核心定义：什么是能源系统总效率
所谓的能源系统总效率, 其实就是指, 从那种叫做一次能源的输入状态开始，例如原煤, 天然气, 或者核燃料之类的东西进去, 一直到最终在用户端那些实际可以用到的热、电、冷、还有动力这些服务输出为止, 在这中间所存在的有效能量比值。它的核心计算公式为:
η_total = E_useful / E_primary_input
其中, E_useful是指用户终端实际获得的有用能量, E_primary_input是指系统投入的一次能源总量。该指标是用来衡量能源利用全链路的经济性与低碳性的根本性参数。
任何单一环节的能源转化效率, 例如锅炉的效率或者直接驱动负载的电机的效率等, 都不能够替代对总效率进行综合性判断这一事实的重要性。
全链路效率的计算方法
关于能源系统的总效率, 其数值是由各个环节的效率经过连乘运算之后的结果所决定的。
总效率 η_total 应该等于η₁ 乘以 η₂, 还要乘以 η₃, 然后一直到乘以 ηₙ。
拿这个例子来说, 也就是燃煤发电之后呢, 再经过输变电这个环节, 最后到达用户那里去用电。
电厂里面的锅炉还有汽轮机, 再加上发电机, 它们综合在一起的发电效率, 也就是η₁, 大概是在35%到45%这样一个范围里头。其中超临界机组的话, 是可以达到45%以上的。
在输配电这个环节里, 综合损耗率大概是在百分之五到百分之七的范围之间。也就是说, 效率指标 η₂ 的数值约等于百分之九十三到百分之九十五。
在用户这一侧, 电机以及末端的设备它的效率是η₃, 这个数值会根据具体的场景不同而产生变化, 一般情况下典型的数值是在百分之六十到百分之九十之间。
把这三个东西乘在一起, 全链路总效率通常在百分之二十到百分之三十六的区间当中。这就意味着每消耗一百吨标煤, 用户最终获得的有用能量大概是二十吨到三十六吨标煤当量。其余的大部分都是各个环节里面的热损失、线损以及机械损耗。
提升总效率的关键路径
1. 在源头替代与升级方面, 采用效率大于48%的超超临界燃煤机组, 或者采用效率大于60%的燃气蒸汽联合循环, 又或者是采用可再生能源直供的方式, 以此来直接拉高η₁的值。
2. 输配环节降损, 推广使用特高压输电技术, 同时也推广柔性直流输电技术, 这样的话能够降低电网损耗, 把网损率控制在百分之三以下；在城市供热管网方面, 采用真空保温技术加上热水循环模式, 供热效率是可以提升到百分之八十五以上的。
3. 在使用终端的能源优化方面, 依靠高效电机, 这些电机的效率等级是IE5或者更高, 还有LED照明技术, 以及变频控制技术等等这些技术手段, 使得那个用eta下标3表示的那个指标, 逐渐趋向于其所能达到的最高上限。
4. 梯级利用与多能互补: 热电联产, 也就是英文里的CHP这种方式, 它把发电过程中产生的余热拿去用于供暖。这样做的话, 整个系统的综合效率能够从原来的百分之四十, 提升到百分之八十以上。这是提升总体效率方面, 非常显著的一种结构性手段。
常见误区与疑难
有这样一个误区, 那就是认为单体设备的效率高, 就等于整个系统的效率高, 其实锅炉的效率哪怕达到了百分之九十五, 也不代表系统总的效率就是百分之九十五, 因为必须还要去乘以输电配送的效率和末端设备的效率。
这是一个误区,第二点就是只看电效率,忽略热效率。 在纯发电的场景里, 丢掉了大量低品位的热能, 而在CHP的模式下, 这部分被回收了, 总效率就直接跃升了。
疑难:如何界定用户端有用能量? 这一点是要以用户实际获取的能量为准的, 而且这个能量是可以做功或者用来供热的。要排除散热、辐射这些不可回收的损失部分。在核算的时候, 是参照GB/T 2589《综合能耗计算通则》来开展的。
小结
能源系统总效率, 这个概念, 它像是一张账, 这张账把整个链路都穿透了过去。不管是什么节能降碳的政策评估, 还是技术改造的决策过程, 都必须拿总效率作为最终的判断依据, 绝对不能孤立地去查看某一个设备或者某一个环节的局部指标。
只有把那从一次能源到终端服务的全部路径, 全都纳入到一个统一的核算框架里面去, 这样才能够在真正意义上识别出那些损耗瓶颈, 从而实现能源利用最优配置的效果。
