书名：燃气分布式能源产业报告 2022
作者：北京大学能源研究院、中国城市燃气协会分布式能源专业委员会
ISBN：978-7-5228-0499-6
出版社：社会科学文献出版社
出版日期：2022.09
“双碳”背景下,能源系统去中心化、一体化趋势日益明显,分布式能源因其低碳、灵活、安全、智能、多元、靠近需求侧等特征得到快速发展,其中燃气分布式能源是分布式能源的重要表现形式。天然气作为清洁低碳的化石能源,既是实现能源结构低碳转型的现实选择,也是规模化发展可再生能源及保持新型电力系统安全稳定的重要支撑。同时,随着可再生气、氢气等新型燃气的发展,燃气分布式能源的内涵和外延也得到丰富和拓展,在推动能源低碳转型、构建新型电力系统和建设现代化能源体系中将发挥重要作用。本报告系统总结了燃气分布式能源的发展状况,包括政策体系、商业模式、技术路线和关键设备等,汇集了大量典型案例,在此基础上,针对“双碳”目标分析了燃气分布式能源发展存在的问题和面临的挑战,展望了燃气分布式能源的发展前景,并对行业发展、政府政策制定等方面提出了建议。一 燃气分布式能源发展状况及主要认识据中国城市燃气协会分布式能源专业委员会不完全统计,截至2020年底,我国天然气分布式能源项目(单机容量≤50MW,总装机容量200MW以下)共计632个,总装机容量达到2274万kW,特别是2015年以来呈快速发展态势。但与国家发改委在《关于发展天然气分布式能源的指导意见》(发改能源[2011]2196号)中提出的2020年在全国规模以上城市装机5000万kW的目标相比,仍有较大差距。国内天然气分布式能源项目主要分布在华北、长三角、珠三角、川渝等地区,其中长三角地区项目数量最多,占比30.70%(见图0-1);从装机容量来看,珠三角地区总量最大,占比25.42%(见图0-2);从原动机类型来看,采用燃气内燃机、燃气轮机及微燃机的项目数量分别占总数的44.78%、48.10%和7.12%(见图0-3),装机容量占比分别为10.74%、88.78%和0.48%(见图0-4)。燃气分布式能源的主要应用场景包括工业、民用建筑和产业园区等,在现有天然气分布式能源项目中,按数量占比从大到小排序为园区48.58%、工业11.87%、办公楼11.87%、医院9.18%、综合商业体6.80%、数据中心4.59%、酒店3.64%、大型公建3.48%(见图0-5);按装机容量排序为园区84.71%、工业6.39%、综合商业体3.18%、数据中心2.61%、办公楼1.41%、大型公建1.26%、医院0.34%、酒店0.10%(见图0-6)。由上可见,发展燃气分布式能源项目要基于区域和场景,因地制宜,结合用户需求、资源条件、政策等具体分析。本报告共收集了243个已建项目案例,并选取具有代表性的项目,综合地域、发电设备形式、用户类型等维度进行分析,得出以下主要认识。一是天然气分布式能源的节能减排效益明显,在合理的气电价格下,项目具有一定的经济效益。从天然气价和电价上看,上海市、北京市、江苏省、四川省、浙江省等处于经济较好区。不同项目的气价、电价、冷价、热价差异较大,尤其冷价和热价有较强的业主自主性,定价偏低将影响项目经济性,建议采用气电冷热能源价格联动机制。北京市一些案例未享受相应的供热政策补贴,造成了分布式能源系统的供热收益低于市政热力。氮氧化物排放等环保要求的提高,在一定程度上会增加项目初投资和运维成本,降低项目经济性。二是项目投资额对项目经济性也有影响,而项目投资额主要与发电机组类型有关。燃气轮机分布式项目的总投资均值、增量投资均值在三类机组中均为最低,主要原因是此类项目单机容量和总装机规模都较大,故单位容量投资较低;而燃气内燃机和微燃机单机容量及总装机规模较小,且余热及配套设备相对复杂,故单位容量投资均值较高。三是多数分布式能源案例年平均能源综合利用率集中在70%～85%,绝大部分项目可满足国家≥70%的考核要求。单位千瓦的节能量和减排量随项目年利用小时数增多而增大,节能减排量排序依次是数据中心>酒店>办公楼>医院>工业园区>综合商业体。四是分布式能源与可再生能源融合,系统装机容量选择更加灵活,运营调节更加多样化,系统综合能源利用效率得以提高。国内投运的天然气分布式能源项目各有特点,应结合用户需求、能源价格和外部因素等因地制宜制订最优运行策略。二 关键设备的情况及发展趋势已建和在建燃气分布式能源项目的发电设备仍以进口为主。内燃机技术正朝着效率提升、高海拔燃烧、降低润滑油耗量、结构紧凑化及模块化、燃料低碳及零碳化、零污染物排放等方面发展。主流品牌燃气内燃机发电机组功率范围覆盖20kW～10000kW。国产燃气内燃机已在燃气增压前预混、电控空燃比可调稀薄燃烧技术、磁电机点火或数字点火电子调速的高能量点火系统、具有联网与通信功能的程控器等方面获得突破,部分主要性能指标达到了国际先进水平,但在长寿命周期原材料、机械精密加工技术、涡轮增压技术、气源变化适应性等方面仍存在一些技术难题尚未攻克,也是未来技术攻关方向。我国国内自主研发的燃气内燃机功率范围主要集中在200kW～1000kW,部分厂商已研发出1000kW以上的燃气内燃机,但2000kW以上的燃气内燃机仍几乎全部依赖进口。燃气轮机的发展趋势包括:先进材料与制造、燃气轮机机组设计、提高部件性能、高效清洁燃烧、研发高温材料、拓宽燃料范围、氢燃料燃气轮机等。主流品牌燃气轮机发电机组功率范围已覆盖2MW～340MW,而应用于燃气分布式能源领域的燃气轮机发电机组功率主要集中在2MW～50MW范围内。我国燃气轮机研发生产能力仍相对薄弱,国内燃气轮机生产厂商主要包括:通过技术引进和自主创新与国外知名品牌合作、航空发动机厂商自主研发改造和中小型工业燃气轮机自主研发生产三类。在分布式能源领域,燃料电池的应用以热、电联供为系统主要应用形式,其中质子交换膜燃料电池已实现商业化应用,而固体氧化物燃料电池则仍处于商业化初期。燃料电池仍需在设备容量、功率密度以及使用寿命方面实现突破。氢燃料电池分布式能源将在未来燃气分布式能源乃至整个能源供应领域扮演重要角色。三 面临的挑战尽管燃气分布式能源取得了较大的进展,但在“双碳”背景下,燃气分布式能源发展仍面临诸多挑战和障碍,主要包括以下方面。(1)产业发展基础保障仍待加强。我国天然气对外依存度高、国内开发成本大、管输价格偏高,燃气成本居高不下,储气能力欠缺,淡旺季价格波动大,对天然气分布式能源的生存发展造成很大压力,产业发展基础保障仍待加强。(2)可再生能源在能源结构中的占比快速增长,在一定程度上压缩了燃气产业的发展窗口期与发展空间。(3)行业壁垒亟须打破。“隔墙售电”政策在正式推进过程中遭遇重重阻碍,燃气分布式能源项目参与市场交易和竞争是当前和未来发展的迫切需求。(4)行业技术水平仍需提升,技术标准和体系仍存在提升空间。国产化机组在自动化管理技术、发电效率、大功率以及整机技术水平、核心材料、热处理技术和高精度加工等方面,与国外尚存在差距。运营管理专业化水平仍需从技术及管理方面持续提升,实现有效监控、管理及优化。(5)缺乏跨领域的协调机制。燃气分布式能源横跨油气、电力、热力等多个行业,存在不同部门利益博弈、不相适应和协调问题,造成燃气、电网、供热等企业对发展燃气分布式能源的积极性不高,甚至有抵触情绪。(6)项目竞争力需提升。近年来,许多燃气分布式能源项目由于初投资大、运营成本高、产能未达预期等各种因素影响,未能实现理想的经济效益,市场对于燃气分布式能源的投资趋于谨慎。辅助服务市场和碳市场尚不完善,环保、减碳和灵活性价值无法体现。四 燃气分布式能源发展展望“双碳”背景下燃气分布式能源进入快速和多元化发展阶段,将迎来巨大的发展机遇。分布式能源装备自身的高效化(热效率进一步提升以减碳)、排放友好化(脱硝和低氮燃烧技术以低氮排放)、零碳化(掺氢燃烧及氢能与可再生气源的循环利用)、商业化(技术进步带来的初投资降低及运行经济性提升),将激发燃气分布式能源的双碳潜能。多元化气源并举,生物质能、氢能的发展延伸了燃气分布式能源新的业务方向,掺氢及纯氢燃料使新型和现有燃机实现从化石能源向低碳能源过渡,氢灵活存储及输送技术的大力发展,将使燃氢分布式能源广泛推广成为可能。商业模式上,多能互补及可再生能源融合、虚拟电厂及能源交易、数字化智慧能源管理、区域能碳规划、基于能源互联网和综合能源服务的新型商务模式、燃气分布式能源系统及其设备的标准化/模块化/橇装化、新型利用等技术的发展丰富了燃气分布式的能源模式和业态创新。燃气价格是影响分布式能源项目经济性的关键要素,油气体制改革深入,完善了燃气分布式一次能源价格形成机制,增量配电改革形成区域发配售一体化模式,均有利于提升项目经济性。燃气分布式能源因其灵活性和可控性,可参与调峰、调频、黑启动等电力辅助服务市场,有助于保障电力系统的稳定性和灵活性,从而提升燃气分布式能源竞争力。营商环境改进和手续简化,可为燃气分布式能源提供便捷、及时、高效的接入电网服务,放开用户侧分布式电源建设,建立分布式电源发展的新机制。正在进行的电力体制革命将解决燃气分布式能源发展的体制性障碍,进而催生多种商业模式解决目前燃气分布式能源遇到的发展瓶颈,最后达到促进燃气分布式能源发展的结果。基于行业现状及发展趋势,按照低、中、高三种情景对2025年和2030年天然气分布式能源总装机规模进行预测,2025年,低、中、高三种情景下装机规模分别为3001万kW、3605万kW和4297万kW,2030年低、中、高三种情景下装机规模分别为4050万kW、5843万kW和8363万kW。在近中期,燃气分布式能源将发挥其低碳、稳定、灵活等优势为构建新型能源体系和可再生能源发展提供支撑和保障,并通过氢能、生物天然气等低碳燃气应用推动技术创新;从长期看,燃气分布式能源也将向利用低碳燃气和碳捕集封存与利用等方向发展,助力能源系统脱碳。五 相关建议燃气分布式能源作为“双碳”战略下未来能源的重要组成部分,需在国家政策支持下找准产业发展定位和方向,创新管理体制和运营监管机制,完善产业协同创新体系,持续推进,实现行业可持续发展。对政府相关建议包括如下几点。(1)开展能源多元融合规划,各地政府在核准审批燃气分布式能源项目时,因地制宜考量项目体量和供能范围,放宽对设备单机容量和项目总装机规模的限制,在项目引进、审批、并网等多方面应给予大力支持并提供便利。(2)完善碳市场向燃气分布式能源的价格传导机制,制定燃气分布式能源参与碳市场的规则,规范方法学,将其列为自愿减排范畴,鼓励减碳部分参与碳交易市场,建立并完善燃气分布式能源参与碳交易的长效管理机制和监管机制。(3)持续深化燃气分布式能源上网电价市场化改革,建立完善气电及气热市场化价格机制。鼓励以燃气分布式能源聚合商或虚拟电厂的方式参与电力市场化交易,优先在园区、负荷聚集区开展参与现货市场交易、电力辅助服务市场的试点示范,构建多主体参与、多能源交易、多种增值服务交易的能源互联网市场。(4)针对燃气分布式能源跨界发展的新趋势,建议能源领域内各主管部门加强协调合作,促进能源领域“证照分离”改革,简化经营审批程序,鼓励采取备案制,简化电力并网程序。(5)鼓励能源企业跨界经营,推行在特定行政区域内包括电、热、气(氢)等多种能源甚至结合能源、市政、环卫一体化经营的试点。(6)继续加强核心技术和装备的政策推动,进一步加大资金和政策扶持力度,建设一批示范项目,优先采用自主技术装备,根据其自主化水平给予投资补贴或者奖励。(7)持续修订和完善行业标准及规范,进一步完善项目后评估机制,打造项目运行数据平台,建设项目数据库,充分利用后评估成果反向指导项目前端开发,对于优质项目给予一定政策性表彰。从行业和利益相关方角度,燃气分布式能源投资主体也要创新发展模式,主动适应“双碳”形势下的新要求,努力提高项目经济效益和社会综合效益。具体建议包括如下几点。(1)拓展思路、创新市场策略和商业模式,将燃气分布式能源项目的建设与新形势下产业转型升级、产业聚集相结合,因地制宜打造符合特定产业需求的能源供应体系,促成标准化、规模化发展。(2)开发生物质天然气、沼气、氢气等多气源的燃气分布式能源项目,探索适合我国国情的农村能源项目发展机制,把燃气分布式能源等技术与农村广大的可再生能源资源相结合。(3)推进数字化升级,打造燃气分布式能源智能管理系统,工程技术服务企业拓宽专业领域、加强人才培养,由单一专业向跨专业发展,由传统燃气分布式能源系统向融合可再生能源、氢能、储能、碳管理的综合智慧能源领域拓展,增强运营管理服务能力、扩大服务范围。(4)推动提升气源供应保障能力,主动参与天然气市场化改革的新机遇,丰富气源,完善城市燃气输配管网,加强管网互通互连,提升输送能力和可靠性水平。优化储气设施布局,增强天然气调峰和保供能力。(5)推动制定天然气管道掺氢、生物天然气生产及并网的相关标准、指导性文件,鼓励天然气管道掺氢、生物天然气并入天然气管网进行试点示范并开展推广。(6)相关行业协会、媒体和行业专家应加大对燃气分布式能源的推广、宣传和教育力度。通过宣传培训提高各级主管部门、各类用户对燃气分布式能源的认识,积极回应社会关切,加强政策解读,加强经验总结和典型示范,推广复制成功经验,积极营造良好有利的社会环境和氛围。(7)加强国际合作,在学习国际先进经验的同时,也积极在包括“一带一路”国家在内的海外地区投资。与IGU(国际燃气联盟)、UNEP(联合国环境规划署)等相关国际组织加强交流合作,共同推动燃气分布式能源更好更快发展。