綜合能源系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

鞠黃培

(國家電網(wǎng)國際發(fā)展有限公司，北京 100031)

0 引言

在我國電力改革進(jìn)程不斷推動的大背景下，能源、電力、用戶三者之間的關(guān)系日益緊密。綜合能源系統(tǒng)的出現(xiàn)將電、氣、熱、冷等多種能源系統(tǒng)相結(jié)合，打通了能源間的壁壘，實現(xiàn)了能源效率的顯著提升，一躍成為近年來我國能源發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。各國對綜合能源系統(tǒng)的關(guān)注重點各不相同，部分發(fā)達(dá)國家較早開始了綜合能源系統(tǒng)的研究，我國綜合能源系統(tǒng)則處于起步階段，多行業(yè)策劃轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)競爭激烈，也推動了綜合能源系統(tǒng)實際應(yīng)用的發(fā)展。

1 綜合能源系統(tǒng)簡介

隨著能源與環(huán)境保護(hù)帶來的持續(xù)壓力，以及可再生能源的深入挖掘，一些與能源耦合相關(guān)的關(guān)鍵性技術(shù)得到了迅速發(fā)展，如天然氣發(fā)電、可再生能源供熱、蓄冷空調(diào)、地源熱泵、冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling, Heating and Power,CCHP)〔1〕等。隨著社會發(fā)展，天然氣、電力以及冷熱能源系統(tǒng)由原先的單獨規(guī)劃、單獨設(shè)計、獨立運行逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷f(xié)調(diào)、互聯(lián)互通的供應(yīng)模式，解決了缺乏協(xié)調(diào)造成的一系列問題，提高了能源利用率、能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性〔2〕。

綜合能源系統(tǒng)、微電網(wǎng)技術(shù)、虛擬電廠技術(shù)(Virtual Power Plant，VPP)以及其他相關(guān)概念的提出對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在電力、能量轉(zhuǎn)換、分配和存儲技術(shù)以及信息技術(shù)方面，綜合能源系統(tǒng)使能源互聯(lián)網(wǎng)能夠有效利用大量分布式可再生能源，實現(xiàn)能源雙向流動，按需傳輸以及能量與信息的動態(tài)平衡。由于各能源的特性，能源互聯(lián)網(wǎng)的特點包括多種能源種類、區(qū)域性去中心化、以及能源間的互聯(lián)互耦。從能源互聯(lián)網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)上看，可將其分為跨區(qū)域、區(qū)域和用戶3個級別〔3〕。其中，電力系統(tǒng)在能量傳輸以及能源的高效利用方面起重要作用，分布式系統(tǒng)則作用于可再生能源的相互耦合，因此綜合能源系統(tǒng)側(cè)重在區(qū)域級和用戶級。

從廣義上看，綜合能源系統(tǒng)涉及人類社會能源產(chǎn)生、運輸、分配、消納環(huán)節(jié)，需要以人類社會永續(xù)發(fā)展為基本前提，立足實際，著眼全局，以大能觀來認(rèn)識、研究和分析能源問題，從廣義的角度直接研究和實踐綜合能源系統(tǒng)的難度極大。

從狹義上看，綜合能源系統(tǒng)是由分布式終端綜合能源單元系統(tǒng)和與之相耦合的集中式能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的，是初期開展綜合能源系統(tǒng)研究和實踐的有利視角。歐美國家在研究初期，如歐盟初期的微網(wǎng)系統(tǒng)、美國的綜合能源系統(tǒng)-冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，加拿大的ICES系統(tǒng)均選擇從狹義綜合能源系統(tǒng)入手。

2 各國不同關(guān)注點

綜合能源系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢使其成為世界各國關(guān)注的重點，根據(jù)不同的需求，各國對綜合能源系統(tǒng)技術(shù)研究的側(cè)重點各有不同。

2.1 美國

2001年，為了提高清潔能源占比比重，提高供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，美國對冷熱電聯(lián)供技術(shù)以及分布式能源技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用和推廣，第一次提出了綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計劃。2007年，美國頒布了能源獨立和安全法，將綜合能源規(guī)劃作為能源供應(yīng)的明確要求。2011年起，美國天然氣使用比例逐漸攀升，超過了總能源的四分之一，應(yīng)對該趨勢，美國能源部、自然科學(xué)基金會等機構(gòu)設(shè)立了多項課題，研究天然氣與電力系統(tǒng)相互耦合的綜合能源系統(tǒng)。

2.2 加拿大

在加拿大政府出臺的2050年減排戰(zhàn)略內(nèi)容中，綜合能源系統(tǒng)技術(shù)起到了支撐和保障作用。不同于美國，加拿大將關(guān)注點放在了社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)。為了推動社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)工作，加拿大政府于2009年起相繼頒布了多項法案。

2.3 歐洲

在綜合能源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方面，歐洲最早將理論付諸實踐。在歐盟框架項目的引導(dǎo)下，歐洲各國開展了綜合能源系統(tǒng)方面的研究。此外，歐洲各國還根據(jù)自身特點和需求在歐盟框架外開展了該領(lǐng)域的研究。英國在綜合能源系統(tǒng)的研究方面走在歐盟的前列，在英國工程與物理研究會的資助下，英國開展了多方面關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的研究，研究領(lǐng)域包括新能源并網(wǎng)，各能源間的協(xié)同，建筑中的能源效率提升，以及能源、交通系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施三者互相的影響因素等方面。除了英國外，德國也開展了綜合能源系統(tǒng)的研究，關(guān)注點落在通信系統(tǒng)與能源系統(tǒng)之間的耦合與交互。以E-Energy項目為例，德國于2008年選擇了6個試點地區(qū)，開展關(guān)于智能發(fā)電、智能電網(wǎng)、智能用電以及智能儲能4塊內(nèi)容的研究。

2.4 日本

日本能源稀缺，是主要依賴能源進(jìn)口的國家，為提升能源利用效率，也相應(yīng)開展了綜合能源系統(tǒng)的研究，為亞洲研究最早的國家。2009年9月，日本政府公布了2020、2030以及2050年的減排戰(zhàn)略目標(biāo)，與加拿大類似，綜合能源技術(shù)在能源效率提升、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)穩(wěn)定方面起到了至關(guān)重要的作用。以NEDO提議展開的智能微網(wǎng)與智能社區(qū)的研究為例，日本政府對綜合能源系統(tǒng)的研究提供了大力支持。

2.5 中國

中國在綜合能源系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面，先后啟動了973計劃、863計劃、國家自然科學(xué)基金研究計劃等，并與英國、德國、新加坡等國開展了國際合作。國網(wǎng)公司、南網(wǎng)公司、清華大學(xué)、天津大學(xué)、河海大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院等研究單位在綜合能源專業(yè)領(lǐng)域已形成穩(wěn)定的研究方向和具備一定實力的科研團(tuán)隊。

3 綜合能源系統(tǒng)實際應(yīng)用

我國綜合能源系統(tǒng)處于起步階段，因該技術(shù)涉及的能源種類較多，發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、燃?xì)馄髽I(yè)、設(shè)備商等都在策劃綜合能源服務(wù)轉(zhuǎn)型，綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)形成了充分競爭，推動了綜合能源系統(tǒng)實際應(yīng)用的發(fā)展，下面以國內(nèi)的北京大興國際機場和國外倫敦奧林匹克公園中應(yīng)用的綜合能源系統(tǒng)技術(shù)為例，簡要介紹綜合能源系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

3.1 首都機場集團(tuán)公司-北京大興國際機場

北京大興國際機場堅持綠色建設(shè)理念，高效利用各種能源，其中可再生能源總量占機場年綜合能源消費總量10%以上。

北京大興國際機場的可再生能源利用主要包括太陽能光伏發(fā)電、淺層地?zé)?、污水源熱量、煙氣余熱等?？稍偕茉粗饕獞?yīng)用包括貨運區(qū)樓頂、停車樓、能源中心、公務(wù)機庫的太陽能屋頂光伏設(shè)備的安裝和應(yīng)用；在污水處理廠安裝污水源熱泵；公務(wù)機樓、蓄滯洪區(qū)周邊、飛行區(qū)服務(wù)設(shè)施等地安裝淺層地?zé)崂迷O(shè)施等。

北京大興國際機場應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)目前在全國民航業(yè)中規(guī)模最大，向大興機場的末端用戶提供冷、熱能源，涉及空防安保中心、中航油油庫等30余個使用地塊。

3.2 倫敦奧林匹克公園

倫敦奧運發(fā)展署公布了為倫敦奧運會提供能源的可持續(xù)性能源中心設(shè)計圖。這座由John Mc Aslan設(shè)計的綠色能源中心坐落在奧林匹克公園西部，奧運會前后都能提供能源、熱能和冷氣。它采用生物燃料制熱并設(shè)置了生物燃料鍋爐和CCHP工廠來回收發(fā)電時產(chǎn)生的熱量。ODA(Official Development Assistance)決定開發(fā)一套城市供熱系統(tǒng)，以及一套城市供冷管網(wǎng)。在斯特拉福德和國王區(qū)建立一個三代供冷、供熱和電力的能源中心，并與其他大型儲熱設(shè)備互聯(lián)。

4 綜合能源系統(tǒng)展望

由于全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸放緩，各國著眼點落在了環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展之上，能源行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了瓶頸期。一方面，隨著分布式能源發(fā)電和儲能技術(shù)的發(fā)展，以能源用戶為主導(dǎo)的能源變革方興未艾，分布式能源接入的需求難以一時被消納；另一方面，傳統(tǒng)能源企業(yè)的盈利模式將不再適應(yīng)數(shù)字化、低碳化的能源格局需求。

而隨著區(qū)塊鏈去中心化、數(shù)據(jù)安全性、公開透明、系統(tǒng)自治性等優(yōu)勢的逐步凸顯，各國將目光轉(zhuǎn)移到綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)的研究中去，區(qū)塊鏈有望成為能源轉(zhuǎn)型瓶頸的突破口。

4.1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡介

技術(shù)層面，區(qū)塊鏈涉及密碼學(xué)、數(shù)學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)和計算機編程等多種專業(yè)學(xué)科問題。應(yīng)用層面，區(qū)塊鏈即分布式的共享數(shù)據(jù)庫，具有去中心化的特點，存儲在其中的信息具有不可篡改、全程追溯、透明公開、共同維護(hù)等特點，十分契合電力改革中去中心化、分布式發(fā)電的發(fā)展需求〔4〕。

4.2 綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)

在上述背景下，許多國家開始在實踐中探索區(qū)塊鏈技術(shù)在未來能源電力發(fā)展的方向。2016年初，LO3與ConsenSys在紐約布魯克林推出了名為TransActive Grid的區(qū)塊鏈項目。該項目中，試點地區(qū)的居民可將自己過剩的電能以區(qū)塊鏈原型作為平臺出售，該平臺采用的分布式機制為以太坊網(wǎng)絡(luò)，通過智能合約來出售居民過剩的電能，為以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)與能源交易的首次結(jié)合。2016年4月，LO3團(tuán)隊在原先基礎(chǔ)上建立了全球首個能源區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)和微電網(wǎng)試點項目。該系統(tǒng)將處于區(qū)塊鏈中的5個家庭的屋頂光伏發(fā)電，直接出售給區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的另外5組家庭，標(biāo)志著區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)用的開端〔5〕。

許多其他國家也參與了綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。歐盟推出的Scanergy項目是針對綠色能源交易的。運用區(qū)塊鏈技術(shù)，借助虛擬貨幣，完成綠色電能的虛擬交易；德國Share&Charge項目則將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到了電動汽車充電樁上，通過區(qū)塊鏈技術(shù)完成充電樁分布式記賬，實現(xiàn)計費透明化，增進(jìn)交易雙方信任；澳大利亞弗里曼特市的智慧城市互聯(lián)樣板項目則將光伏發(fā)電、電動汽車、區(qū)域水處理廠聯(lián)系起來，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)記錄能源數(shù)據(jù)〔6〕。

4.3 綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)前景展望

4.3.1能源區(qū)塊鏈

當(dāng)前世界各國均面臨著能源危機和環(huán)境污染問題，未來的能源系統(tǒng)必然將成為一個包含多種可再生能源、集中式與分布式相結(jié)合、泛在電力廣泛物聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)〔7〕?；趨^(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)十分契合的因素，可將電力系統(tǒng)作為紐帶，借助區(qū)塊鏈技術(shù)，可將分布式能源采集、存儲和各種類型的負(fù)荷構(gòu)成新型能源網(wǎng)絡(luò)〔8〕。

4.3.2應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的電力信息系統(tǒng)安全框架

在互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)安全問題成為了電力系統(tǒng)入侵的突破口，網(wǎng)絡(luò)安全也越來越受到各國的重視。2015年12月23號，烏克蘭發(fā)生大停電事件，全國超過一半的地區(qū)均受到影響〔9〕。

以上電力系統(tǒng)入侵事件中，黑客借助篡改系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)，甚至是控制指令的方式，實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的攻擊。而區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用能夠優(yōu)化原本集中存儲和處理的數(shù)據(jù)，對指令結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)分布式存儲，并采用分布式共識的機制，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的抗攻擊性。

5 結(jié)論

本文對綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀做了簡要介紹，并結(jié)合作為未來趨勢的區(qū)塊鏈技術(shù)，分析兩者在屬性和應(yīng)用方面的契合性，提出未來綜合能源系統(tǒng)的可能性和發(fā)展方向。綜合能源系統(tǒng)對能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、能源供應(yīng)效率的提升、能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重大意義，除了大力發(fā)展當(dāng)前綜合能源技術(shù)科研領(lǐng)域的研究并進(jìn)行試點項目的實踐應(yīng)用外，還應(yīng)與當(dāng)今前沿技術(shù)對照，探究創(chuàng)新技術(shù)與綜合能源技術(shù)結(jié)合的可能性，促進(jìn)新興技術(shù)與能源技術(shù)不斷融合，積極推進(jìn)我國的能源改革戰(zhàn)略進(jìn)程，為社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供充足動力。