用互联网来分配能源,为什么更靠谱?

如何在切中人类经济发展最要紧命脉的基础上掀起一场能源互联网的新革命,也是能源市场即将面对的远征。

文|观察未来科技

当前,随着化石燃料的逐渐枯竭以及带来的环境污染问题日趋严峻,以化石燃料为能源驱动的工业革命的模式正逐步走向终结,可再生能源行业正在指数增长,成为人类发展所需要的下一代能源。

当然,正如第一次和第二次工业革命一样,新能源的发展也需要配套的基础设施——在可再生能源时代,以可再生能源技术和信息技术的深入结合为突出特征的能源互联网就是新能源发展的基础设施。能源互联网将改变能源的生产和社会分配方式,并推动一种互联网和新能源相结合基础上的新经济到来。

用互联网来分配能源

回顾第一次和第二次工业革命,不难发现,虽然生产力的飞跃和经济的跨越式增长的可能离不开对于化石能源的利用,但这背后,还需要的是通信/能源矩阵和包括企业通用技术平台在内的配套基础设施的支持。电网就是传统能源基础设施的典型。如果没有电网,福特就无法利用工厂中的电动工具,无法享受它所带来的效率和生产力的极大进步。

再比如,如果没有电报及后来的电话,企业就不能与上游供应商和下游分销商实现即时通信,企业的内部和外部运营指令链条也无法实现即时访问,这样一来,企业就不可能通过大规模垂直集成的运营模式提高效率和生产力。如果没有遍及全国市场的完备的道路系统,企业也不能大幅降低物流成本。

同样,电网、通信网络以及在全国道路系统上运行的汽车和卡车,这些都需要消耗化石燃料能源,从而需要建设垂直集成的能源基础设施,以便在油井、炼油厂和加油站之间输送能源。

对于今天的新能源来说,也是一样的道理。美国宾夕法尼亚大学教授杰里米·里夫金认为,今天,人类的工业文明正处在一个十字路口,由石油和其他化石燃料所支撑的工业化的生活已经日趋衰落。化石能源日渐昂贵,而太阳始终照耀地球,每天也总有某些地方刮风,很多国家拥有潮汐涨落的海岸线,山区可以发展水电。此外,通过对垃圾的管理,可以开启利用生物能的途径,还有地热能源等等。但如果这些能源的分配方式采用石油和天然气的集中化模式,却是无法管理整个世界经济的。

在里夫金描绘的工业革命中,每座大楼、每座房屋都将变成能源生产的来源,因此,需要一个通信网络来分配这些能源。而互联网的本质正是合作,也因此,互联网才能够为管理和分配提供了可能性。事实上,里夫金所指的一个分配能源的通信网络,就是能源互联网。

能源互联网以互联网技术为核心,以能源配送网为基础,以大规模可再生能源和分布式能源为主要接入,实现信息技术与能源基础设施融合,通过能源管理系统对接入能源基础设施实施广域优化协调控制,从而实现冷、热、气、水、电等多种能源优化互补,提高能源使用效率。能源互联网这样的新型能源体系赋予能源以信息一样的属性,在网络中可以自由地接入、分享和调度分配。

能源互联网集通信、网络、控制特征于一身。通过赋予能量以信息的属性,让能量交换可以像信息通信一样迅捷高效;让能量在网络中形成平等自由流动、自我调节机制;也让能量的控制精准化。从技术、系统、设施的角度看,能源互联网就是“信息基础能源基础”设施的一体化。

在《第三次工业革命》中,里夫金描绘了这样一个宏伟蓝图: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。可以预见,在未来,能源民主化还将从根本上重塑人际关系,并深刻影响社会的生产和生活。 

能源互联网的关键一环

大多数一次能源,尤其是水能、太阳能、风能等可再生能源都需要转换为电能,才能够被人类大规模有效利用,人们日常生活中使用的电能也主要来自其他形式能量的转换。将电力摆在能源战略的中心地位,客观上是由电力特性、资源分布和能源发展规律所决定的。

无论从电力与其他能源之间的关系来看,还是从保障能源安全、优化能源结构、促进节能减排及和谐社会建设等方面来看,电力的作用都十分重要。电力能源是人类社会经济生活中的主要动力来源,也是最重要的二次能源。持续、优质、稳定的电力供应是工业化迈向现代化进程的重要保障。

并且,电能与其他能源不同,电力能源不能大规模储存,发电、输电、配电和用电在同一瞬间完成,发电和用电之间必须时刻保持供需平衡,一旦平衡被破坏,将危及用电和设备的安全。

因此,安全和稳定是电力系统正常运行不可缺少的最基本条件。其中,安全就是指运行中的所有电力设备必须在它们允许的电流、电压和频率的幅值和时间限额内运行,不安全的后果可能导致电力设备的损坏;稳定则是指电力系统可以连续向电力用户正常供电的状态。

一个电力系统往往包括千万家电力用户,其用电的时间和用电的数量虽然有一定规律,但很难准确预测。为了满足用户的电能需要,电力系统内的发电容量和设备均需要有相应的备用容量,以适应各种用户用电因素的变化。

然而,当前,社会用电需求的不断增长正在给传统电网带来挑战。根据调研机构的数据,2021年全球电力需求激增,为全球主要的电力市场造成更大压力,将电力价格推至前所未有的水平,并将电力部门的碳排放量推至历史新高。今天,全世界的供电现状并不是很乐观,还有大约23%的人得不到供电,25%的人只能得到部分供电,这说明目前的能源分配模式不能满足需要。

这也是为什么能源互联网中最为关键的一环就是电网互联的原因,电网互联可以实现不同发电方式之间的互补,有助于降低新能源发电的波动性对电网的影响。同时,大范围互联也可以平衡不同区域负荷的峰谷差,有利于高比例的新能源接入和消纳利用。

在发电领域,提高清洁能源或新能源发电比例,将促进大型火电机组、水轮机组、核电机组等装备产业的技术升级,带动低成本、高效率光伏板等组件材料的自主研发等。

在输电领域,能源互联网能够满足大容量、远距离电力输送需求以及高比例新能源的接入输送需求,将促进特高压输电技术、柔性直流输电技术、超导输电技术以及电网安全稳定运行和柔性控制技术等关键技术的发展,促进高压电缆、换流阀、套管等输电装备等电力电子控制设备制造及超导材料的自主研发等。

在配电领域,能源互联网需要满足电动汽车、变频器等负荷和新能源分布式发电的灵活接入需求,将促进电动汽车充电技术、储能技术、智能微电网与控制技术等关键技术的发展。

此外,能源互联网的实施与构建还将进一步带动互联网、通信、交通等其他行业的发展与变革,直接带动研究设计、软件开发、生产运行等产业链条相关环节的快速发展,依赖于电力系统、信息通信、数据处理、先进控制等多个领域技术的发展创新,尤其是在传感器、芯片、电力电子器件、高端新型材料等尖端技术上实现突破。

可以说,能源互联网将有望改变能源利用方式和人类生活习惯及用能理念,将使困扰人类的能源生态问题得到解法。

当互联网和新能源结合

2008年,美国最早提出了能源互联网的概念,并成立了未来可再生能源传输与管理系统中心(FREEDM),位于北卡州立大学,FREEDM旨在推进电力系统与电力电子技术、信息技术的深度融合,重点利用功率电子技术来解决分布式可再生能源的接入问题,实现分布对等的系统控制与交互,通过云计算和大数据的智能分析,在未来配电网层面实践能源互联网的设想。

一直以来,美国在软件技术、互联网和大数据技术方面无论是技术还是人才都有雄厚基础,且占据全球优势地位,加之政府所营造的自由优越的创新环境,极客和创客积极参与。可以说,如今,美国在新能源上已悄然进入了新硬件时代。

2011年,欧洲启动了未来智能能源互联网(Future Internet for Smart Energy, FINSENY)项目,该项目的核心在于构建未来能源互联网的ICT平台,支撑配电系统的智能化;通过分析智能能源场景,识别ICT需求,开发参考架构并准备欧洲范围内的试验,最终形成欧洲智能能源基础设施的未来能源互联网ICT平台。

日本的能源互联网代表项目由日本数字电网联盟提出,其主旨是通过“电力路由器”的设置,使得电能可根据网内情况自动选择输电、配电的最佳路径,从而形成分布式电能发电、输电、配电、用电“发输配用”电的全局优化调度控制。

当前,作为借鉴互联网理念构架的以电力为中心的多能源结构网,能源互联网的开放互联、能量交换与路由、关注商业模式和用户服务的特征,使得能源互联网正在成为新一代能源系统,并推动一种互联网和新能源相结合基础上的新经济到来。正如里夫金在《第三次工业革命》一书曾预言的那样:一种建立在互联网和新能源相结合基础上的新经济即将到来。

实际上,互联网思维倡导的正是个体的自由参与,通过在开放平台生产和消费内容,打破信息不均衡的体系生态。用互联网思维来考虑能源体系的发展,本质上说是一条能源发展的“群众路线”。归结而言,能源革命需要人们思维和开放机制,才有可能颠覆寡头垄断格局,产生一股全面且富有推动力的改革源泉,为经济发展和人类生产方式带来新动力,同时为生态环境治理赋予新契机。

比如,电力体制改革就为能源互联网释放了巨大商机。一方面,新电改方案为微电网发展释放了巨大红利,分布式新能源的接入不再局限于单个用户,储能、新能源汽车充电可以在全网范围内调配售出。另一方面,未来电力系统的售电侧将形成市场化售电机制。售电、用电、发电用户能以B2B、O2O以及更多模式运营,用户负荷曲线将得到自主协调,能源利用效率会大幅提高。

能源互联网试图把各种能源组合成一个包含智能通信、智能电网、智能交通等众多智能与绿色概念的超级网络。如今,能源互联网广阔的市场前景,已经吸引了人们越来越多的关注。如何在切中人类经济发展最要紧命脉的基础上掀起一场新革命,也是能源市场即将面对的远征。

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