能源互聯(lián)網(wǎng)視域下綜合能源服務(wù)的新特征

文 | 王永真

相對于傳統(tǒng)節(jié)能服務(wù)，在現(xiàn)階段綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES 或Comprehensive Energy Service，CES）中，既有新的對象產(chǎn)生，以及相應(yīng)技術(shù)路徑和商業(yè)模式的探索，也有基于大數(shù)據(jù)技術(shù)對傳統(tǒng)能源服務(wù)的升級改造。當(dāng)前，面對綜合能源服務(wù)業(yè)態(tài)的林林總總，仍有太多企業(yè)分不清、看不明相關(guān)的新技術(shù)與新模式，難以打造適合自身特點的關(guān)鍵技術(shù)。因此，總結(jié)凝練這些新技術(shù)與新模式的特征、辨識與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，有助于厘清綜合能源服務(wù)的內(nèi)涵與外延，科學(xué)地應(yīng)對挑戰(zhàn)。

在當(dāng)前的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)下，我國綜合能源服務(wù)呈現(xiàn)多重新特征。值得注意的是，本文僅試圖從單一維度對這些新特征進行示意區(qū)分，對于某一綜合能源服務(wù)，以上特征互有交叉且多重并舉，也是在能源互聯(lián)網(wǎng)新趨勢下對傳統(tǒng)能源服務(wù)的繼承與創(chuàng)新。

單一供能與綜合供能并舉，綜合供能發(fā)展態(tài)勢明顯（簡稱：單一/綜合）：多能聯(lián)供是綜合能源服務(wù)最基礎(chǔ)的能源服務(wù)之一。在能源互聯(lián)網(wǎng)特征下，對于能源規(guī)模用戶，多能聯(lián)供試圖打破各行業(yè)條塊分割的體制機制及技術(shù)壁壘，實現(xiàn)冷、熱、電、氣、氫等多種能源的聯(lián)合供應(yīng)，以提高能源的綜合利用率與綜合效益。其中，多能互補綜合能源系統(tǒng)就是綜合能源服務(wù)技術(shù)和體制壁壘破局的最佳體現(xiàn)。多能互補更強調(diào)源側(cè)兩種以上一次能源的集成互補，綜合能源系統(tǒng)則更強調(diào)荷側(cè)冷、熱、電、氣多能源的耦合供應(yīng)。從能量利用角度來看，多能互補綜合能源系統(tǒng)體現(xiàn)出源側(cè)、網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)多種異質(zhì)能源的耦合互補與多能協(xié)同，已經(jīng)從技術(shù)上實現(xiàn)了不同行業(yè)能流的優(yōu)化。如，“北京市北科產(chǎn)業(yè)園綜合智慧能源項目”將冷、熱、電、氣統(tǒng)一規(guī)劃，打造了集燃氣鍋爐、直燃機、電制冷設(shè)備、配電系統(tǒng)、供冷/熱管網(wǎng)于一體的綜合能源系統(tǒng)，相較于單一分供系統(tǒng)，可節(jié)約配電容量300MVA；國網(wǎng)客戶服務(wù)中心北方園區(qū)集合了光伏發(fā)電、儲能微網(wǎng)、太陽能空調(diào)、太陽能熱水、地源熱泵、冰蓄冷空調(diào)、蓄熱式電鍋爐等七個能源子系統(tǒng)的集成應(yīng)用和托管服務(wù)等等。

重資產(chǎn)與輕資產(chǎn)投資并舉，輕資產(chǎn)的服務(wù)態(tài)勢明顯（簡稱：重資/輕資）：除傳統(tǒng)大型能源設(shè)備以及管網(wǎng)等“重資產(chǎn)”的投資或改造外，對于存量改造項目，綜合能源服務(wù)的另一主要業(yè)態(tài)是基于已有重資產(chǎn)基礎(chǔ)上的多元供能增值服務(wù)（輕資產(chǎn)），即依托信息及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能源管控及托管平臺、商業(yè)模式與增值服務(wù)的創(chuàng)新，來滿足用戶多元化、定制化的用能服務(wù)需求，涉及節(jié)能服務(wù)、運維服務(wù)、技術(shù)咨詢等。如，“基于電力大數(shù)據(jù)的能源公共服務(wù)建設(shè)與應(yīng)用工程示范項目”構(gòu)建了“物理分布、邏輯統(tǒng)一、跨越協(xié)同”的企業(yè)級大數(shù)據(jù)平臺，探索出電力數(shù)據(jù)對外服務(wù)的新模式；河北雄安市民服務(wù)中心應(yīng)用城市智慧能源管控系統(tǒng)（CIEMS），初步實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、運行、傳輸、消費環(huán)節(jié)的集中數(shù)字化管理；張家口可再生能源示范區(qū)探索了“政府+電網(wǎng)公司+企業(yè)+用戶”的“四方協(xié)作機制”。

從無序用能向有序用能的轉(zhuǎn)變（簡稱：無序/有序）：能量系統(tǒng)在熵視域下具有明顯的耗散結(jié)構(gòu)特征，符合社會系統(tǒng)生存和演化的熵增規(guī)律，即能源系統(tǒng)逐漸由有序向無序發(fā)展。因此，能源系統(tǒng)的提質(zhì)增效，就是持續(xù)通過物理和信息的方法，優(yōu)化其架構(gòu)及能流分布，在滿足日益增長的負荷需求的條件下，不斷減少能源系統(tǒng)內(nèi)外部的熵增，盡可能地減緩能源系統(tǒng)從有序走向無序的速度。隨著數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)階段以信息流改造能量流的綜合能源服務(wù)趨勢也日益明朗，即利用能源大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及商業(yè)模式，形成一種能源信息流的負熵策略，以減緩對應(yīng)的能源物理系統(tǒng)向無序發(fā)展的速度，盡可能使能源系統(tǒng)更加有序。例如，“面向特大城市電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目”是基于數(shù)據(jù)挖掘與精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的生產(chǎn)設(shè)備有序控制技術(shù)，通過密煉機能耗數(shù)據(jù)的挖掘與分析，形成有序生產(chǎn)的電力調(diào)控策略，將無序生產(chǎn)設(shè)備控制為有序運行，削減峰值負荷約20%，具備節(jié)約配電投資以及節(jié)能降耗的潛力。“大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)示范工程”打造了多資源參與電網(wǎng)資源配置的管理機制及技術(shù)，利用有效的響應(yīng)機制引導(dǎo)可調(diào)節(jié)負荷參與電網(wǎng)資源配置，將分散的海量可中斷負荷、儲能資源集中起來，進行精準(zhǔn)柔性負荷的實時控制與有序控制。再如，伴隨未來電動汽車的規(guī)模化發(fā)展，以及車網(wǎng)互動（Vehicle-to-Grid，V2G）技術(shù)和需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的成熟，電動汽車有序充電和釋電技術(shù)將整合巨量無序的電動汽車儲能資源，助力于電網(wǎng)的削峰填谷，這也是綜合能源服務(wù)實現(xiàn)用能從無序到有序的體現(xiàn)。

從局部優(yōu)化到全局優(yōu)化的發(fā)展（簡稱：局部/全局）：綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)就是追求“能源三角”的多目標(biāo)全局優(yōu)化。當(dāng)前，隨著“云大物移智鏈”等數(shù)據(jù)驅(qū)動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)物理驅(qū)動模型求解強耦合非線性能源系統(tǒng)問題的瓶頸，逐漸實現(xiàn)從局部優(yōu)化上升到盡可能的全局優(yōu)化，覆蓋的優(yōu)化對象越來越全面。比如，數(shù)據(jù)中心作為一個能耗大戶，在傳統(tǒng)模式中，為了追求高性能、保證服務(wù)質(zhì)量和可靠性，通常采用電力冗余的設(shè)計或者制冷系統(tǒng)過大設(shè)計的運行策略，加大了數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)、配電裝置等配套設(shè)備能耗的投入，致使數(shù)據(jù)中心的能耗成本可達到運行成本的50%以上。而人工智能技術(shù)的研究，讓數(shù)據(jù)中心的全局優(yōu)化具有了可行性，能為探究數(shù)據(jù)中心“算力”“能效”“成本”的系統(tǒng)性同步優(yōu)化，數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)控、動態(tài)控制與數(shù)據(jù)計算量聯(lián)動互動的全局優(yōu)化提供手段。再如，建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化已經(jīng)由原來只關(guān)注冷水機組的局部優(yōu)化，逐步發(fā)展成對建筑負荷預(yù)測、冷凍機組、冷卻塔以及冷卻水泵等因素全景感知的綜合能源服務(wù)的全局優(yōu)化。對于新建項目的優(yōu)化目標(biāo)也由傳統(tǒng)單一的經(jīng)濟最優(yōu)，擴展到環(huán)境效益、投資成本以及節(jié)能率的多目標(biāo)綜合優(yōu)化。

單向能流與雙向能流并存，雙向能流特征逐漸凸顯（簡稱：單向/雙向）：傳統(tǒng)電網(wǎng)運行調(diào)控是單一的源隨荷動模式，電力系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)隨時按照負荷側(cè)的變化而變化，負荷側(cè)則不會考慮供應(yīng)側(cè)的彈性變化。因此，為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展不斷增長的用能需求，采用基于源隨荷動的傳統(tǒng)解決方案，就必須不斷增加電力供應(yīng)側(cè)的裝機。如此，在剛性投資不斷加大的同時，電網(wǎng)設(shè)備未能全力運行，另外還要花費更多人力、財力去運維，影響企業(yè)效益。為了解決上述問題，“大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)示范工程”研究了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動技術(shù)，將電網(wǎng)運行調(diào)控從傳統(tǒng)單一的源隨荷動模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸措S荷動、荷隨網(wǎng)動”的源網(wǎng)荷儲智能互動模式，顯著提升新能源消納水平、電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力和彈性恢復(fù)能力，有利于支撐新一代電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。從單向到雙向的體現(xiàn)還有電動汽車、分布式能源的發(fā)展，在并網(wǎng)時形成了電網(wǎng)潮流的反向分布，傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向分布由此變成了復(fù)雜動態(tài)的雙向分布，這是綜合能源服務(wù)的新特征和市場空間之一。類似地，“產(chǎn)消者”的新模式就是在以往單純的能源消費者群體中產(chǎn)生的一個新形態(tài)—能源“產(chǎn)消者”（Prosumer，既是能源的生產(chǎn)者，也是能源的消費者），比如V2G 模式，具有儲能的微能源網(wǎng)/分布式能源，甚至是產(chǎn)消型的數(shù)據(jù)中心，使能源消費用戶具備了能源生產(chǎn)的能力，從而給綜合能源服務(wù)注入新動力。

余能回收與利用將從高品位走向低品位領(lǐng)域（簡稱：高位/低位）：余能回收與利用是綜合能源服務(wù)的業(yè)態(tài)之一，比如我國工業(yè)余熱可回收資源潛力達到2189～8676 TWh。不過，當(dāng)前綜合能源服務(wù)在余熱回收領(lǐng)域主要面臨從高溫到低溫的挑戰(zhàn)。水泥廠、玻璃廠、鋼鐵廠的余熱回收已經(jīng)有幾十年的歷史。以余熱發(fā)電為例，早期余熱發(fā)電的溫度在300～1000℃，多采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT）或者余熱鍋爐+汽輪機的方式，已經(jīng)實現(xiàn)較為成熟的中高溫余熱的動力回收技術(shù)。剩下難以回收的300℃以下中低品位余熱能，則需要更為先進、更昂貴的回收技術(shù)，比如有機朗肯循環(huán)技術(shù)（Organic Rankine Cycle，ORC）、煙氣深度冷卻技術(shù)、吸收式制冷技術(shù)等。根據(jù)卡諾循環(huán)基本原理，驅(qū)動熱源溫度越低，動力循環(huán)（正循環(huán)）的熱電轉(zhuǎn)換效率會越低。因此，低品位余熱驅(qū)動的余熱回收的熱經(jīng)濟性收益會越來越小。同理，對于余熱制冷來講，高品位余熱驅(qū)動的吸收式或者吸附式制冷的性能系數(shù)（COP）會大于低品位驅(qū)動的COP。因此，對于中低品位余熱的回收需要有周全詳細的方案，方能獲得預(yù)期的綜合能源服務(wù)投資回報率。相反，對于熱泵（供暖模式）而言，環(huán)境溫度越低，熱泵搬運難度更大，其COP 會越低，熱經(jīng)濟性就越差，且“三北”地區(qū)冬季供暖還面臨結(jié)霜的問題。

電池規(guī)模化回收即將到來，單次到梯次利用正在形成（簡稱：單次/梯次）：隨著電動汽車數(shù)量爆發(fā)式增長，不能達到電動汽車使用標(biāo)準(zhǔn)的動力電池將大量退役，對這些電池進行儲能梯級利用，也是綜合能源服務(wù)的業(yè)態(tài)之一。動力電池從電動汽車上退役后仍有高達80%的剩余容量，可應(yīng)用于對電池性能要求較低的場合，即進入電池儲能梯級利用階段。典型的儲能梯級場合，如削峰填谷，減小用電峰谷差，減輕電網(wǎng)供需矛盾；作為備用電源，提高供電可靠性；與可再生能源發(fā)電結(jié)合，提高它們的可控性等。例如，“面向特大城市電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目”引入綜合能源服務(wù)商在用戶內(nèi)建設(shè)分布式儲能，包括中國鐵塔閑散儲能電池資源、電動汽車退役電池的梯次利用，實現(xiàn)多方共贏，采用多種投資模式已建設(shè)4 個分布式儲能項目，合計總?cè)萘?0MW/44MWh；利用變電站退役電池進行梯級利用，提高資產(chǎn)利用率，已 投 運187kW/1.87MWh（2V/300Ah）。“數(shù)字儲能技術(shù)”，則基于能量信息化的基本理念，可以針對不同儲能應(yīng)用需求，將多種物理、化學(xué)性質(zhì)迥異的儲能介質(zhì)進行數(shù)字化混用，實現(xiàn)一套物理儲能系統(tǒng)同時滿足多種儲能應(yīng)用需求，達到儲能系統(tǒng)的價值最大化，可為未來大規(guī)模電池泛在、梯級利用提供重要的技術(shù)支撐。

單一資源多功能加載，能源服務(wù)從單調(diào)到多樣發(fā)展（簡稱：單調(diào)/多樣）：綜合能源服務(wù)也可體現(xiàn)在將傳統(tǒng)不同行業(yè)單一的用能設(shè)備集成在一起，在方便供能的同時，節(jié)約占地，還能集中管控，并提供能源大數(shù)據(jù)增值服務(wù)。城市層面的智慧路燈作為一種集成各種信息技術(shù)應(yīng)用的市政基礎(chǔ)設(shè)施，是建立城市全面感知網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)載體。如廣州供電局積極部署智慧用能新興業(yè)務(wù)，智慧路燈集公共照明、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、微基站、充電樁等功能模塊于一體，實現(xiàn)“一桿多用”。國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司主導(dǎo)研發(fā)的多功能復(fù)合桿柱示范工程，借助智能照明設(shè)備、多功能攝像頭和交通指示燈、一鍵式報警裝置、路燈WiFi 和5G 網(wǎng)絡(luò)基站、多功能傳感裝置，實現(xiàn)對環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量、土壤濕度等指標(biāo)的實時監(jiān)測。再如，南方電網(wǎng)的首個“互聯(lián)網(wǎng)+智慧用能綜合示范小區(qū)”實現(xiàn)四網(wǎng)融合，集中承載“互聯(lián)網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、電信網(wǎng)和電網(wǎng)”的業(yè)務(wù)需求。另外，隨著分布式電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，變電站的功能將包括儲能、電力變換等，能量的傳輸也從單向轉(zhuǎn)為雙向，這使得電力的調(diào)度變得非常復(fù)雜，所需要采集的數(shù)據(jù)急劇增加。因此，“多站融合”的建設(shè)與運營模式成為一種綜合能源服務(wù)的新業(yè)態(tài)，它是將變電站、充換電站、儲能站，甚至是數(shù)據(jù)中心等集于一體。未來，從單調(diào)到多樣的綜合能源服務(wù)新業(yè)態(tài)，重點在于挖掘“一桿多用”“多站合一”“多表集抄”之后的數(shù)據(jù)增值服務(wù)，服務(wù)于城市智慧能源以及為智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施起支撐作用。

需求側(cè)管理與響應(yīng)，是綜合能源服務(wù)從實體到虛擬的趨勢（簡稱：實體/虛擬）：利用存量能源載體的熱慣性或者可調(diào)節(jié)負荷，可以實現(xiàn)與同等實體設(shè)備投入等價的效果。其中，虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）是一種通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源（Distributed Generation，DG）、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等分布式能源資源（Distributed Energy Resource，DER）的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。“虛擬電廠”概念的內(nèi)核可以概括為“通信”和“聚合”。虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)包括協(xié)調(diào)控制技術(shù)、智能計量技術(shù)以及信息通信技術(shù)。如“冀北泛在電力物聯(lián)網(wǎng)虛擬電廠示范工程”具備秒級感傳算用、可聚合億級用戶能力，它依托泛（FUN）電平臺，將蓄熱式電采暖、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11 類泛在可調(diào)資源組合在一起，參與電力系統(tǒng)實時柔性互動，打造出泛在可調(diào)資源創(chuàng)新參與電力市場的市場機制和商業(yè)模式。另外，建筑的保溫性能使其溫度變化相較于空調(diào)耗電量大小的瞬變具有一定滯后性，某種程度上具有熱儲備的能力。通過改變空調(diào)的設(shè)定溫度，改變其耗電量，可以將空調(diào)的制冷制熱量在短時間內(nèi)存儲于建筑中。把空調(diào)―建筑系統(tǒng)等效為虛擬儲能（Virtual Energy Storage，VES）裝置，在保證用戶舒適度的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)負荷削峰填谷的功能。

系統(tǒng)優(yōu)化的顆粒度逐漸從粗放到精細，從靜態(tài)到動態(tài)（簡稱：粗放/精細）：隨著功率預(yù)測、負荷預(yù)測和智能規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展，對能源系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的匹配研究，逐漸由以日為尺度，變?yōu)橐孕r、分鐘甚至是秒為尺度。時間尺度的逐漸縮短，供、用能之間的動態(tài)變化以及匹配特性逐漸被挖掘，也給能源系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供了潛力空間。如此，經(jīng)過合理的設(shè)計，就能夠避免能源供給設(shè)備的過大設(shè)計、設(shè)備利用率低以及配電資源的浪費。再如，由于計算困難，早期多聯(lián)供系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的性能系數(shù)往往取恒定值；如今隨著智能算法的發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備性能模型趨于更加精細，可以實現(xiàn)驅(qū)動熱源、冷源變化，甚至是設(shè)備內(nèi)部參數(shù)的動態(tài)變化，這樣有利于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃和策略制定。再如，“互聯(lián)網(wǎng)+”在智能供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究及工程示范，構(gòu)建了智慧供熱的“一站一優(yōu)化曲線”，通過綜合考慮室外氣溫、太陽輻射以及建筑物熱惰性對供熱負荷的影響，折算成一個綜合環(huán)境溫度，實現(xiàn)對每個站點溫度調(diào)節(jié)曲線的優(yōu)化。未來，以個性化、定制化、動態(tài)化為特征的能源需求會不斷出現(xiàn)，這都將依靠傳感、能源路由、邊緣計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的綜合能源服務(wù)的重要業(yè)態(tài)之一。

能源的商品化屬性凸顯，從壟斷態(tài)勢走向共享共贏（簡稱：壟斷/共享）：在目前能源相對充足的發(fā)展階段，能源“民主化”的態(tài)勢逐漸顯現(xiàn)，能源行業(yè)扁平化的體制機制和大眾參與的態(tài)勢正在逐步形成。“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”是能源互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)方針。綜合能源服務(wù)作為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形態(tài)，相關(guān)運營技術(shù)、商業(yè)模式還處于探索發(fā)展階段。國家層面正在健全能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)從優(yōu)化到實際落地的體制機制，放管服、新電改、電力現(xiàn)貨市場、碳市場等能源市場機制日益完善的趨勢不斷明朗。例如，在“新基建”的驅(qū)動下，國家電網(wǎng)―國網(wǎng)電動汽車公司推出了“尋找合伙人”的商業(yè)模式，打造一種個人樁加入、樁群商戶、充電樁生產(chǎn)企業(yè)、充電場地投入、資金場地投入的合作開放的綜合能源服務(wù)模式。未來綜合能源服務(wù)的典型特征之一是，能源將像商品一樣，在生產(chǎn)者與消費者之間自由流動，從而構(gòu)建起人人能夠參與的綜合能源服務(wù)新業(yè)態(tài)。再如，“基于能源互聯(lián)網(wǎng)插座”的精細化用電管理模式及平臺，可以能源的泛在通道—“插座”為抓手，將用電服務(wù)、計量和管理等功能下沉到能源系統(tǒng)的最底層—插座，在便捷掃碼充電的同時，充分還原了電能的商品屬性，也能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對電價的個性化自定義設(shè)置，形成“人人泛在的經(jīng)濟共享售電”的應(yīng)用模式。“近零能耗建筑”集合了主動式、被動式的多種能源技術(shù)，可以暢想，未來的家庭在實現(xiàn)能源自給的同時，也可以基于能源互聯(lián)網(wǎng)的思維及技術(shù)，充分參與到綜合能源服務(wù)的生態(tài)中。