基于“雙碳”目標(biāo)的智慧能源體系構(gòu)建

張麗君

（山西省安裝集團股份有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

“十一五”五年規(guī)劃中，國家提出了應(yīng)對氣候變化的具體措施，并提出了“國家節(jié)能減排工作計劃”?！笆奈濉币?guī)劃提出的“雙碳”指標(biāo)是我國能源安全發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容?！半p碳制”不僅將改變我國的能源結(jié)構(gòu)，而且將引發(fā)一場徹底的能源革命。中國的二氧化碳排放量很難控制，其中有兩方面的困難：一是中國在全球范圍內(nèi)的二氧化碳排放量占到了全球二氧化碳排放量的1/3；二是美國和歐洲的二氧化碳排放量都在減少，而中國的二氧化碳排放量卻在不斷的增加。從這一點上說，“雙碳”政策目前還有很多工作要做。為“十四五”期間綠色能源生產(chǎn)消費轉(zhuǎn)型、社會能源使用模式轉(zhuǎn)型、現(xiàn)代能源安全體系建設(shè)提供有益參考。

1 能源結(jié)構(gòu)中的雙重碳政策及存在問題

就二氧化碳減排而言，現(xiàn)在有兩種技術(shù)，一種是節(jié)能減排，一種是可再生能源[1]。其他技術(shù)如碳捕獲（包括大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放來源的二氧化碳，通過多種方式存儲，防止其進入大氣層，并進行合理使用），目前還處在研究階段，預(yù)計將在2030年以后逐步付諸實踐。根據(jù)國際能源機構(gòu)的調(diào)查，未來的能源結(jié)構(gòu)將會有巨大的改變。在當(dāng)前的能源總量中，煤炭和天然氣大約占據(jù)了70%。到2050年，該比例將會低于10%，而太陽能光電和風(fēng)力發(fā)電將占據(jù)60%的份額。可再生能源的發(fā)展前景是非常廣闊的，這一點從過去兩年的資本市場就能看出來。在過去，很多人都覺得投資太陽能發(fā)電并不劃算，但現(xiàn)在不一樣了，就算沒有政府的補貼，太陽能發(fā)電的回收周期也可以達到七年，比起二十年前的十年，這已經(jīng)大大的縮短了。在未來，考慮到電力價格的提高，以及各地政府的補貼和碳交易機制的建立，太陽能電池的價格比將會更高。

減少排放的時間很緊迫。目前，我國經(jīng)濟已進入了爬坡過坎向高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段，產(chǎn)業(yè)鏈從中低端向中高端不斷攀升，能源消費還沒有達到高峰，能源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對高碳發(fā)展方式存在著強烈的慣性和路徑依賴性，要在10年之內(nèi)實現(xiàn)碳達峰，30年后才能實現(xiàn)碳中和，這將會對現(xiàn)有的科技儲備和政策措施造成巨大的挑戰(zhàn)。要用系統(tǒng)化的思路，構(gòu)建新的能源體系，支持能源的低碳轉(zhuǎn)型。

能源系統(tǒng)是城市體系中的一個重要組成部分，它對城市的發(fā)展和運行起著舉足輕重的作用，也對提高一個城市的現(xiàn)代化和服務(wù)水平至關(guān)重要。根據(jù)我國的能源建設(shè)規(guī)模和發(fā)展的重要性，我國今后的能源開發(fā)將優(yōu)先選擇城市能源。現(xiàn)代化是我國未來城市發(fā)展的核心和主題，對能源的需求依然很大，以“雙碳”為動力的城市，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須以智能能源為基礎(chǔ)，以能源體系為動力。而新能源應(yīng)用、清潔能源替代、智能電網(wǎng)等都是智能能源發(fā)展的關(guān)鍵，只有三個方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，才能真正發(fā)揮能源系統(tǒng)在城市發(fā)展中的重要作用，從而推動智慧城市的發(fā)展。

2 智能能源系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 我國能源供需特征

可再生能源的特性有兩個，一是隨機性，比如在發(fā)電的時候，風(fēng)向和大小都是不受控制的，在太陽能光伏發(fā)電的時候，氣候條件是無法控制的。所以風(fēng)能和光能的發(fā)電量是隨機的，發(fā)電量也會隨著時間的推移而變化。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，今年上半年，我國棄風(fēng)率3.6%，棄光率2.1%，西北地區(qū)棄風(fēng)率高出4.9%，新疆棄風(fēng)率高達8%，這是由于我國風(fēng)力發(fā)電項目在西北地區(qū)的比重較大。二是對能源的要求也是不確定的，通常情況下，電力供應(yīng)充足，尖峰緊張。每年夏季，我國都會出現(xiàn)電力短缺現(xiàn)象，有的地方還會拉閘限電。今年的煤炭供應(yīng)緊張，不只是夏季，還有一些地方在秋天的時候，就開始了停電。北京的一位學(xué)者曾經(jīng)進行過一次統(tǒng)計，認(rèn)為一年中電力消費的最高峰是“超負荷”，也就是“不太熱也不太冷”。在夏季，電力消費處于高峰，幾乎是低谷時的兩倍。這是由于夏季空調(diào)的應(yīng)用導(dǎo)致夏季出現(xiàn)用電高峰[2]。

2.2 智能能源體系的角色

與過去、現(xiàn)在和未來的能源體系相比，過去和現(xiàn)在的能源供應(yīng)基本都很充足，供應(yīng)和需求分開。但在未來，電力供應(yīng)會減少，燃煤發(fā)電的比重會降低，電力供應(yīng)會變得更少，風(fēng)能、太陽能也會更多。對于建筑來說，供應(yīng)和需求是密切相關(guān)的，屋頂上會出現(xiàn)更多的分布式太陽能和儲能，因此，如何利用隨機的太陽能，是一個非常重要的問題。

智能能量系統(tǒng)可以整合一種或多種可調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)負荷、儲能、微電網(wǎng)、電動汽車、分布式電源等，從而達到自主、協(xié)同、最優(yōu)的控制。它采用了人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將各地區(qū)的負荷集中起來，使其能夠有效地利用分布式能源，并通過對負載端的響應(yīng)和靈活的調(diào)整來減少對電網(wǎng)的要求，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)的控制。在能源供應(yīng)側(cè)，太陽能、風(fēng)能、儲能、微型火電，而在需求側(cè)，則是空調(diào)、電動汽車、可控負荷和儲能。通過智能能源系統(tǒng)，連接供求雙方，實現(xiàn)智能控制，其中最重要的就是集成和優(yōu)化。

3 “雙碳”能源轉(zhuǎn)型的對策

二氧化碳減排涉及能源、環(huán)境、社會、環(huán)境等各個方面，用系統(tǒng)化的思路，構(gòu)建新的能源體系，支持能源的低碳轉(zhuǎn)型。近幾年，我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，以新能源為主，但在能源供應(yīng)、安全運行、清潔消納等方面，電力系統(tǒng)仍有較大的缺陷和不足。在能源供給上，目前我國新能源“大裝機、小電量”特征明顯，夏、冬期間的用電量缺口很大，而“雙峰”期間，即迎峰度夏、度冬期間，系統(tǒng)的“頂峰能力”明顯不足。根據(jù)統(tǒng)計，電力發(fā)電量在總發(fā)電量15%以下的時間比例為一年中的一半左右，從電網(wǎng)的“雙高”模式（新能源比例高，電力電子設(shè)備接入比例高），“雙新”特點（新設(shè)備新技術(shù)的推廣）日益凸顯，系統(tǒng)的運行特點也越來越復(fù)雜，電壓、頻率調(diào)節(jié)能力也受到了極大的挑戰(zhàn)。由于電力系統(tǒng)的大量引入，導(dǎo)致了系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓、寬頻振蕩和鎖相同步穩(wěn)定性降低，系統(tǒng)的啟動組合復(fù)雜，不同工況下的穩(wěn)定性差異較大，給系統(tǒng)運行控制帶來極大挑戰(zhàn)。在清潔消納方面，由于新能源的發(fā)電量和負載具有季節(jié)性的逆向調(diào)節(jié)特征，因此對其進行消納具有一定的困難。同時，我國電網(wǎng)的靈活調(diào)整能力仍有一定的缺陷，尤其是“雙碳”戰(zhàn)略實施以來，我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級步伐加快。

3.1 智慧能源體系的演進路線

將各種新的發(fā)電技術(shù)（如分布式發(fā)電技術(shù)）逐步發(fā)展為潔凈、低碳的微電網(wǎng)。該系統(tǒng)可以將分布式電源與配電網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系整合、協(xié)調(diào)，并充分利用當(dāng)?shù)氐哪茉促Y源，實現(xiàn)電網(wǎng)的自平衡和優(yōu)化。建立微電網(wǎng)，一方面可以提高整體的能量利用率，并可以提供個性化的供電服務(wù)；同時還可以減少電力系統(tǒng)的負荷，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，減少對環(huán)境的沖擊，從而達到清潔低碳的能源供給系統(tǒng)。

從用戶端多能量補充技術(shù)發(fā)展到一個經(jīng)濟、有效的泛能網(wǎng)。以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，以特高壓為基礎(chǔ)，向著綠色、安全的智能電網(wǎng)發(fā)展。建立智能電網(wǎng)不僅可以有效地促進可再生能源的安全消納，還能擴大資源優(yōu)化配置，提升電力系統(tǒng)的整體安全性，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的升級。

以先進的能量存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，向著網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。在能源管理上，采用先進的儲能技術(shù)，可以改善電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而達到空間和時間上的空間分布。在初期，各種數(shù)字化信息在能源生產(chǎn)、運輸、消費等各個方面相互連接，并與智能技術(shù)相結(jié)合，建立了一套具有高度適應(yīng)性的智能能源控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于各種能源系統(tǒng)，如微電網(wǎng)、泛能網(wǎng)、智能電網(wǎng)等。在較高的發(fā)展階段，由于儲能技術(shù)的普及，電力的發(fā)配和分配不再是必需的，電力的供給和一次能量的供給之間可以實現(xiàn)時間和空間上的分離，保證了對終端能量的實時調(diào)用和自由供應(yīng)[3]。由于新能源發(fā)電具有隨機性、波動性以及經(jīng)濟社會對電能的剛性要求，使得目前的電力供應(yīng)與供給均呈現(xiàn)弱可調(diào)、硬匹配的狀態(tài)，就像是在供電與供電之間架了一座“硬板床”，系統(tǒng)的柔性平衡能力嚴(yán)重不足，一直存在著長距離傳輸和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的安全隱患。而由微電網(wǎng)、泛能網(wǎng)、智能電網(wǎng)、能源網(wǎng)絡(luò)等組成的智能能源系統(tǒng)，則是在能源轉(zhuǎn)型的大背景下，協(xié)調(diào)各種矛盾的中樞；從縱向看，通過智能調(diào)度與先進的儲能技術(shù)，使供方與需求方能夠靈活地進行交互，就相當(dāng)于在供求雙方間鋪設(shè)了“席夢思”，從而達到了系統(tǒng)的柔性均衡和最優(yōu)的清潔能源配置。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，建設(shè)智能能源系統(tǒng)是彌補我國能源和電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)綠色、低碳的轉(zhuǎn)變[4]。

3.2 智能能源系統(tǒng)支持能源轉(zhuǎn)型

在能源供給上，大規(guī)模推廣使用微電網(wǎng)技術(shù)和泛能網(wǎng)技術(shù)將為今后的負荷中心地區(qū)增加新的用電量提供可靠的保證?；谛履茉吹姆植际轿⒕W(wǎng)將極大地提高當(dāng)前僅依靠大電網(wǎng)的電力供應(yīng)的可靠性和安全性。通過靈活整合電力、天然氣、熱、冷等多種能源提供方式，可以極大地改善需求端的能量利用率，有效地提高我國的低碳能源供給。在安全操作上，安全高效，清潔低碳，雙向互動。在調(diào)度和運行方面，利用數(shù)字化技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，可以有效地提高源、網(wǎng)、荷之間的信息感知、雙向流動和靈活的交互，不但可以大大改善系統(tǒng)的運行模式和事件演變的計算能力，而且可以實現(xiàn)智能調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)，提高系統(tǒng)的安全性和決策能力；在輸電端，對特高壓電網(wǎng)進行優(yōu)化，將會進一步促進大容量、遠距離、高可靠的輸電能力，從而使大規(guī)模的低碳電力能夠安全、高效地分布。通過建立智能電網(wǎng)，可以突破跨省際之間的障礙，達到調(diào)峰和調(diào)峰的目的，從而真正提高電網(wǎng)的本質(zhì)安全和高效地提高低碳能源的傳輸效率[5]。通過建立能源網(wǎng)絡(luò)，可以突破傳統(tǒng)能源行業(yè)的供求關(guān)系，使電網(wǎng)的調(diào)峰容量得到大幅提升，從而使我國的低碳能源的消納能力得到明顯改善。

4 構(gòu)建智慧能源體系的實施路徑

4.1 大力推動能源技術(shù)革命，為智慧能源體系建設(shè)提供技術(shù)支撐

推動能源領(lǐng)域信息技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新，根據(jù)國家智慧能源技術(shù)的研發(fā)與前沿目標(biāo)，通過對氫能與燃料電池、先進儲能技術(shù)、碳的捕集利用與封存、新能源網(wǎng)絡(luò)、能源可視化、環(huán)境資源管理等新興信息技術(shù)系統(tǒng)的研究開發(fā)與利用，從而占領(lǐng)全球未來能源開發(fā)高地，孕育中國發(fā)展創(chuàng)新經(jīng)濟的動能。以新能源創(chuàng)新實驗室建設(shè)為核心，集聚科技資源攻克相關(guān)"卡脖子"技術(shù)，不斷提升自主創(chuàng)新能力。

4.2 大力推進能源體制改革，為智慧能源體系建設(shè)創(chuàng)造良好政策環(huán)境

圍繞著微電網(wǎng)、泛能網(wǎng)、智慧電網(wǎng)和新能量網(wǎng)絡(luò)等智慧能源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，將持續(xù)推動有關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)體制機制變革創(chuàng)新，助力智慧能源系統(tǒng)構(gòu)建與商業(yè)模式的不斷創(chuàng)新。強化了能源與工信、交通運輸、住建等部門的協(xié)作和配套，以減少或影響智慧城市能源、智慧交通系統(tǒng)、電動汽車、智慧節(jié)能建設(shè)等跨部門區(qū)域融合發(fā)展的重大政策障礙。突破傳統(tǒng)的能源行業(yè)"豎井"，通過整合煤、電、油、天然氣等不同的資源品種開發(fā)政策，推進對發(fā)電、供氣、供熱、供冷等資源基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一審批，取消資源網(wǎng)絡(luò)開發(fā)領(lǐng)域壁壘。建設(shè)可再生能源和分布式資源的并網(wǎng)快速通道，進一步推進天然氣管網(wǎng)無歧視向第三方放開，實行大流量天然氣直供，激活智慧能源系統(tǒng)運營的新動能，有效減少終端用戶的用能成本。

4.3 大力推進能源領(lǐng)域開放，為智慧能源體系“走出去”創(chuàng)造條件

積極主動參與世界能源開發(fā)工程，積極主張通過建設(shè)智慧能源系統(tǒng)促進全球能源開發(fā)的最有效方法，并爭取在世界未來能源管理的主導(dǎo)權(quán)。在“一帶一路”戰(zhàn)略和資源的全球合作協(xié)同發(fā)展方面，充分運用亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行和金磚國家合作開發(fā)投資銀行等國際金融平臺，并通過建立全球智能資源發(fā)展基金的方式積極促進智慧能源技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著儲能技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，“網(wǎng)絡(luò)+智能能源”必將成為未來能源技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)者。安全、可靠、清潔、低碳、智能、高效的智能能源系統(tǒng)，為我國能源轉(zhuǎn)型、化解當(dāng)前能源發(fā)展中的一系列風(fēng)險與挑戰(zhàn)，提供了一種行之有效的方法。繼續(xù)大力推進智能能源建設(shè)，將為我國電網(wǎng)在能源供應(yīng)、安全運行、清潔消納等領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié)提供強有力的支持。