
今天分享的是:2025从高效率能源利用走向高品质能源利用——综合能源系统品质提升关键技术及应用-天津大学 王丹
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能源利用进入“品质时代”:从“省得多”到“用得好”,综合能源系统如何破局?
在2025全球能源互联网大会的新型电力系统学术论坛上,天津大学王丹团队带来的研究成果,为全球能源转型提供了新视角——当传统的“高效率”能源利用逐渐触及瓶颈,“高品质”利用正成为破解能源供需矛盾、推动碳中和的关键方向。这一转变不仅关乎能源消耗的“数量”减少,更聚焦于能源“做功能力”的精准释放,重塑着未来能源系统的发展逻辑。
从“数量节能”到“品质节能”:能源利用的认知升级
过去多年,全球能源节能的核心思路集中在“数量”层面:一方面通过增加风电、光伏、地热等可再生能源接入,减少化石能源消耗(即“开源”);另一方面通过技术手段降低能源传输中的“跑冒滴漏”,减少损失(即“节流”)。这一模式在初期成效显著,但随着实践推进,我国能量“数量”节能的幅度逐年下降,单纯靠“省多少”“发多少”的思路已难以为继。
展开剩余87%问题的关键在于,用能的本质并非“消耗多少能量”,而是“利用能量做多少有用功”——这就是能源“品质”的核心。就像一箱100颗的水果,“数量”是100颗,但只有没腐烂的90颗具备“食用价值”,这90颗的“品质”才真正决定了水果的实际用途。能源亦是如此:热力学第一定律告诉我们能量“数量”守恒,不会凭空消失;但热力学第二定律揭示,能源的“品质”会不断贬值,比如电能若直接用于低效率供暖,其原本能驱动精密设备的高“做功能力”就会被浪费。
这种“品质差异”在实际场景中随处可见。以市政热力管网为例,热源厂输送的热量“数量”足够,但随着传输距离增加,热能的“做功能力”(即“㶲值”,可理解为有效能)会逐步减弱——用户1和用户2获得的热量相同,但实际能用于供暖的有效能却相差明显。天然气管网也存在类似问题,掺氢天然气传输中,即便通过流量调节保证用户获得的能量总量一致,燃气的热值(做功能力)也会随距离衰减。
更关键的是,传统“能效”指标无法反映这种品质差异。数据显示,某能源站能效可达88.4%,但衡量有效能利用的“㶲效率”仅为51.3%;另一场景下,能效降至60.57%,㶲效率反而升至69.29%。这意味着,能源利用的“数量效率”高,不代表其“品质效率”高,甚至可能存在“高能耗换低效用”的隐性浪费。
高㶲综合能源系统:定义“高品质”利用的核心标准
为解决这一问题,王丹团队提出了“高㶲综合能源系统(HE-IES)”的概念,将能源利用目标从“高效、安全、低碳”升级为“高效、安全、低碳、高㶲”,明确了“一低三高”的品质标准:低㶲损(有效能损失少)、高㶲效率(有效能利用率高)、高终端能质系数(用户端获得的有效能品质高)、高有效能利用率(输入能量转化为有效能的比例高)。
这一系统并非凭空构建,而是以“㶲流机理模型”为核心支撑——就像给能源系统装上“有效能追踪器”,实时监测电能、天然气、热能在生产、传输、转换、消费全链条中的品质变化。比如在电力系统中,将电压差与㶲损关联,精准计算线路传输中有效能的流失;在热力系统中,通过温度变化分析单位质量水承载的有效能差异;在天然气系统中,结合热值、能质系数量化燃气的做功能力。
围绕这一核心,三大关键技术构成了高品质利用的“支柱”:
其一,高㶲规划技术,核心是“避免错配”——不让高品位能源(如电能)做低品位工作(如粗放供暖),也不让低品位能源(如余热)承担高要求任务(如工业精密加热)。通过优化能源站布局、管线扩容与新建、设备改造,从源头减少“品质浪费”。例如在北方某示范区规划中,通过新增可再生能源机组、扩展热力管网,系统有效能利用率提升显著,避免了局部区域“高质能闲置、低质能过载”的问题。
其二,高㶲运行与调度技术,聚焦“动态匹配”。结合可再生能源出力的不确定性、用户负荷的波动,通过精准预测、状态感知、智能优化,实时调整能源分配策略。比如当风电实际出力高于预测时,优先将多余电能用于高㶲需求的工业生产,而非低效储热;当出力不足时,通过燃气轮机补能而非削减高价值负荷,确保有效能“用在刀刃上”。
其三,㶲经济学与市场化机制,让“品质”成为可衡量、可交易的商品。由于㶲能统一反映不同能源的“有效能属性”,团队提出基于㶲流追踪的成本分摊方法——比如某条电力支路的㶲损,按各用户实际消耗的有效能比例分摊,而非简单按用电量均摊;同时设计多元化交易模式,允许用户根据自身品质需求,在市场上选择高㶲电能、低热值燃气等不同品类的能源,推动“品质定价”的市场化落地。
从理论到实践:中国能源系统的“品质优化”路径
这些技术并非停留在实验室,而是已在多个场景中验证成效。对近十年中国能源系统的分析显示,当前能源浪费主要集中在三大领域:高品质电能的低质利用(如粗放式电采暖)、热能的不匹配利用(如高温蒸汽用于低温需求)、燃烧过程的不可逆损失(如化石燃料不完全燃烧导致的有效能流失)。基于此,团队建议未来需深化能源梯级利用——比如将电厂余热用于居民供暖,再将供暖回水用于农业灌溉,让不同品质的能源“各尽其用”;同时构建多能互补网络,通过电、热、气协同,减少单一能源依赖导致的品质损耗。
在北方某工业城镇示范区的实践中,“㶲路模型”的应用让能源系统的品质问题一目了然。通过将设备、节点、㶲流路径转化为可视化拓扑图,团队发现:能源站是㶲损的主要环节,其输送高品质能源的能力不足,导致用户端虽获得足够能量,但有效能品质偏低。后续通过能源站内部设备改造,㶲损降低23%,用户端有效能利用率提升18%。
此外,量质协同状态估计技术的应用,解决了传统能源管理系统“只看数量、不看品质”的短板。在该示范区,通过实时监测节点电压、管道流量、介质温度等参数,同时计算对应的㶲流数据,为能源交易、做功安全评估提供了精准数据支撑——比如某条天然气管道的负荷㶲预测误差控制在5%以内,确保了“品质交易”的公平性。
能源品质革命:开启可持续发展新空间
从“数量优先”到“品质优先”,这一转变不仅是技术层面的升级,更是能源利用理念的革新。在全球碳中和目标下,可再生能源装机规模持续扩大,但如何避免“绿电浪费”“绿热低效”,关键就在于提升能源品质。比如风电、光伏发出的电能,若直接用于高㶲需求的电动汽车充电、工业智能制造,其减排价值远高于单纯用于供暖;工业余热若能精准匹配农业、建筑等低㶲需求,可大幅降低化石能源补充量。
王丹团队的研究表明,未来能源系统的竞争,将不再是“谁能发更多电、产更多热”,而是“谁能让每一份能源都发挥最大品质价值”。高㶲综合能源系统的推广,不仅能减少隐性能源浪费,更能为可再生能源消纳、新型电力系统建设提供新路径——当能源利用的“品质效益”被充分释放,全球能源互联网的“清洁、绿色”目标,将迎来更坚实的落地支撑。
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