协同构建能源互联网 积极推进能源转型

张道荣 颜世富 潘鸿飞 王喜银 许建中 尹晨旭 葛健婷

1. 国家电网安徽省电力有限公司, 安徽 合肥 230061;2. 上海交通大学安泰经济与管理学院, 上海 200030;3. 国家电网安徽省电力有限公司合肥供电公司, 安徽 合肥 230022;4. 上海慧圣咨询公司, 上海 200052

0 前言

近年来许多国家正在发生能源危机。2022年6月28日英国石油公司(BP)发布的《世界能源统计年鉴2022》指出,全球能源系统面临着近50年来最严峻的挑战和不确定性。英国、德国、日本、澳大利亚等国家纷纷陷入了能源短缺状态,2022年6月6日,美国宣布进入能源紧急状态,称受俄乌冲突造成的能源市场供应中断及气候变化加剧下的极端天气的影响,美国的国家安全和生活质量受到潜在的电力供应短缺的威胁。能源转型是走出能源危机的必然选择。虽然1980年德国就提出了能源转型,但是以往的能源转型压力没有当前这样迫切。如何走出困境,摆脱能源危机,人们一直在探索,但是缺乏整体互动。因此建议协同构建能源互联网,推进能源转型,建设绿色低碳、高效安全能源体系,摆脱能源危机。

1 能源互联网研究的文献分析

近年来能源转型日渐受到广泛关注,进一步研究发现,虽然多个领域的人们都在热议这个话题,但是关于“能源转型”方面的学术研究成果仍然较少,2022年8月10日,在中国知网里主题搜索“能源转型”,只搜到2 989条结果,表明大家对能源转型开展的深入研究还不多,取得的研究成果也较少。

针对能源互联网的深入研究也很少,在中国知网上搜索关键词“能源互联网”,截至2022年8月15日,共搜索到中文文献945篇。通过可视化软件VOSviewer关键字共现分析,共有2 191个关键词,阈值设为5,最终有77个关键词。关键词共现聚类视图见图1。

图1 “能源互联网”中文文献关键词共现聚类图Fig.1 Co-occurrence cluster diagram of keywords in Chinese literature on “Energy Internet”

在聚类视图中,圆圈大小距离分别代表该颜色的重要性高低及元素的关系程度。从图1可以看出,“能源互联网”“碳中和”“综合能源系统”和“可再生能源”是最重要的方向。另外,从距离来看,尤其“碳中和”与“可再生能源”密切相关。“能源互联网”与“区块链”之间的连线最粗,代表两者关联性最强。

使用VOSViewer对关键词的热度进行分析,产生9个簇,每个簇用颜色标识其热度和涉及的关键词和相关领域,见图2。

图2 “能源互联网”中文文献关键词共现密度视图Fig.2 A view of the co-occurrence density of keywords in the Chinese literature on “Energy Internet”

在密度视图中,图谱上每个颜色代表一个聚类。关键词形成9个聚类,代表9个研究热点,在图2中以不同的颜色显示,每个热点的聚类明细见表1。

由表1可见,“能源互联网”热点是围绕能源互联网及相关技术发展,涉及区块链、虚拟电厂、能源路由器、储能等能源智能化产品,以区块链为主;“新型电力系统”热点的研究与新型电力系统相结合,通过新能源、5G等模式实现“双碳”目标,以推进碳中和的目标实现;“数字化转型”热点关于国家电网公司的数字化转型,主要聚焦物联网、数字化等相关领域;“碳中和”热点主要聚焦碳中和及新型商业模式,通过低碳转型,发展光伏、分布式储能等新型智慧能源;“电能替代”热点主要聚焦电能替代,通过分布式能源、智慧电网等方式实现清洁能源发电,代替传统电力模式;“综合能源服务”热点研究综合能源服务,同时涉及技术、市场、能源转型等多个角度;“综合能源系统”热点研究通过负荷预测、多目标优化等手段构建综合能源系统;“电动汽车”热点主要聚焦以算法、优化等技术手段发展电动汽车;“能源路由器”热点研究能源路由器,主要涉及协同优化、协调控制两方面。

表1 中文文献关键中的研究热点聚类明细表

整体上看,人们对能源互联网进行研究时,会关注到能源互联网与碳中和、能源转型、新型电力系统、能源安全、综合能源的关系等重大问题。

2 能源转型的复杂性长期性

对于能源转型的必要性、重要性,现已基本形成共识,但关于怎样转型、转型路径是什么,目前还存在较大分歧。应该坚持高质量发展的思想指导能源转型,反对“跨越式、超常规”的急功近利的做法。一些国家和地区在发展过程中,过度开发和利用化石能源,对生态环境造成了很大的影响。

多个国家把能源转型作为国家能源战略[1-3]。1980年德国科学院提出了“能源转型”的概念,系最早提出“能源转型”概念的国家,为能源行业的发展做出了重要贡献。德国已经为能源转型设定了明确时间表:2022年关闭所有核电站、2038年淘汰煤电、2045年实现碳中和,计划到2050年能源结构发生大变化,规划可再生能源发电占比达到80%。俄乌冲突引发德国就能源转型是否需要提早实现和如何保障能源安全展开讨论。2022年以来,德国天然气等能源供应储备不足的问题不断显现。德国联邦经济和气候保护部提出,根据国内外形势的大变化,计划将100%实现可再生能源发电的目标提前至2035年,较此前目标提前15年。俄乌冲突爆发之前,德国在天然气方面对俄罗斯依赖很大,德国55%的天然气进口来自俄罗斯,其中东德地区几乎全部依赖俄罗斯的天然气。德国正计划提速风能和太阳能等可再生能源项目的发展,准备加快在议会通过《可再生能源法》,计划到2035年,用可再生能源满足所有发电需求。然而,德国的能源转型计划随着形势的变化做出了调整。路透社2022年7月5日报道,德国拟修改法律草案,撤销“在2035年之前能源行业实现温室气体排放中和”这项关键气候目标。德国关于碳中和政策发生大变化,引起了多个国家的关注。德国试图减少对俄罗斯进口的依赖,燃煤和燃油发电机组可能重新进入发电行业。

邹才能院士等人对于能源转型的含义论述比较全面[4],认为能源转型是指人类利用能源从木柴到煤炭、从煤炭到油气、从油气到新能源、从有碳到无碳的发展趋势,是能源形态、能源技术、能源结构、能源管理等能源体系主体要素发生根本性转变的过程。邹才能院士等人反对狭隘理解能源转型,若把能源转型简单理解为能源结构的转型,急功近利,必将给能源行业发展带来负面影响。

能源转型除了能源结构转型外,还包括能源文化、能源技术、能源生态和能源管理等多方面的转型。能源的开发和利用受到多种因素影响,对这些影响因素的看法不同,对能源转型的内容、方式的理解就会有不同。例如,能源转型过程中碳减排是核心问题之一[5],国家能源投资集团认为目前中国的火电厂多项环保指标都控制得很好,利用煤炭发电对于环境不会有多大污染,可是煤炭行业之外的一些人却担心火电厂排碳量大;据与多家核电公司人员关于核电安全问题的交流,例如运行时间比较长的秦山核电公司,工作人员都认为核电安全、可靠,可是民众提到核电就担心安全问题。能源技术在能源转型过程中的作用更是明显,例如储能技术,全世界几十年来基本上没有突破性的储能技术产生,如果储能技术仍然没有大突破,中国建设以新能源为主体的新型电力系统的困难就会很大。能源管理方面也有待提高,例如中国石油、国家能源投资集团、中国华能集团、国家电网公司、中国南方电网公司、中国石化等能源央企之间,针对能源互联网建设的协作,成效尚不显著,还有较大发展空间。

狭隘理解能源转型,能源转型大干快上,风险很大。能源转型是一个系统工程,王志轩等人指出[6],能源转型不是某一品种的能源在经济上可以替代另一品种的能源时就能够实现的,而是涉及整个经济与社会系统的全面转型,生产方式和生活方式必须发生重大转变。受新冠肺炎疫情影响,整个中国经济面临着下行压力加大的挑战。能源转型应该结合国家经济发展实际情况,量力而行,稳健推进。2021年10月8日,国务院常务会议召开,提出要加快推进大型风光基地建设,在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地项目。根据国家能源局数据显示,截至2021年底,我国光伏发电累计并网容量30 598.7×104kW,其中集中式光伏电站 19 847.94×104kW,分布式光伏10 750.8×104kW。2021—2022年,中国光伏行业发展迅速,持续突破。光伏行业是新能源发展的代表性行业之一,但快速扩产也导致了局部地区光伏生产过剩,一些光伏企业已经受到了影响;国家行政机构下发大力发展光伏行业的文件,企业有所行动,但是有的地方政府没有实际的配套行动;一些地区在发展光伏产业时,没有认真分析当地的经济发展状况,能源的去路出现大问题。除了光伏外,整个新能源的发电发展也较快。2021年,新能源年发电量首次突破10 000 kW·h。风电光伏的发电量占比提高了2.2%,并网太阳能发电、风电发电量同比分别增长25.2%和40.5%。德国、法国等多个国家在探索能源转型[7],德国开展能源转型的时间长,其经验值得学习。

新能源在能源转型、碳中和等方面发挥着重要作用[8-9],邹才能院士等认为新能源已成为第3次能源转换主角,未来将在碳中和发挥主导作用[10]。发展新能源是好事,但是新能源自身有些问题目前还没有满意的处理方法[11],运动式的能源转型可能带来一系列新的问题。以电动汽车为例,据《人民网》2022年10月8日报道:截至2022年9月底,全国机动车保有量达4.12亿辆,其中汽车3.15亿辆;全国新能源汽车保有量达1 149万辆,占汽车保有量的3.65%。其中,纯电动汽车保有量926万辆,占新能源汽车总量的80.56%。外行看新能源汽车、纯电动汽车的发展形势一片大好,但部分能源专家发现了问题,中国目前还是煤炭发电为主,电动车的电池充电主要还是来自于煤炭发电。所以,准确地表达应该是:电动车的能源是在“转碳”,实际上没有“减碳”。至于电池的生产,需要锂、镍、钴、锰和石墨等金属原料。国际能源署的研究数据认为,平均而言,生产一辆电动汽车所需的矿产资源是生产一辆常规汽车的6倍。国际能源署警告,关键金属短缺可能加剧气候危机。电动车废旧电池的处理和回收也还是大问题。能源行业存在的许多问题,需要我们切实进行能源转型,而要稳步推进能源转型,则需要稳健推进能源互联网建设。

3 加强能源互联网建设

国内外能源企业都在寻找能源转型之道。中国能源企业中,国家电网多年来坚定不移推进能源互联网企业建设。

3.1 能源互联网理念

姚建国等人认为,能源互联网的理念主要是在传统能源网的基础上融合了互联网的理念[12]。

能源互联网具有开放互联、共享的理念。其中,开放互联是能源互联网的核心理念,具体而言,它要求多类型能源开放互联、各种设备与系统开放对接、各种上下游产业链厂商开放合作、各种能源生产与消费者开放交易。而共享则是能源互联网的精神,缺乏了开放共享理念,无法形成良好的能源市场和创新创业环境。

能源互联网具有以用户为中心的理念。能源互联网把满足用户需求作为出发点和落脚点,致力于改善和提高用户体验,围绕能源生产、配置、储存、消费等全过程、各环节为用户创造价值。

能源互联网具有平等的理念。所谓平等就是能源互联网重塑了能源产业链上下游之间以及与用户之间的关系,让参与者处于平等的位置参与交易,并保障能源生产和消费的对等,实现双边甚至是多边沟通等。而且,既能够满足各种集中式接入需求,也能够满足包括分布式能源、能源“产消者”在内的分散接入需求。

3.2 能源互联网的定义

从世界范围看,目前能源互联网建设水平最高、范围最广的是国家电网,但是能源互联网这个概念,是美国Alex Q.Huang(黄勤)在2007年提出的。2011年,杰里米·里夫金出版《第三次工业革命》,对能源互联网的概念推广和发展具有重要影响。关于能源互联网的定义、内容、建设途径、发展意义一直存在多种见解,甚至关于能源互联网内涵外延的界定也有分歧[13-15],例如国家电网有的专家认为能源互联网以电为核心,国家发改委能源局原局长徐锭明强调能源互联网姓“能”不姓“电”。

对于能源互联网的定义,主要有三个取向。

第一,基于互联网思维取向的能源互联网定义。实际上能源互联网在内容上比互联网更加复杂,包括了能源、电网、信息通信等多个行业或领域。基于互联网思维,可以把能源互联网理解为:主要依托于电网,建立以电能为基本形式,其他能源为辅助的多种能源融合传输和供给渠道,从而实现多种能源相互间的转化和综合应用,实现能源的资源共享。

第二,基于多种能量对等交换与共享网络取向的能源互联网定义。能源互联网是通过能源物理网和互联网结合,充分利用系统规划分析技术,智能输电网技术、信息科技技术、电力电子技术、可再生能源发电技术、对能源产业进行互联网化,把能源产业链的各节点互联起来,源网荷储协调发展、集成互补,实现能量双向流动的能量对等交换与共享。

第三,基于“智能电网+特高压电网+清洁能源”取向的能源互联网定义。国家电网公司刘振亚等认为,全球能源互联网的基础和核心是电网,而不是其他网。国家电网公司对于能源互联网主流的观点概括起来就是[16]:智能电网是基础,特高压电网是关键,清洁能源是根本。

3.3 能源互联网的绿色可持续发展功能

能源互联网得到积极提倡和推进的一个非常重要原因是,能源互联网有助于推动世界的绿色可持续发展。

1)能源互联网可以促进清洁低碳。能源转型有多个动机,实现清洁低碳是主要动机之一。借助能源互联网平台,集中式和分布式可再生能源、智能管理技术、信息技术、电力电子技术,以及负载设备,能够进行无差别对等互联,系统对可再生能源的消纳能力可以大幅提升,从而让气候变化得到一定程度的控制。

2)能源互联网可以让生态环境得到保护和修复。工业尤其是制造业的发展,基本上和碳排放成正比,中国以前追求GDP的高速增长,大量使用煤炭、石油等传统化石能源,对环境造成了污染和破坏。以能源互联网为平台为渠道,建设以新能源为主体的新型电力系统,传统的煤炭、石油等化石能源的开发和利用都会大规模减少,被破坏的环境将得到修复,绿水青山得以再现,人民的生活质量将得到提高。

3)能源互联网可以促进能源可持续发展。在人类发展的历史上,能源危机多次以不同的形式出现,人类要生存和发展,就必须不断寻找新的能源,人类的发展可以说就是一部不断摆脱能源危机的历史。2011年,联合国时任秘书长潘基文发起了“人人享有可持续能源”倡议。能源可持续发展,才能够实现“人人享有可持续能源”的目标。我们认为,无论放眼全球还是立足中国国内,要实现人人享有可持续能源,实现碳达峰、碳中和目标,一个重要的能源大工程就是建设能源互联网这个大平台。

商业模式对于一个产业的发展非常重要,一些专家学者对于能源互联网的商业模式进行了研究[17-19],国家电网安徽省电力有限公司在学习借鉴这些研究成果基础上,开展了能源互联网企业建设的一些探索。

1)安徽电力成立研究机构。2019年5月,安徽电力组建了能源互联网技术经济研究中心。安徽电力成立的这个研究中心的研究内容,包括能源互联网的国家相关政策,国家电网关于建设能源互联网的战略和工作任务;研究能源互联网的经济特性以及相关的法律法规;研究具体建设能源互联网的方面的细节内容,例如体系架构、关键技术等。

2)安徽电力建设智慧能源平台。合肥供电公司积极探索,坚持适度超前的原则构建以新能源为主体的新型电力系统,加快建设智慧电网。2021年10月,合肥供电公司正式发布《合肥滨湖科学城新型电力系统建设方案》。《合肥滨湖科学城新型电力系统建设方案》以技术创新研究课题、数字化转型应用等为重要支撑,推动“电网建设、调度运行、电源发展、营销服务”四个领域取得重点突破。合肥供电公司坚持适度超前原则,加快智慧电网建设,构建以新能源为主体的新型电力系统,为滨湖科学城高质量发展提供强大电力保障。

3)安徽电力构建新型电力系统。能源互联网与新型电力系统的内容本来有所不同,国家电网能源研究院能源互联网研究所对能源互联网与新型电力系统的关系进行了比较研究之后[20],提出了对新型电力系统的认识:以新能源为主体的新型电力系统是以坚强智能电网为资源配置平台,以光伏风电为主体、煤电等其他能源为辅助、储能为关键要素、源网荷储协调和多能互补为重要手段,并深度融合先进信息通信技术、控制技术与低碳能源技术,实现源侧高比例新能源广泛接入、网侧资源高效安全灵活配置、荷侧多元负荷需求全面满足,绿色、智能、安全、高效的电力系统。新能源为主体是根本,坚强智能电网是基础,实现碳达峰、碳中和是目标。合肥市供电公司在安徽电力的领导下,积极探索能源转型方式转型路径,应用信息技术、人工智能等技术建设新型电力系统。至“十四五”末期,规划电网中绿电占比将达到51.4%,新能源发电量占比达到21.8%;合肥供电公司争取2035年基本建成以新能源为主体的新型电力系统。

4 结论

能源转型和能源互联网建设意义重大。应该全面理解能源转型的内容和范围,不能把能源转型简单理解为能源结构的改变,避免出现急功近利、破坏环境的现象。对于能源转型,除了要关心能源结构转型外,还有关心能源文化、能源技术、能源管理等多个方面的改变。政府部门在制定和能源转型政策时,除了考虑硬件设备、技术因素外,还应该高度重视政治、经济、社会、文化、生态等多种因素的影响。应该高质量发展为指导,反对大干快上、超常规发展等运动式减碳理念,统筹兼顾、系统稳健制定能源转型政策。政策制定部门与下属企业之间,各个能源企业,尤其是能源央企之间,以及广大的能源用户,应该多交流多沟通,协同、稳健发展,共同建设能源互联网,为新型电力系统的构建和发展做贡献。