能源互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和節(jié)能減排研究

聶天琪 楊淑霞

【關(guān)鍵詞】能源互聯(lián)網(wǎng);節(jié)能減排;清潔

能源是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，但是化石燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境。近些年，環(huán)境污染問(wèn)題日益受到人們的重視。習(xí)近平主席提出，中國(guó)將力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這意味著中國(guó)將用最短的時(shí)間完成全球最高碳排放強(qiáng)度降幅。能源互聯(lián)網(wǎng)則是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。能源互聯(lián)網(wǎng)是以智能電網(wǎng)為核心，可再生能源為主要一次能源、與天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱/冷網(wǎng)絡(luò)等多能源網(wǎng)以及交通網(wǎng)等緊密耦合，以互聯(lián)網(wǎng)前沿信息技術(shù)為基礎(chǔ)形成的能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)能夠提高能源使用效率，促進(jìn)可再生能源消納，對(duì)緩解我國(guó)資源緊張，減輕污染排放有重要意義。

能源互聯(lián)網(wǎng)主要由電力系統(tǒng)、天然氣網(wǎng)、交通網(wǎng)和信息網(wǎng)組成，基本架構(gòu)如圖1所示，其中綠色、紅色和藍(lán)色箭頭分別表示信息流，能量流和交通流[1]。電力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，也是各種能源互相轉(zhuǎn)化的樞紐，通過(guò)可再生能源發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)與風(fēng)、光等大量分布式可再生清潔能源的耦合;通過(guò)天然氣發(fā)電與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（P2G）等實(shí)現(xiàn)與天然氣系統(tǒng)的耦合;熱能作為燃?xì)獍l(fā)電的主要副產(chǎn)品，通過(guò)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與供熱、供冷網(wǎng)絡(luò)等其他二次能源網(wǎng)絡(luò)的耦合，為用戶供電的同時(shí)也可以供熱供冷。其次，電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)充電樁可以與電力系統(tǒng)相互影響，實(shí)現(xiàn)了交通網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的耦合。最后，能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的各種設(shè)備，都需要通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與控制，維持整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

能源互聯(lián)網(wǎng)主要是在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，依托互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，同其他能源網(wǎng)耦合在一起，加大清潔能源的利用，減少了化石能源的消耗，提升綜合能源利用效率的同時(shí)減少了污染物排放。本文基于能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架，按照能源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，輸送環(huán)節(jié)和最終的能源消費(fèi)環(huán)節(jié)將能源互聯(lián)網(wǎng)分成能源供給側(cè)，能源輸送側(cè)和用戶側(cè)，分別分析能源互聯(lián)網(wǎng)的減排機(jī)理。

（一）能源供給側(cè)的減排。主要為清潔能源發(fā)電對(duì)傳統(tǒng)火力發(fā)電的替代以及冷熱電聯(lián)供技術(shù)的應(yīng)用。清潔能源在開(kāi)發(fā)和使用的過(guò)程中不產(chǎn)生或者產(chǎn)生極少污染物，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到很重要的作用?？稍偕茉春吞烊粴馐悄茉椿ヂ?lián)網(wǎng)使用的主要一次清潔能源，通過(guò)可再生能源發(fā)電和天然氣發(fā)電來(lái)替代煤炭的消耗，減少污染物的排放。同時(shí)也促進(jìn)了可再生能源的消納，避免了能源的浪費(fèi)。

冷熱電聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)通過(guò)燃燒天然氣發(fā)電，滿足用戶用電需求，同時(shí)發(fā)電產(chǎn)生的廢氣進(jìn)入熱回收裝置和制冷機(jī)進(jìn)一步利用，供給用戶熱能和冷能，實(shí)現(xiàn)電、熱、冷天然氣多種能源互濟(jì)。冷熱電聯(lián)供技術(shù)的發(fā)展一是可以優(yōu)化系統(tǒng)的供能結(jié)構(gòu)，減少一次能源的消耗;二是可以通過(guò)能量梯級(jí)利用，大幅提高能源使用效率，從而促進(jìn)節(jié)能減排，有利于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

（二）能源輸送側(cè)的減排。能源互聯(lián)網(wǎng)中一部分分布式電源發(fā)電與用電負(fù)荷接近，這使得供電距離大幅減短，降低了輸電線損。對(duì)于遠(yuǎn)距離發(fā)電，可以通過(guò)特高壓交直流輸電網(wǎng)輸電。遠(yuǎn)距離特高壓電網(wǎng)，提高了電壓運(yùn)行等級(jí)，既簡(jiǎn)化了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，又可以實(shí)現(xiàn)能量遠(yuǎn)距離低耗大容量傳輸。通過(guò)能源輸送效率的提高，促進(jìn)了能源互聯(lián)網(wǎng)節(jié)能減排的能力。還有一部分是近距離發(fā)電。一些用戶與分布式發(fā)電電源的距離相近，自發(fā)自用，避免了能源遠(yuǎn)距離的傳輸，也就避免了輸電線損，也會(huì)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的減排起到積極作用。

（三）能源用戶側(cè)的減排。主要方法包括實(shí)行電力需求側(cè)響應(yīng)、電動(dòng)汽車(chē)和燃?xì)馄?chē)的推廣。需求響應(yīng)的核心就是利用市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)消費(fèi)者傳統(tǒng)用能習(xí)慣的改變，主要包括價(jià)格型和激勵(lì)型兩種模式[2]，如圖2所示?；趦r(jià)格的需求響應(yīng)是指通過(guò)制定差異電價(jià)，用戶會(huì)主動(dòng)根據(jù)電價(jià)的變化調(diào)整各時(shí)段的用電量，比如分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)和尖峰電價(jià)。當(dāng)采用價(jià)格型需求響應(yīng)時(shí)，供電局制定一天各時(shí)段不同的電價(jià)向居民公布，通常會(huì)在用電低谷期制定相對(duì)較低的電價(jià)，在中午或者傍晚用電高峰時(shí)制定相對(duì)較高的電價(jià)。通過(guò)價(jià)格刺激電力消費(fèi)者主動(dòng)將高峰期的用電量轉(zhuǎn)移一部分到低谷期，這樣電力消費(fèi)者既可以得到經(jīng)濟(jì)上的節(jié)省，對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也會(huì)降低電力峰谷差，平緩電力曲線的波動(dòng)，提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)價(jià)格型需求響應(yīng)也會(huì)促進(jìn)用戶節(jié)約用電，提升人們節(jié)能節(jié)電意識(shí)，改變傳統(tǒng)的用電習(xí)慣。

基于激勵(lì)的需求響應(yīng)是指采用獎(jiǎng)勵(lì)的方式來(lái)引導(dǎo)用戶參與負(fù)荷削減項(xiàng)目，用戶愿意以中斷電力使用來(lái)?yè)Q取經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。常用的方式有直接負(fù)荷控制，可中斷負(fù)荷和緊急負(fù)荷響應(yīng)等[3-4]。同時(shí)，需求響應(yīng)的實(shí)施離不開(kāi)智能電表的使用，智能電表在能源互聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用使得用電信息透明化，實(shí)現(xiàn)用戶總體電力需求的下降。總之，需求響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷、增加可再生能源消納，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少用戶用電，改變用戶用能方式，提高能源利用率，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

能源互聯(lián)網(wǎng)支持大量電動(dòng)汽車(chē)廣泛接入，與普通燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)零路面排放。電動(dòng)汽車(chē)以電代替汽油，減少了大量汽車(chē)尾氣排放。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，天然氣汽車(chē)的出現(xiàn)正逐步實(shí)現(xiàn)以氣代油，燃燒天然氣產(chǎn)生的污染亦是遠(yuǎn)小于石油柴油產(chǎn)生的污染。電動(dòng)汽車(chē)和燃?xì)馄?chē)的使用也直接減少了污染物排放，促進(jìn)了能源互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能減排。

能源互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的核心在于清潔能源的替代和電能的替代，增加了可再生能源的使用以及能源之間耦合緊密，提高了整體用能效率，調(diào)整了傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)。未來(lái)還應(yīng)大力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步研究先進(jìn)的發(fā)電、儲(chǔ)能等技術(shù)，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)新的商業(yè)模式，加速推動(dòng)能源行業(yè)的清潔發(fā)展，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)環(huán)境的影響和效益都是巨大的。