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万众创新下分布式能源如何发展

2016-08-29 16:08:54 中国能源网   作者: 韩晓平  

“互联网+能源”革命的前夜,“能源互联网”的共识虽尚未达成一致,但是,一个个创业者已经燃起了革命的激情,一个个能源企业已经吹响了进军的号角。马云认为,如果说第一次和第二次技术革命释放了人的“体力”,那么这次技术革命释放了人的“脑力”:梦想、激情、想象力、科技信仰、创新冲动……他说:“不是每一次工业或技术革命改变了世界,是技术背后的梦想改变了世界;不是单个的梦想推动世界改变,而是一群人、无数人的梦想,以及背后一整套的技术基础、制度安排推动世界改变。”在互联网改变世界之后,能源互联网将再一次改变我们的生活、环境和文明的进程。

智能电网与分布式能源相辅相成

在北京能源专家俱乐部的一次研讨会上,国际能源署前署长田中伸男曾对全球变暖加速忧心忡忡,尤其表现出对中国、印度等发展中国家过快增长的二氧化碳表示担忧。他希望所有的国家都应承担减排义务,因为他们相信大气中的二氧化碳含量一旦超越450ppm,地球的变暖将不可逆转。我在点评中,建议田中先生不必过于忧虑,因为改变我们命运的新技术已经放在我们面前,智能电网将可以帮助我们解决环境的难题。我们建议国际社会不要过度地将注意力放在排放遏制政策上,而是应该更多地关注新技术的应用和普及。因为,人类依靠技术进步而改变命运的历史就在昨天。

17世纪末18世纪初的英国,由于纺织业的快速发展几乎要将英国的森林砍伐一空,人们像今天担心全球变暖一样担心经济发展带来的生态危机,像今天我们盼望新能源一样期待新的燃料替代。后来,人们在威尔士的地下发现了丰富的煤炭,一时间,企业家纷纷投资开采煤矿。但是,随着煤炭向地下挖掘,地下水阻止了人们的努力,人们想尽各种方法,发明了包括抽水机等新技术,但是由于没有一个有效实用的动力源而止步不前。

1706年,纽科门和卡尔合作,发明了一种半自动的蒸汽机,并将这一技术应用在矿井抽水上,大大增加了煤矿的生产能力,使煤炭这种热值高、能量密度大的“新能源”源源不断地供应市场,大大减少了人们对木柴的依赖。1763年,瓦特在格拉斯哥大学修理一台纽科门蒸汽机时,完善和创新设计了更加实用和高效的蒸汽机,并将这些新产品普及到各个行业,就此促进了各种新技术革命。

2008年美国次贷危机引发全球性金融危机。每一次金融危机都会促进新技术革命,1929年金融危机促进了蒸汽涡轮机、飞机、汽车、电话等技术的普及。而在2008年经济危机之后,智能电网成为人们讨论的热点。

今天,人类正在从互联网走向物联网,这其中也包括能源互联网,从信息技术(InformationTechnology)走向数据技术(DigitalTechnology)。WIFI或电力线可以将用户的各种电器设备的数据传递链接在一起。一旦将各种电器相互链接,各种各样的家用电器将因此而完全改变,就如同我们今天的手机一样,成为无所不能、无所不会的新“玩意儿”。智能电网将为未来的一系列创新搭建一个全新的平台,就像当年的电话线作为一个传递数据的平台,无数的人们将会在此发挥无尽的才智,创造今天我们还无法想象的全新的产品,并彻底改变我们的生活。

人类究竟需要智能电网解决什么问题?

首先是“精确供能”提高能源需求侧的节能效率。

通过各种电子传感、探测、遥控等信息技术对需求进行实时跟踪,并进行智能化的分析、控制,实现精确供能。在人们需要的地方,根据需求能源的形式,以实际需求的量度,有针对性地进行能源供应。

比如,在有人的房间,在人们需要的地点,根据室内的实际照度、使用者对色温的要求,进行适当的、针对性的照明,就可以既满足人的需求,又将能源浪费控制在最低的水平,从而提高能效,也减少了二氧化碳的排放。这摆脱了我们长期靠人本身的自觉性被动节能的方式,使人们的生活质量在不受影响的状态下,更舒适,更方便,更节省。靠信息技术和智能控制将能源节约下来,将污染排放消减下来。

其次是通过智能化的需求侧管理提高能源用户的终端响应能力。

单凭人的积极性对能源需求侧管理基本不可行。在现行的电力体制的利益格局下,需求侧管理对于优化用电、用气、用热结构,平衡系统运行的贡献难以发挥,也难以奏效。一旦供电紧张,需求侧管理往往成为“拉闸限电”的代名词;当电力过剩,需求侧管理又成了电力促销的一种手段。所谓“黄金十年”,政府把工作重点从节能减排,变为“保增长”,需求侧管理以“削峰填谷”为名,大力推广类似电锅炉这样的将高端能源服务低端需求的技术,帮助消化更多的电力。而依靠信息智能控制技术,将需求侧管理融入每一个电器产品设计和智能系统优化配置上,使得人对能源的实际需求、供需双方响应、终端用电设施与智能电网及分布式能源通过数据链进行互动优化配置,让彼此都达到最佳状态。只有通过这样的技术进步,才能从根本上解决需求侧管理问题。

比如:一座建筑、一个医院、一个工厂有无数个电动机,电梯、水泵、风机都要电动机驱动运行。电动机在启动时的电流峰值是运行电流的5至7倍,如果同时启动将占用大量供电系统的负荷容量,造成发电装机、输电系统、供电设备和配电设施容量大、投资大、利用效率低的问题,用户的容量电费也会大增。如果通过智能控制,将电机启动时间根据用户实际需求错开,就可以大幅度降低电力负荷和相关投资,这对于智能电网易如反掌,电力系统也将为此得以优化,供需双方效益显著。

在工业化信息部支持下,中国电力联合会组建了一个“工业用电需求侧管理中心”。他们通过在用户侧安装部分电力数据监控设施,并对数据分析,能为电力用户进行节能优化管理建议。所有工作只在信息层面,不必进行大规模改造,就可以帮助用户减少10%以上的电费,个别用户节能甚至高达50%。

其三是电网的自由接入,通过供需互动解决分布式能源、可再生能源和资源综合利用设施以及电动汽车的电力并网。

大地普照的阳光为我们带来随处可见的可再生能源,如太阳能、风电、小水电、生物质能发电等,但是这些可再生能源又受到各种各样的限制,电力品质难以符合人类的需求,接入系统十分麻烦。需要电的时候可能没有电,不需要电时又滚滚而来。对于传统的被动授电式的电网,这样的电能常常被称之为“垃圾电能”,大量接入系统对于电网安全和其他电源的经济运行都构成灾难。如何通过能源供需的互动解决好这些“垃圾电能”的优化利用,一直就是一个极大的难题和挑战。

按照传统金字塔式的规模化的价值取向,我们只能排斥这样的电能;在西部阳光充足的地区大量建设工业化大规模的可再生能源基地,“风电三峡”、“太阳能三峡”、“生物质发电三峡”纷纷被提到建设日程,电网面对这些“三峡”只能千里迢迢建设特高压交流电网远距离输送到东部用电负荷中心进行消纳。但是这样的系统又给我们带来一系列的难题:(1)全国的电力用户如何适应这种变化无常的电能;(2)长距离输电带来的损耗和成本增加;(3)一旦输电系统出现故障,源源不断的太阳能、风能会继续向电网送电,危及电力系统安全。

在分布式能源系统构筑的智能电网中,用户则通过调节供电秩序、关闭或启动天然气发电机组、小水电机组、蓄能电站等方式,灵活调节机组、控制需求侧用电和蓄电设备,包括电动汽车等设备的多样化智能调节手段,来共同解决分布式可再生能源的自由接入问题。

其四是通过全系统多电源互助和需求响应解决供电安全。

解决电力安全可以参考互联网的办法,利用各系统的冗余(这是IT经常使用的概念),相互提供安全保障。比邻的分布式能源系统冗余的发电容量,现有电力系统的备份容量,蓄能设备包括:UPS应急电源、电池蓄能电站和电动汽车的蓄电池等储能设备,彼此提供安全互助,比任何解决方案都更加可行。不仅是电能,天然气、热能、冷能也可以采取类似方法通过相互联网进行互助式的互保。电网、燃气管网、热力和制冷管网、可再生能源和资源综合利用电站将共同构成一个能源安全一体化系统,在智能电网的调配下,保障电力供应安全。

其五是为大规模发展蓄电式交通工具和蓄电式农机提供优化控制平台。

大力发展蓄电式交通工具和蓄电式农机,减少对石油资源的依赖,将成为全世界的必然趋势。内燃机作为交通动力的能源转换效率在15%~18%之间,很难再大幅度提升。而电能转换动能的效率可达90%,加之蓄电池充电放电效率在90%,所以从电到动力的效率超过80%。最先进的天然气燃气轮机发电全部转换电能的效率在55%~60%,石油转换电能效率53%~55%,煤炭转换效率40%~45%。电动汽车的能源利用效率在32%~47%,较之内燃机提高1至2倍以上。但随之带来的管理问题是,这些设备在什么时候充电才能既不增加电网负荷,又能有效利用多余的电能。电动汽车若任其肆意发展而不进行优化控制,将严重影响电网和电源。此外,我们上面谈过,这些设备的蓄电能力也是电网调节和安全的重要组成部分。这要求我们建设一个足够聪明智慧的电网,充分利用彼此的优势,弥补彼此的不足,实现资源的优化整合。

最后是打造一个创新平台,为智能化电器和信息家电建立一个全面创新的技术环境。

发展智能电网,电力线载波数字化通信将不可回避。按照目前的技术,使用220V电线可以达到600M带宽的通信速度,而大多数电话线宽带通信速度仅为30M,少数用户可以得到50M带宽的电话线通信服务。4G无线通信技术的速度也就能达到100M,5G可以达到1G,而电力通信如果将两条电线全部用上,现有技术就已经超过5G,未来电力线的潜力还有待进一步发掘。如果我们将电力线作为局域信息交互平台,互联网、数字视频电话、数字电视都可以借助这一通道,几乎无成本地普及信息化,而且使无线通信更加安全。

今天的智能电网和智慧能源系统将形成一个新的能源互联网,就像当年的电话线网络成为信息技术的创新平台一样,似乎是历史的再次翻版,人类将通过这一技术革命大幅度提高能源利用效率、降低能源需求,使更多的新能源、可再生能源和废弃资源得以有效利用,从而减少温室气体的排放,实现可持续的发展。我们相信,今天对全球变暖的担忧终将成为历史,一个人类战胜自我实现可持续发展的故事,将永远流传给我们的子孙后代。

分布式系统——黑暗中的灯塔

2012年10月28日至30日,在肆虐加勒比海诸国,造成伤亡惨重后,飓风“桑迪(Sandy)”横扫美国的东海岸。美国东部地区大部遭遇末日般的狂风暴雨、暴雪和洪涝灾害,飓风导致大范围的停电、断水、通信和交通中断,一些地区发生火灾,数百栋房屋焚毁,交通事故不断,2万架次航班被迫取消。全美17个州820万户被困在家中的居民遭受断电之苦,其影响波及美国5000多万人口。“桑迪”毁坏了大量公共设施、民房、建筑,数十万人无家可归,113人死于非命,损失超过500亿美元,这是美国历史上被看成是“世界末日”的影响最大的自然灾害。

灾难毁坏了大纽约、新泽西地区的电力系统,数以百万的家庭供电中断。由于电力中断造成电动水泵驱动的排水系统无法工作,纽约的地铁、通往外部的荷兰隧道和无数建筑的地下室都被洪水灌满。被困在曼哈顿高楼大厦中的纽约人被折腾苦了,断电、断水、断暖、断炊、断电梯,上上不去,下下不来;澡没法洗,厕所没法冲,甚至饮水都成了问题;电视看不见,电脑不能用,手机、iPad没法充电,断电使电讯及无线网络无法正常使用,人们一夜之间回到了原始社会。“桑迪”摧毁的电力系统迟迟无法恢复,纽约长岛的4.5万用户在风暴过去15天后,仍生活在无电可用的困境之中。愤怒至极的民众在电力公司门前抗议,而电力公司抱怨由于电价低,投资不足,电网过于陈旧而无法应对灾难。专家们也在质疑,按照目前的电网技术模式,即便增加投资,在这样的灾难之中能够保障电力供应吗?

其实,并非所有住在美国东海岸的人们都陷入无电的尴尬。在纽约、新泽西地区那些拥有分布式能源系统的建筑、学校、酒店、居民区,甚至家庭,都没有陷入无电可用的困境。埋在地下的天然气管网始终保障了供气,而依靠天然气的分布式能源装置和屋顶光伏电站也始终保障了用户的电力、热力供应。在曼哈顿,人们不得不排队等待在拥有分布式能源供电的酒店租到一个房间,等着进去洗个澡、充充电、上上网、看看电视,享受享受人间的生活。

媒体和好莱坞抓住了这一末日情景充分发挥,营造了令人心惊胆战的末日故事。在传媒消费的世界里,“桑迪”是末日景象的前兆。被传为“世界末日”的2012年12月21日“冬至”,在玛雅人的历法上其实是一个新时代的开启。据玛雅长老们解释,玛雅的历法由公元前3114年开始,5125年为一个长周期,每394年一个轮回,现在已经过了13个轮回,结束时间为2012年12月21日,并非指这一时间是世界的末日,而是一个新的长周期和轮回的开始。人类将开启一个新的纪元。如果说,火创造了人类的文明,能源技术推动了人类的社会进步,那么新的能源技术自然将为人类开启一个新的时代。靠天然气管网系统支撑的燃气分布式能源系统在灾后黑暗中的北美东海岸就像星星之火,为人类能源的利用方式带来了新的时代。

分布式能源,其实早在4个月前的印度大停电中也曾大显身手。2012年7月30日,印度当地时间凌晨2时30分,因天气炎热居民大量使用空调、农民大量偷电灌溉、各邦电力公司肆无忌惮地超负荷用电,印度北方电网出现了大范围的“崩溃”。北方电网包括首都新德里在内的9个邦,占印度全国负荷18%约3567万千瓦停电。3.7亿人在酷暑中被惊醒,在黑暗闷热中不知所措。一个个陷入瘫痪的城市路灯、红绿灯熄灭,铁路交通中断,地铁停运,电梯无法运行,供水系统瘫痪,加油站无法工作,居民被迫在盛夏酷暑中忍受没有电扇、空调、冰箱和水的煎熬,因电视、广播和互联网中断而陷入末日般的恐慌……

印度停电虽然是家常便饭,但印度的电力公司应对停电却比美国更有效率。到2012年7月30日清晨经过印度电力部门的积极抢修,就已经恢复了60%的供电;下午1点,70%的停电用户恢复供电,首都新德里全面恢复供电;下午4点半,恢复了85%的供电;随后95%的电力用户也都陆续恢复了供电,人们松了一口气。然而,在印度北部电网恢复供电数小时后,于7月31日下午1点05分,包括首都新德里在内,被同步交流电网紧紧绑在一起的印度北部电网、东部电网和东北电网像多米诺骨牌一样陆续陷入“大崩溃”,全国28个邦中有20个邦再次陷入黑暗,覆盖6.7亿人口的大范围完全停电,这是人类有史以来影响人口最多的一次电力系统事故。

在大停电中,印度的分布式能源在稀稀落落的夜空下,成了黑暗中的灯塔。其中最著名的就是“DLF数码城”。DLF公司是印度最大的房地产商,该公司在印度德里机场附近哈里亚拉邦葛冈镇开发建设了一个占地面积超过12平方公里的现代化“私营城市”。其中的“DLF数码城”是基于诸多标志性建筑和具有未来形态基础设施系统的典范城区。微软、诺基亚、爱立信、渣打银行等世界五百强企业,以及印度的软件和信息服务企业入驻总建筑面积超过180万平方米的现代化建筑群。

印度曾经是英国的殖民地,很多印度人说英语,这为印度成就了一个世界级的现代服务业。无论你在美国打电话订一个“多米诺比萨饼”,在佛罗伦萨打电话订酒店,还是在伦敦打电话订飞机票,或者在洛杉矶向银行查账,接电话的都是万里之外的印度女孩子。而在印度中断供电对于全世界的服务业几乎是一个灾难性的问题。

印度的电网公司虽然向用户征收巨额电力系统配套费,但无法承诺保障供电质量和供电的可靠性,有时甚至连建设工期也难以保障。这迫使DLF公司自己解决问题。他们异想天开地在所有大楼的地下室内,安装互联网式的分布式能源系统,通过分布式能源系统,为全部12幢建筑供电、制冷和供应生活热水。

这一互联网式的分布式能源系统,由安装在不同楼宇中的59台发电机组组成,总装机18.6万千瓦,每台机组平均容量只有3150千瓦;而发电机余热为所有12栋建筑提供27.5万千瓦的空调负荷。中国远大公司为该系统提供33台余热吸收式制冷机组,形成相当于每建筑平方米103瓦供电能力和153瓦的供冷能力,100%满足了建筑内大量计算机消耗的电力和冷却及空调的需求。为保障该分布式能源系统安全可靠、高效运行,他们采用智能电网技术和智能冷网技术,以及互联网服务器式的阵列式机组布置模式,多套小容量机组平行供电,可将全部余热回收梯级利用,使系统能效提高到85%。该系统依靠从卡塔尔进口的液化天然气,通过天然气管网趸售给DLF公司,使用液化天然气备用调峰,这样能源系统完全独立于电网之外运行。在环保上,这个系统大幅度减少燃煤发电产生的粉尘、二氧化硫、氮氧化物和PM2.5,每年净减少3.6万吨二氧化碳排放,相当于种了190万棵大树。全部投资在2至3年内收回。无论经济性、社会效益和环境效益都得到了革命性的改变。

美国和印度的尴尬,让全世界从事能源战略的研究者都看清了方向——未来的能源系统一定是DLF模式的扁平化的互联网系统。人类必将从传统的大型金字塔式能源系统,走向扁平化的互联网式的能源系统。

世界将迎来扁平的未来

早在2001年初,中国科学院徐建中院士在人民大会堂举行的一个研讨会上,就清晰地描述了未来的一个扁平化的能源系统的形态:它将是一个互联网式的能源系统,将以清洁的天然气分布式能源为主,与分布式的可再生能源,以及分布在用户端的各种资源综合利用热电设施为辅;信息化的电网、天然气管网、热力管网和供冷管网将它们彼此连接,结合蓄能储能,相互补充,相互平衡,相互保障,将能源的利用效率大幅度提升,将污染和温室气体排放降至最低,在经济可行的前提下,最大限度地提高能源的自保能力和能源安全,实现能源的可持续发展。我们称为“第二代能源系统”。

今天的能源模式,是第一、第二次工业革命后形成的。1870年开启的第二次工业革命的科学技术突破主要表现在三个方面,即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通信技术的发明。这一时期的工业系统追求“规模效益”,将城市、企业、工厂、发电设施与电网等越建越大,将社会化的生产规模发展到极致。特别依赖集中的资源,如煤炭、石油等。世界煤炭资源局限在资源丰富的少数地区,煤炭的开采、运输和转换都需要一定规模,规模经营则形成庞大的垄断企业;石油资源更是集中在少数资源丰富的国家,更是上升至国家和国家集团才能对资源进行控制。这种追求规模的经济模式也带来了巨大的代价。整整两个世纪的依赖,世界日益陷入严重的环境污染与温室气体效应;地缘政治冲突与争夺资源的杀戮;垄断与社会的不公;贫富差距与腐败……

20世纪70年代个人计算机时代到来,天然气分布式能源(当时被称为CHP—热电联产)在能源危机之后开始普及,人类突然意识到世界即将发生变化,我们不必再遵循“规模效益”的金科玉律。随着光伏技术的进步、价格不断降低,分布式的供能变得越来越方便易得。信息技术的突破,使我们完全有可能根据经济、资源、环境和需求的实际效益,因地制宜地确定规模。到了20世纪90年代,人类意识到可以像互联网一样创造一个广泛参与的,自下而上的,由各种能源共同组成的,相互补充,相互弥合,以满足用户需求为核心的新型的能源系统——第二代能源系统,即信息时代的、不以规模效益为目标的,针对用户各种需求的新型能源系统。

11年后的2012年,美国未来学家杰里米•里夫金著书《第三次工业革命》中描绘道:“数以亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源,并在‘能源互联网’上与大家分享,这就好像现在我们在网上发布、分享消息一样。能源民主化将从根本上重塑人际关系,它将影响我们如何做生意、如何管理社会、如何教育子女和如何去生活。

“第二次工业革命已经日薄西山,工业排放的二氧化碳正在威胁世界上所有生物的生存,这些是愈发明显的事实。我们的当务之急应该是对未来的经济模式进行大胆的描述,以指引我们进入后碳时代的可持续发展之中。

“纵观人类历史,新型的通信技术与能源体系交汇之际,正是经济革命发生之时。现在,互联网技术与可再生能源即将融合,并为第三次工业革命奠定一个坚实的基础。这一革命无疑将改变整个世界。”

分布式能源和能源互联网,是里夫金憧憬的第三次工业革命的能源系统的核心,而他更加注重的是可再生能源,这是他认为的战略主线。然而,他是一个未来学家而不是一个能源科学家,他忽略了一个他自己一直秉持的观点:“熵定律”。熵定律也称为热力学第二定律,根据这一定律,世界上没有一种能源是没有代价的,可再生能源同样如此,区别只是有的代价你不知道,或你目前还可以忍受。美国2006年以来突然兴起的非常规油气革命,正实实在在地形成了人类另一条能源战略主线,也为美国实现提高能效和减排温室气体起到了至关重要的决定性作用。

非常规油气的页岩气开发的大突破,被世界形容为“一场静悄悄的革命”。古地质沉积形成的页岩层,贯穿于从古生代5.7亿年至5.05亿年前的寒武纪,一直到中生代1.45亿年至6550万年前的白垩纪间的各个历史年代。遍布整个大陆和海洋的地壳之中,资源总量达数千万亿立方米;还有,聚集在深海之中的可燃冰——天然气水合物的数量更是多得惊人,地球上已知的天然气资源足以维系人类数百年的文明。天然气不含硫、氮等污染物质,分子结构中只有一个碳原子,是最清洁低碳的碳氢化合物,是最高效、灵活、经济的能源,也是至今地球上仍在生成产出的“化石能源”。人类的能源进程不可能超越天然气时代,而灵活的天然气的大规模利用,可以大幅度增加人类使用可再生能源的比例,降低其使用成本。天然气一个碳原子,产生温室气体最少,温室气体并非完全有害,没有温室气体地球上的高等级生物,其中也包括人类,将无法生存。现在的问题是温室气体排放过量,而人类转向天然气时代,这一问题将会逐步达到平衡与和谐的状态。

美国在“页岩气革命”的推进下,正在快速恢复制造业,推动美国实行一次“再工业化革命”。低廉的天然气不仅压低了油价,替代了煤炭和石油,还大幅度降低了运输和多种化工与金属原料的成本。页岩气在美国吸引了全球大量投资,增加了150万美国人的新就业和政府财政税收,帮助美国逐步摆脱了经济危机。美国的能源战略经过2008年金融危机之后已经越发清晰,依靠“页岩气革命”增加天然气供应,通过发展分布式能源和天然气交通,直接替代煤炭和石油,以天然气分布式能源为核心组成微电网,更多地容纳各种间断而不稳定的可再生能源,将这些微电网与用户互动,再将微电网彼此连接成为智能电网,并将智能技术进一步延展到天然气、供热、供冷、供水、排水系统。通过技术优势降低能源成本,保持美国发展先进制造业的竞争力,并通过智能化维持信息技术的战略优势和战略遏制能力。

“页岩气革命”和分布式能源的结合,让美国实现了“能源独立”。在未来,当能源互联网的时代来临,各种分布式的可再生能源、利用各种工业或生活废弃物制造的能源、加之蓄能和电动汽车,人们将彻底实现一种协同共享的能源独立。人们能源独立的梦想,将越来越朝着现实的方向演进。一个没有黑暗尴尬、能源与信息一体、互联互动的时代,正在向我们走来。




责任编辑: 吴昊

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