能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程及概念評(píng)述

一、國(guó)外能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代Richard Buckminster Fuller提出了世界電能網(wǎng)絡(luò)(world electrical energy grid)的構(gòu)想。1986年P(guān)eter Meisen創(chuàng)立了全球能源網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)(Global Energy Network Institute，GENI)。這里的互聯(lián)主要是指物理網(wǎng)絡(luò)(grid或network)的連接，還沒有引入互聯(lián)網(wǎng)理念和技術(shù)。此時(shí)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展剛剛起步，處于向能源網(wǎng)學(xué)習(xí)階段。

2003年美加8?14大停電后，《The Economist》于2004年發(fā)表了《Building the Energy Internet》。該文提出要借鑒互聯(lián)網(wǎng)自愈和即插即用的特點(diǎn)，建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)，將傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄?、響?yīng)和自愈的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，支持分布式發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備的接入，減少大停電及其影響。

2008年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助FREEDM項(xiàng)目，歷時(shí)5～10年，項(xiàng)目成立了FREEDM研究中心，提出建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)。同年德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部與環(huán)境部發(fā)起E-Energy項(xiàng)目，歷時(shí)4年，實(shí)施了能源互聯(lián)網(wǎng)(internet of energy)的6個(gè)示范項(xiàng)目。

2011年里夫金出版《第三次工業(yè)革命》，提出能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)是第三次工業(yè)革命的核心之一，使得能源互聯(lián)網(wǎng)被更多人關(guān)注，產(chǎn)生了較大影響。在此之前，里夫金就參與了歐洲部分國(guó)家的能源規(guī)劃。2014年里夫金出版《零邊際成本社會(huì)》，進(jìn)一步闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的作用。

二、國(guó)內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

2012年中文版《第三次工業(yè)革命》出版，國(guó)內(nèi)關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的討論也是從這年開始升溫。2012年8月由中國(guó)科學(xué)院學(xué)院咨詢?cè)u(píng)議工作委員會(huì)等舉辦，國(guó)防科技大學(xué)承辦的首屆中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇在長(zhǎng)沙舉行。

2013年9月18日，國(guó)家能源局委托江蘇低碳研究院開展中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略研究。9月25日中國(guó)科學(xué)院學(xué)部舉辦“可再生能源互聯(lián)網(wǎng)”科學(xué)與技術(shù)前沿論壇。12月5日國(guó)家電網(wǎng)提出未來的智能電網(wǎng)，是網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動(dòng)的“能源互聯(lián)網(wǎng)”。

2014年6月由中國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)等主辦的智慧城市與能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展國(guó)際高峰論壇在遼寧大連舉辦。6月中國(guó)電科院?jiǎn)?dòng)了“能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)”方面的基礎(chǔ)性前瞻性項(xiàng)目研究。7月國(guó)家電網(wǎng)提出建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想，并于2015年2月3日發(fā)布《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》一書。2014年9月東方電子在煙臺(tái)舉辦“2014能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)論壇”。由中國(guó)工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院編著的《2015中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》將能源互聯(lián)網(wǎng)列入中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的研究也在增加。

2015年1月，智慧能源國(guó)際峰會(huì)舉辦，主題為“開啟能源互聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代”。4月能源局組織召開能源互聯(lián)網(wǎng)工作會(huì)議，提出制定國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃，并成立中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。4月21—23日，由清華大學(xué)發(fā)起的香山科學(xué)會(huì)議“能源互聯(lián)網(wǎng)：前沿科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)”學(xué)術(shù)討論會(huì)在北京召開，來自25家單位的50余位能源電力、信息技術(shù)、科技管理領(lǐng)域的海內(nèi)外專家學(xué)者參加了會(huì)議。4月24日清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院揭牌，成為我國(guó)第一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究科研機(jī)構(gòu)。產(chǎn)業(yè)界也已經(jīng)開始了具體的行動(dòng)，比如遠(yuǎn)景能源的“格林威治”云平臺(tái)、阿里云“智慧光伏云iSolarCloud”、華為的智能光伏電站、陽(yáng)光動(dòng)力的綠能寶等。

能源互聯(lián)網(wǎng)概念評(píng)述一、概述能源互聯(lián)網(wǎng)目前還沒有被廣泛認(rèn)可的定義，不同組織提出了不同的概念和名稱，各有側(cè)重，根據(jù)其特點(diǎn)可以大致將現(xiàn)有概念分為3類，如表1所示。

表1 現(xiàn)有能源互聯(lián)網(wǎng)概念分類

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1）側(cè)重全球電力互聯(lián)，以國(guó)家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)為代表，主要特點(diǎn)是電力網(wǎng)絡(luò)在空間上的擴(kuò)大，將不同區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同類型新能源的跨區(qū)消納。

2）側(cè)重多種能源綜合，以綜合能源系統(tǒng)和新奧泛能網(wǎng)為代表，主要特點(diǎn)是電、熱、冷、氣、交通等不同能源系統(tǒng)之間互聯(lián)，一方面通過能源綜合開發(fā)利用提高能效，另一方面通過將電能轉(zhuǎn)換為熱、冷、天然氣、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能等實(shí)現(xiàn)可再生能源的消納。

3）側(cè)重能源信息融合，以美國(guó)FREEDM、德國(guó)E-Energy、日本Digital Grid 和里夫金EnergyInternet為代表，主要特點(diǎn)是利用電力電子、信息通信和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行能量的控制和信息的實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)能源共享和供需匹配，從而消納可再生能源。

二、國(guó)網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)

2014年7月，IEEE電力與能源協(xié)會(huì)年會(huì)在美國(guó)華盛頓特區(qū)舉行，國(guó)家電網(wǎng)公司董事長(zhǎng)劉振亞提出構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架(通道)、以輸送清潔能源為主、全球互聯(lián)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，符合2個(gè)替代(清潔替代和電能替代)的需求。全球能源互聯(lián)網(wǎng)由跨洲、跨國(guó)骨干網(wǎng)架和各國(guó)各電壓等級(jí)電網(wǎng)構(gòu)成，連接“一極一道”(北極、赤道)等大型能源基地以及各種分布式電源，能夠?qū)⑺?、風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源輸送到各類用戶，是服務(wù)范圍廣、配置能力強(qiáng)、安全可靠性高、綠色低碳的全球能源配置平臺(tái)，具有網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動(dòng)的特征。

三、綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)有不同名稱，包括混合能源系統(tǒng)、多能源系統(tǒng)、能源集成等，強(qiáng)調(diào)多種能源的綜合開發(fā)利用，涵蓋電、熱、冷、氣、電氣化交通等多個(gè)能源系統(tǒng)，可以在規(guī)劃、運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有助于可再生能源的大規(guī)模接入和高效利用，提高能效降低費(fèi)用。但不同能源耦合使系統(tǒng)復(fù)雜性增加，如不妥善管理，系統(tǒng)間的耦合級(jí)聯(lián)事故風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)增大。綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)得到多國(guó)關(guān)注，在歐洲發(fā)展迅速，以北歐國(guó)家為代表的供暖、燃?xì)夂碗娏ο到y(tǒng)的互動(dòng)日益顯著，瑞士在Energy Hub概念的提出和應(yīng)用方面走在世界前列，英國(guó)在多類型能源系統(tǒng)方面取得了諸多研究成果。

圖1 綜合能源系統(tǒng)

四、新奧泛能網(wǎng)

新奧集團(tuán)提出的泛能網(wǎng)是將信息網(wǎng)、能源網(wǎng)和物質(zhì)網(wǎng)融合而成的智能協(xié)同網(wǎng)。能源的綜合梯級(jí)利用是泛能網(wǎng)的基礎(chǔ)，泛能網(wǎng)的本質(zhì)是利用“互信息”對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量、控制和調(diào)制來提升整個(gè)能量系統(tǒng)的系統(tǒng)能效。新奧在廊坊興建了能源生態(tài)城，目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)能源綜合利用的最優(yōu)化、最大化，包含微藻養(yǎng)殖、煤氣化、生物燃?xì)?、三?lián)供系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、儲(chǔ)電、儲(chǔ)冷熱系統(tǒng)、CNG儲(chǔ)氣、水處理系統(tǒng)、光伏發(fā)電、儲(chǔ)冰系統(tǒng)、智能大廈等項(xiàng)目。

五、美國(guó)FREEDM

FREEDM全稱為未來可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)(future renewable electric energy deliveryand management systems)，2008年得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，研究中心設(shè)在美國(guó)北卡州立大學(xué)。FREEDM項(xiàng)目提出能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)的出發(fā)點(diǎn)是類比于互聯(lián)網(wǎng)將原有集中式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际剑脑祀娏ο到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式能源的接入和即插即用。FREEDM的理念是在電力電子、高速數(shù)字通信和分布控制技術(shù)的支撐下，建立具有智能的革命性電網(wǎng)構(gòu)架來消納大量分布式能源。類比于互聯(lián)網(wǎng)，F(xiàn)REEDM系統(tǒng)的三大特色技術(shù)為：配電系統(tǒng)“即插即用”接口、能源路由器和基于開放標(biāo)準(zhǔn)的FREEDM操作系統(tǒng)。

六、德國(guó)E-Energy

E-Energy項(xiàng)目于2008年由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部與環(huán)境部發(fā)起，為期4年。E-Energy的特點(diǎn)是信息通信技術(shù)和能源系統(tǒng)的融合，通過智能監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)，提高電力供應(yīng)的效率和環(huán)境兼容性，確保供應(yīng)安全。E-Energy一共有六大示范項(xiàng)目，分別是庫(kù)克斯港eTelligence項(xiàng)目、萊茵魯爾地區(qū)E-DeMa項(xiàng)目、卡爾斯魯厄和斯圖加特地區(qū)Meregio項(xiàng)目、萊茵—內(nèi)卡城市圈“曼海姆示范城市”項(xiàng)目、哈茨地區(qū)RegMod項(xiàng)目和亞琛SmartWatts項(xiàng)目。六大項(xiàng)目各有側(cè)重，其主要特點(diǎn)是利用ICT技術(shù)，建立能源市場(chǎng)允許各類型用戶參與，通過供需雙方實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)態(tài)匹配和交易。

七、日本Digital Grid

數(shù)字電網(wǎng)(digital grid)概念由Abe提出，其出發(fā)點(diǎn)是為了減少大面積的連鎖故障和實(shí)現(xiàn)高滲透可再生能源的消納，核心是將同步電網(wǎng)分為幾個(gè)異步的子電網(wǎng)，子電網(wǎng)之間通過數(shù)字電網(wǎng)路由器連接，通過數(shù)字電網(wǎng)控制器直接調(diào)控潮流，使子電網(wǎng)內(nèi)的可再生能源不會(huì)影響大電網(wǎng)。數(shù)字電網(wǎng)路由器和控制器都會(huì)被分配惟一的IP地址，使用類似于互聯(lián)網(wǎng)的IP協(xié)議。能量的各種處理都可以被記錄，包括位置、時(shí)間、發(fā)電類型、價(jià)格等。

八、里夫金Energy internet

2011年，美國(guó)學(xué)者杰瑞米?里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中將能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)作為第三次工業(yè)革命的核心之一，并在《零邊際成本社會(huì)》中進(jìn)一步闡釋。和前面偏向于技術(shù)的概念不同，里夫金是從社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)革命的高度提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念。里夫金的能源互聯(lián)網(wǎng)是以新能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，可以將能源的邊際成本降為零，實(shí)現(xiàn)能源的共享，從而構(gòu)建出一個(gè)全新的能源體制和工業(yè)模式，進(jìn)而形成第三次工業(yè)革命。

該能源互聯(lián)網(wǎng)有五大支柱：1）支持由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變；2）支持大規(guī)模分布式電源的接入，實(shí)現(xiàn)能源的分散式生產(chǎn)；3）支持大規(guī)模氫儲(chǔ)能及其他儲(chǔ)能設(shè)備的接入；4）利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源共享；5）支持向電氣化交通的轉(zhuǎn)型。這五大支柱必須齊頭并進(jìn)，一起發(fā)展才有可能實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用基礎(chǔ)，并以此為支撐推動(dòng)第三次工業(yè)革命。

九、總 結(jié)

必須指出，上述分類是為了突出不同概念的主要特點(diǎn)，實(shí)際上每個(gè)概念可能同時(shí)涉及多種特點(diǎn)，并且其內(nèi)涵也在不斷發(fā)展。全球能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)和泛能網(wǎng)的運(yùn)行離不開信息通信技術(shù)的運(yùn)用；綜合能源系統(tǒng)有不同層次，也包括跨國(guó)網(wǎng)絡(luò)，比如歐洲的天然氣和電力耦合網(wǎng)絡(luò)；德國(guó)E-Energy也有項(xiàng)目涉及水、電、氣、熱等多種能源類型，里夫金也強(qiáng)調(diào)氫儲(chǔ)和電動(dòng)汽車。進(jìn)一步分析，F(xiàn)REEDM、E-Energy、Digital Grid 和里夫金能源互聯(lián)網(wǎng)之間也有所區(qū)別，F(xiàn)REEDM更側(cè)重一次能流的控制和配網(wǎng)層面，E-Energy更側(cè)重ICT技術(shù)的應(yīng)用和用戶的參與實(shí)現(xiàn)供需平衡，Digital Grid側(cè)重異步電網(wǎng)互聯(lián)和IP技術(shù)應(yīng)用，而里夫金則從經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度強(qiáng)調(diào)能源共享和邊際成本下降。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源和互聯(lián)網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物，具有全新的思維理念、深刻的科學(xué)問題和廣闊的應(yīng)用空間，其內(nèi)涵有待進(jìn)一步挖掘和概括，這也是目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)，各種不同意見與觀點(diǎn)也不斷交叉碰撞。

應(yīng)該說，能源互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)名詞概念是在智能電網(wǎng)發(fā)展過程中提出的，雖然借鑒了互聯(lián)網(wǎng)的部分理念，但對(duì)互聯(lián)網(wǎng)最新的技術(shù)和理念的應(yīng)用前景缺乏深入的認(rèn)識(shí)和分析?，F(xiàn)有概念強(qiáng)調(diào)了不同側(cè)面，相比理想的能源互聯(lián)網(wǎng)概念，還存在差距。全球能源互聯(lián)網(wǎng)、FREEDM、E-Energy和Digital Grid主要關(guān)注電力系統(tǒng)，對(duì)能源的綜合利用強(qiáng)調(diào)不足。綜合能源系統(tǒng)、泛能網(wǎng)強(qiáng)調(diào)了不同能源間的相互轉(zhuǎn)化和互補(bǔ)，但對(duì)大量用戶和各種參與者加入的能源市場(chǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)關(guān)注不足。里夫金的概念則偏于宏觀層面，對(duì)具體的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法缺乏深入理解。此外互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)以用戶為中心，相關(guān)技術(shù)的引入有更深刻的意義和超越能源本身的影響，涉及技術(shù)、商業(yè)、金融、社會(huì)等各層面，可能顛覆能源傳統(tǒng)的生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)方式，影響人們的生活工作方式。