碳中和背景下综合智慧能源发展趋势

2022-01-26陆王琳陆启亮张志洪

动力工程学报 2022年1期

陆王琳，陆启亮，张志洪

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

习近平总书记在第七十五届联合国大会上发表重要讲话时提出中国的二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和。我国提出的“3060碳达峰、碳中和”的目标是迄今为止全球各国中作出的最大减少气候变暖的重要承诺，也是对《巴黎协定》原定目标的主动提升。

2020年以来，我国深化了能源供给侧的结构性改革，采取了一系列政策举措优先发展非化石能源，促使我国清洁能源快速发展，清洁能源占比稳步提升，能源结构得到持续优化。近十年来，不同品种能源占比呈现不同变化趋势。原煤和原油生产量占比持续下降，2019年较2011年分别下降了9.2个百分点和1.6个百分点，天然气生产量占比变化不大，2019年较2011年提升了1.6个百分点，水电、核电和风电等一次电力生产量合计占比翻番，2019年较2011年提升了9.2个百分点。截至2020年底，我国可再生能源发电装机规模占总装机容量的比重达到42.4%，为9.3亿千瓦，同2012年相比，增长了14.6个百分点[1]。

我国经济高速、高质量发展离不开持续可靠的能源供应。然而，我国的能源结构仍然呈现“一煤独大”的局面，碳排放总量居世界首位[2]。按2015年国内生产总值计算，我国的单位国内生产总值碳排放量达到了0.4 kg，是世界平均水平的1.5倍。按吨油当量计算，我国的单位能源消费碳排放量约为3 t，超过全球平均水平的30%。与大部分发达国家相比，我国实现碳中和的基础存在较大差距。因此，想要实现碳中和目标，我国需在经济发展方式、能源结构及节能增效等方面作出转变和调整，才能按期实现碳达峰、碳中和的目标[2]。

综合智慧能源(部分国家或组织也称综合能源)作为一种新兴的能源利用形式，能够加快推进能源供给侧清洁低碳转型，以数字赋能实现智慧化和低碳化发展，并将服务前移，可以更好地贴近用户、服务用户，从而构建和谐共生的生态能源体系，将成为推动能源转型升级、创新发展模式的重要方向。

笔者结合国内外综合智慧能源的发展情况，立足于现阶段碳中和、碳达峰的能源转型需要，对综合智慧能源各项关键技术进行了分类分析，引出了亟待解决的关键问题，并提出了我国“十四五”阶段能源转型发展的趋势和建议。

1 国内外综合智慧能源发展的现状

1.1 国外综合智慧能源发展现状

综合智慧能源在提升能源利用效率、实现可再生能源模块化开发上具有显著优势。世界各国或地区针对本国需要，制定了不同的综合智慧能源发展战略。其中，欧洲、美国及日本等地区的综合智慧能源服务发展起步较早，所开展的综合智慧能源服务在业务内容、商业模式和服务形式等方面不断创新并日趋多样化[3]。

1.1.1 欧洲

欧洲是世界上最早提出、同时也是将综合能源系统概念付诸实施的地区。从哥本哈根气候大会开始，该地区就制定了当时最高标准的减排标准[4]。在2007年，欧盟开展“20-20-20计划”，指出到2020 年，二氧化碳等温室气体排放量相比1990年减少20%，可再生能源占比达到20%，能源综合利用效率提高20%[4]。

早在欧盟第五框架(FP5)中，虽然当时尚未明确定义综合能源系统的概念，但是能源协同优化的有关研究已经得到欧洲各国的极大重视，后在欧盟第六框架(FP6)、第七框架(FP7)中得到进一步深入研究，类似于美国综合能源系统(Integrated Energy System，IES)的项目，欧盟第六框架项目Microgrids and More Microgrids以及欧盟第七框架项目Trans-European Networks、Intelligent Energy等陆续实施[4-5]。

欧盟提高能源综合利用效率和节能减排主要依靠能源信息化的改革和创新，欧盟较其他国家和地区更突出强调了信息技术在低碳化发展上所起的作用[4]。据Utilities UK集团市场调研显示，欧洲已有上千家能源服务公司，欧盟内部能源系统间的耦合与互动也呈急剧上升趋势，其中以德国和英国为典型代表。

1.1.2 美国

美国对智慧能源的探索起步较早，对智慧能源体系的探索主要集中在智能电网和智慧建筑领域[5]。美国能源部早在2001年就启动了IES的发展计划，该计划拟通过提高可再生能源的供应和使用占比等方式提高供能系统的可靠性和经济性。IES发展计划的重点是促进对分布式能源以及冷热电联供技术的推广应用。同时，在新一轮电力改革中，美国的加州、纽约州等地区也确定以需求侧管理和电力系统灵活性提升作为重要发展方向[6]。

2008年，美国国家科学基金项目“未来可再生能源传输与管理系统”中提出研究构建在可再生能源发电和分布式储能装置基础上的新型电网结构，称之为“能源互联网”[7]。

1.1.3 日本

日本由于其地缘劣势，能源一直严重依赖进口，因此日本也是亚洲最早开展综合能源系统研究的国家。日本政府早在2009年9月便公布2020年、2030年和2050年的碳减排目标，提出要建立覆盖全日本的综合能源系统，并对日本的能源结构和能效进行优化提升，促进可再生能源规模化开发[7]。

2010年4月，日本经济产业省(METI)启动“智慧能源共同体”计划，涵盖了能源、社会基础设施和智能电网等领域[8]。该计划主要包括2个项目：一是“智慧城市”示范项目，在横滨、丰田、关西和北九州4座城市进行试点部署；二是“智慧能源网”示范项目，在东京和大阪实施[8]。

1.2 国内综合智慧能源发展现状

我国对综合智慧能源系统的研究起步相对较晚，但各能源企业在业务转型方面呈现强劲发展态势，而在发展路径方面，主要采用“1+N”发展模式，即依托1项主营业务向多个能源产业链服务延伸[3]。

2001年，我国开展了针对智能体系方面的专题研究，以智能电网、配电网为载体，聚焦国内智能能源体系结构、模型、技术标准、通行协议和实施计划等方面。国内综合智慧能源系统仍处于发展的初步阶段。国内运行的综合智慧能源系统项目基本以电为主，只配合少量的清洁能源，仅仅起示范作用[9]。2010年，我国成立了国家能源委员会，旨在推动能源领域的创新发展及综合智慧能源系统体系的建设，同时加快能源改革，创新能源发展模式。在国家层面，我国制定并通过了若干有关综合智慧能源系统的重点研发项目，国内相关能源企业积极布局，同时与国外相关机构开展合作，加快推动综合智慧能源系统在技术、服务模式等方面的创新，以建设清洁、安全、可持续的综合智慧能源体系[4]。

2 综合智慧能源的内涵及技术框架

综合智慧能源系统是以数字化、智慧化能源生产、储存、供应、消费和管理与服务为主线，追求横向“电、热、冷、气、水、氢”和“水、火、核、风、光、储”等多种能源品种和供应方式的协同，实现纵向“源-网-荷-储-用”等各环节间的互动优化，向终端用户提供综合能源一体化解决方案，构建“物联网”与“务联网”(服务互联网)无缝衔接的能源生态体系，其系统架构如图1所示。

图1 综合智慧能源系统架构图

3 综合智慧能源关键技术

3.1 能源生产技术

3.1.1 分布式冷热电联供技术

分布式冷热电联供(CCHP)系统是以能源梯级利用为基础，能同时实现供冷、供热和发电过程的一体化多联供系统。与传统集中式能源系统相比，CCHP系统的分布位置更接近用户侧，不需要进行远距离高压输送，显著减少线损和运行费用，能达到更高的能源综合利用效率。CCHP系统广泛应用于楼宇式和区域式的能源供应，以天然气作为燃料，主要配套燃气轮机、微型燃气轮机或内燃机进行发电，余热回收后可进行供冷和供热[10]。

在双碳背景下，分布式能源将不再单纯以天然气为主，与可再生能源进行耦合将成必然趋势，很多学者提出了多种耦合型CCHP系统，如天然气与地热资源耦合[11]、与太阳能资源耦合[12]以及与太阳能和地热资源耦合[13]等。

3.1.2 热泵技术

热泵机组是能效比高的能源利用设备之一，根据逆卡诺循环原理，采用电能、蒸汽等驱动，通过传热工质把自然界的空气、水、土壤或其他低温热(冷)源中无法被利用的低品位热能有效吸收，并将其提升至可用的高品位热(冷)能加以利用。闭式热泵系统可分为蒸汽压缩式、吸收式和吸附式，其中蒸汽压缩式应用最广、技术最成熟。根据供热温度，蒸汽压缩式热泵可分为传统热泵、高温热泵和超高温热泵，常用的热泵包括空气源热泵、水(地)源热泵和土壤源热泵等均为传统热泵，尽管在供冷供热领域中得到广泛应用，但仍存在一些问题，不少学者对此也进行了研究。

为解决空气源热泵在低温环境下结霜、压缩机频繁启停和供热功率不足的问题，学者们经过大量研究提出了喷气增焓技术以及跨临界CO2循环、双级耦合、复叠式热泵、能源塔和无霜处理等技术[14]。

高温和超高温热泵主要是为了满足工业生产需求，尤其是有蒸汽需求的工业领域，超高温热泵可以从60～100 ℃余热中取热，输出100 ℃以上的蒸汽[15]，将在未来终端一次能源替代中发挥重要作用。

3.1.3 太阳能利用技术

综合智慧能源领域中太阳能的利用主要体现在光伏发电和光热利用2个方面，将在能源转型和低碳发展过程中发挥至关重要的作用。

光伏发电系统主要分为集中式和分布式2种，集中式系统需要大面积土地，多建设于戈壁、高原和荒漠等场景中；分布式系统则比较灵活，建设场景选择多样，并可与多种能源组合，多应用于建筑物顶部，近年来在西北地区扶贫项目也有较多应用。在太阳能电池方面，钝化发射极和背面电池(PERC)、异质结电池(HJT)及隧穿氧化层钝化接触电池(TOPCon)3种技术路线在转换效率上不断突破，钙钛矿技术也有较大发展。在逆变器方面，产品技术纵向向着高电压、大功率、大电流、大子阵发展，进一步降低了平准化度电成本(LCOE)；产品技术横向向着多功能升级，通过智能算法等方法使光伏发电具备同步发电机并网能力，实现与火力发电同等的功能，帮助电网调频，使电网更稳定。光伏发电以其灵活的供能效果，与多种应用模式、场景深度结合，如“光伏+生态修复”、“光伏+建筑”、“光伏+农业”、“光伏+渔业”及“光伏+公路”等，随着行业技术逐步成熟，光储融合也在快速发展[16]。光伏建筑一体化(BIPV)通过光伏组件与建筑材料结合，推动建筑从耗能向产能、节能转变。但BIPV组件作为新兴事物，其安全性和可靠性仍需提升，针对其建筑材料性能方面的机械强度、能源经济性、隔热性能、防火性能和降噪性能等标准较少，相关技术规范仍有待完善[17]。

光热发电利用大规模阵列聚光器收集太阳热能、加热工质并经换热产生蒸汽，进而推动汽轮发电机组发电，光热发电方式可分为塔式、槽式、碟式、线性菲涅尔式及向下发射式。光热发电可与储热系统结合，日间日照充足时储热，夜晚释放储能维持连续发电，如将其与火电结合，能将储热、调峰、连续发电等融于一体[18]。与光伏发电相比，光热发电必要设备多(集热器+热交换器+汽轮机+发电机或集热器+斯特林发动机+发电机)且各环节复杂[19]，其投资成本高，行业门槛相对较高，技术研发主要集中于辐射吸收材料、涂层、聚光镜、控制系统和热循环等方面。

3.1.4 风能利用技术

对风能的利用主要是通过风力发电，风电技术的快速发展使风能成为不可或缺的新能源之一。随着大容量、长叶片、高塔架、全功率变流、智能控制和大数据分析等技术的发展和大规模应用[20]，风电机组适应性更强，从陆上风电场发展到海上风电场，由高速风电场拓展到低速风电场。但集中式大型风电场普遍存在波动性大、可控性差及电网接入存在困难的问题；同时大型风电场所在地区一般远离用电区域，电力就地消纳和外送问题使得这些区域出现“弃风”现象。

海上浮式风力发电[21]近几年发展迅速，其与波浪能的耦合利用弥补了自身能流密度低、不稳定、不连续缺陷；二者还可共享基础结构、系泊系统，节省运维成本，提高能源利用效率，实现海洋能源综合利用。

随着风电技术和市场的大规模发展，风电数字化、智能化技术亦得到快速发展。通过风电场大数据收集、智能传感技术和智能控制技术等可实现风电智能监控、风电智能运维、机组故障智能诊断和预警[22]。

我国风电机组仍存在技术支撑不完备情况，双馈异步发电、无齿轮箱直驱发电、低电压穿越、变速恒频运行、全功率变流、风电机组大型化和变桨距控制等技术问题还有待进一步研究[23]。

3.1.5 生物质能利用技术

生物质能被认为是太阳能等所有可再生能源中最有发展前景，并成为继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源[24]。在诸多生物质应用中，生物质气化产生的合成气(主要含有H2、CO等可燃气体以及H2O和CO2等)可以直接作为燃料，可转变为热能、电能等。生物质气化技术主要包括热解气化、气化剂气化和超临界水气化，其中气化剂气化中空气气化、氧气气化、蒸汽气化和混合气化等技术应用较多，有学者提出了新型自热CaO环生物质气化技术，该技术使用CO2作为气化剂，合成气的输出量可明显增加[25]。

超临界水气化不需要对生物质原料进行干燥预处理，反应速率快，降低了气化成本，节约了气化时间，合成气中H2含量较高，该技术被认为是针对高湿度生物质气化最有前景的技术，但投资成本高、对能源要求高等问题仍有待解决。

3.1.6 氢能技术

氢能将在全球能源新格局中扮演重要角色，氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源的消纳，在一定程度上可替代传统化石能源。主要的制氢方式包括煤和天然气等重整制氢、电解水制氢及工业副产氢，其他如光热制氢、光电化学制氢、生物质制氢及核能制氢等方式在未来具有规模化潜力，但超过95%的氢气来自于煤、天然气等重整制氢及工业副产氢，可再生能源电解水制氢还非常有限，尚未实现“绿氢”的真正高效利用[26]。

根据电解槽系统的不同，电解水制氢技术可分为质子交换膜(PEM)电解水技术、碱性电解水技术和固体氧化物(SOEC)电解水技术，其中碱性电解水技术因难以适应可再生能源的快速波动性而难以与可再生能源进行耦合， SOEC电解水技术仍处于技术研发阶段，PEM电解水技术在与可再生能源耦合方面优势明显，被公认为是制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一[27]。

3.2 能源输送技术

3.2.1 电力输送

传统电网采用交流电的配电方案，随着直流技术的发展，以及直流输电具备较好的稳定性、经济性及低损耗等优点，直流输配电逐渐成为关注焦点。柔性直流输电技术是除交流输电技术和常规直流输电技术之外的输电技术，其以电压源换流器为核心，具有响应速度快、可控性好和运行方式灵活等特点，适用于可再生能源并网、分布式发电并网和孤岛供电等方面[28]。

我国西部地区可再生资源相对较多、负荷较少，而东部正好相反，国内电力资源与负荷需求分布极不匹配，远距离大容量的特高压输电工程不断增加。基于电网换相换流器的高压直流输电系统(LCC-HVDC)技术被广泛应用在特高压输电工程中，但其仍具有逆变站易发生换相失败、无功功率消耗大等缺点。而基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)具有可独立控制有功功率和无功功率、不存在换相失败、可向无源系统供电等优势；其输电拓扑中的模块化多电平换流器直流输电系统(MCC-HVDC)通态损耗小、频率低、扩展性强，具备更好的运行特性，但换流站建设成本高、对于直流故障无法有效处理等问题限制了其在直流输电工程中的应用[29]。因此，将LCC-HVDC与MCC-HVDC结合，综合这2种技术特点，形成LCC-MCC串联型混合直流输电系统，在一些直流输电场景下比传统直流及柔性直流技术更有优势，具有广阔的应用前景[30]。

尽管特高压输电技术在大容量、远距离电力输送方面具有较大优势，但仍需要大量输电走廊。因此，国内外诸多学者也在积极研究超导直流输电技术，通过高温超导直流输电提高输电效率，并充分利用已有输电通道，实现在更低电压等级上、更大容量的电力输送[31-32]，但超导输电电缆的低温冷却问题也需进一步研究。

3.2.2 热能输送

热能包括冷热水和蒸汽，主要采用埋地或架空管网进行输送。对于供热管网本身，其设计、制造和施工等技术已相对成熟，主要是将信息化和智能化技术应用于规划设计和运行管理中，解决区域管网布局优化、管网泄露、水力平衡、供热量计量和巡检等难题[33]，提高供热的可靠性和经济性。

3.2.3 氢气输送

3批原料采用不同氢气露点工艺，所得二氧化钼样品粒度分布(分散剂为水)如图2所示，扫描电镜照片如图3所示。

氢气的输送主要有气氢、液氢和固氢输送3种方式[34]。气氢输送分为长管拖车和管道输运2种，我国长管拖车运输设备产业较为成熟，但成本高、效率低；管道运输具有大规模、长距离输送的优点，但纯氢管道的初投资大，因此对掺氢天然气管道输送技术的研究成为热点[35]。液氢输送主要分为液氢罐车或专用液氢驳船运输，适用于大容量、远距离输送。我国液氢输送技术的起步较晚且核心设备进口受限，国内仍以气态氢储运技术为主，运输压力低于20 MPa，使得氢气运输成本高居不下[36]。固氢输送是通过金属氢化物存储氢能，驳船和大型槽车等运输工具均可以用以运输固态氢[36]。

3.3 能源存储技术

3.3.1 储电技术

储电技术主要包括电化学储能和物理储能，电化学储能以锂离子电池、液流电池、铅蓄电池和钠基电池等储能技术为主，水系锂离子电池具有继续发展的可能性，部分液流电池已有示范项目落地，铅蓄电池成本低廉但寿命较短，钠硫电池的安全性仍是待突破的技术点[37]。物理储能以抽水蓄能和压缩空气储能为主，飞轮、超导磁储能以及超级电容器在国内均处于示范阶段，各自的关键技术尚未突破。

3.3.2 储热技术

储热技术主要分为显热储热、相变储热和热化学储热。大规模显热储热应用最广的是分布式能源系统中的水蓄冷/热和太阳能光热发电中的熔盐蓄热系统，但显热储热材料的储能密度低，系统装置庞大；相变潜热具有较高的储热密度，系统装置简单，但储/放热速率较低，主要应用于小型分布式储热领域；热化学储热技术与前2种技术相比具有储热密度大及温度范围更广等优点，但仍处于实验室研究阶段[38]。

3.3.3 储气技术

储气技术主要针对氢气的存储，可分为物理储氢、固体储氢和有机液态储氢，其中物理储氢又可分为低温液态储氢和高压气态储氢。高压气态储氢技术成熟、应用广，但体积容量小、存在泄漏和爆炸等隐患；低温液态储氢技术体积储氢密度大、纯度高，但液化过程耗能大、成本高；固体储氢技术体积储氢密度大、操作方便、纯度高，但质量储氢密度低、成本高，该技术仍处于研究阶段；有机液态储氢技术由于纯度不高、催化剂易失活和成本高等影响尚未大规模商业应用[34]。

3.4 能源消费技术

我国现有的能源消费结构中，煤、油和天然气的比重仍较大，其能源消耗量大而且利用效率低，综合智慧能源系统具有多能互补、新能源的高渗透和用户侧互动等特点，实现了能源的梯级利用、能效提升和低碳排放。

3.5 能源智慧化技术

能源的智慧化贯穿于能源产业链全过程。应用物联网、大数据、多目标优化及人工智能等技术对能源的生产、调度、输配、存储、销售和使用等业务数据、性能数据及运维数据进行实时监测、分析和计算，并在此基础上进行能源预测、多参数寻优处理和闭环控制，促进能源与信息深度融合，实现能源生产、输送、消费和管理智慧化[40-41]。

根据用户画像提供有针对性的能源定制化服务，预测用户负荷需求，提前调节能源分配方向和模式，优化能源调度，解决能源平衡问题，并通过智慧能源网及时响应用户需求，实现能源点对点交易[42]；通过智能分析实时的能源产、输、用情况，开展故障判断、预测性维护，提高能源利用效率和安全稳定运行水平；将能源生产、输送和消费协调匹配，通过“虚拟电厂”提供以用户侧为导向的能源服务，整合能源，对全环节进行最优调节和高效管理，实现多种能源的综合利用，达到安全、高效、绿色、低碳的能源使用效果；引入传感技术、云平台技术、区块链技术和物联网技术等，对区域内设备状态、用户特征、用能负荷等进行分析挖掘和智能预测，加强能源全产业链的信息对接和深度交互，加速能源数字化、智慧化进程[43]，通过互联网+人工智能模式形成数字化能源托管，建立智慧能源管理中心，实现能源生产到消费的全周期智慧化管理。

4 综合智慧能源发展趋势及建议

“十四五”是我国能源转型发展的关键阶段，是构建“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的加速阶段。从能源生产到能源消费，能源的综合智慧化利用贯穿行业源-网-荷-储等多个环节，提高能源综合利用水平，推动能源智慧化转型势必成为能源发展的趋势。

能源生产技术的发展趋势如下：推动燃气轮机设备的国产化，推动高能效、低排放、耦合可再生能源的CCHP系统的应用，加强系统的匹配和优化，提高系统的可靠性和灵活性；解决空气源热泵低温环境下的突出问题，加大制冷剂、压缩机和超临界CO2等技术及设备的研究，推动高温和超高温热泵在工业领域的应用，实现高效电能替代；推进光伏和风电技术的升级，提高转换效率，探索化合物半导体和有机体材料的光电转换材料，加大应用场景的研究；合理选择生物质气化技术应用场景，降低超临界水气化成本，探索自然CaO环生物质气化技术；加快推动电解水制氢关键技术和核心设备的国产化，提高可再生能源制氢的比重，实现“绿氢”的高效利用。

能源输送技术的发展趋势如下：加强柔性直流输电、LCC-MCC串联型混合直流输电系统和高温超导直流输电等关键技术及换流器等核心设备的研究；推动氢气输送关键设备的国产化，加大掺氢天然气管道输送技术的研究。

能源存储技术的发展趋势如下：降低液流电池的成本，提升运行效率，推动压缩空气储能与新能源的耦合；推动相变储热和热化学储热材料的研究。

能源消费技术的发展趋势如下：加强综合智慧能源系统在建筑、交通及工业等领域的渗透，加快推进热泵、余热回收和换电等技术的应用，实现终端电能替代；推动“零能耗”建筑的示范和应用，实现绿色低碳发展。

能源智慧化技术的发展趋势如下：加强对能源用户行为的捕捉和需求感知力度，提高对用户信息和数据的解析能力；打破不同品种能源数据壁垒，统一能源行业通信协议标准，搭建智慧能源一体化大平台；解决云平台、大数据、物联网、移动互联网、人工智能和区块链等关键技术问题，推动智慧能源系统集成创新与融合应用。

针对综合智慧能源系统发展现状及趋势分析，提出以下建议：

(1) 加强综合智慧能源系统统筹规划。结合我国“十四五”能源发展规划，积极推动能源转型发展过程中综合智慧能源布局，加快关键技术的研究及成果转化，推进智慧城镇、产业园区和集群楼宇等典型场景的综合智慧能源开发、建设和服务。

(2) 推动关键技术及设备的国产化。为加快能源发展步伐，提高能源安全性，应加快推进区块链、储能、燃气轮机和质子交换膜等关键技术和设备的国产化及知识产权布局。

(3) 促进综合智慧能源市场完善。我国综合智慧能源市场需求多、分布广，应大力推进与市场相关的制度规范、开发建设、电力交易和运营供应等方面不断完善，构建有序、健全的综合智慧能源市场。

(4) 推动用户侧能源服务发展。综合智慧能源系统的发展将面对更多元、更灵活的服务场景和终端用户，应创新能源服务模式，根据用户需求提供定制化能源解决方案，为用户提供绿色、低碳、节能、生态、智慧的能源供应和增值服务。