开展综合能源服务推动城市能源绿色低碳发展

张春雁

国网上海综合能源服务有限公司

0 前言

能源互联网作为第三次产业革命的核心，其本身包含智能电网、智慧能源和综合能源服务等部分。综合能源技术是提升效率，减少碳排放的重要手段，而开展综合能源服务是提升城市发展能级，构建绿色智慧城市能源系统，建设城市能源互联网的重要基础和抓手。

1 当前能源转型发展的趋势

能源，一切都是能源，它关系着人类文明变迁和社会进步。当前，我们正面临资源紧缺、环境危机和气候变暖等严峻挑战，绿色低碳转型成为可持续发展的强烈要求。不久前，微软公司的创始人比尔·盖茨说，新冠肺炎很可怕，但气候变化可能更糟。这并不是危言耸听，新的能源革命必须面对这个问题并提出解决方案。

我国能源中长期战略方向已定，到2050 年非化石能源占一次能源消费的比重要达50%，终端能源消费中电能的占比达到50%，可再生能源发电量占比要达到50%以上。这其实就是要向绿色低碳转型，构建清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系，也是我国发挥自主作用，力争2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和的减排承诺的方向。

当前，能源行业正进入新的变革时代，新能源快速增长导致全球能源生产和消费结构产生巨大的变化。随着各方积极探索开发能源创新服务价值的努力，智慧能源、综合能源服务，能源互联网正在推动能源革命的新进程。第三次工业革命的核心应是能源革命，其中，能源互联网又是关键，而能源互联网本身即智能电网+智慧能源+综合能源服务。

为适应能源革命的发展趋势，贯彻落实习总书记“四个革命，一个合作”的能源安全新战略，国家电网确立了建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。

从电网的角度来说，随着新兴能源技术和应用的创新发展，信息通信支撑技术的不断进步，跨界融合和数字革命的驱动，新一代电力与能源系统逐步向能源互联网方向发展。

2 对城市能源转型发展的路径和方案

城市能源变革需要绿色智慧解决方案。城市让人类生活越来越美好，但占全球总人口50%的城市人口消耗了全球85%的资源和能源，排出了85%的废物和CO2，因此，今天城市能源变革尤其重要。

以上海为例，上海面临能源变革的诉求非常强烈，向清洁低碳和碳中和发展的任务也很重。

上海人口密度大，能源消费总量大，能耗密度很大，是全国平均的37 倍之多，亟待构建可满足巨大能源消费需求的城市能源系统。

上海本地是没有一次能源可开采的，地下没有发现煤炭油气储存。目前上海的能源消费结构不尽合理，一次能源消费结构中主要是化石能源，占比接近90%，远高于世界平均60%左右的水平。石油在一次能源消费中占40%多，而石油对外依赖度大，安全可控性差。目前本地电源装机，共有2650.57万kW，其中火电（煤、气、油）装机2447.14万kW，占92.32%；而风电和太阳能等可再生能源装机243.70万kW，仅占9.19%（以上数据截至2020年8月），还不到10%。因此，需要进一步提高本地清洁能源发展力度和外来清洁能源输入和消纳水平。

上海单位GDP能耗大，城市能源综合利用效率低，全国是36%左右，上海45%不到。而世界上一些发达国家综合能源利用的平均效率都高于我们，如美日都要50%以上，丹麦等国家达70%。所以，综合能效的提升是一个非常重要的能源变革要求，需要提升城市的综合能源利用效率。

还有作为一个特大型高负荷密度的电网，峰谷差也非常大，夏天高峰要达到约45%，电网的安全运行和系统的经济运行压力都非常大。

目前上海终端能源消费中电气化的占比不高，只有全国的平均水平还不到，和中国香港、东京、伦敦、新加坡、巴黎等比起来远远低了。很多发达国家已经进入到深度电气化，但是我国电气化特别是城市的深度电气化水平还是不高的。随着新一轮能源的转型，再电气化是一个重要的手段，未来必将要经历一个高度电气化社会，所以推动再电气化，也是开展综合能源服务的核心路径之一。

当前，在不同能源系统之间缺乏协调和沟通，各个能源系统的数据非常丰富，但是这些数据没有很好贯通，不能起到各能源系统多元协同和多能互补的作用，迫切需要构建能够智能感知和控制的、能够统一互通的城市能源信息系统。

当然，能源各方面的发展，就中国就上海来说，近十几年来取得的进步是前所未有的。从输电网来看，特高压交直流及分层分区各级坚强智能电网已具备强大的资源配置能力，可保证市外来电可靠支持。从配供网来看，其供电可靠性，上海中心城区已达99.9999%，已是国际领先。从发电侧看，目前发电机组的节能降耗、超低排放工作已经做得很好，像外高桥三厂超超临界百万机组的煤耗，在同类型机组中是世界领先的。但今天大家都关注到了搞综合能源，目的是什么，原因是什么，应该是为了有一个安全性、可靠性、高效性、清洁性、智能性都不断提升的城市综合能源系统，有效地提升综合利用效率，又是绿色智慧，清洁低碳，可持续发展的。高效对综合能源系统的构建是非常重要的，许多单一的技术和系统的效率已经到一个阈值。

从上面的分析来看，像上海这样的城市，能源变革诉求是非常强烈的，如何做到清洁低碳，数字智能，安全可靠，灵活友好，节约高效，是面临的挑战。构建安全高效、清洁低碳、绿色智慧的城市综合能源系统是势所必然。

本文认为建设城市能源互联网是构建现代城市能源体系的一个解决方案，也是一个路径。城市能源互联网是城市能源变革的理念创新和实践创新。城市能源互联网作为构建智慧城市的能源基础，具备节能环保、能源成本、产业发展、商业模式、技术创新、能源服务等多维价值。

城市能源互联网以电为中心，以坚强智能电网为基础平台，通过互联网技术，构建能源系统和通信信息技术、社会信息物理系统的融合系统，构建一个能源的互联网。有一天，享受能源就像现在享受互联网、享受移动互联网一样。

城市能源互联网通过电、气、冷、热、氢以及交通和建筑等能源系统的一体化规划与协同调度，打通不同能源形式之间灵活转换和相互支撑的通道，充分利用各类能源系统中能源终端消费需求的时空分布特性差异和互补耦合特征，实现多类型能源供应与需求的平衡和协同，达到城市能源系统移峰填谷、互动、多元协调等目的，提高能源利用效率，促进可再生等强间歇性能源消纳，实现“源网荷储”和发输配用的深度友好互动，达成城市能源资源的大范围优化配置，保证城市能源系统的可持续发展。

3 综合能源服务和城市能源互联网建设的关系

城市能源变革的解决方案是能源互联网建设，而能源互联网建设的一个重要内容，我认为是构建综合能源系统，开展综合能源服务。综合能源服务作为新的能源服务业态，目的是在广泛连接产业链内外部和上下游资源和需求，打造能源服务新生态，支撑中国特色国际领先的能源互联网的建设。所以综合能源服务是城市能源互联网建设的重要基础。

综合能源服务是一种新型的为满足终端客户多元化能源生产与消费的能源服务方式，涵盖能源规划设计、工程投资建设、多能源运营服务以及投融资服务等多个方面。综合能源服务是能源互联网建设的重要基础和支撑。能源互联网作为第三次产业革命的核心，其本身应包含智能电网、智慧能源和综合能源服务等部分。

综合能源服务有两个维度体现其综合性特征，在技术维度方面，冷、热、电、气包括即将到来的氢能源的耦合互补和多元转化，以此实现效率最高、排放最优；在服务维度方面，则包括多元化、针对性、个性化、差异化，以此实现服务最佳。

国家电网在综合能源服务领域的优势是具备坚强的智能电力网络，包括在用户侧终端能源系统客户资源丰富，品牌效应好，数据价值挖掘潜力大，是开展终端综合能源服务的新天地。

综合能源服务产业标志性的表现是融合和跨界，在综合能源服务这片广袤的市场，它的发展刚处于起步阶段，不同的市场主体也各有侧重。在电源侧，比如各发电集团，他们在综合能源服务领域可能会更侧重机组灵活性、超低排放等，通过储能、氢能综合利用等新兴技术融合应用，再开展提升机组效率、减少CO2排放等相关服务。

而在电网看来，终端能源系统，则主要为用能主体提供最具性价比和个性化的用能服务，供电+能效提升服务。实际上国家电网与发电集团是在不同环节上开展综合能源服务，应该说，在电力与能源生产、供应、消耗和传输，在源、网、荷、储各个环节，各个地带，都将有综合能源服务的需求和市场。

4 综合能源服务方向和具体内容

国家电网贯彻“四个革命，一个合作”能源安全新战略，建设中国特色国际领先的能源互联网企业，在传统输配用电业务基础上，着力客户需求，培育综合能源服务新兴业务，助力我国能源清洁低碳零碳发展。主要围绕四大发展方向：一是综合能效服务，其中涵盖用能托管、能效诊断与评估、智能运维、余热余气余压利用、节能服务、电能替代等多个细分领域；二是多能供应服务，涵盖冷热电三联供、热电联供、区域能源供应，热泵和蓄冷蓄热技术应用等；三是清洁能源服务，包括太阳能、风能、生物质能及其综合利用、风光储充一体化等；四是新兴用能服务，包括专属充电站建设、充电网络运营服务，需求响应、虚拟电厂，电制氢及综合利用等。

开展综合能源服务，构建综合能源系统是基础。特别是在终端能源中，综合能源系统担负着构建清洁、低碳、安全、高效、智慧、韧性的分布式能源系统的重任，是智慧能源系统的重要载体，是坚强的智能电网的重要补充；而综合能源服务是对现代能源服务特性的理念创新，是综合能源系统融合信息通信技术和社会物理系统的价值再造系统，是能源互联网的重要业态形式。

总体来看，开展综合能源服务也将支撑能源互联网价值层面的商业模式创新，随着技术进步，政策创新，市场成熟，未来发展前景广阔，国家电网也在将其作为新兴业务重点布局。而对于上海的综合能源服务业务来说，一方面要做到精准化服务，整合电力、燃气、石油、交通等多方能源数据资源，创新能源数据增值服务模式；另一方面要实现多元化供能，推动太阳能、风能、生物质能，特别是可期待的氢能等多元化的高效低碳零碳供能体系的构建；此外，要建立城市能源系统综合能源规划、开发协同机制并出台政策法规支持；打造跨界融合、合作共赢的城市能源服务体系和能源服务生态圈，真正构建起城市绿色低碳、安全高效、智慧韧性、开放共享的现代化综合能源服务体系，提升上海城市可持续发展的能级，保障卓越全球城市建设的能源安全。

5 综合能源服务和能源互联网的关键技术

综合能源服务是支撑能源互联网能源流、数据流、价值流三流合一的重要抓手，也是绿色智慧城市能源建设的重要基础。如前面讲的，综合能源服务首先是能源清洁低碳转型和城市能源变革驱动的需求；其次是能源技术本身创新发展的因势而行，当然也离不开通信信息技术、“大云物移智链”技术的支撑作用；更是商业模式跨界融合创新和政策制度创新发展推动的结果。

现在往往把以前传统的新能源，各种各样的单一能源服务都归到综合能源服务范畴来，说明目前是一个初级阶段。实际上最终的标志是通过技术和政策的手段，从高效低耗零耗、低碳零碳、安全可靠、智慧韧性，从商业模式、盈利模式的多元维度，真正获得能源服务的各方价值。当然，构建好综合能源系统是基础，而能源技术是构建清洁低碳、安全高效的综合能源系统的基础的基础，能源技术牵涉到许多领域和专业，下面简单举例谈一下当下和今后具有强烈市场需求迫切需要突破的一些关键技术。

第一项是基于多能源转换的综合能源系统建模和规划设计及优化运行技术。多能源转换和互补怎么样去实现，就是要依赖技术的进步。目前一些发达国家在研究PTG、PTX的技术，多种能源之间相互转换的技术，这个非常重要。综合不是简单叠加，必须是多能互补和多元协同，所以综合能源系统的建模仿真和规划设计技术要突破原来的理念，要逐步进入多能转换，这样才可以达到效率的最佳。

第二项从电能替代的角度来说，是一些高性能、长寿命、高温相变蓄热蓄冷包括高温热泵等技术。在国内这些技术有的远远不能满足目前市场的需求。现在的蓄热蓄冷技术都是密度低、衰减快、体积大、寿命短。比如高温的相变材料，在城市高密度建筑当中，它可以有很大的电能替代空间，只要增加能量密度，降低成本，延长寿命，就可规模化应用，可通过电清洁供热供暖替代化石燃料，有的国家已经开发90 ℃以上，118 ℃甚至258 ℃的高温相变材料。另外一个，比如高温热泵，现在地源热泵、空气源热泵及各种水源热泵，广泛成熟应用，但高温热泵，温度在130 ℃以上的高温蒸汽热泵，就根本无法满足市场，比如工厂蒸汽供应场景的需求。这些东西我觉得从技术角度来说是非常需要去突破的，目前市场有巨大的应用空间，但技术经济的性能还没有达到。今后深度电能替代，包括结合可再生能源的零碳供能离不开它们。

第三项是综合能源系统动态负荷资源需求响应和电网互动技术。综合能源系统的可聚合负荷如何参与电网调节，对减少投资、清洁低碳都十分重要。比如，对上海来说，每年夏季尖峰负荷也就几十个小时，终端系统的可利用负荷通过虚拟电厂技术，参与电网削峰或填谷，参与辅助服务，电力现货交易，那它的经济效益和社会价值就太大了。如果能达到上海大约3300万kW 电网负荷的6%，就相当于建了一个200万kW的虚拟电厂了。现在大数据、云计算、边缘计算、区块链技术的发展，完全可以满足技术支撑和系统构建需要。

第四项是长寿命、低成本、高性能的储能技术。储能在能源系统中的地位是不可否定的，为什么目前这个状况不如人意，是有多方面的原因。特别是电化学的储能，随着技术的进展，成本的降低，按照道理来说应有非常广阔的应用场景，但是受制于尚无成熟的市场环境和必要的机制支撑，并没有得到大规模的应用。但这一块从它的发展来说，不管它在电源侧，还是在电网侧，包括用户侧、新能源消纳侧，都有非常广阔的市场前景。可以说，有一天，储能的应用无处不在了，而且用好了，满足时间的、功率的或能量的需求了，那我们的电力与能源系统的高效化、清洁化、智能化多半得到了解决。当然，储能技术需要不断进步，各种清洁、可再生的高效长寿命电池技术非常需要。

第五项是氢能利用和燃料电池的技术。氢能非常可期待，未来的能源可能就是两个，一个是电能，一个是氢能，低碳零碳的氢电能源系统未来已来。氢能作为一种清洁能源载体，来源多样，是理想的能源互联媒介。氢能发展已经成为全球能源技术革命向碳中和发展的重要方向，而燃料电池的广泛应用将对氢能的普及发展起到重要的作用。因氢能有一种可以相互转化的功能，也被称为万能能源，电可以变成气，气可以变成电，能完成PTG、PTX，等等，各种能源转换，真正实现多能转换系统。目前氢能技术在世界范围内越来越成熟，特别是在交通领域的应用已经较广泛。在能源系统以及其他场景的应用，在欧美、日本一些发达国家和地区也开展得比较好，但是我国才刚刚起步。从发展方向来说，电解制氢技术特别是与新能源结合的需求巨大，目前主要是长寿命、高稳定性、低成本问题，目前先进的PEM质子交换膜电解槽的效率已可达80%以上，单槽功率已经达500 kW 以上，氢热电联产系统的综合能效可达90%以上，而固体氧化物电池（SOC）作为一种高效、清洁的全固态能量转化装置，具备燃料电池（SOFC）和电解池（SOEC）条件下工作能力，是又一种新型绿色发电装置，也是未来可能用于大规模制氢的一种方法。高温燃料电池冷热电联供技术也在不断发展，这些技术的前景是非常广阔的。燃料电池是氢的电化学应用；另外，氢作为还原剂，还可以作为降碳、去碳、零碳技术广泛应用；能源方面可以改造传统系统，比如，氢燃气轮机技术，无论微小型燃机，还是大型燃机，都已经有掺烧氢甚至100%氢燃料的技术出现，理论上燃机发电效率甚至可以成倍以上提高，这是不得了的事情，是卡诺循环的新突破，那样，联合循环机组的发电效率甚至可以到80%或更高。如果这些高效清洁的燃气轮机改造得以实现，再与可再生能源制氢储氢结合，高比例可再生能源电网的灵活性问题也将得以解决，规模化的零碳电网也将产生。所以，氢将是人类解决全球气候变化问题的重要能源，也是未来构建综合能源系统，建设能源互联网的重要元素。

综上所述，综合能源服务技术不仅关系到行业发展本身，也直接关系到能源技术革命，关键核心技术必须自主化，这方面，我们面临的挑战是很大的。现在，连天然气三联供分布式能源这种在世界上已经成熟使用的技术，其中关键核心的微、小型燃气轮机或内燃机还是主要依赖国外进口，造成投资和运维成本居高不下。那么，对于亟待发展的一些清洁高效、低碳零碳负碳的能源技术，我们一定要下决心弯道超车，跨越发展，将其掌握在自己的手里。只有这样，才能真正把握机遇，迎接新一轮能源革命的挑战。