發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，是黨的“十九大”報(bào)告對(duì)未來能源發(fā)展方向的定位。推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命要求建立多元供應(yīng)體系，不僅指宏觀層面的國(guó)內(nèi)外能源資源供應(yīng)體系，也包括滿足終端消費(fèi)多元化需求的、清潔低碳、節(jié)能高效和安全的供應(yīng)體系。在新一輪工業(yè)革命的條件下，綜合能源系統(tǒng)是滿足多元供應(yīng)體系的具體實(shí)現(xiàn)方式，已經(jīng)成為世界各國(guó)能源轉(zhuǎn)型爭(zhēng)相發(fā)展的重點(diǎn)。
綜合能源系統(tǒng)能帶來什么
狹義的綜合能源系統(tǒng)指能源系統(tǒng)內(nèi)部的各種能源之間相互鏈接、耦合，讓能源供給更加高效、柔性、多元、互補(bǔ)、安全。從廣義上看，綜合能源系統(tǒng)是將能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)鏈接起來，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)之間的協(xié)同和交互，在實(shí)現(xiàn)效益最大化的同時(shí)，不斷提高可再生能源的比例。
綜合能源系統(tǒng)既涉及能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，也涉及接駁多種能源的系統(tǒng)，同時(shí)也涉及能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。綜合能源系統(tǒng)可以很好地利用潛在和協(xié)同效益，提高能源系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)不同供能系統(tǒng)間的有機(jī)協(xié)調(diào)、優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同利用。
有機(jī)協(xié)調(diào)，即提高能源供應(yīng)的安全性、靈活性、可靠性。如2008年初我國(guó)南方發(fā)生的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，最初在電力系統(tǒng)中引發(fā)了多米諾骨牌效應(yīng)，不僅殃及其他供能系統(tǒng)，還引發(fā)了交通、通信、金融等多個(gè)部門的故障，暴露出大電網(wǎng)在極端情況下缺乏足夠自愈能力的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究也表明，單純通過加大某一供能系統(tǒng)(如電力系統(tǒng))的投入來提高其安全性和自愈能力，并不能保證整體系統(tǒng)的安全性。而通過構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各供能系統(tǒng)間的有機(jī)協(xié)調(diào)，則是解決上述問題的一種有效途徑。
優(yōu)化調(diào)度，提高社會(huì)供能系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。供電、供氣、供熱/冷系統(tǒng)的負(fù)荷需求存在明顯的峰谷交錯(cuò)特征，目前各供能系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，只能按自身峰值負(fù)荷進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)與建設(shè)，由此不可避免地產(chǎn)生設(shè)備利用率低下的問題。以電力為例，美國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其供電設(shè)備平均載荷率只有43%，載荷率在95%以上的時(shí)段不足5%。設(shè)備利用率低下的問題同樣存在于供氣、供熱/冷系統(tǒng)，加大了各供用能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，造成了社會(huì)資金的巨大浪費(fèi)。
綜合能源系統(tǒng)可通過各子系統(tǒng)間的有機(jī)協(xié)調(diào)緩解或消除上述問題。如利用供電系統(tǒng)低谷時(shí)段過剩電能產(chǎn)生冷/熱能并加以存儲(chǔ)，在電力高峰時(shí)段使用;通過供電與供冷/熱系統(tǒng)的有機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高供電與供冷/熱系統(tǒng)設(shè)備利用率的目的。
協(xié)同利用，即增加生產(chǎn)、輸配、消費(fèi)、存儲(chǔ)不同環(huán)節(jié)間的時(shí)空耦合機(jī)制和互補(bǔ)替代性，一方面實(shí)現(xiàn)不同品位能源的梯階利用;另一方面還能彌補(bǔ)可再生能源( 如風(fēng)能、太陽能等) 能流密度低、分散性強(qiáng)和間歇性明顯等問題，提高其規(guī)模化開發(fā)利用水平。
先行者的路徑
近年來，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源轉(zhuǎn)型加速進(jìn)行，在綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域，已經(jīng)取得很多進(jìn)展，并呈現(xiàn)出各有特點(diǎn)的頂層設(shè)計(jì)特征。
歐盟的特征在于明確的目標(biāo)導(dǎo)向型。歐盟于2014年通過了2030年“40-27-27目標(biāo)”升級(jí)了原來了2020年“20-20-20目標(biāo)”，即到2030年,實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放與1990年水平相比至少減少40%，27%的能源消耗來自可再生能源，能源效率比預(yù)期提高27%。在這個(gè)目標(biāo)下，歐盟各成員國(guó)面臨著前所未有的挑戰(zhàn),正在積極尋求系統(tǒng)層面的解決方案,從而推動(dòng)了綜合能源系統(tǒng)快速發(fā)展。
英國(guó)長(zhǎng)期以來一直致力于建立一個(gè)安全和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，并表現(xiàn)出了明顯的從上至下的特征。除了國(guó)家層面的集成電力/燃?xì)庀到y(tǒng),社區(qū)層面的分布式綜合能源系統(tǒng)研究和應(yīng)用在英國(guó)也得到了巨大的支持。例如英國(guó)的能源與氣候變化部(DECC)和英國(guó)的創(chuàng)新代理機(jī)構(gòu)——“創(chuàng)新英國(guó)”(Innovate UK，以前稱為TSB)與企業(yè)合作，資助了大量區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。2015年4月，“創(chuàng)新英國(guó)”在伯明翰成立“能源系統(tǒng)彈射器”(Energy Systems Catapult),每年投入3千萬英鎊，用于支持英國(guó)的企業(yè)重點(diǎn)研究和開發(fā)綜合能源系統(tǒng)。
與英國(guó)相比，德國(guó)更側(cè)重于能源系統(tǒng)和通信信息系統(tǒng)間的集成，其標(biāo)志性項(xiàng)目是E-Energy。這個(gè)項(xiàng)目在2008年選擇了6個(gè)試點(diǎn)地區(qū)，總投資約1.4億歐元，涉及智能發(fā)電、智能電網(wǎng)、智能消費(fèi)和智能儲(chǔ)能等方面。該項(xiàng)目旨在推動(dòng)其他企業(yè)和地區(qū)積極參與建立以新型信息通信技術(shù)(ICT)和系統(tǒng)為基礎(chǔ)的高效能源系統(tǒng)，以最先進(jìn)的調(diào)控手段來應(yīng)對(duì)日益增多的分布式電源與各種復(fù)雜的用戶終端負(fù)荷。通過在智能化區(qū)域用能管理系統(tǒng)、智能家居、儲(chǔ)能設(shè)備、售電網(wǎng)絡(luò)等多平臺(tái)開展試點(diǎn)，E-Energy項(xiàng)目實(shí)施后最大負(fù)荷和用電量均有一定減少，更主要是，可再生能源消納能力有了明顯提升。此外，在E-Energy項(xiàng)目實(shí)施以后，德國(guó)政府還推出了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等項(xiàng)目，進(jìn)一步提高可再生能源消納能力。
在丹麥，對(duì)不同能源系統(tǒng)進(jìn)行整合的重要目的，是為了消納可再生能源，充分開發(fā)各種能源資源。近幾年，丹麥電力系統(tǒng)中風(fēng)電占比已經(jīng)超過40%，熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、電熱、儲(chǔ)熱等供熱技術(shù)使用廣泛,使得丹麥的電力、供暖和燃?xì)庀到y(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，且互動(dòng)性日益增強(qiáng)。
美國(guó)非常注重與能源綜合系統(tǒng)相關(guān)理論與技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)能源部在2001年即提出了綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)發(fā)展計(jì)劃，目標(biāo)是提高清潔能源供應(yīng)與利用比重，進(jìn)一步提高社會(huì)供能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，而重點(diǎn)是促進(jìn)對(duì)分布式能源(DER)和冷熱電聯(lián)供(CCHP)技術(shù)進(jìn)步和推廣應(yīng)用。2007年12月，美國(guó)頒布能源獨(dú)立和安全法(EISA)，明確要求社會(huì)主要供用能環(huán)節(jié)必須開展綜合資源規(guī)劃(integrated resource planning，IRP)，并在2007～2012財(cái)年追加6.5億美元專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持IRP的研究和實(shí)施;2009～2013年，美國(guó)將智能電網(wǎng)列入國(guó)家戰(zhàn)略，旨在以電網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)高效能、低投資、安全可靠、靈活應(yīng)變的綜合能源系統(tǒng)，以保證美國(guó)在未來引領(lǐng)世界能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與革命。在需求側(cè)管理技術(shù)上，包括加州、紐約州在內(nèi)的許多地區(qū)在新一輪電力改革中，明確把需求側(cè)管理、提高電力系統(tǒng)靈活性作為重要方向。特朗普上任以來，盡管采取了偏重傳統(tǒng)化石能源的政策，但在未來綜合能源系統(tǒng)、特別是傳統(tǒng)能源與可再生能源融合發(fā)展方面，美國(guó)依然投入了大量的人力、物力開展研究。
日本是亞洲最早開展綜合能源系統(tǒng)研究的國(guó)家。2009年9月，日本政府公布了其2020、2030和2050年溫室氣體的減排目標(biāo)，并認(rèn)為構(gòu)建覆蓋全國(guó)的綜合能源系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能效提升;而促進(jìn)可再生能源規(guī)模化開發(fā)，則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必由之路。在日本政府的大力推動(dòng)下，日本主要的能源研究機(jī)構(gòu)都開展了此類研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月發(fā)起成立的JSCA(Japan smart community alliance)，主要致力于智能社區(qū)技術(shù)的研究與示范。智能社區(qū)是在社區(qū)綜合能源系統(tǒng)(包括:電力、燃?xì)狻崃Α⒖稍偕?的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的一體化集成。氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是日本對(duì)未來能源系統(tǒng)的一項(xiàng)重要探索。東京燃?xì)夤?Tokyo Gas)則提出了更為超前的綜合能源系統(tǒng)解決方案，在傳統(tǒng)綜合供能(電力、燃?xì)狻崃?系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將建設(shè)覆蓋全社會(huì)的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在能源網(wǎng)絡(luò)的終端，不同的能源使用設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元共同構(gòu)成了終端綜合能源系統(tǒng)。
中國(guó)：亟需宏觀研究
過去幾年，無論在建設(shè)規(guī)模上，還是在投資速度上，我國(guó)都在引領(lǐng)全球可再生能源的發(fā)展。隨著一系列政策的出臺(tái)，棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)還存在很大空間。我國(guó)現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施，在適應(yīng)可再生能源融入的需求、用戶側(cè)的多元能源需求以及提升綜合能源效率的需求，面臨的挑戰(zhàn)不斷加大，能源系統(tǒng)的變革已經(jīng)變得非常迫切，傳統(tǒng)以滿足“電與變動(dòng)需求”匹配為目標(biāo)的能源基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)越來越難以滿足需求。如何使未來能源系統(tǒng)有足夠強(qiáng)大的能力去處理來自供給側(cè)的多元能源供給，特別是可再生能源的強(qiáng)波動(dòng)性，同時(shí)滿足用戶多變的能源需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率最大化，是需要加快研究的問題。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，我國(guó)能源基礎(chǔ)設(shè)施向綜合能源服務(wù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一個(gè)成本問題，而是一個(gè)能否適應(yīng)和推動(dòng)中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的根本性問題，是一個(gè)關(guān)乎未來發(fā)展新動(dòng)力的問題。但同時(shí)要充分認(rèn)識(shí)到，它也是一個(gè)復(fù)雜的、跨界的、系統(tǒng)性的問題，因此，頂層設(shè)計(jì)與綜合性的宏觀研究，是當(dāng)下最為迫切的需求。
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