基于日本能源发展特点的智慧能源服务发展与模式研究

宋天琦

上海航天智慧能源研究院

关键字：能源发展；智慧能源；服务模式；氢能战略

0 引言

智慧能源服务是立足用户端、多元化能源生产与消费需求的新型能源服务,是在传统供能(电、燃气、热、冷)的基础上,整合可再生能源、氢能、储能及电气化交通等,通过天然气、风、光等各类分布式能源和智能微网等方式,结合大数据、云计算、物联网等技术,实现多能协同供应和能源综合梯级利用,从而提高能源利用率和绿度,降低用能成本。

不同国家自然能源状况各有特点，随之发展的智慧能源服务也各有特色。在当前中国大力倡导能源改革大背景下，了解其他国家智慧能源服务模式、案例及可借鉴之处显得尤为重要。

日本是我国邻国，也是世界范围内较有影响力的发达国家。本文主要对其自身能源发展特点、智慧能源服务模式与案例进行分析与研究，以供参考。

1 日本能源发展概述

目前，火力发电依然是日本核心能源。作为人口超过一亿的发达经济体，日本能源消耗巨大，而化石燃料的极度缺乏，导致日本严重依赖进口，因此日本成为最早开展智慧能源综合研究的亚洲国家。

2009年9月，日本政府公布了2020、2030和2050年温室气体减排目标，并提出建设覆盖全国的智慧能源综合系统、优化能源结构、提升能效、推进可再生能源规模化开发是实现减排目标的必由之路。在政府大力推动下，日本主要能源研究机构积极开展研究，并形成了不同的方向，如：

（1）由新能源产业技术综合开发机构NEDO于2010年4月成立的日本智能社区联盟（JSCA，Japan Smart Community Alliance），主要致力于智能社区的研究与示范。智能社区的建设类似于加拿大综合社区能源管理（ICES）方案，是在社区能源一体化（包括:电力、燃气、热力、可再生等）的基础上，实现与交通、供水、信息和医疗系统的集成。

（2）东京燃气公司提出更为超前的能源一体化解决方案，在传统综合供能（电力、燃气、热力）的基础上，建设覆盖全社会的氢能供应网络。此外，在能源网终端，使用不同能源的设备、能源转换和存储单元共同构成终端能源系统。

2 日本能源发展特点与趋势

日本智慧能源之所以着重强调社区和氢能的发展，主要是因为：

1）双频率共存

日本电网是世界上唯一同时存在50Hz和60Hz频率的国家。其边界南起静冈县富士川河，北至本州岛新滹，相当于在东京和大阪两个城市之间的连线上做一条垂直平分线。平分线以左，包括京都、大阪、名古屋是60Hz的电网；平分线以右，包括东京、横滨、千叶是50Hz的电网,见图1。

图1 日本电网概况

1895年前后，大阪区域主要购买按美国60Hz标准制造的美国通用电气公司（GE）产品，东京区域则主要购买按德国50Hz标准制造的德国通用电气公司（AEG）产品。经过近百年的发展，这些区域向周边辐射，从而形成了两个频率不同的电网。虽然这两个电网通过直流背靠背工程实现了联网，但传输容量较低，仅为百万千瓦级，无法解决电力互供问题。远期规划中，日本将提高传输容量列入其中，但相较日本巨大的经济体量，传输容量的提升仍难以满足实际需求。

此外，统一频率的可行性也很渺小，因为两个频率在技术的优越性上无特殊区别，只需统一设备制造标准。因此从技术层面而言，统一频率很难找到有说服力的理论依据，且频率的统一意味着另一频率区域的电气设备、发电设备等，无论是民用还是工业用，都将大范围停用和废弃，可预见的经济损失巨大且难以承担。

因此向社区化发展、大范围减少电力输送在日本显得尤为重要。

2）氢能与核能相辅相成发展

日本对氢能利用的研究起步很早。1993年日本开始实施《世界能源网络计划》，着手对氢能源和燃料电池进行基础性研究，并制定了2020年氢能推广初步时间表。从预算看，自2003年以来，日本氢能源预算基本维持在200亿日元以上。从2009年开始，日本大量补贴燃料电池，到2017年燃料电池预算高达七百多亿日元，见图2。

图2 日本氢能源预算

自2009年开始，日本大力推行热电共生系统（ENE-FARM）的民用化。该行动由东京燃气执行，政府提供补贴直到2015年。日本首相官邸在2005年便开始使用热电共生系统供电和供热。经过数年推进，日本成功部署了约十万套系统。

从丰田美玲(Mirai)汽车到东京燃气热电共生可见，日本现阶段将固定式燃料电池和燃料电池车FCV发展并举。日本对燃料电池的研究兴起于上世纪九十年代，快速推动则从2002年开始。

国内常见的关于日本能源发展的看法是，日本大力推动燃料电池的动机是将燃料电池作为福岛核事故后弃核的补充。而日本本国产业界和学术界则普遍认为，日本大力推动燃料电池和氢能源的初衷和前提是--大力发展核电。原因如下：

①日本燃料电池研究发展时间节点与日本核战略进行点吻合。

②大力发展核电可产生廉价且大量的电力，这些电力通过电解法制造氢气，为燃料电池提供氢能源。

③由于日本极度缺乏化石燃料，致使该技术发展潜力巨大，促使日本成为众多发达国家中氢能源策略的积极推动者。

2011年日本福岛核事故迫使日本从积极的核战略转向，但氢能战略没有改变，并进一步对氢气来源规划了两条新的并行路线。

(1)海外进口廉价氢气

自2017年以来，川崎重工（KHI，Kawasaki Heavy Industries）开始在澳大利亚设立工厂，使用低品质廉价褐煤生产氢气，试运行计划年产量为20t/d。此外，澳洲丰富的可再生能源也可生产大量的氢气。如果考虑社会和健康成本，可再生能源生产氢气的成本接近褐煤重整成本。目前，北欧国家挪威也有意凭借自己廉价的可再生能源参与氢气供应竞争中。日本在澳大利亚氢能源项目见图3。

（2）大力发展风电和太阳能

在发展风电和太阳能基础上，配合廉价高效储能电池，在本土制备氢气。

自福岛核事故后，日本加快了这条路线的推进。日本住友集团在日本和美国圣地亚哥均有大型全钒液流电池示范项目，其在北海道的电池项目规模高达60MW。

3 日本东京电力公司经营模式

东京电力公司是日本九大电力公司之一，也是世界著名的电力公司。在能源发展社区化、多元化大背景下，其供能服务越来越贴近用户端，智慧能源综合服务特色明显：

1）根据用户类型制定差异化服务

东京电力公司将客户分为大客户和居民客户两类。针对大客户，服务内容包括：

（1）为客户提供各种电价方案和电气设备方案的优化组合。

（2）为客户提供电力、燃气、燃油最佳能源组合。

（3）提供全方位节能协助服务，帮助客户改进设备，实现节能目标。

（4）兼顾包括通讯在内的建筑物设计、施工、维护等。

针对居民客户，东京电力公司将其需求定位为：舒适、节能、环保、安全、经济。为此，东京电力公司确定了对居民客户的营销策略，如推广高效用电（IH）的炊具、节能热水器等，为居民构建“全电气化住宅”。

2）利用多种手段帮助用户节能

公司一方面为用户提供节能诊断、设备维护及运营管理等节能解决方案，另一方面通过智能电表、通讯网络与服务器建立智能用电系统，引导用户错峰用电。

3）注重技术研发，提高能源效率

东京电力公司设有技术开发研究所，对智能家居、建筑节能、电动汽车等进行研究，如将电动汽车接入智能家居控制系统，系统根据负荷及预设方案对其进行充放电。此外，利用地源热泵、太阳能发电等技术，通过储能和监控对室内环境温度进行调节。电器用电及环境状况也将被纳入统一监控，以实现家居用能集中调节及优化。

4 结语

日本根据本国极度缺乏化石能源和电网频率不同导致传输容量有限的国情，积极推进氢能源政策和社区化智慧能源综合服务。我国能源结构虽不同于日本，但也在积极探索将氢能利用融入智慧能源综合服务领域、积极推进智慧能源综合服务贴近用户端。望本文通过日本能源发展思路与路径的探讨、对日本智慧能源服务发展与模式的梳理可以助力相关领域的研究。