放和削减能源成本的关键步骤之一 ，也可以说是获得最直接和最明显回报的步骤。 DES与其他传统节能措施相结合，可以提高整个能源系统的效率。工厂、建筑和网络级别的集成实时数据监控和多点控制可以提高资产利用率和工厂效率，并确保电力、冷却、加热和照明仅在需要的时间和地点使用。 人人享有能源 IEA估计，12亿人，约占世界人口的17％，没有或非常有限地获得电力2与大多数人口位于撒哈拉以南非洲和东亚。基于DES和特别是离网微电网的小规模电气化项目可以 由于规划和监管限制较少，因此比主要的电力基础设施项目实施得更快，更便宜。DES提供了机会，为离网社区提供清洁，可靠的能源，提高生活质量和经济发展。 分布式能源系统的交付 新技术的出现为开发量身定制的金融工具和所有权模型提供了机会，这些模型可以刺激吸收，同时吸收一些固有风险。 DES财务模型说明了当前外包非核心流程的趋势，并寻找为资产负债表外的改造和升级提供资金的方法 。 还出现了新的所有权模型，以解决初始CAPEX成本以及DES工厂的运营和维护问题。能源绩效合同（EPC）提供商承诺提高建筑物的能源效率，作为所有者的表外成本。通过减少能耗而实现的能源成本节省用于支付安装的设备，剩余的节省由解决方案提供商和建筑物所有者共享。 开发人员还能够为DES项目提供完整的交钥匙解决方案，具体取决于 最终用户要求、能力和风险偏好。通过电力购买协议(PPA)，外部开发商在消费者的财产上设计、交付和运营工厂，例如太阳能光伏发电场，以换取商定的关税，根据该关税 电力将被购买。这使消费者能够直接从发电机而不是从公用事业公司购买电力。微电网开发商在新兴经济体提供类似的服务。 一种新型的能源服务公司(ESCO)也在不断发展，更多地关注创新的融资方式，包括 资产负债表外车辆，通过有管理地减少能源使用，为客户降低成本。 可再生能源的份额翻番在2030年的全球 能源结构中，再加上效率的提高，对于保持全球变暖 是必要的2°C3 该报告以四个案例研究为基础，这些案例研究为不同最终用户提供了DES的中型到大型应用。案例研究包括集成新技术和控制的智能能源建筑，采用节能措施的制造设施，生产自己的热能和电能的城市社区以及农村 Off-gridvillagelookingforopportunitytoreduceitsdependencefromfilealfuels.LaveragingontheapplicabilityofDESinanygeographicalcontext,thefourcasestudyarelocatedinfourdifferentcountries:Germany,China,U. 案例研究1案例研究2案例研究3案例研究4 智能能源建筑 Freiburg,德国 智能能源建筑能够整合和优化电气和机械工厂 ，以降低能源成本，减少碳排放并提高效率，从而促进可持续性。结合起来，这可以增加财产的价值。DES是智能能源建筑的核心。可以选择DES组合以实现最低的年度能源成本或优化成本与其他环境或安全性能目标的平衡。 生产设施节能措施北京,中国 降低能源成本是制造业的基础，以便在能源更便宜的国家保持与生产的竞争力。 DES发电和存储技术可以与其他节能措施集成，使制造能够降低成本，同时实现可持续发展目标 。 城市社区能源 纽约市,美国 随着城市的发展，大规模的混合使用开发可以作为主要的 玩家可以满足住房需求并刺激更广泛的发展活动 。在城市发展区域内，安装DES技术，例如热电联产（CHP）系统代表了实现高效率收益和财务利益的机会 为客户。在电网损耗的情况下，热电联产系统可以提供电力，从而提高社区的弹性。 锚式微电网 Bihar,印度 TheimplementationofDES—andmostspecificallymicrogries—canunlockenergyaccessandeconomicdevelopmentwhileaddressingsustainabilityconcerns.An“anchor”istypicallyanon-residentialconsumerthatneedsreablepowersupply （即电信塔，制造设施等）。当与当地社区微电网耦合时，锚点的信誉和长期承诺会增加微电网项目的财务吸引力。 Content下一页 1动态能源时代 Introduction 全球能源消费在过去一个世纪稳步增长，以应对全球人口的复合效应 和经济增长。尽管生产和消费效率都在提高，但这种增长仍将继续：国际能源署（IEA）预测，未来25年全球能源消费将增长三分之一，2大部分增长是由增长最快的经济体推动的。 在供应方面，满足我们能源需求的方式正在迅速变化 ，特别是在电力部门。例如，可再生能源预计将占所有新发电投资的一半以上，而分布式发电的装机容量预计将几乎翻一番 在接下来的十年。2,4我们使用电力的方式也在不断发展，电动汽车和热泵的快速使用推动了电力消耗的增长，超出了人口和经济增长的潜在传统驱动因素。例如，在英国，据估计，由于供暖和运输电气化，到2050年，电力需求可能会翻一番。5 可在大范围范围内部署的新的能源发电选项的多样性代表了能源消费者和生产者的机遇和挑战。结合控制技术的新能力和能源服务的新兴商业模式，世界似乎正在新能源时代的边缘，传统的集中发电模式和生产者和消费者的严格分离让位于混合能源解决方案和动态能源参与者，他们可以通过本地发电、需求侧管理和非现场供应来优化能源需求。 本报告介绍了分布式能源系统（DES）的新兴景观，广泛适用于城市，社区，校园和建筑物的规模。该报告旨在展示DES部署可以带来的重大价值机遇和其他好处。它还讨论了与DES相关的一些挑战，可用的融资机制以及DES在更广泛的系统范围内的影响。 图1全球用电量-当前和未来预测（来源：IEA，Enerdata）2,6 9 今天的电力系统 在世界大多数地区，电力供应的基本模式自首次引入以来几乎没有变化。大多数电力由大型集中式工厂生产，并通过高压电缆传输到需求中心，本地配电网络将其输送到 与石油和天然气等主要燃料不同，电力系统及其市场通常是本地化的，在每个国家或地区都有不同的法规和标准。 发电厂通常位于远离人口中心的位置，其位置选择为方便获取主要能源（例如煤矿或主要河流）或易于操作（例如沿海位置以获