基于“双碳”目标的智慧能源体系构建

张丽君

（山西省安装集团股份有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

“十一五”五年规划中，国家提出了应对气候变化的具体措施，并提出了“国家节能减排工作计划”。“十四五”规划提出的“双碳”指标是我国能源安全发展战略的重要内容。“双碳制”不仅将改变我国的能源结构，而且将引发一场彻底的能源革命。中国的二氧化碳排放量很难控制，其中有两方面的困难：一是中国在全球范围内的二氧化碳排放量占到了全球二氧化碳排放量的1/3；二是美国和欧洲的二氧化碳排放量都在减少，而中国的二氧化碳排放量却在不断的增加。从这一点上说，“双碳”政策目前还有很多工作要做。为“十四五”期间绿色能源生产消费转型、社会能源使用模式转型、现代能源安全体系建设提供有益参考。

1 能源结构中的双重碳政策及存在问题

就二氧化碳减排而言，现在有两种技术，一种是节能减排，一种是可再生能源[1]。其他技术如碳捕获（包括大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放来源的二氧化碳，通过多种方式存储，防止其进入大气层，并进行合理使用），目前还处在研究阶段，预计将在2030年以后逐步付诸实践。根据国际能源机构的调查，未来的能源结构将会有巨大的改变。在当前的能源总量中，煤炭和天然气大约占据了70%。到2050年，该比例将会低于10%，而太阳能光电和风力发电将占据60%的份额。可再生能源的发展前景是非常广阔的，这一点从过去两年的资本市场就能看出来。在过去，很多人都觉得投资太阳能发电并不划算，但现在不一样了，就算没有政府的补贴，太阳能发电的回收周期也可以达到七年，比起二十年前的十年，这已经大大的缩短了。在未来，考虑到电力价格的提高，以及各地政府的补贴和碳交易机制的建立，太阳能电池的价格比将会更高。

减少排放的时间很紧迫。目前，我国经济已进入了爬坡过坎向高质量发展的关键阶段，产业链从中低端向中高端不断攀升，能源消费还没有达到高峰，能源与产业结构对高碳发展方式存在着强烈的惯性和路径依赖性，要在10年之内实现碳达峰，30年后才能实现碳中和，这将会对现有的科技储备和政策措施造成巨大的挑战。要用系统化的思路，构建新的能源体系，支持能源的低碳转型。

能源系统是城市体系中的一个重要组成部分，它对城市的发展和运行起着举足轻重的作用，也对提高一个城市的现代化和服务水平至关重要。根据我国的能源建设规模和发展的重要性，我国今后的能源开发将优先选择城市能源。现代化是我国未来城市发展的核心和主题，对能源的需求依然很大，以“双碳”为动力的城市，要实现可持续发展，必须以智能能源为基础，以能源体系为动力。而新能源应用、清洁能源替代、智能电网等都是智能能源发展的关键，只有三个方面的协调发展，才能真正发挥能源系统在城市发展中的重要作用，从而推动智慧城市的发展。

2 智能能源系统的建设

2.1 我国能源供需特征

可再生能源的特性有两个，一是随机性，比如在发电的时候，风向和大小都是不受控制的，在太阳能光伏发电的时候，气候条件是无法控制的。所以风能和光能的发电量是随机的，发电量也会随着时间的推移而变化。据国家能源局统计，今年上半年，我国弃风率3.6%，弃光率2.1%，西北地区弃风率高出4.9%，新疆弃风率高达8%，这是由于我国风力发电项目在西北地区的比重较大。二是对能源的要求也是不确定的，通常情况下，电力供应充足，尖峰紧张。每年夏季，我国都会出现电力短缺现象，有的地方还会拉闸限电。今年的煤炭供应紧张，不只是夏季，还有一些地方在秋天的时候，就开始了停电。北京的一位学者曾经进行过一次统计，认为一年中电力消费的最高峰是“超负荷”，也就是“不太热也不太冷”。在夏季，电力消费处于高峰，几乎是低谷时的两倍。这是由于夏季空调的应用导致夏季出现用电高峰[2]。

2.2 智能能源体系的角色

与过去、现在和未来的能源体系相比，过去和现在的能源供应基本都很充足，供应和需求分开。但在未来，电力供应会减少，燃煤发电的比重会降低，电力供应会变得更少，风能、太阳能也会更多。对于建筑来说，供应和需求是密切相关的，屋顶上会出现更多的分布式太阳能和储能，因此，如何利用随机的太阳能，是一个非常重要的问题。

智能能量系统可以整合一种或多种可调节的可调节负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式电源等，从而达到自主、协同、最优的控制。它采用了人工智能和大数据技术，将各地区的负荷集中起来，使其能够有效地利用分布式能源，并通过对负载端的响应和灵活的调整来减少对电网的要求，从而实现对电网的控制。在能源供应侧，太阳能、风能、储能、微型火电，而在需求侧，则是空调、电动汽车、可控负荷和储能。通过智能能源系统，连接供求双方，实现智能控制，其中最重要的就是集成和优化。

3 “双碳”能源转型的对策

二氧化碳减排涉及能源、环境、社会、环境等各个方面，用系统化的思路，构建新的能源体系，支持能源的低碳转型。近几年，我国电网发展迅速，以新能源为主，但在能源供应、安全运行、清洁消纳等方面，电力系统仍有较大的缺陷和不足。在能源供给上，目前我国新能源“大装机、小电量”特征明显，夏、冬期间的用电量缺口很大，而“双峰”期间，即迎峰度夏、度冬期间，系统的“顶峰能力”明显不足。根据统计，电力发电量在总发电量15%以下的时间比例为一年中的一半左右，从电网的“双高”模式（新能源比例高，电力电子设备接入比例高），“双新”特点（新设备新技术的推广）日益凸显，系统的运行特点也越来越复杂，电压、频率调节能力也受到了极大的挑战。由于电力系统的大量引入，导致了系统的暂态过电压、宽频振荡和锁相同步稳定性降低，系统的启动组合复杂，不同工况下的稳定性差异较大，给系统运行控制带来极大挑战。在清洁消纳方面，由于新能源的发电量和负载具有季节性的逆向调节特征，因此对其进行消纳具有一定的困难。同时，我国电网的灵活调整能力仍有一定的缺陷，尤其是“双碳”战略实施以来，我国的能源结构调整和优化升级步伐加快。

3.1 智慧能源体系的演进路线

将各种新的发电技术（如分布式发电技术）逐步发展为洁净、低碳的微电网。该系统可以将分布式电源与配电网络之间的关系整合、协调，并充分利用当地的能源资源，实现电网的自平衡和优化。建立微电网，一方面可以提高整体的能量利用率，并可以提供个性化的供电服务；同时还可以减少电力系统的负荷，提高电力系统的可靠性和安全性，减少对环境的冲击，从而达到清洁低碳的能源供给系统。

从用户端多能量补充技术发展到一个经济、有效的泛能网。以数字技术为基础，以特高压为基础，向着绿色、安全的智能电网发展。建立智能电网不仅可以有效地促进可再生能源的安全消纳，还能扩大资源优化配置，提升电力系统的整体安全性，推动相关产业的发展和产业链的升级。

以先进的能量存储技术为基础，以现代信息技术为基础，向着网络的方向发展。在能源管理上，采用先进的储能技术，可以改善电力供应的稳定性和可靠性，从而达到空间和时间上的空间分布。在初期，各种数字化信息在能源生产、运输、消费等各个方面相互连接，并与智能技术相结合，建立了一套具有高度适应性的智能能源控制系统，并将其应用于各种能源系统，如微电网、泛能网、智能电网等。在较高的发展阶段，由于储能技术的普及，电力的发配和分配不再是必需的，电力的供给和一次能量的供给之间可以实现时间和空间上的分离，保证了对终端能量的实时调用和自由供应[3]。由于新能源发电具有随机性、波动性以及经济社会对电能的刚性要求，使得目前的电力供应与供给均呈现弱可调、硬匹配的状态，就像是在供电与供电之间架了一座“硬板床”，系统的柔性平衡能力严重不足，一直存在着长距离传输和大规模网络的安全隐患。而由微电网、泛能网、智能电网、能源网络等组成的智能能源系统，则是在能源转型的大背景下，协调各种矛盾的中枢；从纵向看，通过智能调度与先进的储能技术，使供方与需求方能够灵活地进行交互，就相当于在供求双方间铺设了“席梦思”，从而达到了系统的柔性均衡和最优的清洁能源配置。在“双碳”战略背景下，建设智能能源系统是弥补我国能源和电力系统的薄弱环节，实现绿色、低碳的转变[4]。

3.2 智能能源系统支持能源转型

在能源供给上，大规模推广使用微电网技术和泛能网技术将为今后的负荷中心地区增加新的用电量提供可靠的保证。基于新能源的分布式微网将极大地提高当前仅依靠大电网的电力供应的可靠性和安全性。通过灵活整合电力、天然气、热、冷等多种能源提供方式，可以极大地改善需求端的能量利用率，有效地提高我国的低碳能源供给。在安全操作上，安全高效，清洁低碳，双向互动。在调度和运行方面，利用数字化技术和现代控制技术，可以有效地提高源、网、荷之间的信息感知、双向流动和灵活的交互，不但可以大大改善系统的运行模式和事件演变的计算能力，而且可以实现智能调度系统的开发，提高系统的安全性和决策能力；在输电端，对特高压电网进行优化，将会进一步促进大容量、远距离、高可靠的输电能力，从而使大规模的低碳电力能够安全、高效地分布。通过建立智能电网，可以突破跨省际之间的障碍，达到调峰和调峰的目的，从而真正提高电网的本质安全和高效地提高低碳能源的传输效率[5]。通过建立能源网络，可以突破传统能源行业的供求关系，使电网的调峰容量得到大幅提升，从而使我国的低碳能源的消纳能力得到明显改善。

4 构建智慧能源体系的实施路径

4.1 大力推动能源技术革命，为智慧能源体系建设提供技术支撑

推动能源领域信息技术系统创新，根据国家智慧能源技术的研发与前沿目标，通过对氢能与燃料电池、先进储能技术、碳的捕集利用与封存、新能源网络、能源可视化、环境资源管理等新兴信息技术系统的研究开发与利用，从而占领全球未来能源开发高地，孕育中国发展创新经济的动能。以新能源创新实验室建设为核心，集聚科技资源攻克相关"卡脖子"技术，不断提升自主创新能力。

4.2 大力推进能源体制改革，为智慧能源体系建设创造良好政策环境

围绕着微电网、泛能网、智慧电网和新能量网络等智慧能源技术的发展应用，将持续推动有关领域产业体制机制变革创新，助力智慧能源系统构建与商业模式的不断创新。强化了能源与工信、交通运输、住建等部门的协作和配套，以减少或影响智慧城市能源、智慧交通系统、电动汽车、智慧节能建设等跨部门区域融合发展的重大政策障碍。突破传统的能源行业"竖井"，通过整合煤、电、油、天然气等不同的资源品种开发政策，推进对发电、供气、供热、供冷等资源基础业务的统一审批，取消资源网络开发领域壁垒。建设可再生能源和分布式资源的并网快速通道，进一步推进天然气管网无歧视向第三方放开，实行大流量天然气直供，激活智慧能源系统运营的新动能，有效减少终端用户的用能成本。

4.3 大力推进能源领域开放，为智慧能源体系“走出去”创造条件

积极主动参与世界能源开发工程，积极主张通过建设智慧能源系统促进全球能源开发的最有效方法，并争取在世界未来能源管理的主导权。在“一带一路”战略和资源的全球合作协同发展方面，充分运用亚洲基础设施投资银行和金砖国家合作开发投资银行等国际金融平台，并通过建立全球智能资源发展基金的方式积极促进智慧能源技术的发展。

5 结语

随着储能技术和信息技术的不断发展，“网络+智能能源”必将成为未来能源技术和技术创新的主导者。安全、可靠、清洁、低碳、智能、高效的智能能源系统，为我国能源转型、化解当前能源发展中的一系列风险与挑战，提供了一种行之有效的方法。继续大力推进智能能源建设，将为我国电网在能源供应、安全运行、清洁消纳等领域的薄弱环节和薄弱环节提供强有力的支持。