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清洁供暖的丹麦启示录:近一半区域供热来自可再生能源是怎么做到的

国际新能源网  来源:南方能源观察  作者:赵希  日期:2017-12-26
  这个冬季,因为“清洁”和“气荒”,供暖受到了前所未有的关注。
 
  “清洁供暖”的提出意味着人们必须关注供热带来的环境问题,而“气荒”的发生则让人们更多地反思供热能源的供给问题。远在北欧的丹麦也曾在不同时期面临过类似的问题。
 
  目前,丹麦已经实现了供热能源的自给自足,并且有接近一半的区域供热来自可再生能源的利用。丹麦是如何克服能源短缺,又是做到如何不断提高清洁供热比例的?总结而言,提高能效是关键,合理规划是前提。由于国情不同,丹麦的经验中国虽然不可能照搬,但或许可以借鉴一二。除坚定决心以外,尊重规律也是很重要。
 
  石油危机引发的区域供热
 
  丹麦区域供热的发家史应该从1973-1974那年的“油荒”说起。
 
  1973年10月,第一次石油危机爆发。由于国内能源消耗的约90%都依靠石油进口,丹麦受到了强烈波及,当地人民在交通和供热上感受到尤为明显的价格压力。同年,房屋协会提出了周末停止供热水和降低供房间供热温度的提议。
 
  在感受能源价格飞升的同时,丹麦开始重视能源独立、提高能效。一方面,在政府规划上,丹麦开始切实思考本国更为可靠的能源供给,核电、风电都是备选对象。另外一方面,在提高能效方面,具体到供热上丹麦开始考虑一改以往无规划的分散供热现状,全面推行能效更高的区域集中供热。
 
  1976年1月,丹麦第一次出台了能源总体规划,为能源长期总体规划打下了基础,同年4月成立了丹麦能源署(DEA,Danish Energy Agency)主要负责丹麦国内能源的规划、协调等工作。
 
  1979年,丹麦第一部《供热法案》颁布,该法案囊括了供热规划的形式和内容,开启了丹麦市政供热规划的新篇章。
 
  规划具体分为三个阶段
 
  第一阶段,地方政府提供报告,报告内容主要包括当地供热需求,现有的供热方法,以及能源使用量,此外还需要估计未来的供热需求和供热可选方案。随后,地方政府将报告上交国家委员会(country council)。
 
  第二阶段,地方政府起草当地未来的供热规划,国家委员会则汇总地方报告形成区域供热规划。
 
  第三阶段,国家委员会形成最终的区域供热计划。
 
  法案要求,这些规划必须明确规划地区的重点供热模式以及未来供热机组和管网的建设地点。
 
  在1981-1982年,一场遍及全国的供热规划随即展开,在区域规划中地方政府被充分授权,根据当地情况制定计划,只需要符合国家加强区域集中供热的大目标即可。如此地方政府可以针对地方特色进行规划,选择合适的供热模式,合理划分供热区域,统一规划避免了管网的重复建设。
 
  在地方规划中一个重要的工具就是经济性分析,即在全生命周期内评估各种方案的经济性,从而做出选择,其需要考虑的因素有燃料价格、电价、管网建设成本、排放的外部成本等。为此,丹麦能源署专门提供并定期更新一些评估方针、具体方法与数据,如以excel形式呈现的区域供热评估工具(DHAT,District Heating Assessment Tool),使得地方政府、开发商等利益相关方评估供热项目的经济性时有了相对统一的标准。
 
  为了进一步确保区域集中供热的经济性,将更多的用户纳入集中供热的范畴,丹麦还出台了相应法规,一面要求所有新老建筑必须接入集中供热,一面禁止用户使用电供热。另一方面,为了防止垄断侵害用户权益,供热法案要求区域供热公司本身必须遵守非营利性的原则,并详细规定了哪些费用可以包含在供热价格内。由丹麦能源管理局(DERA,Danish Energy Regulatory Authority)负责处理对供热价格等问题的一般性投诉,而针对当局的决定和法律法规解释的上诉则交由能源申述委员(The Energy Appeal Board)处理。
 
  天然气热电联产受推崇
 
  区域供热只是丹麦提高能效的一个重要手段,另一个重要手段是采用热电联产。
 
  研究表明,在效率上热电联产电厂明显高于单独供热和单独发电设备,通常情况下,一台供热锅炉的效率约为90~95%,一座冷凝式发电厂的发电效率仅40%~50%,而热电联产电厂的总效率可达85%~93%,相较单独供热和发电,总体燃料节约率约30%。
 
  随后热电联产在和区域供热开始缓慢发展,不断优化,特别是在人口较为密集的大城市运用较多,但直到第一次石油危机后,丹麦开始集中规划供热体系,才开始考虑在中小城市乃至乡村也进行区域供热与热电联产结合。
 
  在80年代末期,丹麦对大规模利用热电联产供电和供热的可行性进行了反复研究,于1986年,丹麦政府与国家电力公司达成《热电联产协定》,要求后者共建立450MW的小型热电联产发电厂,其能源形式要多样化,包括天然气、生物质、垃圾等,初期以示范项目为主。由于没有经济刺激,电力公司对此积极性不大。
 
  在想办法提高能效的同时,丹麦国内的能源勘探、开采也在进行中,喜讯是北海油田得以确认,并于1984年开始规模产出,丹麦本土石油、天然气的供应大幅提升。随着全球变暖问题日益受到重视,天然气相较煤、石油碳排放量更小、更清洁。两者综合,激励了丹麦当局对天然气的偏好。
 
  丹麦政府于1990年修订了《供热法案》,对地方政府在区域规划时的燃料选择和供热方式做出了明确指示。这次修订的主要目标是在提高能效的基础上考虑环境效益,一方面大力推广热电联产的使用,一方面增加以天然气为主的较为清洁的燃料使用,以确保扩建天然气管网的经济可行性,改造的主要对象是为区域供热的中小型供热锅炉。
 
  这轮改造分为三个阶段。
 
  第一个阶段(1990-1994年),主要针对有天然气管道覆盖的地区,将大型燃煤、优发娱乐官网供热锅厂改造为优发娱乐官网热电联产电厂。并依进展情况,考虑将垃圾焚烧发电厂转换为热电联产电厂。
 
  第二阶段(1994-1996年),主要针对天然气管道覆盖地区剩下的燃煤供热厂以及中型优发娱乐官网电厂,将其改造成优发娱乐官网热电联产电厂。天然气管道不通地区的供热厂,则被要求考虑转为使用秸秆、木屑等生物质燃料。
 
  最后,在第三阶段(1996-1998年),小型天然气供热厂要求转换为热电联产电厂,剩余的不通天然气的供热厂被转要求改用秸秆、木屑等生物燃料。
 
  除了在行政上推广天然气热电联产电厂以及生物质燃料的使用以扩大规模降低成本外,丹麦政府还相继出台了各项财政支持政策,通过税收、补贴等手段推动供热向高效、清洁转型。
 
  在税收方面,丹麦对供热的化石燃料煤、石油、天然气均收取相应的燃料税,而对电力生产则没有相应的直接税收,这促使供热厂有动力向热电联产电厂转变,以减少燃料税的支付。
 
  而天然气所交的燃料税要远低于石油和煤,促使供热厂更倾向于使用天然气作为原料,免收燃料税的生物质燃料也受到青睐。
 
  在补贴方面,为了促进小型热电联产的发展,丹麦政府于1992年修改了电力补贴政策,将原本仅针对可再生能源发电的补贴进行扩展,使所有使用天然气和生物质燃料的热电联产电厂都可享受不同程度的补贴。后于1997年调低了对天然气热电联产电厂的补贴幅度,给其运行造成了经济困境,政府又通过配套援助政策对受到影响的供热企业提供补偿。2003年,丹麦政府出台新的规定减少小型和工业热电联产发电厂的税收,以弥补低水平的补贴。此外,直到2005年,所有热电联产电厂覆盖范围内的用户都有义务全额购买其所发电力。
 
  所有的这些努力,效果初显。从1998年开始,丹麦实现了能源的自给自足,并且在GDP逐年上升的情况下,能源消耗总量常年保持基本不变(见图1)。
 
  图1:1990-2014年GDP、能源总消耗量、能源消耗强度变化

 
  新时代要求区域供热更灵活
 
  能源供给和能效问题似乎都已解决,但新的问题又出现了。电价放开、电力过剩、环境压力、风力发电占比不断增加等情况迫使区域供热需要变得更加灵活,燃料的多元化和蓄热越发受到关注。
 
  发展低碳能源已成大势,而丹麦早在1985年就已决定放弃核能,风能发电从此成为了该国大力发展的低碳能源。虽然丹麦的能源消耗总量保持不变,发电量还呈现略微下降的趋势,风电的发电量和装机容量却均在不断增加。
 
  2015年,丹麦全年生产电量的48%来自风电,风电的装机容量达到了全部装机容量的36%,剩余装机除少部分来自太阳能发电和水电外大部分依靠热电(包括煤电、天然气发电、生物质发电等),而这部分热电的79.1%实现了热电联产。
 
  图2:1990-2015年不同类型机组发电量变化

 
  图3:1990-2015年不同类型机组装机容量变化

 
  如此一来,电力在某些时段可能过剩,另一方面随着1999年丹麦电力放开管制,电价市场化,在电力过剩时刻的电价偏低,此时热电联产电厂同时发电和产热的经济性不再凸显。
 
  于是在2005年,丹麦废除了热电联产电厂同时发电和供热的强制性,一些小型热电联产电厂可以选择在电价低的时段仅供热少发电或不发电,这需要蓄热、电热锅炉和热泵、涡轮机旁路等技术手段实现。此外,一些非热电联产的供热厂的供热量近年来有所提升,这些供热厂原本主要用于提供尖峰时刻的供热需求。
 
  除了电力需求以及电价的波动要求供热变得更加灵活外,日益受到关注的全球变暖问题,也要求供热能源的来源更加低碳。对此,丹麦在2012年提出目标,要在2035年实现电力与供热系统100%由可再生能源提供,2050年能源系统实现100%的零化石能源供应。
 
  为了达成这项目标,充分考虑风电的发展情景,丹麦能源署作出了相应的区域供暖发展趋势预测,如下图(图4)。可以看到热电联产虽然在很长一段时间仍将占据主导,但终将逐步褪去主角光环,热泵和电锅炉、工业余热、太阳能等多样化的供热方式将逐步得以壮大。
 
  而丹麦坚持区域供热的方针不会改变,曾经区域供热的优点主要是提高能效,特别是配合热电联产使得能源得以充分利用。但当热电联产,尤其是以天然气为燃料的热电联产电厂将逐步被淘汰时,区域供热的另一优势得以显现,即可以使用更多种的燃料相互补充供热,区域的集中供热更换燃料相较于所有用户自身不断变换供热方式,显然更方便、经济。
 
  图4:丹麦区域供暖发展趋势

 
  目前,丹麦的供热能源已正朝这个方向发展。
 
  如图5所示,2000年之后,丹麦区域供暖中的可再生能源占比不断攀升,其中包含了太阳能、地热能、生物质、沼气等多种能源。表1则清晰地显示出,除化石能源外,其他所有能源如各种可再生能源以及电加热、热泵、垃圾(非可再生部分)等均翻倍增长,同时化石能源的消耗均在不同程度上得以削减。
 
  图5:1990-2015年区域供暖中各种能源消耗的占比

 
  表1:1994-2015年区域供热中各种能源占比

 
  除化石能源供热外,区域供热燃料中占比最大的仍是生物质燃料供热,但随着生物质如秸秆、木材等的大规模利用,一些科学家和环保组织对其可持续性提出担忧。
 
  垃圾供热在区域供热中的占比紧随化石能源和生物质燃料之后。随着技术的提升,为垃圾焚烧厂配备烟气冷凝器,使得即便处理生活垃圾这类含水量较高的垃圾,焚烧厂也可以达到很高的能源利用效率。
 
  除去这些较为传统的供热能源,丹麦的太阳能供热规模从1994年到2015年增长了一百多倍,是所有供热能源中规模增长最快的一个,它在区域供热系统中扮演的角色逐渐受到肯定。由于丹麦纬度高,气温偏低,与中国不同,丹麦的区域供热在提供室内暖气的同时也提供热水,且每家每户可以自行调节供热温度、用量,所以全年供热,而夏季无需室内暖气,供热量偏低。大规模的太阳能热场基本可以满足区域夏季的供热需求,而冬季仍需其他燃料或是蓄热作供热辅助。
 
  值得一提的是,蓄热可在不同时间尺度上为区域供热增加灵活性。一方面如前文所提,热电联产电厂配合短期蓄热,可在不影响供热的基础上根据电力市场价格波动合理发电。另一方面,跨季节的储热与大规模太阳能供热的结合,可以更充分利用太阳能的产热。跨季节储热的原理很简单,通常情况下是利用一个保温效果好的装满水的水库,将夏季太阳能产出的多出当季需求的部分热量储存,待到秋冬季太阳能产热不足时再做补给。
 
  除了增加供热系统的灵活性,提高能效依然是丹麦改进供热系统的重要目标。为实现这一目标,丹麦希望能进一步降低热管网的运行供应温度,从现在的不到90℃继续下调到50~60℃,而为了达成这一目标,必须进一步提高建筑能效和优化管网分配。
 
  未来,如何能让供暖体系变得更经济、环保、高效,丹麦仍在摸索中。
 
  参考文献:
 
  Danish Energy Authority, Danish Heat Supply: Who, What, Where, When and Why (2005)
  IEA, CHP/DHC Country Scorecard: Denmark (2008)
  绿色国度,区域供暖解决方案——丹麦经验(2015)
  丹麦能源署,丹麦区域供暖的政策与规划(2015)
  绿色国度,绿色转型白皮书——区域能源(2016)
  DEA, Energy Statistics 2015 (2017)
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