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深度|中国能源革命的目标与路径

北极星售电网  来源:能源杂志  作者:刘建平 杨健 刘涛 陈铮  2017/9/7 15:32:22  我要投稿  
所属频道: 能源服务   关键词: 能源互联网 互联网+ 配电网

北极星售电网讯:能源革命与“互联网+”的深度融合必将催生能源互联网,掀起第三次工业革命的高潮。 应该从能源新技术、能源新形式、能源新业态、能源新制度入手,以能源互联网为依托,全面推进能源革命,开启智慧能源的全新时代。

2012年党的十八大提出能源生产和消费革命战略,2014年中央财经领导小组又提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和国际能源合作的战略举措。紧随其后,2015年政府工作报告中正式推出“互联网+”行动计划,6月24日的国务院常务会议通过的《“互联网+”行动指导意见》,明确提出促进智慧能源等11个重点领域发展目标任务及具体支持措施。从国家的一系列举措来看,能源革命与“互联网+”两大战略举措,貌似偶遇实为必然。两者的深度融合,必然催生能源互联网,对我国推进能源革命、抢占第三次工业革命制高点、实现中华民族伟大复兴提供坚实的能源安全保障,均具有现实而深远的战略意义。

1能源互联网诞生的时代背景

以计算机和互联网为代表的信息技术突飞猛进,使得网络“连接一切”成为可能,并且成为迫切要求;人类社会在经历了柴薪时代、煤炭时代和油气时代后,正在逐渐步入可再生能源时代,新一轮能源革命蓄势待发。互联网与能源革命的历史性相遇与碰撞,必将深度融合并催生能源互联网,从而加速新一轮能源革命并推动第三次工业革命的进程。

1.1信息技术突飞猛进

信息技术是管理和处理信息所采用的各种技术的总称,其发展至今历经五次革命:第一次是语言,使人类获得了进行思想交流和信息传播不可缺少的工具;第二次是文字,使人类对信息的保存和传播取得重大突破,较大地超越了时间和地域的局限;第三次是印刷,使书籍、报刊成为快速高效的信息储存和传播媒体;第四次是通讯,包括电话、广播、电视等,使人类信息传播进入光速时代;第五次是计算机,其与现代通信技术的有机结合,形成覆盖全球的信息互联网。1969年美国第一个军事目的计算机网络ARPANET联网,1983年又出现了基于IP协议的计算机通信网络NFSNET,1989年World Wide Web(基于超文本协议)诞生,1991年第一个连接互联网的友好接口问世,标志着局域网的建立。随后,互联网迅速向全球普及并商业化,网络节点的增加,以及众多企业商家的参与,使互联网的规模急剧扩大,信息量也成倍增加,更刺激了网络服务的发展。

进入新世纪以来,以互联网为代表的信息技术,与其他各种新技术相互关联、共同发展,互联网已成为重要的公共基础设施,融入到生产和生活的方方面面,并迅速将全球带进网络信息时代,网络商业价值也随着网络用户数量的增加而呈几何数级增长。同时,互联网产业在自身的发展和升级中,不断突破自身的产业边界,向传统产业延伸渗透,通过联接与共享,最大程度激发和激活了传统产业的创造力和创新力,如金融、商业、教育、交通、制造等领域正在发生重大变革。近年来,有线和无线网络速度大幅提高,大数据、云计算、物联网等技术不断涌现,人与人、人与物、物与物都逐步联接成网,各种数据也逐步打通共享,互联网技术及其思想正潜移默化地渗透到社会的每个角落,深刻改变着人类生产生活方式。

1.2 能源革命蓄势待发

能源是人类社会生存和发展的基础,是现代社会的经济命脉,也是影响国家安全的重要因素。纵观各国的发展历程,经济增长必须以能源供应为保障,人类历史上的两次工业革命,更都是由当时最先进的技术与能源更替相结合所掀起:“蒸汽机+煤炭”替代“人工+柴薪”开启了第一次工业革命;“内燃机+石油”替代“蒸汽机+煤炭”引发了第二次工业革命。工业革命的历史进程,清晰记录了先进技术对能源革命,进而对工业革命的巨大推动力,同时也反应了能源革命及与其伴随的工业革命对社会生产力提升、经济发展转型和生活方式转变的巨大作用。

世界两百余年来的工业化发展,建立在以化石能源为主的能源结构上,导致资源加速匮乏和环境急剧污染,经济、生态和能源的关系日趋紧张,已将我们推到了石油世纪和第二次工业革命时代的最后阶段。种种令人难以接受的严峻现实,迫使我们必须主动、迅速地过渡到一个全新的能源体制和工业模式,否则人类文明就有消逝湮灭的危险。当前,新一轮能源革命及其对应的第三次工业革命已经蓄势待发,以信息新技术和新能源技术引领,并与生物电子、3D打印、智能机器人、纳米材料等新技术相融合,相互关联、交织共进,正在对传统产业进行全方位升级改造。

绿色能源革命自新世纪以来,逐步在西方发达国家上升为国家战略。德国以实现减少能源消耗总量为目标的“能源转型计划”已取得重要进展,并计划于2050年将再生能源发电比率提高到80%;美国成功开发了价格仅相当于传统天然气1/3的页岩气,大大加快了对传统能源的替代进程;日本在2011年福岛核电站事故后,加快了可燃冰开采技术研发,同时将可再生能源的开发利用作为能源发展首要目标。中国作为世界头号能源消费国,单位GDP能耗是世界平均水平的2.4倍,同时能源供应任务持续艰巨、能源消费结构不尽合理、能源利用方式粗放低效、环境污染及温室气体减排压力巨大。2012年的党的“十八大”报告正式提出要推动能源革命;2014年的中央财经领导小组第6次会议强调,保障国家能源安全,必须推动能源生产和消费革命,从而有效解决当前能源消费与经济发展之间的矛盾以及能源安全问题,促进经济社会与资源环境协调和可持续发展。

1.3 能源互联网呼之欲出

“互联网+”,就是充分发挥互联网在生产要素配置中的优化和集成作用,将互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中,提升实体经济的创造力和生产力,形成更广泛的以互联网为基础支撑和实现工具的经济发展新形态。近年来,互联网在其产业边界不断延伸、产业形式不断演化的进程中,开始担负起带动传统产业与实体经济转型升级的使命,在影响甚至重构各大传统产业的同时,正在向作为经济社会发展基础的能源产业进行全方位渗透。能源作为经济社会运行的基础产业,拥有庞大的基础设施、传统的组织体系、专业的技术要求,电力油气等物理管网具有天然的互联网初级形态。为了适应能源革命的要求,加速推动第三次工业革命,能源产业必须主动推进能源技术与其他领域先进技术的融合,尤其需要借力互联网技术及思想,将其创新成果融入本产业,突破发展瓶颈,重塑能源的消费、供给、技术与制度。

互联网与能源两大产业,既着眼于各自升级的需求,也顺应着社会与经济发展的趋势,天然具有相互融合的可能与必要。两大产业结合各自优势和特点的深度融合,将共同完成向更高层次的蜕变,形成具有深远影响的全新业态——能源互联网,并以此推动能源革命,进而开启和完成第三次工业革命。

互联网与能源融合之所以是能源互联网,而不是互联网能源,是因为能源产业作为人类社会与国民经济的基础与命脉,具有更加至关重要的地位,能源革命也具有更加深远重大的意义。互联网产业作为一种在基础和命脉之上衍生而出的轻资产,难以全面驾驭厚重的能源产业,其在与能源产业的共生同进中,必然只有以能源产业为主导。如果说互联网是高飞之翼,能源则是根本之力。当前,尤其需要借力互联网技术及思想,综合利用IPv6、大数据、云计算、物联网等互联网技术和互联网思想,赋予能源信息数据属性,改造能源物理网络形态,优化能源传统组织结构,全面提高能源产业的创新力和生产力。

2能源互联网的基本内涵、外延拓展及功能特征

能源革命与“互联网+”深度融合的产物——能源互联网,是互联网技术全方位渗透能源领域、能源产业主动融合互联网技术的结果,相比目前已开展的智能电网,具有更广泛的内涵与外延、更复杂的框架与构件、更突出的功能与特征。

2.1 能源互联网的基本内涵

2004年,英国《经济学人》杂志刊发了名为《Building the Energy Internet》的文章,是目前正式提出这一观点的最早文献。2008年,美国记者托马斯˙弗里德曼在其《世界又热又平又挤》一书中对能源互联网进行了介绍,这是经济学层面对能源互联网的最初探索。美国学者杰里米˙里夫金在2011年出版的《第三次工业革命》一书中,认为能源互联网主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调,最终目的是实现由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。国内学者薛禹胜认为,能源互联网是由物理系统,即电网、气网、热力网、交通网等构成的综合能源网。余贻鑫认为,能源互联网和我们已论及的智能电网的基本理念是一致的,内容也找不出原则性的不同。曹军威则认为,如果说电网智能化还是在传统电网架构上通过信息化和智能化的手段,解决设备利用率、安全可靠性、电能质量以及可再生能源接入等问题,能源互联网的根本不同在于采用互联网理念、方法和技术实现能源基础设施架构本身的重大变革,使得能量的开放互联与交换分享可以跟互联网信息分享一样便捷。

通过与智能电网的比较,可以更好地把握能源互联网的内涵。能源互联网与智能电网在自愈、消费者积极参与、系统运行效率最优化、容纳多种发电形式以及储能等新技术、新业态等方面比较相似。然而,智能电网只涉及信息与电力系统,能源互联网还涵盖了交通系统、石油系统、天然气系统、供热系统等等;智能电网只涉及电能传输与利用形式,能源互联网还包括热能、化学能等多种形式的传输、转化、使用;智能电网一般不涉及大规模输电网,主要是基于配电网、分布式、用户侧,实施电力系统的智能化管理和运行,能源互联网采用互联网理念、方法和技术实现能源基础设施架构本身的重大变革,实现能源生产、消费、传输的综合分析、协调。因此,能源互联网属于上层大范围的概念,包括内部和外部的互联,而智能电网是属于大框架下的下层概念,是电力闭环里的互联。能源互联网包括智能电网、更离不开智能电网,能源互联网为智能电网进一步发展提供了方向。

本文认为,能源互联网是信息网络、能量网络和能源网络的高度整合,以电力网络为枢纽平台,以可再生能源和分布式能源接入为主要任务,以互联网技术为实现工具,通过能源调节系统对可再生能源和分布式能源基础设施实施广域优化协调,实现冷、热、气、水、电等多种能源形式优化互补,提高能源使用效率,实现信息、能量和能源三者之间双向流动共享。

各发达国家基于各自的认识,已经分别对能源互联网做出了自己的实践探索。德国于2008年在智能电网的基础上进行了E-Energy技术创新促进计划,成为能源互联网实践探索最早的国家,力图充分利用信息和通讯技术,在整个能源供应体系中实现数字化互联及计算机控制和监测,以解决未来以分布式能源供应为主的电力系统面临的新问题,从配网到循环电网打造一个全新的能源网络。美国也于2008年建立了未来可再生能源传输与管理系统(FREEDM),希望将电力电子技术和信息技术引入电力系统,以分布对等的系统控制与交互,在未来配电网层面实现能源互联网,通过云计算和大数据实现智能分析。瑞士未来能源网络远景项目与能源互联,侧重于不同能源形式的融合,最终实现电能、热能、化学能联合输送和使用。日本数字电网联盟提出了基于“电力路由器”的能源互联网,着重于发展数字电网体制,形成互联网技术和能源网络深度融合。

2.2能源互联网的外延拓展

能源互联网的外延不断拓展,自然延伸到智慧城市、智慧交通、智慧制造、智慧建筑、智慧家居等多种领域。能源互联网能够充分保障智慧城市。如通过物联网基础设施、云计算数据中心、地理空间监测设备等信息技术和通信技术手段,感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,同时自动设置最优化的节能方案,综合调节城市中各种能源消费主体,对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应,实现城市智慧管理和运行,进而为城市居民创造更美好的生活,促进城市的和谐发展、可持续运营。

能源互联网能够有效保障智慧交通。如根据汽车物联网和大数据,计算交通信号灯的最佳设置距离,以达到让汽车少耗油的目的。电动汽车是交通运输系统电气化转型的重要手段,作为一种分布式储能设备,能源互联网能够为其提供更为完善且具有较强通用性的基础设施,使之能够与电力系统更好地对接,从而优化系统运行,提高交通运输系统以及整个经济社会的低碳化水平。

能源互联网还能以气、风、水、电、油等能源介质为监测对象,为企业建立一个能源管控平台,对其生产用能进行实时采集、计算分析和集中调度管理,解决重点用能企业的能源监测计量、用能控制及预测等问题,实现对能源的全方位监控和管理,达到供需平衡和节能环保的智慧生产;能源互联网能够对建筑物内的电能、液体介质能源、气体介质能源等进行实时监测、数据采集与存储、数据统计与分析等,实现家居用能的精细化管理,实现智能家居和建筑节能。

2.3 能源互联网的功能特征

能源互联网将使用先进的传感器、控制和软件应用系统,将能源生产端、能源传输端、能源消费端的数以亿计的设备、机器、系统连接起来,形成能源互联网的“物联基础”,智能发电、用电、储电设备最终都将接入网络,借助信息流,形成自我对话。能源互联网的框架多维交织,从主体看,能源互联网有能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体,即传统能源的生产方、使用方、调配输送方。生产主体有一次能源、二次能源,有集中式能源、分布式能源,有化石能源与非化石能源。从客体看,能源互联网借助信息网、能量网、能源网,生产和传输信息流、能量流、能源流。从组件层次看,能源互联网包含了设施、技术、数据、应用、用户、制度六大组件层。最基础的设施组件层,包括能源生产、传输、储存装置和各种负载;其上是关键技术应用层,包括能量接口、能量转化、能量传输、能量存储、能量平衡、能量安全等;接着是数据传输层,包括通信协议、接口标准、组网规约等;往上是应用分析层,包括信息采集、能量调节、质量监测等;再往上是用户参与层,包括能量使用、智能交互、数据应用等;最上的是制度保障层,包括法规、政策、规则、标准的制定等。

能源互联网同时具有能源产业和互联网产业的特征,集成信息流、能量流、能源流(物流),实现“三流合一”。信息流主要借助互联网,能量流主要依靠电力网与热能网,能源流借力于线下的油气管网和传统的交通运输物流网来实现。基于互联网技术的大数据、云计算,将能源与能量的生产、转换、存储、输送、使用等能源产业链的众多节点互联起来,能源互联网将实现信息流、能量流和能源流的自由接入、实时流动、即时交换与动态共享,智能生产、存储、调配、消费,达到信息网、能量网、能源网的“三网合一”,在满足清洁、安全、经济、高效、持续的能源要求的前提下,形成一个以信息流通为最大优势,实时交流、即时反应的信息网络;以电为主、多能转换的能量网络;广泛联接、流通不息的能源网络。

能源互联网的每个主体都是平等、自治的信息中心与能量、能源中心,自由上传与获取信息、能量与能源,自发地成为信息、能量与能源的制造者与享有者,原本孤立、静止的信息、能量与能源打破了空间与时间的限制,实现了循环畅通、实时流动、人人参与、人人享有。同时,能源互联网把供需结合为一体,把供给端与需求端汇聚在一个平台上,既保证充分供给,又合理优化需求,使供给和需求处在最佳平衡点上,各个节点既是能源生产者也是能源消费者,实现产消一体、效率最优。

能源互联网的功能具有以下六大特征:

分布性。煤炭、石油、天然气、水电、核电、可再生能源等等各种能源品种,为了得到最大效率的使用,都需要建立生产、收集、转换、存储和使用的网络,这些能源网络作为能源互联网的一个个局域网,分布范围广泛,规模大小不一,但从较大范围看,都构成能源互联网的一个节点。

互联性。各种范围的各个分布式能源网络,并不能全部保证自给自足,需要相互联接才能进行能量交换,满足能量供需平衡。能源互联网除了满足各类能源接入要求外,更主要是将分散的能源网络互联起来,实现能量交换,充分体现人人贡献、人人享有的互联网理念。

开放性。能源互联网是一个完全开放自由的网络,企业、家庭、个人,生产、消费、运营,一次能源、二次能源,集中式能源、分布式能源,化石能源、非化石能源等等各类能源主体,只要符合能源互联网接口标准,可以达到完全的即联即用,就都可以随时并网、随时离网,自由享有能源互联网的各种功能。

平等性。分布于能源产业链上各个节点的各类能源主体,都不分等级,地位平等地接入能源互联网,每一个节点都同等重要,将打破以传统特大、超大能源企业为中心的能源版图,构建大规模与分散并举的能源格局,以此逐步去除能源产业的垄断,以P2P众筹的方式,实现人人平等的理念。

转换性。在能源互联网中,能量主体可在风能、太阳能、电能、热能、化学能、水能等等多种形式之间相互转化,任意按使用需求变换为合适的形式;能源供应方与消费方的身份也能够根据需要随时进行转换;信息、能量与能源之间也能够随时转换。

便利性。能源互联网体现了简约极致的机制,网络上的任何主体与客体、时间和空间都被打破,取消了能源集中统一再分别配送的过程等一切不必要的环节,充分实现了去中心化,生产和消费的主体能够直接点与点对接,随时生产、随时并网、随时消费、随时转换、随时消费。

3能源互联网的建设思路、关键技术与实施步骤

打造能源互联网,是当前能源革命的核心任务。推进能源互联网建设,必须将其与能源革命有机结合,立足现实基础、着眼未来目标,厘清建设思路,突破关键技术,明确实施步骤,确保能源互联网的建设效率与效果,兼顾近期与远期的功能实现。

3.1 能源互联网的建设思路

能源互联网的发展和建设是个复杂的系统工程,应该从能源新技术、能源新形式、能源新业态、能源新制度四个方面着手,技术是基础,形式和业态是自然延伸,制度是保障。在能源互联网的实施路径中,首先要解决的是能源技术问题,必须要以能源新技术的突破为基础,才可能催生出能源新形式,也只有在能源新技术与新形式的结合发展进程中,才会自然衍生出能源的新业态,逐步构建和完善一系列能源新制度体系,保障能源互联网建设及其功能实现,进而加速能源革命的进程。

开发能源新技术。首先要立足于能源的生产、存储、转换、传输、调度和消费等,大力开发能源新技术,如高密度大容量储能技术、远距离无线输能技术和分布式可再生能源并网技术等。其次要大力促进能源技术与新一代信息技术、材料技术、生物技术等融合,积极发展能源大数据、能源云计算、能源网络安全、能源物联网等能源信息技术,人工光合、陶瓷电池等能源材料技术,以及微生物驱油、微生物产气等能源生物技术。

创立能源新形式。主要分为传统能源形式的新型利用、新兴能源形式的推广利用和未来能源形式的前瞻研发三大类。如煤炭高温热解等清洁安全利用;风能、光伏、光热等高效稳定利用;可燃冰、页岩油(气)、氢,以及与石墨烯、多晶硅、钍、钪等与新材料结合的能源新形式的推广利用等。根据未来能源发展趋势,还需要积极探索未来的能源新形式,争取获得革命性突破、产生颠覆性效果。

培育能源新业态。主要分为新型组织模式、新型商业模式、新型服务模式三大类。一是新型组织模式,如虚拟电厂等,每个能源互联网的自治主体由能量管理系统监督和控制,通过电脑运算的操作规划,就可以成为具有巨大发电潜力的虚拟电厂。二是新型商业模式,如开展基于光热电化耦合系统的智慧能源城镇(社区、园区)建设,基于互联网技术的能源交易平台、能源网络金融等。三是新型服务模式,如能源网上一键自由按需购买及退货,订单式生产传输,基于大数据的用能咨询、能效产品销售、节能解决方案、O2O商业消费等。

构建能源新制度。主要分为催生型的新制度与适应性的新制度两大类。催生型的新制度具有开创性与先见性,能够使能源互联网按照预定规划平稳快速发展,催生和引领各种能源新技术、新形式、新业态,如出台《能源法》和能源互联网相关法律法规配套体系,完善各种相关支持性政策体系,建立能源互联网统一遵守的新标准等。国际标准化组织ISO/IEC日前发布的全球首个能源互联网国际标准IEEE1888,由中国自主创新,解决了能源互联网最重要的入口问题,今后还需要建立更多联接标准、数据标准、传输标准、安全标准等。适应性的新制度是指随着能源新技术、新形势、新业态的出现,必须改革和完善现有制度,如建立共同遵守的能源互联网规则,打破现在各自为政、条块分割的能源数据壁垒,实现全国能源数据共享,形成能源大数据基础,建立服务性能源管理新机制和竞争性能源市场新机制等。

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