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发展能源互联网,推动广域能源革命

2015年03月30日    来源:科技日报     
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[导读]人类社会经历的两次工业革命都与人类生产与利用能源方式的变革密切相关。

  人类社会经历的两次工业革命都与人类生产与利用能源方式的变革密切相关。

  进入21世纪以来,在第二次工业革命中奠定的以化石能源集中式利用为特征的传统能源生产与消费模式已经逐渐走到了尽头,而以可再生能源为主的新能源利用模式正在快速发展。预期这将导致新一轮工业革命的兴起,并再次深刻地改变人类社会的经济与社会发展模式。

  与传统的化石能源相比,可再生能源具有时空分布高度不平衡、出力具有间歇性和不确定性等特征。针对可再生能源自身的特征与可再生能源大规模利用所面临的困难,通过实现广域内能源的有效配置与智能管理,充分利用能源消费的需求弹性,推动用户由单纯消费者向生产型消费者转变,可望显著促进能源的清洁、安全与高效利用。能源互联网为此提供了一种很有前途的实现途径。

  能源互联网是以电力系统为核心,以互联网及其他前沿信息技术为基础, 以分布式可再生能源为重点,与天然气网络、交通系统等其他系统紧密耦合而形成的复杂网络系统,实现清洁能源替代和电能替代。我们建立了能源互联网的基本概念与研究框架, 认为发展能源互联网,需要重点研究下述理论与核心技术:

  1. 广域电力网络互联的理论与技术

  能源互联网可以覆盖的范围很大,从而可以实现能源尤其是可再生能源在大范围内的优化配置和利用。以太阳能为例,在我国西北、北非、澳大利亚等国家或地区,日照时间长、强度大,而且干旱和沙漠化区域的面积很大,因此太阳能资源非常丰富。上述地区或国家的丰富太阳能资源一般远离电力负荷中心,而且如果能够充分开发的话,由于地区或本国电力需求量不大而难以消纳。通过构建广域能源互联网,就可以将上述地区的太阳能发电(或风力发电)远距离输送到其它毗邻的国家, 从而实现可再生能源发电的大规模传输和利用。

  此外,不同国家或地区的可再生能源发电出力的变化规律不同(如峰值和低谷出现的时间不同),通过基于能源互联网的广域电力网络互联,可以充分利用可再生能源在不同区域的时空互补特性,有效增强接纳可再生能源发电的整体能力,在跨区域范围内实现可再生能源发电的优化利用,改善电力系统整体运行的经济性和可靠性。

  为了实现广域能源互联网,就需要完善主干电网,发展大容量、高效率、远距离的先进输电理论与技术,依托信息、控制科学和新颖储能等领域的先进技术,加强电力传输与信息处理的融合,增强电网资源的优化配置和供电能力,改善供电可靠性,促进大型可再生能源基地的集约化开发,进而在国内或与毗邻国家在广域能源互联网的架构下形成新的能源配置格局。

  2. 多能源融合与储能的理论与技术

  新型储能技术的广泛应用,为平抑可再生能源发电的间歇性和不确定性提供了一种有效手段。除了传统的抽水蓄能之外,应当大力发展电池储能、氢储能、压缩空气储能等,并特别关注锂—空气电池、电转气等新技术的发展。在接入方式上,能源互联网应当具有同时支持大容量储能电站集中式接入与小容量储能设备分布式接入的能力。此外,能源互联网应具有融合多能源载体的能力,通过应用冷热电联供、电转气等技术,充分发挥可再生能源与制冷、供暖、燃气等能源需求的互补性,在消费侧实现以电代煤、以电代气,从而提高电能在终端能源消费中所占比重,实现提高能效与降低污染的目的。

  3. 能源互联网的规划、运行与控制的理论与技术

  能源互联网的引入将使能源生产与消费的模式发生重大转变。首先,能源生产模式将由传统的以大规模集中式发电为主向集中式与分布式并重发展。其次,终端用户将从单纯的能源消费者向具有产消合一特征的生产型消费者转变。第三,能源交易的范围将由区域市场向跨区市场甚至跨国市场发展。上述三个重大转变,将给传统电力系统的规划、运行与控制带来巨大挑战。为此,需要大力开展能源互联网的规划、运行与控制的理论研究与技术开发,重点突破复杂交直流电网的规划、安全运行与控制、考虑众多用户集聚特性的需求侧响应、大量分布式发电与分布式储能参与电力市场交易等的核心理论与技术。

  4. 电动交通及其与电网的交互理论与技术

  绿色交通已成为国内外的共识。交通作为化石能源消费和废气排污的大户,也是导致雾霾现象的重要因素之一。因此,目前针对铁路、公路交通的电气化改造与升级日显突出。以电动汽车广泛应用为核心的电气化交通技术的发展方兴未艾;从长远来看,为实现交通领域的节能减排,大力发展电动汽车,在交通领域推动以电代油,已经成为主流发展趋势。未来的电动交通系统将成为能源互联网的重要组成部分。

  电动汽车的规模化应用,一方面可能加剧电力系统的供需不平衡,危害电网安全;另一方面,通过发展电动汽车的智能充放电管理的理论与技术,有效利用车载电池的储能功能,可以在一定程度上实现削峰填谷与平抑可再生能源出力波动性的目的。因此,应当大力推动电动交通与电力系统的融合,结合电池技术、智能充放电管理技术与车联网技术,实现交通领域的电气化与智能化。

  5. 支撑能源互联网的前沿信息与通信的理论与技术。

  为了实现对能源互联网的有效运行与控制,需要对电源、电网、一次能源、电动交通、储能、用电设备、用户、天气、环境等海量信息进行有效的整合与分析。因此,前沿的信息与通信技术是构建能源互联网的基础。需要尽快开展能源互联网通信协议与标准的设计及制定,实现不同领域多通信协议与标准的融合和交互。推动制定支持分布式电源、分布式储能与智能用电设备即插即用的通信接口标准,将能源互联网构建成能够支持各种能源设备接入的统一能源协调配置平台。大力发展能源互联网环境下的大数据与云计算理论与技术,支持海量能源信息的有效处理、存储与分析。

  世界各主要国家目前都在高度关注能源互联网的发展。在上述几个核心技术领域里,我国与主要发达国家的差距并不大,在有的子领域甚至还处于领先地位。我国应在能源互联网的技术研发与工程实践方面加大投入,力争引领这一战略性学术与技术领域的发展,从而确保我国在新一轮的工业和技术革命大潮中占得先机。

  (韩祯祥:中国科学院院士;文福拴:浙江大学电气工程学院教授、博导;赵俊华:浙江大学电气工程学院博士)

[责任编辑:lyy]
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