近日,国家发改委发布《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》(以下简称意见)。《意见》中提出:“适宜采取集中供暖的地区,通过热电联产等方式集中供暖”,这能否给热电联产技术带来新的市场机会呢?丹麦是热电联产系统应用较为成功的范例,那么,丹麦监管当局是如何通过重塑电力市场结构,刺激电厂积极开发新技术和管理解决方案,从而提高其运行灵活性和利润最大化,以达到用热电联产实现清洁能源供暖的呢?
热电联产灵活性不足带来弃风弃光
热电联产技术将发电过程中产生的余热(通常是被浪费的)用于供热,由于热电联产分别生产电力和热力,所以,热电联产技术能够节约燃料,提高了整体的能效。
几十年来,丹麦很大一部分电力是通过被公认为最缺乏灵活性的热电联产供的。因为热电厂具有同时向用户提供热力和电力的双重职责,这也正是其缺乏灵活性的原因:当热电厂提供热力时,就必须同时生产电力。在冬季,当热电厂为了提供热力而持续运行时,它也在不断向电网输送电力——无论电力需求是否存在。因此,当电力需求量很低,风电充足,而热电联产机组又必须运行时,电力系统运营商必须优先满足供热需求(即优先使用机组同时生产的电力),不得不放弃更具经济性的风力及光伏发电。
图:国内弃风弃光情况
解决供热与电力需求不匹配问题方法
用户的电力需求常常与供热需求并不一致,尤其是在夜间,温度骤降(供热需求升高,因此热电联产电力产量也升高),但企业停工、居民入睡(电力需求降低)。经过深入研究,丹麦人逐渐开发了一系列得以广泛应用的技术解决方案,帮助解决供热与电力需求不匹配的问题:
1、存储热力供以后使用,这意味着电力生产可以摆脱供热需求的影响。
2、 在电力供应过剩而供热需求未被满足时,电热锅炉和热泵可以将电力转换为热力。
3、作为最后的手段,以降低综合能效为代价,可以打开旁通阀让热电联产机组将蒸汽导向涡轮四周,从而只生产热力而不生产电力,这比原来同时生产热力和电力时燃烧更少的燃料。
虽然这些技术解决方案十分关键,但丹麦人更重要的创新在于他们部署这些技术的方式。丹麦并没有强制推行这些技术解决方案,而是依靠市场的力量激励运营商改造热电联产设备并调整它们的运营,使其更具灵活性。
市场机制引导技术升级解决
丹麦早在1999年就引入了竞争性电力市场,当时并未将热电联产电厂并入这些市场,因为他们将热力供应视为公共福利,认为其不应受到市场力量控制,简而言之,就是热电厂被认为是“必须运行”的发电机组。
但随着不断开发新的技术解决方案,“必须运行发电机组”的概念受到了质疑。丹麦决定分解对热电联产的调度决策:热力供应继续作为受监管的公共服务,但对电力生产则开始引入市场机制。这意味着热电联产的热力供应将与过去一样,按照用户实际使用的热量、以规定的费率得到补偿,但热电联产的电力生产必须在批发电力市场中收回成本。
这一变革的结果是:对于燃烧的每吨煤炭而言,来自热力的收益只能收回燃料的部分成本。热电厂生产的电力必须接受市场价格,这意味着在电价较低时(风力资源丰富及需求量较低),热电厂将无法回收他们的全部边际成本,但当电价较高时(电力市场价格上升反映了电力供应的不足),热电厂则能够获得更高收益。在这个系统中,热电厂必须更具灵活性才能获得最大收益:在低电价时段尽量降低电力生产,而在高电价时段最大化电力生产。
价格波动仅由需求波动决定时,热电厂提高灵活性的经济意义并不大,但随着丹麦国内风力发电比例持续上升,低电价时段越来越多,热电厂提高灵活性的利益动机就越发强烈。
热电厂开始通过优化当前运营方式来提高灵活性,当电力需求较为稳定、电厂以高效且平稳的水平出力时,经验边界值(特定供热水平下的最低必须发电量)被认为是难以逾越的技术局限。这种看法使运营商认为热电厂无法同时实现高效、有效且灵活的运营。但在灵活运营的利益动机激励下,这些运营商开始发现电厂其实能够稳定地实现这样的运营并保持可控的设备磨损度。丹麦热电联产产业得以进一步降低最低运行率,减少开机时间和成本,并提高快速爬坡能力。如今,丹麦的热电厂在快速调整出力方面已达到世界最高水平。
在优化了当前运营方式后,运营商们开始考虑具备成本效益的改造项目。例如,按照2010年丹麦市场价计算,储热罐与旁通技术改造的折现回收期大约是3年左右。热电联产运营商首先保证地区热力站现有储热罐得到最大化利用,随后开始加大投资建设大型上游储热设施。鉴于大型电力存储技术成本仍然较高(虽然已在快速降低),因此热力存储的性价比更高,尤其是它能够被用来最大化低价时段和高价时段的整体收益。
为了进一步提高热电厂的灵活性,电厂接下来开始使用电热锅炉或热泵,在电网收到降低电力生产的经济信号时,通过利用富余电力生产热量来补充热力供应。与热电联产技术的热力生产相比,电热锅炉一般成本高昂且效率低下。但当电力价格因风电生产量大而非常低(甚至是负值)时,电热锅炉成为了更具吸引力的投资选项。
例如,按照2013年市场价格和税收制度计算,在典型热电厂加装一套75MW的电热锅炉,每年能够为热电厂节约大概300万欧元。
这就是说,当许多国家正在通过购置天然气调峰电厂和电池存储设施等高成本方式来中和大量增加可再生能源所带来的电网波动,丹麦则以更低的成本实现了这种运营灵活性,将风险从用户转移至发电者,从而激励后者承担责任,通过创新在市场中保持盈利。
中国的西北部是太阳资源丰富的地区,我国既然推出了北方地区清洁供暖价格政策的意见,有了供暖价格指导,热电联产则大有可为。据悉,中国科学院电工所在北京延庆县已完成安装了太阳能热发电热电联产装置。(资料来源:落基山研究所)