基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能模式研究

馬如意

摘要：針對能源系統(tǒng)中分布式能源共享和儲能方面的挑戰(zhàn)，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源共享 儲能架構(gòu)。該架構(gòu)通過建立去中心化、透明度高的能源交易平臺，實現(xiàn)能源的高效管理和可持續(xù)發(fā)展。通 過深入分析該模式在實際案例中的應(yīng)用，揭示了其在推動清潔能源發(fā)展和構(gòu)建可持續(xù)能源系統(tǒng)方面的潛力， 為未來能源領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；分布式；能源；共享模型

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增長和對可再生能源 的迫切需求，分布式能源系統(tǒng)逐漸成為能源行業(yè)的 焦點 [1-2]。傳統(tǒng)的中心化能源模型面臨著多方面的 挑戰(zhàn)，包括能源浪費(fèi)、可再生能源不穩(wěn)定以及能源 供應(yīng)鏈不透明等。在此背景下，分布式能源系統(tǒng)通 過將能源產(chǎn)生、儲存和分配的權(quán)力下放到更小的單 元，提供了一種更靈活、可持續(xù)的解決方案 [3-5]。

然而，隨著分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展，諸如能源 交易、儲能共享和能源管理等方面的新挑戰(zhàn)也應(yīng)運(yùn) 而生 [6]。為了更好地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本文探究了基 于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源共享儲能模式。區(qū)塊鏈 技術(shù)具有去中心化、不可篡改、透明度高的特點， 為能源系統(tǒng)提供了獨特的解決方案，有效地改善了 能源市場的透明性和安全性。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，能 夠?qū)崿F(xiàn)去中心化的能源交易，確保能源數(shù)據(jù)的真 實性，促進(jìn)能源的高效利用，從而構(gòu)建一個更加智 能、安全和可持續(xù)的能源系統(tǒng)。在這一領(lǐng)域的不斷 創(chuàng)新和探索中，基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能 模式有望為未來的能源格局帶來積極的變革 [7]。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過使 用分布式節(jié)點網(wǎng)絡(luò)上的共識算法，實現(xiàn)去中心化的 數(shù)據(jù)存儲和驗證機(jī)制 [8]。簡單來說，區(qū)塊鏈可以被 視為一個按照特定規(guī)則不斷增加的數(shù)據(jù)塊組成的鏈 表。區(qū)塊鏈的核心原理是將數(shù)據(jù)分散存儲在多個參 與者中，每個參與者都有一份完整的數(shù)據(jù)副本。當(dāng) 有新的數(shù)據(jù)需要添加到區(qū)塊鏈中時，這些節(jié)點之 間通過共識算法達(dá)成一致，并將數(shù)據(jù)寫入新的區(qū)塊中。每個區(qū)塊都包含前一個區(qū)塊的哈希（Hash） 值，這樣形成一個由多個區(qū)塊相連的鏈條。區(qū)塊鏈 技術(shù)具有以下特點：①去中心化。沒有單一的中心 化機(jī)構(gòu)或個體控制數(shù)據(jù)，而是由多個節(jié)點共同維護(hù) 和驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。②安全性。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂妹艽a 學(xué)技術(shù)和分布式驗證機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的安全性和防 篡改性。③透明性。區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)是公開可見 的，所有參與者都可以查看和驗證數(shù)據(jù)。④不可篡 改性。一旦數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，幾乎不可能被篡改或 刪除，確保了數(shù)據(jù)的可信性。⑤匿名性。區(qū)塊鏈中 的參與者可以保持相對匿名，只能使用公鑰和私鑰 進(jìn)行身份驗證。⑥智能合約。區(qū)塊鏈可以支持智能 合約，即在特定條件下自動執(zhí)行的可編程合約。

2 微電網(wǎng)與共享儲能技術(shù)

2.1 微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)是一種小規(guī)模、局部化的電力系統(tǒng)，由 分布式能源資源、儲能系統(tǒng)和智能能源管理系統(tǒng)組 成。其設(shè)計目標(biāo)是提供可靠、高效、可持續(xù)的電力 供應(yīng)，可以獨立運(yùn)行或與主電網(wǎng)相連。微電網(wǎng)的關(guān) 鍵在于充分利用可再生能源，如太陽能、風(fēng)能，結(jié) 合先進(jìn)的儲能技術(shù)，以平衡能源供需，并通過智能管 理系統(tǒng)實現(xiàn)靈活的電力調(diào)度。這使得微電網(wǎng)能夠更 好地適應(yīng)電力需求的變化，提高系統(tǒng)的可靠性，促 進(jìn)清潔能源的更廣泛應(yīng)用。微電網(wǎng)的出現(xiàn)代表能源 系統(tǒng)朝著更加分散、智能和可持續(xù)的方向發(fā)展，為 實現(xiàn)能源安全和環(huán)保目標(biāo)提供了創(chuàng)新的解決方案 [9]。

2.2 共享儲能技術(shù)

共享儲能技術(shù)是一項革命性的能源管理創(chuàng)新， 旨在應(yīng)對能源系統(tǒng)中的波動性和不穩(wěn)定性，提高能 源利用效率，以及促進(jìn)可再生能源的廣泛應(yīng)用。該 技術(shù)的核心理念是通過先進(jìn)的能源存儲系統(tǒng)（如電 池、超級電容器和其他儲能設(shè)備），將能源存儲和 分配功能共享給多個用戶或設(shè)備。

本文采用了共享儲能站模式（圖 1）。該模式 是基于傳統(tǒng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的創(chuàng)新模式，通過建立 一個大型的公共儲能站和能源輸送網(wǎng)，為同一區(qū)域 內(nèi)的多個微電網(wǎng)提供電力接入服務(wù)，這也展現(xiàn)了共 享儲能技術(shù)的前沿發(fā)展。在這個模式中，公共共享 儲能電站的調(diào)度和運(yùn)維采用統(tǒng)一的方式，通過大容 量儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的聚集效應(yīng)和大規(guī)模用戶用電行為 的互補(bǔ)性，以更加高效和經(jīng)濟(jì)的方式為用戶提供所 需的儲能服務(wù)。該模式的關(guān)鍵在于建立一個能源輸 送網(wǎng)，使得多個微電網(wǎng)之間能夠靈活共享電力資 源。共享儲能站系統(tǒng)不僅提高了整體能源系統(tǒng)的韌 性，還能夠更好地適應(yīng)日常和季節(jié)性的電力負(fù)荷變 化。通過統(tǒng)一調(diào)度和運(yùn)維，降低了管理成本，使得 公共儲能站能夠更高效地滿足多個微電網(wǎng)的需求。

3 基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能架構(gòu)

本文提出一種基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享 儲能架構(gòu)。在這種交易模式中，微電網(wǎng)中的各個參 與方直接在基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的以太坊能源交易 平臺上進(jìn)行交易，包括信息記錄和結(jié)算，無須第三 方中介的管理。整個交易流程通過智能合約自動執(zhí) 行，用戶可以通過自己的賬戶在交易平臺上進(jìn)行資 金轉(zhuǎn)移，每一筆交易都被記錄在區(qū)塊鏈上，確保交 易信息的安全性、透明性和公開性。傳統(tǒng)電力公司 的角色變成了輔助者，旨在確保電能交易的安全和 穩(wěn)定。微電網(wǎng)系統(tǒng)包含可控負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組、光伏 等分布式設(shè)備。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)參與能源交易時，每 個微電網(wǎng)既是能源的生產(chǎn)者也是消費(fèi)者，被稱為產(chǎn) 消者。產(chǎn)消者之間的能源交易方式非常靈活且快速， 提高了能源的利用效率，并促進(jìn)可再生能源的消納。

圖 2 為分布式能源共享儲能架構(gòu)。其中，社區(qū) 能源存儲（community energy storage，CES）是指 將能量儲存設(shè)施（如電池、儲能系統(tǒng)等）部署到社 區(qū)或園區(qū)內(nèi)，從而實現(xiàn)能源管理的一種方式。CES 的核心目標(biāo)是通過儲能技術(shù)，更有效地利用可再生 能源（如太陽能、風(fēng)能）以及平衡電力系統(tǒng)的負(fù)載 需求。微電網(wǎng)（micro-grid，MG）是一種小型電力 系統(tǒng)，由多個分布式能源資源（如太陽能、風(fēng)能、 儲能等）和負(fù)載組成，能夠獨立運(yùn)行并與主電網(wǎng)進(jìn) 行連接。

4 分布式能源共享儲能模式分析

4.1 凈需求對比分析

本文描述了個體對電網(wǎng)的凈需求情況，即個體 對電網(wǎng)所需能量的依賴程度。在沒有能源合作的情 況下，微電網(wǎng)中的產(chǎn)消者和共享儲能站的能源共享 前凈需求如圖 3 所示。由圖 3 可知，在全天的不同 時間段，各微電網(wǎng)的能源需求呈現(xiàn)出高低波動的情 況，這意味著微電網(wǎng)能源利用效率較低且對電網(wǎng)的 依賴程度較高。這種波動性反映了微電網(wǎng)系統(tǒng)中的 能源供需不平衡情況，可能存在一些微電網(wǎng)在某些 時間段過度依賴電網(wǎng)的現(xiàn)象，而在其他時間段則可 能有能源過剩的情況。這種情況可能會導(dǎo)致能源的 浪費(fèi)和供需間的不匹配，降低了能源利用效率。

如圖 4 所示，相較于能源共享前，大多數(shù)能源 共享后凈需求都在零附近，說明能源供需之間的平 衡達(dá)到了極致，系統(tǒng)實現(xiàn)了能源高效利用和資源最 大化。其中，產(chǎn)消者 MG2 始終需要從電網(wǎng)汲取能 源來滿足需求，因此其能源需求波動較大。而產(chǎn)消 者 MG5 在能源共享前有能源產(chǎn)出溢出的情況，在 能源共享后可以將多余的電能賣給電網(wǎng)獲取收益， 這是通過能量共享實現(xiàn)的。在能源共享中，CES 會 在高可再生能源產(chǎn)出的幾個小時內(nèi)從產(chǎn)消者處存儲 剩余能源，并在需要的 2 ～ 4 h 內(nèi)與其他產(chǎn)消者分 享能量。這種合作機(jī)制有效地提高了當(dāng)?shù)貓@區(qū)的能 源效率。通過能源共享模式，包含共享儲能的多微 電網(wǎng)園區(qū)對電網(wǎng)的需求大大降低。

結(jié)果表明，能源共享模式具備有效性和積極作 用。通過能源共享，當(dāng)?shù)貓@區(qū)的能源效率得到了提 高，同時含有共享儲能的多微電網(wǎng)園區(qū)與未合作時 相比，對電網(wǎng)的需求量大幅減少。

4.2 碳排放量分析

本文針對電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的碳排放問題，提出了 一種在經(jīng)濟(jì)層面推動減少碳排放的創(chuàng)新性方法，將 碳排放納入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中考量，有助于實現(xiàn)低碳環(huán)保 目標(biāo)。能源共享前后進(jìn)行典型日碳有償排放總量對 比，得到的日碳有償排放總量如圖 5 所示。由圖 5 可知，能源共享后各微電網(wǎng)的日碳有償排放總量明 顯減少。具體而言，MG5 作為一個收益為正的個 體，由于未向微電網(wǎng)購電，其有償碳排放量趨近于 零。這一觀察結(jié)果表明，在能源共享合作模式下， 微電網(wǎng)之間可能發(fā)生了更加有效的碳排放資源共享 和協(xié)同管理。

5 結(jié)論

本文提出的基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能 模式有效降低了微電網(wǎng)對電網(wǎng)的凈需求，減少了微 電網(wǎng)對傳統(tǒng)能源的消耗，進(jìn)而減少了與傳統(tǒng)能源生 產(chǎn)相關(guān)的碳排放量。通過實驗數(shù)據(jù)分析，可以得出 共享儲能模式在優(yōu)化能源利用和減少微電網(wǎng)依賴方 面具有顯著效果。結(jié)果表明，分布式能源共享儲能 模式對于平衡微電網(wǎng)能源供需有著明顯的優(yōu)勢，可 以有效減少微電網(wǎng)對傳統(tǒng)中心化電網(wǎng)的依賴程度， 也反映了區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能模式對于減 少能源消耗和碳排放具有顯著的環(huán)保效益。綜上， 本文提出的基于區(qū)塊鏈的分布式能源共享儲能模式 在微電網(wǎng)和能源系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對于 推動社會、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和減少對傳統(tǒng) 能源的依賴具有重要意義。

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