基于“雙碳”目標的智慧能源體系構建

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”五年規劃中，國家提出了應對氣候變化的具體措施，并提出了“國家節能減排工作計劃”。“十四五”規劃提出的“雙碳”指標是我國能源安全發展戰略的重要內容。“雙碳制”不僅將改變我國的能源結構，而且將引發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”期間綠色能源生產消費轉型、社會能源使用模式轉型、現代能源安全體系建設提供有益參考。

1 能源結構中的雙重碳政策及存在問題

就二氧化碳減排而言，現在有兩種技術，一種是節能減排，一種是可再生能源[1]。其他技術如碳捕獲（包括大型發電廠、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，預計將在2030年以后逐步付諸實踐。根據國際能源機構的調查，未來的能源結構將會有巨大的改變。在當前的能源總量中，煤炭和天然氣大約占據了70%。到2050年，該比例將會低于10%，而太陽能光電和風力發電將占據60%的份額。可再生能源的發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電并不劃算，但現在不一樣了，就算沒有政府的補貼，太陽能發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，我國經濟已進入了爬坡過坎向高質量發展的關鍵階段，產業鏈從中低端向中高端不斷攀升，能源消費還沒有達到高峰，能源與產業結構對高碳發展方式存在著強烈的慣性和路徑依賴性，要在10年之內實現碳達峰，30年后才能實現碳中和，這將會對現有的科技儲備和政策措施造成巨大的挑戰。要用系統化的思路，構建新的能源體系，支持能源的低碳轉型。

能源系統是城市體系中的一個重要組成部分，它對城市的發展和運行起著舉足輕重的作用，也對提高一個城市的現代化和服務水平至關重要。根據我國的能源建設規模和發展的重要性，我國今后的能源開發將優先選擇城市能源。現代化是我國未來城市發展的核心和主題，對能源的需求依然很大，以“雙碳”為動力的城市，要實現可持續發展，必須以智能能源為基礎，以能源體系為動力。而新能源應用、清潔能源替代、智能電網等都是智能能源發展的關鍵，只有三個方面的協調發展，才能真正發揮能源系統在城市發展中的重要作用，從而推動智慧城市的發展。

2 智能能源系統的建設

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，比如在發電的時候，風向和大小都是不受控制的，在太陽能光伏發電的時候，氣候條件是無法控制的。所以風能和光能的發電量是隨機的，發電量也會隨著時間的推移而變化。據國家能源局統計，今年上半年，我國棄風率3.6%，棄光率2.1%，西北地區棄風率高出4.9%，新疆棄風率高達8%，這是由于我國風力發電項目在西北地區的比重較大。二是對能源的要求也是不確定的，通常情況下，電力供應充足，尖峰緊張。每年夏季，我國都會出現電力短缺現象，有的地方還會拉閘限電。今年的煤炭供應緊張，不只是夏季，還有一些地方在秋天的時候，就開始了停電。北京的一位學者曾經進行過一次統計，認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。這是由于夏季空調的應用導致夏季出現用電高峰[2]。

2.2 智能能源體系的角色

與過去、現在和未來的能源體系相比，過去和現在的能源供應基本都很充足，供應和需求分開。但在未來，電力供應會減少，燃煤發電的比重會降低，電力供應會變得更少，風能、太陽能也會更多。對于建筑來說，供應和需求是密切相關的，屋頂上會出現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。

智能能量系統可以整合一種或多種可調節的可調節負荷、儲能、微電網、電動汽車、分布式電源等，從而達到自主、協同、最優的控制。它采用了人工智能和大數據技術，將各地區的負荷集中起來，使其能夠有效地利用分布式能源，并通過對負載端的響應和靈活的調整來減少對電網的要求，從而實現對電網的控制。在能源供應側，太陽能、風能、儲能、微型火電，而在需求側，則是空調、電動汽車、可控負荷和儲能。通過智能能源系統，連接供求雙方，實現智能控制，其中最重要的就是集成和優化。

3 “雙碳”能源轉型的對策

二氧化碳減排涉及能源、環境、社會、環境等各個方面，用系統化的思路，構建新的能源體系，支持能源的低碳轉型。近幾年，我國電網發展迅速，以新能源為主，但在能源供應、安全運行、清潔消納等方面，電力系統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，系統的“頂峰能力”明顯不足。根據統計，電力發電量在總發電量15%以下的時間比例為一年中的一半左右，從電網的“雙高”模式（新能源比例高，電力電子設備接入比例高），“雙新”特點（新設備新技術的推廣）日益凸顯，系統的運行特點也越來越復雜，電壓、頻率調節能力也受到了極大的挑戰。由于電力系統的大量引入，導致了系統的暫態過電壓、寬頻振蕩和鎖相同步穩定性降低，系統的啟動組合復雜，不同工況下的穩定性差異較大，給系統運行控制帶來極大挑戰。在清潔消納方面，由于新能源的發電量和負載具有季節性的逆向調節特征，因此對其進行消納具有一定的困難。同時，我國電網的靈活調整能力仍有一定的缺陷，尤其是“雙碳”戰略實施以來，我國的能源結構調整和優化升級步伐加快。

3.1 智慧能源體系的演進路線

將各種新的發電技術（如分布式發電技術）逐步發展為潔凈、低碳的微電網。該系統可以將分布式電源與配電網絡之間的關系整合、協調，并充分利用當地的能源資源，實現電網的自平衡和優化。建立微電網，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；同時還可以減少電力系統的負荷，提高電力系統的可靠性和安全性，減少對環境的沖擊，從而達到清潔低碳的能源供給系統。

從用戶端多能量補充技術發展到一個經濟、有效的泛能網。以數字技術為基礎，以特高壓為基礎，向著綠色、安全的智能電網發展。建立智能電網不僅可以有效地促進可再生能源的安全消納，還能擴大資源優化配置，提升電力系統的整體安全性，推動相關產業的發展和產業鏈的升級。

以先進的能量存儲技術為基礎，以現代信息技術為基礎，向著網絡的方向發展。在能源管理上，采用先進的儲能技術，可以改善電力供應的穩定性和可靠性，從而達到空間和時間上的空間分布。在初期，各種數字化信息在能源生產、運輸、消費等各個方面相互連接，并與智能技術相結合，建立了一套具有高度適應性的智能能源控制系統，并將其應用于各種能源系統，如微電網、泛能網、智能電網等。在較高的發展階段，由于儲能技術的普及，電力的發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時間和空間上的分離，保證了對終端能量的實時調用和自由供應[3]。由于新能源發電具有隨機性、波動性以及經濟社會對電能的剛性要求，使得目前的電力供應與供給均呈現弱可調、硬匹配的狀態，就像是在供電與供電之間架了一座“硬板床”，系統的柔性平衡能力嚴重不足，一直存在著長距離傳輸和大規模網絡的安全隱患。而由微電網、泛能網、智能電網、能源網絡等組成的智能能源系統，則是在能源轉型的大背景下，協調各種矛盾的中樞；從縱向看，通過智能調度與先進的儲能技術，使供方與需求方能夠靈活地進行交互，就相當于在供求雙方間鋪設了“席夢思”，從而達到了系統的柔性均衡和最優的清潔能源配置。在“雙碳”戰略背景下，建設智能能源系統是彌補我國能源和電力系統的薄弱環節，實現綠色、低碳的轉變[4]。

3.2 智能能源系統支持能源轉型

在能源供給上，大規模推廣使用微電網技術和泛能網技術將為今后的負荷中心地區增加新的用電量提供可靠的保證。基于新能源的分布式微網將極大地提高當前僅依靠大電網的電力供應的可靠性和安全性。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。在調度和運行方面，利用數字化技術和現代控制技術，可以有效地提高源、網、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的運行模式和事件演變的計算能力，而且可以實現智能調度系統的開發，提高系統的安全性和決策能力；在輸電端，對特高壓電網進行優化，將會進一步促進大容量、遠距離、高可靠的輸電能力，從而使大規模的低碳電力能夠安全、高效地分布。通過建立智能電網，可以突破跨省際之間的障礙，達到調峰和調峰的目的，從而真正提高電網的本質安全和高效地提高低碳能源的傳輸效率[5]。通過建立能源網絡，可以突破傳統能源行業的供求關系，使電網的調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 構建智慧能源體系的實施路徑

4.1 大力推動能源技術革命，為智慧能源體系建設提供技術支撐

推動能源領域信息技術系統創新，根據國家智慧能源技術的研發與前沿目標，通過對氫能與燃料電池、先進儲能技術、碳的捕集利用與封存、新能源網絡、能源可視化、環境資源管理等新興信息技術系統的研究開發與利用，從而占領全球未來能源開發高地，孕育中國發展創新經濟的動能。以新能源創新實驗室建設為核心，集聚科技資源攻克相關"卡脖子"技術，不斷提升自主創新能力。

4.2 大力推進能源體制改革，為智慧能源體系建設創造良好政策環境

圍繞著微電網、泛能網、智慧電網和新能量網絡等智慧能源技術的發展應用，將持續推動有關領域產業體制機制變革創新，助力智慧能源系統構建與商業模式的不斷創新。強化了能源與工信、交通運輸、住建等部門的協作和配套，以減少或影響智慧城市能源、智慧交通系統、電動汽車、智慧節能建設等跨部門區域融合發展的重大政策障礙。突破傳統的能源行業"豎井"，通過整合煤、電、油、天然氣等不同的資源品種開發政策，推進對發電、供氣、供熱、供冷等資源基礎業務的統一審批，取消資源網絡開發領域壁壘。建設可再生能源和分布式資源的并網快速通道，進一步推進天然氣管網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 大力推進能源領域開放，為智慧能源體系“走出去”創造條件

積極主動參與世界能源開發工程，積極主張通過建設智慧能源系統促進全球能源開發的最有效方法，并爭取在世界未來能源管理的主導權。在“一帶一路”戰略和資源的全球合作協同發展方面，充分運用亞洲基礎設施投資銀行和金磚國家合作開發投資銀行等國際金融平臺，并通過建立全球智能資源發展基金的方式積極促進智慧能源技術的發展。

5 結語

隨著儲能技術和信息技術的不斷發展，“網絡+智能能源”必將成為未來能源技術和技術創新的主導者。安全、可靠、清潔、低碳、智能、高效的智能能源系統，為我國能源轉型、化解當前能源發展中的一系列風險與挑戰，提供了一種行之有效的方法。繼續大力推進智能能源建設，將為我國電網在能源供應、安全運行、清潔消納等領域的薄弱環節和薄弱環節提供強有力的支持。