分布式能源的抉择——天然气or可再生能源

作为先进的能源利用方式，分布式能源具有高效、灵活环保等优势，也代表了供能发展趋势。提到分布式，你也许第一个想到的是光伏，但其实分布式能源系统一次能源以气体燃料和可再生能源为主，这其中包括天然气、生物燃气、风电和光伏等。那么，分布式能源在对一次能源的选择上到底是选择气体燃料还是可再生能源呢?或者说，他们之间究竟是“你死我活”还是可以“互利互助”呢?

【到底什么是分布式能源?】

首先，什么是分布式能源?分布式能源就是分布在用户端的能源综合利用系统。目前的分布式能源系统一次能源以气体燃料(天然气、生物燃气、煤制气等)和可再生能源(风电、光伏)为主;而二次能源以分布在用户端的热电冷(植)联产为主，其他中央能源供应系统为辅。与大型电站相比，分布式能源通过直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充，实现多系统优化，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，实现利用效率的最大化，以GE采用颜巴赫发电机组的冷热电三联供系统为例，其能源综合利用效率甚至能达到90%。

(图片来自：顶点财经)

总的来说，分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向，它具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。

【天然气分布式在中国：起步晚，困难多，潜力大】

天然气分布式能源在全球范围早期的发展是非常迅速的，但在我国的起步较晚：2011年10月14日发改委、能源局、财政部联合下发《关于发展天然气分布式能源的指导意见》确定要在国内先行试点，至此分布式天然气能源项目才开始逐步推广开来。

而可再生分布式能源是正式起步于2013年2月27日国家电网公司发布的《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》。根据《能源发展“十二五”规划》，2015年，我国将建成1000个天然气分布式能源项目、10个天然气分布式能源示范区;分布式太阳能发电达到1000万千瓦，建成100个以分布式可再生能源应用为主的新能源示范城市。风光互补也是进行得如火如荼。

(中国2000-2013天然气生产与消费情况，EIA)

2013年7月国家发改委决定于当年7月10日正式上调我国非民用天然气价格，拉开气价市场化改革大幕，让天然气分布式能源行业陷入寒冬。这让从事天然气分布式能源项目的企业则备感压力。过去两年中，我国天然气生产、进口形式仍然严峻，高气价问题短时间内仍无法缓解。自气价上涨后，今年分布式能源项目开工率大不如前。但这远未走到末路。一是随着各地相继出台鼓励政策，天然气分布式能源项目在并网、补贴政策执行效果较好地区势头渐好;二是随着技术的进步和理论的创新，一些天然气分布式能源项目通过进一步提高能源利用效率来缓冲高气价下的成本压力，项目仍具有可期的经济性。

【天然气分布式：可再生能源背后的的“主动”动力支持】

目前，我国分布式电站主要以单一用能为主，如天然气分布式、光伏分布式、风电分布式、地热分布式。其中天然气分布式电站属于主动用能，而风电、光伏及其他可再生能源均属于被动式用能，其利用因自然条件的不同而存在随机和不可控性。“主动”与“被动”是一对反义词同时，也证明其具有先天的互补性。多种能源互补式利用模式不但可以以最优化的方式利用当地的资源，亦能在很大程度上节省巨额输电费用，从而达到能源利用全过程中效率最大化和成本最小化。

首先，天然气和可再生能源在功能上相辅相成。风能和太阳能属于间歇性能源，在使用期间必须随时储能，或设置后备电源来补偿供电不足时的供能。而天然气在调度上的灵活性使其正好能担当这一角色。与此形成对比的是，大型的锅炉型系统——燃煤电机或核电设备都无法灵活地运行，仅开机就需要数小时，造成能量流失，因此很难与间歇性能源配合工作。

其次，天然气中主要成分为甲烷，而甲烷本身就是可再生的，它能够被大量加工，并且使用效果与化石能源无异。可再生甲烷能够从很多物质中提取出来，很多生物甲烷的最佳原料是生活废物，转换技术已经非常成熟。相比乙醇和生物柴油，生物甲烷的另一个特点在于，它的产量更为巨大，更具实用性。以亚洲最大养鸡场的德青源为例，利用沼气发电的德青源装备了2台颜巴赫J320燃气发电机组，日消耗鸡粪220吨废水170吨，年发电1460万度，一年能帮助减少约9万5千吨二氧化碳排放，可谓经济账和环境账都算的好看。

(生物燃气发电系统)

第三，天然气电力具有将多余电量转化为甲烷，并将其储存在管道设施中的潜力。在电解作用下，利用电将水分解成氢和氧——氢工业用途广泛，可为电池提供燃料，也可用于制造生物甲烷。

尽管目前天然气电力还没有达到商业规模，但相关技术已十分成熟。太阳能和风能的储能是业界亟待解决的难题，相较之下，天然气储能灵活得多——既易于管道运输，又便于储存在油罐中，还能转化成其它产品。天然气基础设施使得燃料电池能够生产电力，并且这个过程毫无污染物排放。质子交换膜燃料电池使用纯净氢气作为燃料，这个技术能被运用在电动汽车上。固体氧化物燃料使用甲烷作为燃料，但最好用于产生固定动力。

氢燃料电池拥有广阔的前景，但分离氢和储存纯净氢仍然存在巨大挑战。氢非常微小，并且容易挥发，它不仅会从钢管道中溢出，还会与钢发生反应，导致后者变得易碎。因此，运输氢气的管道必须是不锈钢质地的，并且每一个连接点都需要接受高强度焊接测试，管道阀门也必须使用特殊材料。相对于天然气现在使用的镀锌钢管，储存和运输氢气是一个更为昂贵和复杂的工程。

工业生产氢气通常使用天然气，因为这比电解分离氢的成本要低得多。这样，天然气广泛推广了氢气和燃料电池的使用。当人们考虑煤炭和石油的替代能源时，碳氢氧化物和甲烷是最清洁的燃料。可再生能源发电可以替代燃煤电厂，但无法有效替代汽车、货轮和大马力机器设备需要的汽油。而天然气正好可以替代柴油、石油、船用燃料油，并能转化成液体燃料，比如飞机燃料。而在所有碳氢化合物中，甲烷是碳含量最少的，因此使用天然气十分利于减排。

甲烷是所有碳氢化合物中含量最丰富的，被称作“万能战士”——它可以用来供暖、供电、给运输工具提供动力。通过费舍尔(Fischer-Tropsch)处理过程，甲烷可以被转化成为完全清洁的汽油和航空燃料。此外，甲烷还是制造塑料、化学制品和废料的重要原材料。如果回收利用的塑料能够被还原成甲烷，那么将促进人们实现“零废料”的目标。

【要绿色发展，天然气一定不能绕过】

天然气资源分布非常广泛，页岩革命的爆发更是进一步提高了天然气的应用潜力。如果可燃冰能够进入市场，那么天然气的使用将更加广泛，届时，煤炭和石油被天然气替代将指日可待。此外，天然气的运输也拥有无与伦比的安全性。尽管甲烷的燃烧也产生碳排，但远少于其它化石燃料。甲烷本身是一种温室气体，因此使其物尽其用是减少温室效应的有效方法。

总之，作为可再生能源之外的替补能源，清洁、高效、用途广泛的天然气应用潜力巨大。事实上，风能和太阳能这类间歇性能源需有效储能，以确保电网在任何时间都保持供电状态，但目前的储能技术还无法满足这一要求。因此，天然气已成为能源结构中不可或缺的一员。可再生能源的倡导者应该普遍认识到天然气和可再生能源之间的和谐共存关系，并加以妥善利用，以确保人类的能源供应。探讨能源的绿色发展之路，实质也是追求人类与环境的和谐发展，减少能源资源的消耗，实现经济、社会、生态的全面可持续发展。只有积极推进节能减排，大力发展可再生能源和核能、天然气等清洁能源，我们才能实现能源绿色发展和可持续发展。

【作者，郑一鸣，清华大学电气工程博士】