基于日本能源發(fā)展特點(diǎn)的智慧能源服務(wù)發(fā)展與模式研究

宋天琦

上海航天智慧能源研究院

關(guān)鍵字：能源發(fā)展；智慧能源；服務(wù)模式；氫能戰(zhàn)略

0 引言

智慧能源服務(wù)是立足用戶端、多元化能源生產(chǎn)與消費(fèi)需求的新型能源服務(wù),是在傳統(tǒng)供能(電、燃?xì)?、熱、?的基礎(chǔ)上,整合可再生能源、氫能、儲(chǔ)能及電氣化交通等,通過(guò)天然氣、風(fēng)、光等各類分布式能源和智能微網(wǎng)等方式,結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用,從而提高能源利用率和綠度,降低用能成本。

不同國(guó)家自然能源狀況各有特點(diǎn)，隨之發(fā)展的智慧能源服務(wù)也各有特色。在當(dāng)前中國(guó)大力倡導(dǎo)能源改革大背景下，了解其他國(guó)家智慧能源服務(wù)模式、案例及可借鑒之處顯得尤為重要。

日本是我國(guó)鄰國(guó)，也是世界范圍內(nèi)較有影響力的發(fā)達(dá)國(guó)家。本文主要對(duì)其自身能源發(fā)展特點(diǎn)、智慧能源服務(wù)模式與案例進(jìn)行分析與研究，以供參考。

1 日本能源發(fā)展概述

目前，火力發(fā)電依然是日本核心能源。作為人口超過(guò)一億的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，日本能源消耗巨大，而化石燃料的極度缺乏，導(dǎo)致日本嚴(yán)重依賴進(jìn)口，因此日本成為最早開(kāi)展智慧能源綜合研究的亞洲國(guó)家。

2009年9月，日本政府公布了2020、2030和2050年溫室氣體減排目標(biāo)，并提出建設(shè)覆蓋全國(guó)的智慧能源綜合系統(tǒng)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提升能效、推進(jìn)可再生能源規(guī)模化開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的必由之路。在政府大力推動(dòng)下，日本主要能源研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展研究，并形成了不同的方向，如：

（1）由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)NEDO于2010年4月成立的日本智能社區(qū)聯(lián)盟（JSCA，Japan Smart Community Alliance），主要致力于智能社區(qū)的研究與示范。智能社區(qū)的建設(shè)類似于加拿大綜合社區(qū)能源管理（ICES）方案，是在社區(qū)能源一體化（包括:電力、燃?xì)?、熱力、可再生等）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的集成。

（2）東京燃?xì)夤咎岢龈鼮槌暗哪茉匆惑w化解決方案，在傳統(tǒng)綜合供能（電力、燃?xì)?、熱力）的基礎(chǔ)上，建設(shè)覆蓋全社會(huì)的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，在能源網(wǎng)終端，使用不同能源的設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元共同構(gòu)成終端能源系統(tǒng)。

2 日本能源發(fā)展特點(diǎn)與趨勢(shì)

日本智慧能源之所以著重強(qiáng)調(diào)社區(qū)和氫能的發(fā)展，主要是因?yàn)椋?/p>

1）雙頻率共存

日本電網(wǎng)是世界上唯一同時(shí)存在50Hz和60Hz頻率的國(guó)家。其邊界南起靜岡縣富士川河，北至本州島新滹，相當(dāng)于在東京和大阪兩個(gè)城市之間的連線上做一條垂直平分線。平分線以左，包括京都、大阪、名古屋是60Hz的電網(wǎng)；平分線以右，包括東京、橫濱、千葉是50Hz的電網(wǎng),見(jiàn)圖1。

圖1 日本電網(wǎng)概況

1895年前后，大阪區(qū)域主要購(gòu)買(mǎi)按美國(guó)60Hz標(biāo)準(zhǔn)制造的美國(guó)通用電氣公司（GE）產(chǎn)品，東京區(qū)域則主要購(gòu)買(mǎi)按德國(guó)50Hz標(biāo)準(zhǔn)制造的德國(guó)通用電氣公司（AEG）產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，這些區(qū)域向周邊輻射，從而形成了兩個(gè)頻率不同的電網(wǎng)。雖然這兩個(gè)電網(wǎng)通過(guò)直流背靠背工程實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，但傳輸容量較低，僅為百萬(wàn)千瓦級(jí)，無(wú)法解決電力互供問(wèn)題。遠(yuǎn)期規(guī)劃中，日本將提高傳輸容量列入其中，但相較日本巨大的經(jīng)濟(jì)體量，傳輸容量的提升仍難以滿足實(shí)際需求。

此外，統(tǒng)一頻率的可行性也很渺小，因?yàn)閮蓚€(gè)頻率在技術(shù)的優(yōu)越性上無(wú)特殊區(qū)別，只需統(tǒng)一設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)。因此從技術(shù)層面而言，統(tǒng)一頻率很難找到有說(shuō)服力的理論依據(jù)，且頻率的統(tǒng)一意味著另一頻率區(qū)域的電氣設(shè)備、發(fā)電設(shè)備等，無(wú)論是民用還是工業(yè)用，都將大范圍停用和廢棄，可預(yù)見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)損失巨大且難以承擔(dān)。

因此向社區(qū)化發(fā)展、大范圍減少電力輸送在日本顯得尤為重要。

2）氫能與核能相輔相成發(fā)展

日本對(duì)氫能利用的研究起步很早。1993年日本開(kāi)始實(shí)施《世界能源網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃》，著手對(duì)氫能源和燃料電池進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，并制定了2020年氫能推廣初步時(shí)間表。從預(yù)算看，自2003年以來(lái)，日本氫能源預(yù)算基本維持在200億日元以上。從2009年開(kāi)始，日本大量補(bǔ)貼燃料電池，到2017年燃料電池預(yù)算高達(dá)七百多億日元，見(jiàn)圖2。

圖2 日本氫能源預(yù)算

自2009年開(kāi)始，日本大力推行熱電共生系統(tǒng)（ENE-FARM）的民用化。該行動(dòng)由東京燃?xì)鈭?zhí)行，政府提供補(bǔ)貼直到2015年。日本首相官邸在2005年便開(kāi)始使用熱電共生系統(tǒng)供電和供熱。經(jīng)過(guò)數(shù)年推進(jìn)，日本成功部署了約十萬(wàn)套系統(tǒng)。

從豐田美玲(Mirai)汽車到東京燃?xì)鉄犭姽采梢?jiàn)，日本現(xiàn)階段將固定式燃料電池和燃料電池車FCV發(fā)展并舉。日本對(duì)燃料電池的研究興起于上世紀(jì)九十年代，快速推動(dòng)則從2002年開(kāi)始。

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的關(guān)于日本能源發(fā)展的看法是，日本大力推動(dòng)燃料電池的動(dòng)機(jī)是將燃料電池作為福島核事故后棄核的補(bǔ)充。而日本本國(guó)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界則普遍認(rèn)為，日本大力推動(dòng)燃料電池和氫能源的初衷和前提是--大力發(fā)展核電。原因如下：

①日本燃料電池研究發(fā)展時(shí)間節(jié)點(diǎn)與日本核戰(zhàn)略進(jìn)行點(diǎn)吻合。

②大力發(fā)展核電可產(chǎn)生廉價(jià)且大量的電力，這些電力通過(guò)電解法制造氫氣，為燃料電池提供氫能源。

③由于日本極度缺乏化石燃料，致使該技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，促使日本成為眾多發(fā)達(dá)國(guó)家中氫能源策略的積極推動(dòng)者。

2011年日本福島核事故迫使日本從積極的核戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向，但氫能戰(zhàn)略沒(méi)有改變，并進(jìn)一步對(duì)氫氣來(lái)源規(guī)劃了兩條新的并行路線。

(1)海外進(jìn)口廉價(jià)氫氣

自2017年以來(lái)，川崎重工（KHI，Kawasaki Heavy Industries）開(kāi)始在澳大利亞設(shè)立工廠，使用低品質(zhì)廉價(jià)褐煤生產(chǎn)氫氣，試運(yùn)行計(jì)劃年產(chǎn)量為20t/d。此外，澳洲豐富的可再生能源也可生產(chǎn)大量的氫氣。如果考慮社會(huì)和健康成本，可再生能源生產(chǎn)氫氣的成本接近褐煤重整成本。目前，北歐國(guó)家挪威也有意憑借自己廉價(jià)的可再生能源參與氫氣供應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)中。日本在澳大利亞氫能源項(xiàng)目見(jiàn)圖3。

（2）大力發(fā)展風(fēng)電和太陽(yáng)能

在發(fā)展風(fēng)電和太陽(yáng)能基礎(chǔ)上，配合廉價(jià)高效儲(chǔ)能電池，在本土制備氫氣。

自福島核事故后，日本加快了這條路線的推進(jìn)。日本住友集團(tuán)在日本和美國(guó)圣地亞哥均有大型全釩液流電池示范項(xiàng)目，其在北海道的電池項(xiàng)目規(guī)模高達(dá)60MW。

3 日本東京電力公司經(jīng)營(yíng)模式

東京電力公司是日本九大電力公司之一，也是世界著名的電力公司。在能源發(fā)展社區(qū)化、多元化大背景下，其供能服務(wù)越來(lái)越貼近用戶端，智慧能源綜合服務(wù)特色明顯：

1）根據(jù)用戶類型制定差異化服務(wù)

東京電力公司將客戶分為大客戶和居民客戶兩類。針對(duì)大客戶，服務(wù)內(nèi)容包括：

（1）為客戶提供各種電價(jià)方案和電氣設(shè)備方案的優(yōu)化組合。

（2）為客戶提供電力、燃?xì)?、燃油最佳能源組合。

（3）提供全方位節(jié)能協(xié)助服務(wù)，幫助客戶改進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

（4）兼顧包括通訊在內(nèi)的建筑物設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等。

針對(duì)居民客戶，東京電力公司將其需求定位為：舒適、節(jié)能、環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)。為此，東京電力公司確定了對(duì)居民客戶的營(yíng)銷策略，如推廣高效用電（IH）的炊具、節(jié)能熱水器等，為居民構(gòu)建“全電氣化住宅”。

2）利用多種手段幫助用戶節(jié)能

公司一方面為用戶提供節(jié)能診斷、設(shè)備維護(hù)及運(yùn)營(yíng)管理等節(jié)能解決方案，另一方面通過(guò)智能電表、通訊網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立智能用電系統(tǒng)，引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電。

3）注重技術(shù)研發(fā)，提高能源效率

東京電力公司設(shè)有技術(shù)開(kāi)發(fā)研究所，對(duì)智能家居、建筑節(jié)能、電動(dòng)汽車等進(jìn)行研究，如將電動(dòng)汽車接入智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷及預(yù)設(shè)方案對(duì)其進(jìn)行充放電。此外，利用地源熱泵、太陽(yáng)能發(fā)電等技術(shù)，通過(guò)儲(chǔ)能和監(jiān)控對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。電器用電及環(huán)境狀況也將被納入統(tǒng)一監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)家居用能集中調(diào)節(jié)及優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

日本根據(jù)本國(guó)極度缺乏化石能源和電網(wǎng)頻率不同導(dǎo)致傳輸容量有限的國(guó)情，積極推進(jìn)氫能源政策和社區(qū)化智慧能源綜合服務(wù)。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)雖不同于日本，但也在積極探索將氫能利用融入智慧能源綜合服務(wù)領(lǐng)域、積極推進(jìn)智慧能源綜合服務(wù)貼近用戶端。望本文通過(guò)日本能源發(fā)展思路與路徑的探討、對(duì)日本智慧能源服務(wù)發(fā)展與模式的梳理可以助力相關(guān)領(lǐng)域的研究。