針對我國能源生產和消費面臨的挑戰，以及國家能源發展戰略要求，構建清潔能源微網是實現我國能源革命的重要途徑之一。清潔能源微網以可再生能源為基礎，環境能源、天然氣和潔凈煤等能源協同，化石能源補充，實現區域性分布式冷熱電氣聯供。本文闡述了清潔能源微網的內涵、四個特征、五個層次以及設計思路，重點分析了可再生能源系統、環境能源系統、潔凈煤和氫能等能源開發利用中的關鍵技術，為清潔能源微網構建提供參考。

一、清潔能源微網的構建

能源革命的內涵之一是推動能源供給革命，建立多元供應體系。實現路徑之一是構建高效的清潔能源微網，即以可再生能源為基礎，天然氣、潔凈煤、環境能源等協同，化石能源補充，實現多能互補耦合，建立區域性分布式冷熱電氣供應系統，實現產能、供能、用能、蓄能和節能相互協調統一的能源供應系統，帶動可再生能源的規模化應用與發展，推進潔凈煤、環境能源在多元供應體系中的應用。

清潔能源微網系統有以下特征：(1)能量利用合理化：提高能源系統?效率，實現品位對接、溫度對接、梯級利用與互補耦合，提升系統經濟性能，并最大限度使用可再生能源。(2)能源系統環保性：優先采用可再生能源和清潔能源，近零排放，環境友好。(3)能源資源集成化：系統實現可再生能源、清潔能源、化石能源等能源資源的整合。(4)多網協同性：實現電力網、熱力網、信息網三網融合。

清潔能源微網系統包含五個層次：一是能源側，包括可再生能源、化石能源、環境能源等。二是能源轉換、耦合互補側，根據不同區域可再生資源稟賦及用能側需求，選擇多種能源的組合和能量轉換的方向與路徑，以實現耦合互補和梯級利用。三是能量儲存側，根據能源側供能特性及需求側用能需求，以及能量管理、智能調控要求進行儲熱(冷)、儲電、儲氫、儲氣，提高供能質量與能源利用效率。四是智能控制側，綜合考慮氣候氣象因素、可再生能源的多源異質、多/強擾動等約束條件，建立可再生能源優先使用，天然氣、潔凈煤、環境能源等能源協同，電網、熱網、氣網補充的調控原則，并利用“云大物移智”等現代信息技術，建立基于專家數據庫的能源微網智能控制及系統運行管理系統，以保證系統平穩、快速響應。五是用能側，根據用能側負荷氣象氣候特征及使用特性，構建用能潛能分析及系統預測方法，實現熱(冷)電氣多網聯供。

清潔能源微網系統設計思路：結合區域規劃，以可再生能源為基礎，天然氣、潔凈煤、環境能源等能源協同，化石能源補充，以儲熱、儲電、制氫儲氫、儲氣為儲能手段;以余熱利用、能量梯級利用、水源熱泵及建筑低能耗等為節能手段，以市政電網、熱網、氣網補充為調控手段，通過多能互補耦合、品位對接、梯級利用、儲用結合、分級響應、精準調控、智能控制的策略，基于不確定性的可再生能源系統動態校驗規劃設計方法，構建清潔能源微網供能系統。在構建清潔能源微網時，應以可再生能源最大限度利用和區域內使用為原則。

二、清潔能源微網關鍵技術

(一)可再生能源系統

可再生能源系統涉及到多層面多因素、多系統隨機動態復雜過程。關鍵技術主要包括：

(1)基于不確定性的可再生能源系統動態規劃設計方法。結合區域氣候氣象特征分析，揭示穩定供應型與間歇型可再生能源的高效互補機理，探明用能側負荷氣候氣象跟隨特性，建立可再生能源熱電氣儲耦合供能系統技術架構。針對可再生能源系統高隨機性、弱互聯及動態特性等關鍵問題，構建全工況動態特性仿真模型，探索變工況狀態各因素間的關聯規律，提出基于不確定性的可再生能源系統動態校驗規劃設計方法。

(2)基于氣象數據預測的可再生能源熱電氣儲耦合氣象數據庫。分析氣象要素時空分布特征及供/用能需求關聯特性，建立區域基礎氣象數據庫，開展潛能分析和短期預測，獲得氣象條件對供/用能系統的影響規律。

(3)以多種可再生能源為基礎的熱電氣儲耦合機理、調控機制及高效轉換技術。基于氣候特征、氣象跟蹤、資源稟賦，采用可再生能源各單元供能負荷及產物可調節技術，結合儲能單元能量高效轉換、梯級利用以及分級跟蹤響應技術，探索多能源輸入、熱電氣輸出與儲能的耦合機理，揭示變工況多能互補、熱電氣儲聯產、穩定快速跟蹤供能、經濟性等多目標優化下的高效能量轉換和調控機制。

(4)高隨機性、弱互聯及多能耦合下可再生能源熱電氣儲系統的先進控制與能量管理技術。綜合運用多時間尺度優化調度、多能流動態建模、隨機預測控制等技術，提出完整的先進控制和能量優化管理方法。建立面向節能、經濟、環保多目標的日前、日內、實時的多時間尺度優化調度模型，通過預測誤差反饋校正和滾動優化，提出基于魯棒自適應狀態估計的多變量隨機預測控制方法，實現多/強擾動下系統的平穩運行和負荷快速跟蹤。

(二)環境能源供能系統

傳統的能源是指向自然界提供能量轉化或可做功的物質，而環境能源則是指在維護和改善環境的同時，可綜合發展及合理利用的能源統稱，其特征是以最優化原理來解決環境與能源可持續發展問題，即在環境治理時盡量使廢棄物資源化利用，在處置過程中減少二次污染，在資源化過程中經濟合理、運行可靠。處置及資源化過程采用一系列高參數手段，如高溫、高壓、高級氧化、超臨界和高電荷(等離子體等)等。環境能源供能系統是在安全、清潔處置固體廢棄物的同時使其最大限度的資源化、能源化，同時可以將其組合到我們的能源微網當中。然而目前還存在一些技術瓶頸，主要有：技術裝備要求高，能源效率有待提升，處置過程二次污染，產品深度利用不足，缺乏顛覆性技術等。環境能源供能系統關鍵技術包括以下幾個方面。

(1)低溫熱解—氣固兩相多組分高溫逆流氣流床熱化學轉化相結合的復合熱解新工藝。有機固廢低溫熱解產物經高溫熱化學反應，高效轉化為一氧化碳和氫氣。在高溫還原氣氛下，氣體的深度凈化變得簡單。氣相產物可進一步深度利用，如制氫，殘渣轉化為建材。整個工藝過程，能量梯級利用，不直接對外排煙，是一種清潔、高效、安全、經濟的有機固廢熱解及資源化利用技術工藝。

(2)新型有機固廢高效熱解技術。針對生活垃圾這類有機固廢，研發新型回轉式碳剝離、深度熱分選與低溫熱解耦合技術，主要是通過爐料金屬、無機物和裝置結構的雙重作用，對熱解碳物質進行物理動態連續破碎，同時通過裝置結構實現塊狀金屬及塊狀無機物熱分選，提高熱解速率和效率。針對污泥這類有機物固廢，采用圓盤型雙通道外熱式移動床熱解新技術，通過雙通道加熱，圓盤型換熱，設計物料移動推進和熱解氣柔性分隔結構等，解決污泥干燥熱解一體化、污泥流動性差、傳熱傳質效率低、熱解反應控制等技術瓶頸。

(3)氣固兩相多組分高溫逆流氣流床中心高溫熱島構建及有害有毒物質高溫熱阻斷技術。采用新型雙水內冷多噴嘴結構及爐內布置形式與工藝參數結合，構建爐內中心高溫熱島，形成爐內明顯溫度梯度，實現氣固多組分熱解產物高效熱化學轉化、避免熔渣等對爐壁沖刷、熔蝕、掛壁、堵塞及合成氣出口溫度高的難題，以及有害有毒物質，特別是重金屬固熔、二噁英高溫熱阻斷。

(4)基于不飽和稠雜環芳烴化合物載體的常溫常壓高密度可逆儲氫、制純氫技術。環境能源供能系統經濟性制約了有機固廢安全、徹底處置技術的工業化應用。有機固廢熱化學處置制氫是實現系統經濟效益的重要途徑，而氫氣安全儲運也是當前的技術難題。基于不飽和稠雜環芳烴化合物載體的有機液體儲供氫技術具有高穩定性、高可逆性、高儲氫量、低成本等特點，與高壓儲氫、低溫液體儲氫、液氨儲氫等技術相比，實現了常溫常壓條件下氫高密度儲運，可利用現有化石能源輸運構架，大幅降低加氫站建設門檻與成本。該技術儲氫密度達到6wt%(每100質量單位里含有6質量單位)，氫氣純度為99.99%，為應用于燃料電池開辟了另一路徑。

(三)氫能技術

氫能是我國能源戰略的重要組成部分。2019年全世界已有19個國家和城市制定了各自的氫能戰略和發展路線圖。很多國家將氫能產業化作為新的經濟增長點，力爭保持現有的全球競爭力。在清潔能源微網系統中，綜合運用可再生能源制氫、有機廢物制氫以及制氫儲氫發電等技術，通過氫能可實現廢棄能源的儲存與高值化利用。

(四)煤炭清潔高效利用技術

推動煤炭清潔高效利用是我國能源轉型的主要任務，但目前高碳能源低碳化的利用技術仍是煤化工的技術瓶頸。建立綠色化現代煤化工產業體系，推進煤基燃料全面發展，開發高效清潔煤氣化技術、高效污染物脫除技術、多污染物協同控制技術、廢水零排放技術以及“三廢”資源化利用技術，是實現煤炭清潔利用的重要手段。煤熱解—兩相多組分高溫逆流氣流床氣化—熔融新工藝為破解這一技術難題提供了一種途徑。

三、結語

從我國能源消費需求、化石能源儲采比及應對氣候變化考量出發，我國亟需推動能源供給革命，探索能源供給新模式。清潔能源微網供能體系通過綜合運用可再生能源、環境能源、清潔能源等一系列關鍵技術，可有效破解當前能源與環境發展面臨的諸多瓶頸，為我國能源高質量發展提供思路。

參考文獻：

[1]謝克昌. 以煤為主格局決定能源轉型立足點和首要任務[N]. 中國科學報,2019-12-09(007).[2]BP世界能源統計年鑒[R].2018.[3]李兵,牛洪海,陳俊,耿欣,婁清輝.多能互補綜合能源系統運行優化研究[J].分布式能源,2018,3(02):53-57.[4]蘇樹輝,毛宗強,袁國林.國際氫能產業發展報告[M].2017.[5]氫陽能源.常溫常壓有機液態儲氫技術 [EB/OL].https://www.hynertech.com/.[6]肖波,馬隆龍,李建芬,朱躍釗.生物質熱化學轉化技術[M].北京:冶金工業出版社,2016.

原文首發于《電力決策與輿情參考》2020年8月7日第31期