临港新片区城市能源互联网实现路径研究

刘 婧, 范 莹, 吴 琼, 李琦芬, 李濮如

(1.国网上海市电力公司, 上海 200122; 2.上海电力大学, 上海 200090)

在全球新一轮科技革命和产业变革中,互联网、先进信息技术与能源产业深度融合,推动了能源行业的变革。一种将互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态——能源互联网被提出,并得到迅速发展[1]。能源互联网是一种打破原先相对独立的不同类型能源的界限,在先进信息技术的基础上形成以电力系统为核心、多种类型能源网络和多种形式交通运输网络高度整合的新型能源供给利用体系[2-3]。

已有的研究成果中,文献[4-5]对城市能源互联网的内涵、架构、实践路径等一系列问题进行了深入研究。文献[6]对多能耦合型区域能源互联网的发展现状进行了系统分析,从投资主体、技术应用、重点市场、相关政策等4个方面总结了目前发展阶段的特点,并提出目前存在的技术问题、政策问题和运营问题等。文献[7]对城市能源互联网建设的现状进行了讨论。文献[8]以上海为例,梳理了上海的城市用能需求和特点,分析了双碳目标对能源互联网的发展及其技术创新的要求。

基于上述研究并结合实际情况,本文在定义城市能源互联网的概念和特征后,分析了城市能源互联网的发展架构。城市能源互联网的成功构建有助于推进智慧城市建设。本文以临港新片区为例,结合该区的发展需求,立足于能源发展的目标,梳理对应的顶层规划设计思路及路径研究建议,提出了构建临港新片区能源互联网的实施路径。

1 城市能源互联网概念和特征

1.1 城市能源互联网概念

城市能源互联网[9-10]是指在人口密集、负荷集中的城市范围内,以电力网络为核心,基于电转气技术、电动汽车入网技术等,融合供气网络、供暖/冷网络、电气化交通网等多种网络形式,建设开放的公共服务中心和能量管理平台,提高用户参与积极性,解决高渗透率可再生能源的接入,提高综合能源利用效率,从而实现能量流、信息流和价值流一体化融合的能源生态系统。以电为中心、跨域平衡、低碳化是城市能源互联网的核心思想。通过建设城市能源互联网,可实现能源结构由高碳到低碳、能源利用由低效到高效、资源配置由局部平衡到大范围优化配置、能源服务由单向供给到智能互动的转变,有效推动城市能源消费的绿色低碳发展。

1.2 城市能源互联网特征

清洁化、电气化、网络化、智能化是城市能源互联网的核心要素[11]。清洁化是终极目标,清洁能源应逐步取代化石能源使用;电气化是重要手段,提高能源使用的经济性和环保性;网络化是基本形态,促进多种能源以电力为介质的有机融合;智能化是关键支撑,实现城市能源智慧建设。考虑能源革命与低碳转型的时代要求,立足于以国家电网公司提出的能源互联网体系特征,提出以整个能源生态系统为基础设计针对城市范围的能源互联网体系。城市能源互联网体系需要具备“绿色发展、安全保障、智慧赋能、价值创造”4个特征。

2 城市能源互联网的发展架构

2.1 三元转型核心能力提升

在绿色低碳的发展理念下,一次能源能量密度持续上升的路径被打破,能源行业进入转型发展新时期。

城市能源互联网发展应提升“低碳转型、能源转型、数字化转型”耦合机制创新的三元转型核心能力。通过提升低碳转型能力和能源转型动力,推动低碳和零碳技术的研发、示范和推广,促进“源、网、荷、储、氢”5大领域技术创新;通过提升数字化转型能力,为低碳转型、能源转型提供数字化支撑,以数据为核心生产要素驱动传统能源互联网向智慧协同的零碳能源互联网演进。通过提升机制创新能力,公平开放打通智慧协同的零碳城市能源互联网发展快车道。

2.2 城市能源互联网架构规划

依托上述“低碳转型、能源转型、数字化转型”三元转型核心能力的提升,思考城市能源互联网的实现架构。城市能源互联网将构建3层总体架构,体现时序交叉、螺旋迭代的能源转型升级过程,体现为能源基础设施、信息支撑、价值创造3大体系的有机衔接。其总体架构呈现为矩阵式,如图1所示。一是坚强网架为平台建设能源综合基础设施层,促进多能互补,多元互动,确保能源安全供给。二是通过电网数字化转型升级,推动智能电网向智慧电网升级,强化能源系统数字化转型,全面提升数据处理能力和应用安全性。三是推动传统价值向新兴价值的拓展升级,构建完整的能源互联网生态圈。

图1 城市能源互联网发展总体框架

3 临港能源互联网实现路径规划

3.1 临港能源发展现状与需求

3.1.1 临港能源发展基础

根据临港新片区能源发展的深入调研数据,2000年以来,该区启动能源现代化、高效化、清洁化发展进程,在873 km2范围内形成了较为全面的能源体系,能源发展基础扎实,高质量发展要素齐备,具体体现在以下4个方面。一是能源大动脉交汇,可再生能源资源丰富,电力拥有800 kV奉贤换流站、500 kV远东站,燃气拥有洋山LNG接收站,风能、太阳能资源优于上海平均水平。二是电源基础较好,热源潜力较大,现有奉贤和临港2座燃气电站、8个风电场、70余座分布式光伏电站,区域年均发电能力超70亿kWh,但集中热源和热网仅覆盖西片区局部区块。三是配电网布局尚需优化,天然气市场有待开发,陆域范围现有220 kV变电站7座、110 kV变电站12座、35 kV公用变电站30座,天然气高高压调压站3座,年管输供气约2.1亿m3。四是交通能源补给站初具规模,尚存在较大提升空间,建成加油(气)站72座(不含内部站点),站点密度约为每100 km2内有8座。

3.1.2 临港能源发展需求分析

(1) 能源全域平衡支撑内部高质量发展需求。临港新片区的发展目标是2035年GDP超万亿、人口达300万,同时承载上海能源、信息和交通3大枢纽功能,因此该区建筑、工业、交通领域的用能负荷均面临快速增长压力。特别是60 000个新增数据中心机柜能耗约占该区能耗增量的20%。同时,新片区高质量发展需求提出了高质量能源服务需求,需结合实际场景合理布局集中式和分布式能源系统,优化提升区域清洁能源占比,着力构建双向互动型能源供需平衡体系,推进“源、网、荷、储”协调发展,提升区域综合能效,推动区域低碳发展。

(2) 外部新形势带来新挑战与新机遇。国内外能源格局复杂多变;数字经济重塑能源发展趋势;能源革命与数字革命深度融合;综合能源亟待全域多维多元赋能,并向能源互联网方向发展。

(3) 支撑地域发展建设的能源基础设施亟待高质量增强。配电网建设亟需加强,燃气供应体系亟待统一,集中供热问题亟需解决。尚存200个企业自建热源,集中热源及热网亟待完善,交通能源补给站亟待升级。大部分交通能源补给站服务功能单一,综合集成度较低,不能满足多元化、便捷化用能需求。亟需打通多种能源子系统间的技术壁垒、体制壁垒和市场壁垒,促进多种能源互补互济和多系统协调优化。能源电力韧性亟待提升,区域内缺少燃气分布式、储电等设施,在电力故障、台风等应急响应情境下缺乏韧性。

3.2 临港城市能源互联网发展目标

临港城市能源互联网体系应实现“绿色发展、安全保障、智慧赋能、价值创造”四维目标[12]。展望2035年,临港新片区将全面建成以中国特色国际领先能源互联网为特征的新一代综合能源体系。紧密围绕实现“双碳”目标和构建新型电力系统,立足电网主业,规划建设能源互联网。在能源供应体系中,打造输电网坚强稳定、配电网灵活可靠、全电压等级供电容量充裕的世界一流城市电网;形成“一环网、三压力等级、六气源站”的天然气管道输配系统,完成“1主+3辅”应急服务站点空间合理布局,形成快速应急响应体系;建设以成品油、天然气、氢能、电能等绿色能源互为补充,兼具其他智慧增值服务的综合交通能源服务体系;完成太阳能、风能等可再生能源的高质量开发利用,氢能、分布式能源、多能互补等新兴能源技术得到大规模推广。

锚定2035年远景目标,“十四五”末,“源、网、荷、储”一体化协调优化的能源互联网基础设施布局基本完善,支撑“十四五”临港新片区经济规模大幅跃升、经济密度明显提升、城市发展能级快速提升的目标愿景,初步建成与产业、城市发展相适应的国际领先的城市能源互联网。同时,不断完善构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化能源基础设施体系;系统布局新型能源基础设施,“一体化智慧城市能源大脑”建成并发挥指挥中枢作用,打造清洁能源优化配置平台;推进基础设施互联互通,能源支撑发展绿色建筑、绿色交通;优化电力生产和输送通道布局,加快天然气基础设施与市场建设,提升光伏、海上风电等新能源消纳和存储能力,示范试点探索氢能利用,打造上海乃至长三角清洁能源基地,融入国家发展战略。

3.3 临港城市能源互联网路径规划

3.3.1 规划建设范围

临港城市能源互联网规划建设,将紧密围绕实现上海城市发展双碳目标和临港构建新型电力系统零碳演进,规划建设具有临港新片区特色的能源互联网,建设范围主要涉及以电为中心的能源互联网。同时,结合2021年2月1日中国(上海)自由贸易试验区临港新片区管委会发布的我国首个区域性的聚焦于综合能源的“十四五”规划——《中国(上海)自由贸易试验区临港新片区综合能源“十四五”规划》,将部分内容外延涵盖广义的能源互联网建设需求,以电力系统为中心,将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑领域系统等紧密耦合,横向实现电、气、热、可再生能源等“多源多能互补”,纵向实现“源、网、荷、储”各环节高度协调,实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济,实现生产和消费双向互动,集中与分布相结合的综合能源服务网络,最终实现能源的安全、高效、绿色、智慧应用。

3.3.2 规划主要思路

临港城市能源互联网规划思路主要有以下4个方面。

(1) 坚持问题导向与目标导向协同,推动全方位协同能源互联网发展。问题导向,坚持全域能源需求补短板,保障区域新负荷中心能源安全;目标导向,强化优势助力区域能源与产业、城市、环境的统筹协调,成就上海南域能源枢纽与大通道建设,推动长三角一体化战略部署。

(2) 强化能源科技创新策源动力,创新综合能源发展新动能与新势力。贯彻“四个革命、一个合作”能源战略,支撑临港新片区经济社会高速、长期、健康发展,建设宜居宜业的现代化新城,最终促进该区在能源安全供给保障、能源绿色消费、能源技术创新策源动力形成、能源体制创新和能源开放共享等部分领域达到国内国际领先水平。

(3) 优化能源互联网基础设施建设时空组织,实现能源资源高效配置。不断研究调整能源重大生产力空间布局和适宜发展时序,满足能源基础设施建设“刚性”需求,推进能源绿色低碳发展,强调多种能源综合协调,构建临港新片区能源互联网“源、网、荷、储”协调体系。

(4) 着力建设能源互联网多维度服务体系,形成区域综合能源高质量服务能力。持续开展重点领域的节能降耗工作,着力实施终端用能清洁替代,拓展综合能源服务新业务,推进能源消费强度的精细化管理。创新驱动开放共享的综合能源服务新业态,因地制宜推进综合能源多元化服务模式创新与多样化商业模式先行先试。

3.4 临港城市能源互联网体系架构

临港城市能源互联网体系架构主要由以下5个部分组成。第一,中国(上海)自由贸易试验区临港新片区能源互联网发展规划将实现“绿色发展、安全保障、智慧赋能、价值创造”4个目标;第二,描绘出包括“集中式清洁能源供应、化石能源清洁利用、氢能高效利用、零碳智慧能源网络、零碳智慧高端产业园区、分布式零碳社区、零碳智慧车联网、零碳智慧空运与航运、美丽乡村、绿色港口”等10大典型能源场景的城市能源互联网体系蓝图;第三,明确指出能源互联网体系需具备“零碳能源供应、多能互补协同、能效综合最优、数字全面赋能、跨界模式创新”5大特征;第四,应提升“低碳转型、能源转型、数字化转型”耦合机制创新的三元转型核心能力;第五,规划通过“能源流、碳流、信息流与价值流”四流融合推动智慧协同的零碳能源互联网发展路径,描绘临港新片区城市能源互联网建设的关键起点,低碳发展重要建设节点与可持续发展的未来。

4 临港能源互联网建设

4.1 临港城市能源互联网建设蓝图

构建重点区域“一环、一带、一心、多网融合”的综合能源发展功能布局,有序推进临港新片区综合能源发展。

一环是指服务滴水湖核心区与综合产业片区能级提升,建设滴水湖环湖区域多能互补、多元需求融合的分布式能源环,服务滴水湖核心区与综合产业片区的产城融合能级提升。一带是指服务先进智造片区产业能级提升,建设先进智造片区综合能源集中式能源基地,服务先进智造片区产业能级提升。一心是指实现能源物理与数字空间的融合发展,建设区域综合能源管控中心,连接“城市大脑”,打造集“能源流、业务流、数据流”为一体的综合能源管控平台。多网融合是指服务全域能源安全保障,建设“电网、燃气网、热网、交通网、信息网”等多能源网络的融合,服务全域能源安全保障。

4.2 临港城市能源互联网业务场景

临港城市能源互联网蓝图中以新型电力系统网络为主干网络,通过主干网络和分布式网络交互协同,连接各典型能源场景,形成以新能源为主体、集中式与分布式相结合、“源、网、荷、储”协调互动、多能转换、多能互补、多网融合、数字全面赋能的能源互联智慧能源体系;通过智慧能源交易中心和智慧能源调度中心在更大范围内优化资源配置,实现城市能源互联网安全可靠和高效经济运行。

(1) 集中式清洁能源供应场景 结合临港新片区资源禀赋,形成以风力发电、光伏发电、电化学储能、氢能为核心的集中式清洁能源供应基地,通过零碳智慧能源互联网,实现清洁能源的全网优化调度与配置;有序安排送电通道建设,优先保证清洁能源送出,不断增强电网互济和保供能力。

(2) 化石能源清洁利用场景 通过临港新片区绿色智慧、零碳智慧电厂建设,实现天然气清洁高效开发利用,充分保障能源安全,运用碳捕获、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)等负碳技术,最大程度地减少化石能源使用过程中的碳排放。

(3) 氢能高效利用场景 发挥氢能作为燃料、原料和储能介质的特性,利用电解制氢技术生产绿氢,建立氢能输、配、储、售、用网络,实现氢能与电能、天然气等之间的高效转换;探索临港新片区氢能物流、氢能分布式供能、氢能楼宇等典型氢能应用场景。

(4) 零碳智慧能源网络场景 作为零碳智慧能源体系的主干网络,支持临港新片区多元主体灵活便捷接入、多种能源高效灵活转换和储存,与分布式能源网络互通互济,具有强大的资源配置能力和服务支撑能力;通过智慧能源管理系统,开展能源供应侧和需求侧到智能预测和调度,平抑供应侧新能源波动性,调节需求侧消费随机性,实现能源管理体系持续优化与运行无人化。

(5) 零碳智慧高端产业园区场景 综合能源服务商提供电、冷、热、气等一站式零碳能源服务,通过需求侧管理,与零碳智慧能源网络协调互动;通过开发临港新片区高端产业园区屋顶光伏、热泵利用、余热/余冷/余压利用等技术,提升能源自给率和能源综合利用效率;通过工艺改造、节能改造和CCUS等技术,降低园区能耗强度和碳排放强度;通过推动“源、网、荷、储”一体化能源供应体系建设,提高园区能源系统供需自平衡能力,助力新型电力系统构建。

(6) 分布式零碳社区场景 启动临港新片区顶尖科学家园区、科技城、科研总部湾等3 个区域能源站建设,配合可再生能源、氢能等先进能源技术,引入国际创新协同社区、全电社区、未来社区等先进理念,示范国际领先的社区能源发展理念及技术水平。利用屋顶光伏、光伏幕墙、节能环保材料、热泵技术、储能技术、智慧暖通系统、智慧照明系统和智慧楼宇控制系统等打造零碳建筑和负碳建筑,提升社区能源自给率;综合能源服务商提供电、冷、热、气等一站式零碳能源服务,梯次利用工业园区余热/余冷,降低社区能耗强度和碳排放强度。

(7) 零碳智慧车联网场景 未来临港新片区将形成以电动汽车、氢燃料电池汽车/卡车等为主体的公路交通系统,通过零碳智慧车联网提供充电、加氢一站式服务;通过V2G(Vehicle-to-grid)技术实现可控充放电以提高能源网络的可靠性和稳定性,推动能源网络与电动汽车充放电网络的融合。

(8) 零碳智慧航空与航运场景 临港新片区的航空领域将采用合成燃料替代传统化石燃料。合成燃料主要基于绿氢与二氧化碳化学合成,通过不断提升合成燃料的经济性,实现航空领域高能级、可持续发展;航运领域将通过电力、氢能、合成燃料等能源的综合利用实现脱碳。

(9) 美丽乡村场景 有机融合绿色生态新能源和农业生产,深入推进临港新片区农业供给侧能源改革,让新能源赋能美丽乡村建设;积极发展现代农业,优化种养产业结构、美化生产居住环境、打造特色民宿,建设美丽乡村示范点。

(10) 绿色港口场景 积极推进临港新片区绿色港口建设,加强港口污染防治、节能环保管理能力,各港口泊位岸电设施覆盖率达到100%,助推能源消费侧结构转型。实现船舶到港作业零污染、零排放。

4.3 临港能源互联网阶段性目标

依据“低碳转型、能源转型、数字化转型”三要素转型核心能力和内外部环境发展要求,将临港城市能源互联网的实现目标分为以下3个阶段性目标。

(1) 2021—2025年,建设电能主导的低碳能源互联网,勾画临港能源互联网服务产城融合高端产业园区集群建设布局蓝图。该阶段将基本完善“源、网、荷、储”一体化协调优化的能源互联网基础设施布局,构建完成与产城融合的能源互联网总体架构。基于新型电力系统建设目标,进一步完善区域内电源、电网设施,构建坚强稳定的输电网、韧性可靠的配电网,使供电服务能力与电能质量得到大幅提升;基本完成光伏和风电项目布局,协同推进氢能、分布式能源、多能互补等新兴能源技术的商业化运行;优化电力生产和输送通道布局,提升光伏、海上风电等新能源消纳和存储能力,示范试点探索氢能利用,打造上海乃至长三角清洁能源基地,融入国家发展战略。

(2) 2026—2035年,建设多能融合近零碳能源互联网。能源消费强度发展日趋合理,在有力支撑城市经济建设的条件下,碳排放达峰后稳中有降。该阶段将打造输电网坚强稳定、配电网灵活可靠、全电压等级供电容量充裕的电力系统;完成太阳能、风能等可再生能源的高质量开发利用,氢能、分布式能源、多能互补等新兴能源技术得到大规模推广。能源革命的核心价值得到体现,能源供给与消费更为合理,新型产业技术不断涌现,绿色能源结构、产用能一体、资源高效配置等多维融合的全新市场组织形式得以呈现,由此形成以中国特色国际领先能源互联网为特征的新一代综合能源体系。

(3) 2036—2060年,建设智慧协同低碳(零碳)能源互联网,“全场景”“全数据”“全网络”“全生态”协同能源网络支撑上海碳达峰目标实现。该阶段实现全场景万物智能物联、全数据智能分析决策、全网络智慧能源调度、全生态数据价值赋能的网络功能,是多能转换、多能互补、多网融合的综合协同能源网络。

5 结 语

本文设计的临港新片区城市能源互联网以电力系统为中心,将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑领域系统等紧密耦合,横向实现电、气、热、可再生能源等“多源多能互补”,纵向实现“源、网、荷、储”各环节高度协调,实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济,实现生产和消费双向互动、集中与分布相结合的综合能源服务网络,最终实现能源的安全、高效、绿色、智慧应用。所设计的临港城市能源互联网体系架构、规划建设思路,可以作为城市能源互联网规划实施方案的基础性依据。