能源互聯網的體系架構和節能減排研究

聶天琪 楊淑霞

【關鍵詞】能源互聯網;節能減排;清潔

能源是人類賴以生存的基礎，但是化石燃料的燃燒會產生有害氣體，污染環境。近些年，環境污染問題日益受到人們的重視。習近平主席提出，中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，這意味著中國將用最短的時間完成全球最高碳排放強度降幅。能源互聯網則是實現中國“雙碳”目標的重要途徑。能源互聯網是以智能電網為核心，可再生能源為主要一次能源、與天然氣網絡、供熱/冷網絡等多能源網以及交通網等緊密耦合，以互聯網前沿信息技術為基礎形成的能源互聯共享網絡。能源互聯網通過構建綜合能源系統能夠提高能源使用效率，促進可再生能源消納，對緩解我國資源緊張，減輕污染排放有重要意義。

能源互聯網主要由電力系統、天然氣網、交通網和信息網組成，基本架構如圖1所示，其中綠色、紅色和藍色箭頭分別表示信息流，能量流和交通流[1]。電力系統控制網絡是能源互聯網的核心，也是各種能源互相轉化的樞紐，通過可再生能源發電技術實現與風、光等大量分布式可再生清潔能源的耦合;通過天然氣發電與電轉氣技術（P2G）等實現與天然氣系統的耦合;熱能作為燃氣發電的主要副產品，通過冷熱電聯產系統可以實現電力系統與供熱、供冷網絡等其他二次能源網絡的耦合，為用戶供電的同時也可以供熱供冷。其次，電動汽車通過充電樁可以與電力系統相互影響，實現了交通網絡與電力系統的耦合。最后，能源互聯網內的各種設備，都需要通過信息網絡進行各個系統之間的協調與控制，維持整個能源互聯網的穩定運行。

能源互聯網主要是在智能電網的基礎上，依托互聯網等先進技術，同其他能源網耦合在一起，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減少了污染物排放。本文基于能源互聯網的構架，按照能源的生產環節，輸送環節和最終的能源消費環節將能源互聯網分成能源供給側，能源輸送側和用戶側，分別分析能源互聯網的減排機理。

（一）能源供給側的減排。主要為清潔能源發電對傳統火力發電的替代以及冷熱電聯供技術的應用。清潔能源在開發和使用的過程中不產生或者產生極少污染物，對保護環境起到很重要的作用。可再生能源和天然氣是能源互聯網使用的主要一次清潔能源，通過可再生能源發電和天然氣發電來替代煤炭的消耗，減少污染物的排放。同時也促進了可再生能源的消納，避免了能源的浪費。

冷熱電聯供（CCHP）系統通過燃燒天然氣發電，滿足用戶用電需求，同時發電產生的廢氣進入熱回收裝置和制冷機進一步利用，供給用戶熱能和冷能，實現電、熱、冷天然氣多種能源互濟。冷熱電聯供技術的發展一是可以優化系統的供能結構，減少一次能源的消耗;二是可以通過能量梯級利用，大幅提高能源使用效率，從而促進節能減排，有利于社會可持續發展。

（二）能源輸送側的減排。能源互聯網中一部分分布式電源發電與用電負荷接近，這使得供電距離大幅減短，降低了輸電線損。對于遠距離發電，可以通過特高壓交直流輸電網輸電。遠距離特高壓電網，提高了電壓運行等級，既簡化了電網結構，又可以實現能量遠距離低耗大容量傳輸。通過能源輸送效率的提高，促進了能源互聯網節能減排的能力。還有一部分是近距離發電。一些用戶與分布式發電電源的距離相近，自發自用，避免了能源遠距離的傳輸，也就避免了輸電線損，也會對能源互聯網的減排起到積極作用。

（三）能源用戶側的減排。主要方法包括實行電力需求側響應、電動汽車和燃氣汽車的推廣。需求響應的核心就是利用市場機制引導消費者傳統用能習慣的改變，主要包括價格型和激勵型兩種模式[2]，如圖2所示。基于價格的需求響應是指通過制定差異電價，用戶會主動根據電價的變化調整各時段的用電量，比如分時電價、實時電價和尖峰電價。當采用價格型需求響應時，供電局制定一天各時段不同的電價向居民公布，通常會在用電低谷期制定相對較低的電價，在中午或者傍晚用電高峰時制定相對較高的電價。通過價格刺激電力消費者主動將高峰期的用電量轉移一部分到低谷期，這樣電力消費者既可以得到經濟上的節省，對電力系統來說，也會降低電力峰谷差，平緩電力曲線的波動，提升了電力系統運行的穩定性。同時價格型需求響應也會促進用戶節約用電，提升人們節能節電意識，改變傳統的用電習慣。

基于激勵的需求響應是指采用獎勵的方式來引導用戶參與負荷削減項目，用戶愿意以中斷電力使用來換取經濟激勵。常用的方式有直接負荷控制，可中斷負荷和緊急負荷響應等[3-4]。同時，需求響應的實施離不開智能電表的使用，智能電表在能源互聯網中的廣泛應用使得用電信息透明化，實現用戶總體電力需求的下降。總之，需求響應可以實現電力系統削峰填谷、增加可再生能源消納，提高電力系統穩定性，減少用戶用電，改變用戶用能方式，提高能源利用率，最終實現節能減排。

能源互聯網支持大量電動汽車廣泛接入，與普通燃油汽車相比，電動汽車可以實現零路面排放。電動汽車以電代替汽油，減少了大量汽車尾氣排放。隨著天然氣發動機技術的進步，天然氣汽車的出現正逐步實現以氣代油，燃燒天然氣產生的污染亦是遠小于石油柴油產生的污染。電動汽車和燃氣汽車的使用也直接減少了污染物排放，促進了能源互聯網的節能減排。

能源互聯網可以實現節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，調整了傳統的能源結構。未來還應大力發展能源互聯網，進一步研究先進的發電、儲能等技術，構建能源互聯網新的商業模式，加速推動能源行業的清潔發展，促進“雙碳”目標的實現。總的來說，能源互聯網對環境的影響和效益都是巨大的。