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城市能源技術發展八大趨勢

作者:陳輝 殷俊平 來源:中國能源報 發布時間:2020-12-04 瀏覽:
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能源變革大勢已定,能源技術的轉型升級迫在眉睫。城市作為能源消費的終端與各能源系統集成點,既是創意誕生的源頭,也是檢驗技術的標準。城市必然會根據自身發展目標,為能源技術的發展提需求、指方向,讓能源變革真正落地。

城市能源技術發展八大趨勢

執筆人:陳輝、殷俊平

國網(蘇州)城市能源研究院

城市智能電網

智能電網技術是智慧城市的重要組成部分。

“智能、綠色、集約、宜居”的建設目標,對智慧城市的電網技術創新提出了更高更緊迫的要求。同時,我國正處于社會經濟快速發展時期,預計2020年中國裝機容量和用電量都將在2010年的基礎上翻一番。因此,電網發展必須堅持“堅強”與“智能”并重,二者缺一不可,需同步建設、同時推進。

智能電網關鍵技術涵蓋電源、電網、用能、信息融合等多個領域,包括以清潔能源集中開發、分布式發電等為重點的電源技術,以特高壓輸電、柔性輸電、直流電網、海底電纜、微電網、大電網運行控制技術等為重點的電網技術,以儲能技術、電動汽車、定制電力技術、智能電器技術等為重點的用能技術,以物聯網技術、大數據、云計算、信息通信技術等為重點的信息融合技術等。

這些技術的研究進展和應用前景,與智慧城市發展緊密相關,對智能電網支撐智慧城市發展具有重要意義。預計到2020年,分布式發電和用能技術逐漸成熟并規模化發展,儲能也將在十年內迎來關鍵技術突破和示范應用。屆時,原先“剛性”的系統變得“柔性”起來,電網運行安全性、經濟性、靈活性也將大幅提高。

能源電力物聯網

有別于現有智能電網,能源電力物聯網可以通過多能協同,實現整個能源系統的互聯、互通與互補。能源轉換技術(如熱電聯產、冷熱電聯供、吸收式制冷、熱泵、電采暖、電制氫等)的發展,為多能協同提供了物理基礎。各種傳感通信技術的發展,可以實現不同能源系統的信息共享,為能源的協同運行提供了技術支撐。

小到社區能源電力設備故障診斷,大到建筑群能源電力綜合管理乃至城市重要能源電力管線運行與安全監控,能源電力物聯網可以為多種智慧能源電力應用場景提供基礎數據連接,實現智慧能源系統市場化、高效化、清潔化開發應用。能源電力物聯網的發展將顛覆現有能源電力體系,同時催生新興商業模式和機遇不斷涌現。

隨著行業應用的逐漸成熟,能源電力物聯網未來將會以泛在連接為基礎,充分利用邊緣計算、機器學習來發揮能源電力數據的價值,能夠有效整合通信基礎設施資源和電力系統、燃氣、熱等基礎設施資源,使信息通信服務于多能源系統的運行,有效地為能源網絡中的各個環節提供重要的技術支撐,提高多能源系統信息化水平,從而改善現有能源電力系統基礎設施的利用效率,促進能源電力高效利用。

負荷資源利用與需求響應

需求側智慧用能管理是區域能源互聯、互動的有效途徑,也是綜合能源系統中重要一步。

如何充分挖掘綜合能源背景下多類負荷聯合調控潛力,實現本地風光出力的精準消納,實現靈活用電資源配置,是負荷管理與需求側響應亟待解決的問題。

傳統意義上,區域調度中心作為區域電網的統籌者,負責采集電網的運行狀態、新能源出力變化等信息,判斷是否有需要進行負荷調控,按照區域電網優化目標制定區域調節信號,并給負載聚合商下達調整指令。

而在新的環境下,負載聚合商將作為一個新的角色參與到智能電網系統結構中來,利用專業化的負荷資源整合手段來提供需求響應資源。隨著廣域測量系統技術的跟進和通信技術的逐步發展,聚合商可充分獲取負荷側資源信息,將分散負荷資源聚合,實施集中化實時調度。一方面,聚合商可充分發揮聚合負荷群響應容量大、響應快的特點,對電網需求進行響應,達到穩定負荷曲線的作用,另一方面,聚合商通過對負荷群的優化控制,為電網多場景需求提供調控資源,完成區域供需平衡目標。

用戶側儲能

用戶能源消費的實質是以電能為核心的多種能源類型的轉換。

電能作為一種經濟實用、清潔且容易控制的能源形態,已經深入到社會生產各個部門當中,同時,電網供電的可靠性對于用戶很重要,電網停電可能給用戶帶來巨大經濟損失,儲能單元在電網架構中將承擔越來越重要的角色。

用戶側儲能的特點與用戶的用能需求密切相關。為了提高用電的可靠性,對電力供應的可靠性要求特別高的單位(例如醫院、銀行以及高檔商業大樓和賓館等)都有可能根據需要建設自己的儲能系統。為了降低用能成本,也已經有用戶側儲能項目應用于工商業企業,為了實現不間斷供電,促進分布式可再生能源的消納,微網用戶也成為儲能系統的受眾。

在技術路線選擇上,鈉硫電池安全性缺乏保障,飛輪儲能維護比較復雜困難,超導儲能和超級電容器均受限于材料科學發展,而鉛炭電池、小型壓縮空氣儲能、鋰離子電池等便于安裝,維護簡單,有較大應用前景。所以,目前適用于用戶側的儲能技術主要為電化學儲能,其他形式的儲能技術尚不具備商業應用的前景。

氫能

氫能可廣泛應用于燃料電池車輛、發電、儲能。

作為清潔的二次能源,氫能具有可規模化儲存的特性,其廣泛應用可部分替代石油和天然氣,成為能源消費的重要組成部分,對應對氣候變化和保障能源供應安全等具有一定的支撐作用。氫能產業鏈主要包括氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域,又可應用于新興的氫能車輛以及氫能發電。

為加快發展我國的氫能產業,相關城市與企業應依據目前的資源條件和能源產業狀況,在加強氫安全的基礎上,積極推行氫源多元化及氫能多元化和規模化應用。

除了利用富余風電、水電、光化學制氫,減少對清潔能源的浪費外,還可以充分利用中國豐富的煤炭資源。煤化工產業經過多年的研究開發,已具備良好的規模和經濟發展狀態,若將煤制氫與煤制油、煤化工產品等生產環節緊密結合、綜合利用,可獲得經濟、豐富的氫源。我國的煉油、化工產業以及工業含氫排放氣,也是重要的氫氣來源。

當前氫能產業亟待解決的另一個關鍵環節是儲氫。目前,高壓及鋼瓶壓力儲氫難以滿足能源系統中氫能大規模應用的需求。相比之下,固態儲氫憑借其安全穩定的儲氫能力,是未來極具潛力的儲氫方式。

綠色交通

車用能源已經成為城市能源消耗的重點領域。

當前我國城鎮交通正處于快速機動化過程,汽車保有量增幅過快導致石油消費快速增加、交通擁堵并加劇城市空氣污染。調整城市交通結構,大力發展公共交通,降低人均能耗和人均排放是發展城市綠色交通的關鍵措施。

推進綠色交通能源系統既是節能減排的必然要求,也是構建現代能源互聯網的重要抓手。隨著綠色交通能源系統與電動汽車用戶以及停車、出行等領域的相互信息共享與融合程度加深,綠色交通能源體系積累的數據量和數據價值將有顯著提升,對于智慧城市的建設具有重要意義,將成為未來智慧城市重要的數據引擎之一。

未來,綠色交通能源系統發揮價值的關鍵在于把眾多分散且特性各異的充換電設施通過互聯網有效整合起來,并深入對接停車、出行、商業等領域需求,其業務架構將具有顯著的互聯網平臺特征。

綠色建筑

城市化對于能源的巨大消耗,使得社會對綠色建筑的重視程度不斷提升。

截至2016年底,我國已選定4500多個綠色建筑評估認定項目,全國城鎮累計建設綠色建筑面積12.5億平方米。到2020年,50%的新住宅建筑將符合綠色建筑標準,我國市場將逐步進入大規模發展時期。

自2006年至今,國家共出臺十部綠色建筑評價國家標準。近年來,上海、浙江、江蘇等地陸續出臺了綠色建筑發展三年行動計劃,加快綠色建筑的評價體系建立和技術推廣。

主動、系統化的建筑節能,包括了設備系統節能、綠色照明和運營管理優化。從設計之初即開始結合區域特色和當地氣候條件,逐步優化低能耗技術的使用,充分利用可再生能源。除了節能,綠色建筑還需要節水、節地和節材。節水與水資源利用的設計原則與概念是自給自足,爭取零排放,充分利用天然雨水、再利用再生水達到節約資源的目的,并保護環境。

建筑材料的生產和制造過程中由于消耗了電力、煤、石油、天然氣等能源,會排放出大量的二氧化碳。按照我國的建設水平,每平方米建筑物消耗的能源可用于生產50-60公斤的鋼和0.2-0.23噸的混凝土,具有很大的節能潛力。

智能制造與城市能源

我國智能制造起步較晚,但近年來,智能制造處在政策風口,正迎頭趕上。

近年來,國家不斷完善發展智能制造的產業政策,從《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》、《智能制造科技發展“十二五”規劃》到《中國制造2025》再到《智能制造“十三五”發展規劃》的發布,都是以發展先進制造業為核心目標,為實現制造強國規劃路徑。目前,我國智能制造產業體系已逐漸成形,2016年工業自動化控制系統和儀表儀器、數控機床、工業機器人等部分裝備產業規模銷售收入已超過10000億元,還取得了機器人技術、感知技術、智能信息處理技術等技術突破,建立了一批國家級研發基地,但一些關鍵性技術仍舊依賴于進口,自主創新能力還較弱。

智能制造需經歷自動化、信息化、互聯化、智能化四個階段,對應著智能制造體系核心環節的不斷成熟。智能制造產業范圍囊括汽車制造、能源生產、能源管理等多個工業領域。智能汽車集中運用了計算機、現代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術,成為推動我國智能制造領域發展的重要力量;鋰電池、光伏等新能源產業天生具備智能發展的“基因”,其智能化、數字化轉型已經啟動;能源智能管理針對不同行業、不同企業提供個性化的能源管理方案,將在生產過程中持續優化資源利用,最終降低能源消耗,減少排放。

專家介紹

陳輝,國網(蘇州)城市能源研究院能源產業與國際合作研究所副所長。從事配電網、綜合能源服務等方面研究。

殷俊平,國網(蘇州)城市能源研究院城市能源產業技術中心研究員。從事用戶級綜合能源服務、建筑暖通技術等方面研究。

團隊簡介:城市能源院坐落于江蘇省蘇州市高新區科技城,由國家電網有限公司和蘇州市人民政府聯合出資組建,2017年8月正式掛牌成立,是中國首個城市能源研究院。目前已獲得國家科技型中小企業、省級研發機構認定、省高新技術企業入庫。

關鍵字:儲能

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