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      能源互聯網的“熱響應”與“冷思考”

      2019-09-29 14:52:26 能源雜志   作者: 王永真 張靖 趙偉  

      對能源系統的優化,關系到人類社會的高質量可持續發展。能源互聯網(Energy internet,EI)作為本次能源革命的排頭兵,其發展態勢成為引領我國能源轉型的風向標。

      能源互聯網,一方面提倡源側分散式可再生能源的大規模接入,統籌用戶側能源產消者,實現能源的雙向流動與開源創造;另一方面,通過能源“硬技術”突破和“軟機制”設計,實現能源系統全生命周期的“能效提升”。

      最終,基于“共建、共治、共享”理念,能源互聯網通過打破遍及能源系統物理層、信息層和應用層“環-網-荷-儲”的各環節,以及在規劃、建模、運行、優化和市場等鏈條中的“泛在之墻”,實現全局優化與多方“共贏”。

      目前,能源互聯網的產業發展和科學研究還處于快速發展和不斷完善之中,因此,本文立足我國能源互聯網發展的新態勢,圍繞能源互聯網及其示范工程中物理層、信息層和市場層的建設內容,一方面,總結能源互聯網發展的良好勢頭、做好能源互聯網的“熱響應”;另一方面,看清能源互聯網發展遇到的困難、提供能源互聯網發展過程中的“冷思考”。以期為能源互聯網的科學研究和產業發展厘清思路、提供參考。

      能源互聯網:以電為核心,集成冷、熱、氣等能源,具有“三橫四縱”結構特征的能源生態網絡

      能源互聯網是能源系統和互聯網技術深度融合的產物,也是智能電網發展的高級形態。能源互聯網包容性強、覆蓋面廣、業態多樣。而當前業界對能源互聯網內涵外延的詮釋,多是基于自身學科或產業,不一而足。如:

      1. 《T/CEC 01.1-2016 能源互聯網 第1部分:總則》:能源互聯網,以電能為核心,集成熱、冷、燃氣等能源,綜合利用互聯網等技術,深度融合能源系統與信息通訊系統,協調多能源的生產、傳輸、分配、存儲、轉換、消費及交易,具有高效、清潔、低碳、安全特征的開放式的能源互聯網絡;

      2.《關于推薦“互聯網+”智慧能源發展的指導意見(發改能源[2016]392號)》:“互聯網+”智慧能源(簡稱能源互聯網)是一種互聯網與能源的生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態,具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征;

      3. 清華大學能源互聯網創新研究院:能源互聯網是以電力系統為核心與紐帶,構建多種類型能源的互聯網絡,利用互聯網思維與技術改造能源行業,實現橫向多源互補,縱向源-網-荷-儲協調,能源與信息高度融合的新型(生態化)能源體系。

      盡管上述有關能源互聯網的概念表述不一,但均突出了能源互聯網的三大基本要素:

      1. 物理實體上,以電為核心,集成冷、熱、氣等能源,實現異質能量流的多能互補與綜合利用;

      2. 信息物理融合上,借助“互聯網”的系統化思維和信息化手段,實現能源系統的全景感知和數據化管控;

      3. 應用交易價值上,能源技術創新和機制設計可遍及系統的規劃、運行、市場等環節,重塑能源系統生產關系的新生態。

      上述特征,可以通過能源互聯網的“三橫四縱”概念框架進行通俗闡釋,即,“橫向:物理流-信息流-價值流的三流合一”;“縱向:源-網-荷-儲的四環協同”。可謂,通過信息物理融合和市場機制設計,能源互聯網追求突破物理層、信息層和價值層藩籬的深度交互,實現“三流合一”;通過協同設計、統一規劃和集成優化,能源互聯網追求打破“源-網-荷-儲”各環節條塊分割的壁壘,實現“四環協同”。

      能源互聯網物理層:以電為核心的“熱響應”與“冷思考”

      “能源互聯網為何是以電能為核心,而不是以“熱能(冷能)為核心”成為能源互聯網實施過程中常遇到的疑問,特別是剛接觸能源互聯網概念,來自“工程熱物理與動力工程學科”或“供熱供燃氣通風及空調工程”學科,從事供暖、制冷的學者和技術人員常會如此發問,究其原因,筆者認為:

      1. “以電能為核心,集成冷、熱、氣等能源”,該表述是一個并非具有絕對數量指標的泛指,而是注重“電”、“熱(冷)”、“氣”在不同應用情景下的靈活集成。

      縱觀世界能源發展史,正是一個“電”、“熱(冷)”、“氣”不斷趨向融合的發展史,這正是能源互聯網的物理基礎——綜合能源系統的核心所在。

      通過“共建、共享、共治”,能源互聯網打破物理層的桎梏,實現冷熱電氣的同步規劃、建設和運營,實現物理層“源-網-荷-儲”全生命周期的多目標優化。

      實際上,能源互聯網并不是一個全新的概念,而是伴隨工業革命的發展以及人類對能源系統的特征需求逐步發展而來的。如以第一次能源危機為起點,能源互聯網的發展可大致分為四個階段:孕育階段(1970-1997)、概念階段(1998-2006)、起航階段(2007-2015)、升華階段(2016-至今)。對應能源互聯網的不同發展階段,雖然不同能源利用技術交叉并存,但又有所側重。

      因此,能源互聯網孕育階段——以基于能的梯級利用的天然氣冷熱電聯供系統為代表,概念階段——以基于能的因地制宜的分布式能源系統為代表,起航階段——以基于能的多能互補的綜合能源系統為代表,升華階段——以基于能的互聯互濟的能源互聯網為代表。最終,能源互聯網將盡可能地逼近能源價格合理、能源供給充足和能源清潔環保的目標。

      2. 能量利用及能源特性角度,一方面,電氣化對世界能源轉型起到了重要的作用,“人均生活用電”是社會經濟發展的重要指標,而這是由電能所具有的“小慣性”、“易傳輸”、“好轉化”特征決定的。

      即相對于“冷”、“熱”、“氣”等慣性比較大的能源載體,電能的慣性小、響應快、便于傳輸,且容易轉換成冷、熱等能源形態;另一方面,冷/熱的使用,可以間接通過電能的使用來量化。如“冷”、“熱”、“氣”等能源的傳輸與轉化,多依靠的是泵、風機等耗電設備或鍋爐、空調、熱泵等熱功轉換設備。

      進而,可以間接通過電能的耗損以及設備的性能(如泵的機械效率、鍋爐熱效率、空調制冷系統等)折算出“冷”、“熱”、“氣”的消耗量。

      因此能源互聯網物理層的“熱響應”有以下內涵,一方面,能源互聯網以電為核心的表述,并不意味著對于所有的能源系統都將全部改由電作為絕對核心,也并不意味著重視“電能”而歧視“熱(冷)能”;另一方面,應看到,能源互聯網闡述的是“以電為核心,集成冷、熱、氣等能源”的整體概念,應是因地制宜、因時制宜的。

      如,我國北方寒冷地區的以“熱”為核心的區域供熱系統智慧化,也是能源互聯網業態的具體表現之一。首批能源互聯網示范項目——“‘互聯網+’在智能供熱系統中的應用研究及工程示范項目”,針對國內集中供熱系統網源間信息孤立的問題,以丹東城區集中供熱為對象,建立了一種互聯、開放、共享的網源一體化集中供熱系統,提出網源一體的經濟性調控策略,初步實現了信息共享、智慧決策與集中控制。

      而能源互聯網定義中的“冷思考”應該看到,一方面,相對于電力系統,冷/熱能源系統熱慣性大且響應慢、能源設備相對粗糙、從業人員培訓不系統、運維信息化程度不高,因此,應冷靜看待冷/熱供能系統在能源互聯網研究和落地上的短板。

      另一方面,電能作為二次能源,在當前我國技術經濟條件下,多由煤燃燒的熱功發電而來,后在通過電轉熱(冷)技術得以消費。

      如此,能量轉換環節多、能源損失大。因此,應推進集中式和分布式齊頭并進,不斷提高可再生能源發電技術的比例,并不斷優化“源-荷”在能量與能級上匹配性,方能構建高能效的能源互聯網終極形態。

      能源互聯網“能源層-信息層”:以熵為視角的“熱響應”與“冷思考”

      近幾年,能源互聯網及其相關業態在我國風起云涌,如“泛能網”、“綜合能源系統(服務)”、“多能流(源)系統”、“智慧能源”、“虛擬電廠”、“源-網-荷-儲一體化”、“多能互補”、“風光水火儲”、“新一代電力系統”、“冷熱電聯供”、“微能源網”、“總能系統”、“微電網”、“分布式能源”、“能源產消者”、“區塊鏈能源”、“自能源”、“智能電網”、“能源互聯平臺”、“需求側響應”等等。

      2019年,國家電網公司也提出了以堅強智能電網和泛在電力物聯網為抓手,打造“樞紐型、平臺型和共享型”的世界一流能源互聯網企業的愿景。

      一下子,“泛在電力物聯網熱”漫延在整個能源界,也帶動了對“(能量)信息物理融合系統”概念的熱議。同時,國網公司相關專家和業界也給出了“能源互聯網=堅強智能電網+泛在電力物聯網”的范式框架。那么,就能源系統而言,能量信息物理系統和能源互聯網的差異在哪?筆者試從熵的角度給予解釋。

      如圖1所示,從“熵”的角度看(熵,熱力學中表征物質狀態的參量之一,其物理意義,是體系混亂程度的度量),一方面,堅強智能電網涉及的能的轉換、傳輸及儲存,都會存在著內外部的能量不可逆損失,是一個能量價值不斷貶低的熱力學“熵增”過程;另一方面,要構建物理信息融合的泛在電力物聯網,旨在強調,在能源的使用、交換過程中,會產生大量有用的信息,而這些新的有用的信息經過數據挖掘后,可用以指導能量流的重構與優化,可以看成是一個增加價值的“負熵”過程。

       

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      圖1 從熵的角度看能源互聯網及國網的“三型兩網”

      盡管對信息熵和熱力學熵,目前尚難以具有共識的權重和方法進行量化、統一,但對信息物理融合系統,可看做是在利用泛在電力物聯網的信息流“負熵”理念和技術,去進一步降低堅強智能電網中的熱力學“熵增”,使其熵增過程盡可能減慢,甚至追求能量系統熵的增速接近到零。

      因此可以認為,泛在電力物理網,就是要實現不同綜合能源系統內外部能源信息的聯通和共享,以有效支撐能量的供需互動與有序配置;并且信息流將貫穿于能源互聯網的全生命周期,包括其規劃、設計、建設、運營、監控、維護、資產管理和資產評估與交易,等等。

      具體來說,需要將沒有連接的設備、客戶都連接起來,沒有貫通的業務都貫通起來,沒有共享的數據都即時共享出來,形成跨專業數據的共享共用生態,將過去沒有用好的數據價值都挖掘出來。

      因此,能源互聯網信息層的“熱響應”,即,要看到堅強智能電網和泛在電力物聯網的互補性。除了物理層基于能的梯級利用、能的因地制宜、能的多能互補和能的互聯互濟等技術實現綜合能源系統熵增的降低外,借助信息層“云大物移智”技術,構建“源-網-荷-儲”全鏈條交互的“泛在電力物聯網”甚至“泛在能源物聯網”,將是現階段及未來能源互聯網“熵增降速”的關鍵一環。

      而能源互聯網信息層的“冷思考”,即看到能源互聯網與信息物理融合系統的統一性。能源互聯網可看作是堅強智能電網與泛在電力物聯網的合集,而能源界的信息物理融合系統,則可理解為堅強智能電網與泛在電力物聯網的交集。

      同時,當信息物理融合系統的能量流與信息流實現高度融合且物理空間邊界不斷擴大,在特定的能源系統時空尺度下,信息物理融合系統或與能源互聯網收斂到統一,即形成具備自我“新陳代謝”的能源生態。

      能源物聯網應用層:技術與機制的“熱響應”與“冷思考”

      2016起,國家發改委國家能源局等部門,陸續批準了4批增量配電網項目、首批23個多能互補集成優化示范工程、28個新能源微電網示范項目、首批55個“互聯網+”智慧能源(能源互聯網)示范項目,遍布全國31個省、直轄市和自治區,標志著能源互聯網已進入先行先試的發展階段。

      其中,作為撬動新一輪能源革命的重要支點,首批55個“互聯網+”智慧能源(能源互聯網)示范項目引起了全社會的廣泛關注。

      2019年3月,我國《國家能源互聯網發展白皮書2018》發布,從國家層面系統構建了我國能源互聯網發展的指標體系,梳理了能源互聯網的產業生態現狀。2019年6月,由央企集團(公司)牽頭的首批能源互聯網示范項目也通過驗收。

      整體來看,首批落地的能源互聯網示范項目,在關鍵技術與市場機制、綜合能源服務與大眾參與等方面開展了探索性工作,有力推動了能源互聯網新技術、新模式和新業態的發展,這些,都是對能源互聯網應用層“熱響應”的積極體現。

      關鍵設備及系統方面:“支持能源消費革命城市園區雙級‘互聯網+’智慧能源示范項目”,啟動的多端交直流混合柔性配網互聯工程,通過采用世界最大容量±10千伏等級中壓柔直換流閥、首創應用三端口直流斷路器、世界最大容量±10千伏三端口直流變壓器,實現了供電區域互聯互濟,促進分布式可再生能源的友好接入,提升電網資源使用效率和電能質量,如圖4所示;“‘互聯網+’在智能供熱系統中的應用研究及工程示范項目”,研發了新型凝抽背供熱技術、“一站一優化曲線”智能調節技術,并與熱電聯產、吸收式熱泵、電蓄熱技術耦合,形成“源-網-荷”一體化集中智慧供熱系統。

      關鍵機制及策略方面:“大規模源網荷友好互動系統示范工程”,基于“互聯網+”市場化模式的源網荷儲運營機制,實現了非工業柔性負荷調控、工業剛性負荷調控以及主動需求響應的接入。并通過需求側響應激勵機制,構建了可中斷負荷商業化運營機制,積極引導電力市場主體積極參與產業鏈上下游的互動;“基于電力大數據的能源公共服務建設與應用工程”示范項目,通過開放服務的方式為政府和社會各方提供基于電力大數據的價值信息,實現將電網數據轉化為社會公共價值的新模式,實現了電網基礎數據資源的整合。

      同時,首批能源互聯網示范項目的先行先試,催生了一批綜合能源服務新業態的出現,打破了項目承擔單位、地方政府、通信運營商、供能企業、用能客戶、汽車公司、市政企業等不同業態之間的壁壘,探索了“共建、共享、共治、共贏”的理念、方式及模式。

      如:電網、電信網、廣電網、互聯網的“四網融合”;通信塔、輸電塔的“多塔合一”;變壓站、儲能站、數據中心的“多站合一”;路燈、監視、交通、廣播的“多桿合一”;水、電、氣、熱的“多表合一”;“能源互聯網的微通道——能源互聯網插座”;“基站閑散儲能模式”;“退役電池梯次利用”等等。

      再如,基于“面向特大城市電網能源互聯網示范項目”研發出的“智慧路燈”,集照明、監控、信息發布(廣播與道路指示牌)、充電樁(手機充電與電動車充電)、微基站、井蓋防護等十多種功能于一體,整合后的道路桿件,由原來的52桿縮減至35桿;清華大學能源互聯網創新研究院研發的“基于能源互聯網插座”的精細化用電管理模式及平臺,以能源的泛在通道——“插座”為抓手,將用電服務、計量和管理等功能下沉到能源系統最普遍的最底層——插座,并采用物聯網手段與大數據后端結合,在能解決公共用場所充電難問題的同時,設置出多樣化的套餐服務,精細化管理用戶的用電行為、提高充電設備的利用率,也能夠服務于社區及其區域能源系統的“削峰填谷”和“需求側響應”。

      最后,為確保能源互聯網生態的健康發展,也應注重能源互聯網應用層的“冷思考”,如:

      1. 跨界融合、加強能源互聯網關鍵技術的集成優化:能源互聯網內涵外延,涉及眾多相關技術的突破(如中低品位能源轉換技術、高效低成本的儲能技術、靈活柔性的低壓直流技術等等),而如何發揮多種技術之間的梯級利用、網絡耦合、多元互補以及熱電耦合與解耦,進而打破各種技術之間的局部優化壁壘,實現能源互聯網各元素的“多元互動、集成優化”,充分釋放能源互聯網的“跨界”潛力;

      2. 數字驅動、深化能源互聯網的信息物理融合:物聯化已成為能源轉型的重要趨勢,通過物聯化技術實現能源系統“源網荷儲”各環節信息流的貫通,進而以信息流改造能源流,充分挖掘能源的數字化價值,已是泛在電力物聯網建設的必然趨勢;

      3. 因地制宜、重視政府對能源互聯網項目的落地協調作用:政府在能源互聯網示范項目的建設審批、機制設計和運維管理方面,特別是在不同門類工業園區能源系統基礎設施建設以及“能源數字礦產”上具很大的挖掘空間;

      4. 科學組織、加快能源互聯網技術相關標準的制定:能源互聯網的落地涉及到物理層、信息層和應用層諸多創新技術的規模化應用。進而,要實現能源互聯網項目的高質量可推廣落地,各類技術須有統一的設計規范、路徑接口及評價指標;

      5. 統籌謀劃、倡導能源互聯網的大眾參與多元化市場機制:堅持以惠民利民為中心和堅持創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念,就是發展能源互聯網的指導方針。某種程度上,“輕資產”市場機制設計的創新效益大于技術創新的“重資產”高投入回報。因此,要切實有效提升大眾參與程度,可加快形成以開放、共享為主要特征的能源產業發展新形態。




      責任編輯: 張秀秀

      標簽: 能源革命 能源行業 能源互聯網

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