協同構建能源互聯網 積極推進能源轉型

張道榮 顏世富 潘鴻飛 王喜銀 許建中 尹晨旭 葛健婷

1. 國家電網安徽省電力有限公司, 安徽 合肥 230061;2. 上海交通大學安泰經濟與管理學院, 上海 200030;3. 國家電網安徽省電力有限公司合肥供電公司, 安徽 合肥 230022;4. 上?；凼プ稍児? 上海 200052

0 前言

近年來許多國家正在發生能源危機。2022年6月28日英國石油公司(BP)發布的《世界能源統計年鑒2022》指出,全球能源系統面臨著近50年來最嚴峻的挑戰和不確定性。英國、德國、日本、澳大利亞等國家紛紛陷入了能源短缺狀態,2022年6月6日,美國宣布進入能源緊急狀態,稱受俄烏沖突造成的能源市場供應中斷及氣候變化加劇下的極端天氣的影響,美國的國家安全和生活質量受到潛在的電力供應短缺的威脅。能源轉型是走出能源危機的必然選擇。雖然1980年德國就提出了能源轉型,但是以往的能源轉型壓力沒有當前這樣迫切。如何走出困境,擺脫能源危機,人們一直在探索,但是缺乏整體互動。因此建議協同構建能源互聯網,推進能源轉型,建設綠色低碳、高效安全能源體系,擺脫能源危機。

1 能源互聯網研究的文獻分析

近年來能源轉型日漸受到廣泛關注,進一步研究發現,雖然多個領域的人們都在熱議這個話題,但是關于“能源轉型”方面的學術研究成果仍然較少,2022年8月10日,在中國知網里主題搜索“能源轉型”,只搜到2 989條結果,表明大家對能源轉型開展的深入研究還不多,取得的研究成果也較少。

針對能源互聯網的深入研究也很少,在中國知網上搜索關鍵詞“能源互聯網”,截至2022年8月15日,共搜索到中文文獻945篇。通過可視化軟件VOSviewer關鍵字共現分析,共有2 191個關鍵詞,閾值設為5,最終有77個關鍵詞。關鍵詞共現聚類視圖見圖1。

圖1 “能源互聯網”中文文獻關鍵詞共現聚類圖Fig.1 Co-occurrence cluster diagram of keywords in Chinese literature on “Energy Internet”

在聚類視圖中,圓圈大小距離分別代表該顏色的重要性高低及元素的關系程度。從圖1可以看出,“能源互聯網”“碳中和”“綜合能源系統”和“可再生能源”是最重要的方向。另外,從距離來看,尤其“碳中和”與“可再生能源”密切相關?！澳茉椿ヂ摼W”與“區塊鏈”之間的連線最粗,代表兩者關聯性最強。

使用VOSViewer對關鍵詞的熱度進行分析,產生9個簇,每個簇用顏色標識其熱度和涉及的關鍵詞和相關領域,見圖2。

圖2 “能源互聯網”中文文獻關鍵詞共現密度視圖Fig.2 A view of the co-occurrence density of keywords in the Chinese literature on “Energy Internet”

在密度視圖中,圖譜上每個顏色代表一個聚類。關鍵詞形成9個聚類,代表9個研究熱點,在圖2中以不同的顏色顯示,每個熱點的聚類明細見表1。

由表1可見,“能源互聯網”熱點是圍繞能源互聯網及相關技術發展,涉及區塊鏈、虛擬電廠、能源路由器、儲能等能源智能化產品,以區塊鏈為主;“新型電力系統”熱點的研究與新型電力系統相結合,通過新能源、5G等模式實現“雙碳”目標,以推進碳中和的目標實現;“數字化轉型”熱點關于國家電網公司的數字化轉型,主要聚焦物聯網、數字化等相關領域;“碳中和”熱點主要聚焦碳中和及新型商業模式,通過低碳轉型,發展光伏、分布式儲能等新型智慧能源;“電能替代”熱點主要聚焦電能替代,通過分布式能源、智慧電網等方式實現清潔能源發電,代替傳統電力模式;“綜合能源服務”熱點研究綜合能源服務,同時涉及技術、市場、能源轉型等多個角度;“綜合能源系統”熱點研究通過負荷預測、多目標優化等手段構建綜合能源系統;“電動汽車”熱點主要聚焦以算法、優化等技術手段發展電動汽車;“能源路由器”熱點研究能源路由器,主要涉及協同優化、協調控制兩方面。

表1 中文文獻關鍵中的研究熱點聚類明細表

整體上看,人們對能源互聯網進行研究時,會關注到能源互聯網與碳中和、能源轉型、新型電力系統、能源安全、綜合能源的關系等重大問題。

2 能源轉型的復雜性長期性

對于能源轉型的必要性、重要性,現已基本形成共識,但關于怎樣轉型、轉型路徑是什么,目前還存在較大分歧。應該堅持高質量發展的思想指導能源轉型,反對“跨越式、超常規”的急功近利的做法。一些國家和地區在發展過程中,過度開發和利用化石能源,對生態環境造成了很大的影響。

多個國家把能源轉型作為國家能源戰略[1-3]。1980年德國科學院提出了“能源轉型”的概念,系最早提出“能源轉型”概念的國家,為能源行業的發展做出了重要貢獻。德國已經為能源轉型設定了明確時間表:2022年關閉所有核電站、2038年淘汰煤電、2045年實現碳中和,計劃到2050年能源結構發生大變化,規劃可再生能源發電占比達到80%。俄烏沖突引發德國就能源轉型是否需要提早實現和如何保障能源安全展開討論。2022年以來,德國天然氣等能源供應儲備不足的問題不斷顯現。德國聯邦經濟和氣候保護部提出,根據國內外形勢的大變化,計劃將100%實現可再生能源發電的目標提前至2035年,較此前目標提前15年。俄烏沖突爆發之前,德國在天然氣方面對俄羅斯依賴很大,德國55%的天然氣進口來自俄羅斯,其中東德地區幾乎全部依賴俄羅斯的天然氣。德國正計劃提速風能和太陽能等可再生能源項目的發展,準備加快在議會通過《可再生能源法》,計劃到2035年,用可再生能源滿足所有發電需求。然而,德國的能源轉型計劃隨著形勢的變化做出了調整。路透社2022年7月5日報道,德國擬修改法律草案,撤銷“在2035年之前能源行業實現溫室氣體排放中和”這項關鍵氣候目標。德國關于碳中和政策發生大變化,引起了多個國家的關注。德國試圖減少對俄羅斯進口的依賴,燃煤和燃油發電機組可能重新進入發電行業。

鄒才能院士等人對于能源轉型的含義論述比較全面[4],認為能源轉型是指人類利用能源從木柴到煤炭、從煤炭到油氣、從油氣到新能源、從有碳到無碳的發展趨勢,是能源形態、能源技術、能源結構、能源管理等能源體系主體要素發生根本性轉變的過程。鄒才能院士等人反對狹隘理解能源轉型,若把能源轉型簡單理解為能源結構的轉型,急功近利,必將給能源行業發展帶來負面影響。

能源轉型除了能源結構轉型外,還包括能源文化、能源技術、能源生態和能源管理等多方面的轉型。能源的開發和利用受到多種因素影響,對這些影響因素的看法不同,對能源轉型的內容、方式的理解就會有不同。例如,能源轉型過程中碳減排是核心問題之一[5],國家能源投資集團認為目前中國的火電廠多項環保指標都控制得很好,利用煤炭發電對于環境不會有多大污染,可是煤炭行業之外的一些人卻擔心火電廠排碳量大;據與多家核電公司人員關于核電安全問題的交流,例如運行時間比較長的秦山核電公司,工作人員都認為核電安全、可靠,可是民眾提到核電就擔心安全問題。能源技術在能源轉型過程中的作用更是明顯,例如儲能技術,全世界幾十年來基本上沒有突破性的儲能技術產生,如果儲能技術仍然沒有大突破,中國建設以新能源為主體的新型電力系統的困難就會很大。能源管理方面也有待提高,例如中國石油、國家能源投資集團、中國華能集團、國家電網公司、中國南方電網公司、中國石化等能源央企之間,針對能源互聯網建設的協作,成效尚不顯著,還有較大發展空間。

狹隘理解能源轉型,能源轉型大干快上,風險很大。能源轉型是一個系統工程,王志軒等人指出[6],能源轉型不是某一品種的能源在經濟上可以替代另一品種的能源時就能夠實現的,而是涉及整個經濟與社會系統的全面轉型,生產方式和生活方式必須發生重大轉變。受新冠肺炎疫情影響,整個中國經濟面臨著下行壓力加大的挑戰。能源轉型應該結合國家經濟發展實際情況,量力而行,穩健推進。2021年10月8日,國務院常務會議召開,提出要加快推進大型風光基地建設,在沙漠、戈壁、荒漠地區加快規劃建設大型風電光伏基地項目。根據國家能源局數據顯示,截至2021年底,我國光伏發電累計并網容量30 598.7×104kW,其中集中式光伏電站 19 847.94×104kW,分布式光伏10 750.8×104kW。2021—2022年,中國光伏行業發展迅速,持續突破。光伏行業是新能源發展的代表性行業之一,但快速擴產也導致了局部地區光伏生產過剩,一些光伏企業已經受到了影響;國家行政機構下發大力發展光伏行業的文件,企業有所行動,但是有的地方政府沒有實際的配套行動;一些地區在發展光伏產業時,沒有認真分析當地的經濟發展狀況,能源的去路出現大問題。除了光伏外,整個新能源的發電發展也較快。2021年,新能源年發電量首次突破10 000 kW·h。風電光伏的發電量占比提高了2.2%,并網太陽能發電、風電發電量同比分別增長25.2%和40.5%。德國、法國等多個國家在探索能源轉型[7],德國開展能源轉型的時間長,其經驗值得學習。

新能源在能源轉型、碳中和等方面發揮著重要作用[8-9],鄒才能院士等認為新能源已成為第3次能源轉換主角,未來將在碳中和發揮主導作用[10]。發展新能源是好事,但是新能源自身有些問題目前還沒有滿意的處理方法[11],運動式的能源轉型可能帶來一系列新的問題。以電動汽車為例,據《人民網》2022年10月8日報道:截至2022年9月底,全國機動車保有量達4.12億輛,其中汽車3.15億輛;全國新能源汽車保有量達1 149萬輛,占汽車保有量的3.65%。其中,純電動汽車保有量926萬輛,占新能源汽車總量的80.56%。外行看新能源汽車、純電動汽車的發展形勢一片大好,但部分能源專家發現了問題,中國目前還是煤炭發電為主,電動車的電池充電主要還是來自于煤炭發電。所以,準確地表達應該是:電動車的能源是在“轉碳”,實際上沒有“減碳”。至于電池的生產,需要鋰、鎳、鈷、錳和石墨等金屬原料。國際能源署的研究數據認為,平均而言,生產一輛電動汽車所需的礦產資源是生產一輛常規汽車的6倍。國際能源署警告,關鍵金屬短缺可能加劇氣候危機。電動車廢舊電池的處理和回收也還是大問題。能源行業存在的許多問題,需要我們切實進行能源轉型,而要穩步推進能源轉型,則需要穩健推進能源互聯網建設。

3 加強能源互聯網建設

國內外能源企業都在尋找能源轉型之道。中國能源企業中,國家電網多年來堅定不移推進能源互聯網企業建設。

3.1 能源互聯網理念

姚建國等人認為,能源互聯網的理念主要是在傳統能源網的基礎上融合了互聯網的理念[12]。

能源互聯網具有開放互聯、共享的理念。其中,開放互聯是能源互聯網的核心理念,具體而言,它要求多類型能源開放互聯、各種設備與系統開放對接、各種上下游產業鏈廠商開放合作、各種能源生產與消費者開放交易。而共享則是能源互聯網的精神,缺乏了開放共享理念,無法形成良好的能源市場和創新創業環境。

能源互聯網具有以用戶為中心的理念。能源互聯網把滿足用戶需求作為出發點和落腳點,致力于改善和提高用戶體驗,圍繞能源生產、配置、儲存、消費等全過程、各環節為用戶創造價值。

能源互聯網具有平等的理念。所謂平等就是能源互聯網重塑了能源產業鏈上下游之間以及與用戶之間的關系,讓參與者處于平等的位置參與交易,并保障能源生產和消費的對等,實現雙邊甚至是多邊溝通等。而且,既能夠滿足各種集中式接入需求,也能夠滿足包括分布式能源、能源“產消者”在內的分散接入需求。

3.2 能源互聯網的定義

從世界范圍看,目前能源互聯網建設水平最高、范圍最廣的是國家電網,但是能源互聯網這個概念,是美國Alex Q.Huang(黃勤)在2007年提出的。2011年,杰里米·里夫金出版《第三次工業革命》,對能源互聯網的概念推廣和發展具有重要影響。關于能源互聯網的定義、內容、建設途徑、發展意義一直存在多種見解,甚至關于能源互聯網內涵外延的界定也有分歧[13-15],例如國家電網有的專家認為能源互聯網以電為核心,國家發改委能源局原局長徐錠明強調能源互聯網姓“能”不姓“電”。

對于能源互聯網的定義,主要有三個取向。

第一,基于互聯網思維取向的能源互聯網定義。實際上能源互聯網在內容上比互聯網更加復雜,包括了能源、電網、信息通信等多個行業或領域?；诨ヂ摼W思維,可以把能源互聯網理解為:主要依托于電網,建立以電能為基本形式,其他能源為輔助的多種能源融合傳輸和供給渠道,從而實現多種能源相互間的轉化和綜合應用,實現能源的資源共享。

第二,基于多種能量對等交換與共享網絡取向的能源互聯網定義。能源互聯網是通過能源物理網和互聯網結合,充分利用系統規劃分析技術,智能輸電網技術、信息科技技術、電力電子技術、可再生能源發電技術、對能源產業進行互聯網化,把能源產業鏈的各節點互聯起來,源網荷儲協調發展、集成互補,實現能量雙向流動的能量對等交換與共享。

第三,基于“智能電網+特高壓電網+清潔能源”取向的能源互聯網定義。國家電網公司劉振亞等認為,全球能源互聯網的基礎和核心是電網,而不是其他網。國家電網公司對于能源互聯網主流的觀點概括起來就是[16]:智能電網是基礎,特高壓電網是關鍵,清潔能源是根本。

3.3 能源互聯網的綠色可持續發展功能

能源互聯網得到積極提倡和推進的一個非常重要原因是,能源互聯網有助于推動世界的綠色可持續發展。

1)能源互聯網可以促進清潔低碳。能源轉型有多個動機,實現清潔低碳是主要動機之一。借助能源互聯網平臺,集中式和分布式可再生能源、智能管理技術、信息技術、電力電子技術,以及負載設備,能夠進行無差別對等互聯,系統對可再生能源的消納能力可以大幅提升,從而讓氣候變化得到一定程度的控制。

2)能源互聯網可以讓生態環境得到保護和修復。工業尤其是制造業的發展,基本上和碳排放成正比,中國以前追求GDP的高速增長,大量使用煤炭、石油等傳統化石能源,對環境造成了污染和破壞。以能源互聯網為平臺為渠道,建設以新能源為主體的新型電力系統,傳統的煤炭、石油等化石能源的開發和利用都會大規模減少,被破壞的環境將得到修復,綠水青山得以再現,人民的生活質量將得到提高。

3)能源互聯網可以促進能源可持續發展。在人類發展的歷史上,能源危機多次以不同的形式出現,人類要生存和發展,就必須不斷尋找新的能源,人類的發展可以說就是一部不斷擺脫能源危機的歷史。2011年,聯合國時任秘書長潘基文發起了“人人享有可持續能源”倡議。能源可持續發展,才能夠實現“人人享有可持續能源”的目標。我們認為,無論放眼全球還是立足中國國內,要實現人人享有可持續能源,實現碳達峰、碳中和目標,一個重要的能源大工程就是建設能源互聯網這個大平臺。

商業模式對于一個產業的發展非常重要,一些專家學者對于能源互聯網的商業模式進行了研究[17-19],國家電網安徽省電力有限公司在學習借鑒這些研究成果基礎上,開展了能源互聯網企業建設的一些探索。

1)安徽電力成立研究機構。2019年5月,安徽電力組建了能源互聯網技術經濟研究中心。安徽電力成立的這個研究中心的研究內容,包括能源互聯網的國家相關政策,國家電網關于建設能源互聯網的戰略和工作任務;研究能源互聯網的經濟特性以及相關的法律法規;研究具體建設能源互聯網的方面的細節內容,例如體系架構、關鍵技術等。

2)安徽電力建設智慧能源平臺。合肥供電公司積極探索,堅持適度超前的原則構建以新能源為主體的新型電力系統,加快建設智慧電網。2021年10月,合肥供電公司正式發布《合肥濱湖科學城新型電力系統建設方案》?！逗戏蕿I湖科學城新型電力系統建設方案》以技術創新研究課題、數字化轉型應用等為重要支撐,推動“電網建設、調度運行、電源發展、營銷服務”四個領域取得重點突破。合肥供電公司堅持適度超前原則,加快智慧電網建設,構建以新能源為主體的新型電力系統,為濱湖科學城高質量發展提供強大電力保障。

3)安徽電力構建新型電力系統。能源互聯網與新型電力系統的內容本來有所不同,國家電網能源研究院能源互聯網研究所對能源互聯網與新型電力系統的關系進行了比較研究之后[20],提出了對新型電力系統的認識:以新能源為主體的新型電力系統是以堅強智能電網為資源配置平臺,以光伏風電為主體、煤電等其他能源為輔助、儲能為關鍵要素、源網荷儲協調和多能互補為重要手段,并深度融合先進信息通信技術、控制技術與低碳能源技術,實現源側高比例新能源廣泛接入、網側資源高效安全靈活配置、荷側多元負荷需求全面滿足,綠色、智能、安全、高效的電力系統。新能源為主體是根本,堅強智能電網是基礎,實現碳達峰、碳中和是目標。合肥市供電公司在安徽電力的領導下,積極探索能源轉型方式轉型路徑,應用信息技術、人工智能等技術建設新型電力系統。至“十四五”末期,規劃電網中綠電占比將達到51.4%,新能源發電量占比達到21.8%;合肥供電公司爭取2035年基本建成以新能源為主體的新型電力系統。

4 結論

能源轉型和能源互聯網建設意義重大。應該全面理解能源轉型的內容和范圍,不能把能源轉型簡單理解為能源結構的改變,避免出現急功近利、破壞環境的現象。對于能源轉型,除了要關心能源結構轉型外,還有關心能源文化、能源技術、能源管理等多個方面的改變。政府部門在制定和能源轉型政策時,除了考慮硬件設備、技術因素外,還應該高度重視政治、經濟、社會、文化、生態等多種因素的影響。應該高質量發展為指導,反對大干快上、超常規發展等運動式減碳理念,統籌兼顧、系統穩健制定能源轉型政策。政策制定部門與下屬企業之間,各個能源企業,尤其是能源央企之間,以及廣大的能源用戶,應該多交流多溝通,協同、穩健發展,共同建設能源互聯網,為新型電力系統的構建和發展做貢獻。