深度 | 分布式能源建筑 VS 城市能源转型

有业内人士认为,真正的 DERs 需要包括电池储能,这些电池储能设备能够在电网供电中断时提供能源。

2015 年《巴黎协定》通过之后,人类对于气候危机的应对达到了前所未有的一致,为将全球暖化控制在 1.5℃内,一场有关碳排放的 “净零” 竞赛在全世界拉开。4 年过去了,这个赛道上的选手们,都递交了怎样的成绩?

根据能源与气候情报组*的一项权威发布,我们可以看出在以国家为主角的 “净零” 竞赛中,谁是领跑者。

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净零排放竞赛 2019,来自*能源与气候情报组,一个致力于提供能源与气候信息英国非营利性机构。

从这个 “成绩单” 中,我们可以看到21个走在世界减碳前列的国家和地区:不丹和苏里南已经超越 “净零”,实现了碳吸收量大于碳排放量的 “净零 +”;就在今年 6 月份,英国新修订的《气候变化法案》正式生效,这让英国连同挪威、瑞典、法国成为将 “净零” 目标纳入法律的 4 个国家之一。

更多国家正在加入阵营:智力与新西兰正在立法;而包括乌拉圭、芬兰等 8 个国家将 “净零” 写入政策文件;同时,欧盟、德国等 5 个欧洲国家与地区的 “净零” 目标已经处在讨论阶段。

“净零”,毫无疑问已经成为应对气候危机的简单答案,但是 “实现” 净零并不简单。

01

实现 “净零”,我们需要解决什么?

能源消费产生的碳排放首当其冲。电力始终是碳排放的最大来源,根据《BP 世界能源统计年鉴》的统计,2017 年,全球一次能源消费有40%用于发电;全球能源消费所产生的碳排放量,仍然有超过1/3来自电力行业,特别是火电领域。

比电力行业产生的高碳排更值得我们关心的是,尽管近年来可再生能源呈现显著增长,政策也在推动发电用能的清洁和低碳化,但发电结构在过去 20 年间几乎没有取得突破。

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图源:《2018 BP 世界能源统计年鉴》

除了能源生产,能源使用效率也不可忽视。以上海市为例,尽管上海发电效率达到 41% 以上(比全国水平高出 5 个百分点),但是由于能源从生产到终端用户经过多层梯度传输,其能源加工转换、分配输送和终端使用环节的能源损失达到能源消耗总量的 60% 之多。

如果要实现巴黎协定的既定目标,能源消费结构转变与提高能源加工转换效率是全球急需解决的问题。

基于这些问题,对于包括中国在内的众多发展中国家来说,要加入这场 “净零” 的全球竞赛,更需要时间和细致的考量。

在中国政府公开发布的《能源生产和消费革命战略》中,明确提出中国二氧化碳排放 2030 年左右达到峰值并争取尽早达峰;能源结构调整取得明显进展,非化石能源占比 15%。2018 年,这一比例已经达到 14.3%,相信不久的未来,政府将制定更高的目标以实现长期可持续发展。

国际对中国未来的能源转换积极观望。国际能源署 2017 年发布的《世界能源展望:中国特别报告》中指出,中国强大的执行力和有力的政策支持了可再生能源成本的持续降低,而太阳能光伏将成为中国最经济的发电方式。

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图源:《2017世界能源展望:中国特别报告》,国际能源署

02

建筑是否可以领跑 “净零”?

建筑与施工占据了全球能源消耗的36%,这是一直以来发展绿色建筑成为各行各业减排以及寻求可持续发展的重要举措的原因。面对气候危机与政府主导的能源转换行动,绿色建筑领域的先锋者也可以走在前面。

为此,世界绿色建筑委员会(World Green Building Council)提出了两个长期目标:

目标 1:2030

到 2030 年,全球所有新建建筑都需要实现 “净零” 能耗

目标 2:2050

到 2050 年,全球所有建筑(包括新建及既有建筑)都要实现 “净零” 能耗

这是一个雄心勃勃的目标,对于众多行业实践者来说并没有捷径,但建筑行业领跑 “净零” 仍拥有极大可能。如果说天然气、核能与可再生能源能够挑起未来低碳能源大梁,是宏观政策与趋势,那么分布式能源或许也会楼宇建筑作为高耗能的个体,实现净零目标的可能性之一。

什么是分布式能源?

分布式能源(Distribued Energy Resources, 简称DERs)是一种建在用户端的能源供应方式,可独立运行,也可并网运行,是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统,将用户多种能源需求,以及资源配置状况进行系统整合优化,采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统,是相对于集中供能的分散式供能方式。

以下文章部分翻译自 USGBC+

"THE RISE OF DISTRIBUTED ENERGY: WHAT IT MEANS FOR UTILITIES, CONSUMERS AND GREEN INFRASTRUCTURE"

尽管目前业内对于分布式能源的定义仍然存在争议,我们仍然可以定义一些与 DERs 概念密切相关的系统和设施,比如:

常见的 DERs 系统与设施:

屋顶太阳能

这是目前家庭住户最常用的分布式发电系统。通过向电网输送自家屋顶太阳能产生的电力,用户可以获得费用补贴或电费减免。

电动汽车

尽管电动汽车的兴起可能会大幅推升电网供电需求,但有人认为电动汽车也有望成为一种分布式能源。通过在午间和夜间(家庭用电需求相对较低)吸收电网中的过剩电力,电动汽车能够帮助平衡用电高峰与低谷时段的电力需求。

微电网

这种本地化的小型电网能够脱离集中式供电系统,实现自主运行,并助力强化电网韧性。

社区太阳能

这些由参与者共享电能的大型太阳能发电装置也是另一种形式的分布式发电。

电池储能

有业内人士认为,真正的 DERs 需要包括电池储能,这些电池储能设备能够在电网供电中断时提供能源。

智能家居科技

尽管洗衣机、洗碗机等 “智能” 家电本身并不能发电或储能,但有人认为,如果它们能够按照供电需求情况自主选择工作时间,就应该被视作 DERs。例如一种智能干衣机能够避开用电高峰时段在夜间自动运行。

DERs 作为全新的能源解决方案,稳定、灵活且高效,最重要的是,它重新定义了人与能源的关系,让每个人不仅仅是能源的使用者,也成为能源的生产者和管理者。

随着太阳能电池板成本锐减、智能家电与电动汽车的热度不断上升、以及更多用户开始使用备用电池系统,他们能够自行掌控电网供电的使用方式与时段,DERs 俨然成为了当下的关注焦点。

DERs的环境友好性及可持续性是其得以备受瞩目的原因之一,以上面提到的屋顶太阳能为例,屋顶太阳能电池板产生的每千瓦时电力都是无需燃烧化石燃料产生的能量,因此这一过程不会导致大气中碳排放量的增加。同时,这一能源使用技术、方式的变革,也带来了电力公司、消费者与绿色建筑方面的影响。

分布式能源,机遇与挑战并存

尽管优势明显,分布式发电的争议性仍然存在。特别是对于电力公司而言,当全天都在自行发电的用户突然在夜间开始使用来自电网的供电,判断并应对需求高峰(或低谷时段)用电问题将会变得更加困难。

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用电的时间差异

同时,各地自然条件(日晒程度)的差异,以及各地电费结构以及税收减免与优惠政策的不同也让问题变得复杂化。目前电力行业对于分布式能源的看法也并不统一。只有 3% 的电力公司将 DERs 视作 “威胁”,不到一半的公司认为它意味着 “机遇”,一半以上(56%)认为它 “既是威胁也是机遇”,可见 DERs 的未来前景仍然充满不确定性。

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DERs 数字解读,来源:《筹划分布式能源未来》,West Monroe Partners, 2018

对于电力公司的担忧,美国公共电力协会(APPA)政策研究与分析负责人称,电力公司只是希望他们的收益能够抵消成本,并非有意限制可再生能源或分布式发电的发展。他特别指出:“我们的许多会员单位就正在开发自己的可在生能源及分布式发电系统。”

“获得用户许可后,电力公司将租用他们的屋顶安装太阳能电池板,并对其给予一定的补助。但凭借这种方式,电力公司不仅能够掌握电池板的安装地点,还能控制屋顶太阳能发电系统向电网的输电量。”

租用家庭屋顶安装太阳能电池板

分布式能源,消费者的 “经济账”

从消费者角度而言,其带来的影响也很直接。至少对于采用 “净计量” 电价政策(拥有可再生能源发电设施的消费者可以根据向电网输送的电量,按照零售电价获得电费账单减免)的地区用户来说,每千瓦时的电力都能带来电费节省,仅需几年时间即可获得 100% 的投资回报。

但部署在用户端的电池系统仍然较为昂贵,且对于家庭和商业物业管理者而言,太阳能电池板以及节能电器能够带来的投资回报并不明显。此外,分布式发电对电力公司的影响、用户端存储的高昂成本、电动汽车兴起可能带来的电力需求激增等一系列因素,都令 DERs 生态系统仍旧在摸索中前行。但许多观察者预计,在不久的将来,更多的供能与储能都将直接在用户端完成。

当然,这里仍有很多问题需要解决。目前仍然充满变数的成本与政策考量, 家用储能电池制造商、智能家电与电动汽车制造商等企业的推广策略,都将是左右消费者是否选择采用 DERs 的主要影响因素。用户端储能设施的价格也是其中的一个不确定因素。

一个制造家用储能电池的公司指出:“用户可能更多获得的是种非物质回报,而不是实际的投资回报。” 他们发现,公司产品的购买主力大致分为两类,一类是 “可再生能源关注者”,另一类是 “问题解决者”(希望在停电或发生灾难时能够自己解决发电和储能问题)。

他们希望未来用户端储能成本的逐渐下降,也希望住宅的可持续性特色能够对消费者更有吸引力。“我们致力担负环境责任,建造更多太阳能供电的房屋,但同时也存在对成本问题的担忧。我认为消费者可能会对房屋的可持续性方面更加关注。尽管如此,我仍然相信这是正确的方向,我们的努力将带来颠覆性影响,我对此充满信心。”

分布式能源对绿色建筑的长远影响

在国外,部分开发商对于消费者的作用充满信心,他们相信消费者对可持续发展的投资将推动分布式储能发展成为绿色建筑的一项重要特性。

目前,佛罗里达州的一家公司计划为所有即将建造的 148 套 LEED 铂金认证住宅和 700 套公寓装配太阳能电池板和家用储能电池,这些住宅都将是产能多于耗能的 “净零 +” 建筑。

“净零 +” 建筑将打破我们对家庭能源管理的思考方式

一家商业与技术咨询公司对 DERs 进行了较为全面的研究,他们表示:“展望未来 15 年,太阳能技术将覆盖建筑物表面,并直接为楼宇用户供电。建筑天台上可以覆盖太阳能瓦片,屋顶或邻近地面上可以安装小型风电机组,用太阳能电池板作为停车场的遮阳棚,利用地热发电等等。一栋楼宇能够将燃料电池、节能技术以及负荷管理技术等与自身运营进行集成。如果装有储能设施,楼宇租户还可以自行掌握用电时段,或通过向电网输送电量而获得电费减免 (如果该地区采用 “净计量” 电价),这样的楼宇就基本实现了自给自足。我认为这就是绿色建筑技术的未来,而且这个未来离我们并不很遥远。”

分布式能源拥有更好的能源持续性,更低的碳排放,且节省更多成本。在实现建筑 “净零” 目标的道路上,我们期待分布式能源还能发挥更大的作用。

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