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能源互联互通与分布式光伏

2014-12-22 15:41:18 作者:phpcms 来源:点击:
  能源互联网元年

  有人把2014年当作能源互联网的元年,其概念着实让大家如坠雾里。追溯其源头,李克强总理曾推荐阅读的《第三次工业革命》首次提出能源互联网这一概念。作者杰里米•里夫金认为:“第三次工业革命的支柱包括以下五项:(1)转为使用再生能源;(2)将各大洲的建筑物转化为微型发电厂,以便就地收集再生能源;(3)在每一栋建筑物以及整体基础设施中,使用氢和其他的储存技术,以储存间歇式的再生能源;(4)利用网际网路技术,将各大洲的电力网转化为能源共用网路,这种共用网路的运作原理就如同网际网路(几百万栋建筑物可以就地产生出少量的能源,这些能源多余的部分可以卖回给电网,或是供邻近国家使用);(5)将运输工具转型为插电式以及燃料电池动力车,其所需要的电可以透过各大洲共用的智慧电网平台进行买卖。”

  广义上来讲,能源互联网其实是以互联网理念构建的新型信息能源融合“广域网”,它以大电网为“主干网”,以微网为“局域网”,实现能源的双向按需传输和动态平衡使用,因此可以最大限度地适应新能源的接入。能源互联网把一个集中式的、单向的电网,转变成和更多的消费者互动的电网。

  互联网技术的发展给能源产业带来了新的发展契机,这种机会将更多地提供给太阳能、风能、地热能和生物质能等新能源。新能源如果与新的互联网技术相结合,就可以改变目前的能源格局,从而诞生一个全新的能源供应体系。

  2008年美国就在北卡州立大学建立了研究中心,希望将电力电子技术和信息技术引入电力系统,在未来配电网层面实现能源互联网理念。效仿网络技术的核心路由器,他们提出了能源路由器的概念,并且进行了原型实现,利用电力电子技术实现对变压器的控制,路由器之间利用通信技术实现对等交互。德国在2008年也提出了E-Energy理念和能源互联网计划。

  但是从技术层面来讲,能源路由器作为实现能源互联网的核心技术,比互联网信息传输要复杂得多,主要体现在存储和控制的难度上。储能相当于能源互联网中的缓存,经济可行的大规模储能仍然是技术难点,效率、充放电次数、成本和容量等问题还有待解决。

  中国未来如何发展能源互联网?杰里米•里夫金提出:“接下来10年可以部署一个新的基础设施,必须改变电网,开发热电等数字化电网的基础设施,包括运输网络等后勤网。”

 

  智能电网
 

  国家电网公司董事长刘振亚曾指出,智能电网将承载和推动第三次工业革命。

  智能电网作为新型能源流的物理载体,对风电、太阳能发电、海洋能发电等间歇式不稳定电源以及其他分布式电源有着较强的适应性,能够保障各类能源的友好接入和各种用能设备的即插即用。同时,它还能够与互联网、物联网、智能移动终端等相互融合,满足用户多样化的需求。

  正如杰里米•里夫金为未来能源畅想的那样,让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源。然后,可以将这些能源储存,并用绿色电力为自己的楼房、机器和汽车供电。多余的电力则可以与他人分享,就像现在在网络上分享信息一样。而且出于美观考虑,很多小型的太阳能发电板直接安装在琉璃瓦、建筑物遮篷、墙体、玻璃、百叶窗甚至窗帘上,用各种方式加以隐藏。
 
  这一特点将颠覆现有的全球能源资源配置格局,打破地域边界,实现不同能源的集中、高效、清洁开发,并使全球资源配置成为可能。随着新一轮能源变革的到来,新能源技术、智能技术、信息技术、网络技术不断突破,与智能电网全面融合,正在承载并推动第三次工业革命。

  智能电网是一个技术密集型的庞大系统,对新能源、新材料、智能装备、电动汽车、新一代信息产业,具有很强的带动作用。同时,智能电网与物联网、互联网等深度融合后,将构成价值无法估量的社会公共平台,可以支撑智能家庭、智能楼宇、智能小区、智慧城市建设,推动生产生活智慧化。

  发展智能电网早已纳入国家战略,欧盟将发展智能电网作为新兴经济的重要支柱,估算未来20年的建设投资规模将达到5000亿欧元;美国将智能电网作为实现经济复苏的战略性基础设施,估算未来20年的建设投资规模达到1.5万亿美元。我国规划确定的20项战略性新兴产业重大工程,绝大多数与智能电网密切相关。

 

  我国能源发展现状
 

  从2012年的环境调查报告数据得知,我国使用了世界12%~15%的GDP储蓄,但是却消耗了21%的能源,排放了占全世界排放量31%的二氧化硫、24%的二氧化碳以及15%的碳氧化物。换句话说,我国目前仍是以一种低质、粗放、消耗性的方式来促使GDP的增长,用能源消耗和污染大量排放来促进财富的创造。污染问题已然成为一个社会结构性问题。


  我国能源发展面临四大问题:

  一是总量供应问题。2013年我国能源消费总量达到37.6亿吨标准煤,其中煤炭35亿吨(相当于25亿吨标准煤),石油、天然气对外依存度分别超过60%、30%。要满足经济社会发展的需求,今后较长时期能源供应都面临较大压力。

  二是资源配置问题。我国能源资源与生产力分布不均衡,全国70%以上的煤炭、水电、风能、太阳能资源都集中在西部、北部地区,距离东中部负荷中心,一般都在800到4000公里,依靠传统电网,难以大规模开发。

  三是能源效率问题。我国能源在开发环节,集约化程度偏低;在传输环节,过度依赖输煤,消耗高品质能源来输送低品质能源;在使用环节,大量煤炭仍然直接燃烧,整体能效偏低能源开发利用全过程效率都需要提高。

  四是生态环境问题。我国能源结构以煤为主,能源发展长期追求就地平衡,带来土壤、水质、大气污染等突出问题。

  大规模开发利用化石能源带来的能源危机、环境危机凸显,建立在化石能源基础上的工业文明逐步陷入困境,新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。这一轮能源变革,是以新能源大规模开发利用为特征的能源变革。截止2013年底,国家电网公司经营区域内水电装机近1.9亿千瓦、风电并网装机超过7000万千瓦,均位居世界第一;光伏发电装机超过1500万千瓦。目前,我们在新能源接入检测、运行调度等方面的技术都处于世界先进水平。在张北建成风光储输工程,这是世界上第一个集风力发电、光伏发电、储能系统、智能输电于一体,综合开发利用新能源的创新工程。

  发展以特高压为骨干网架的坚强智能电网,能够有效解决我国能源发展面临的四大问题,实现能源安全发展、清洁发展、环保发展、友好发展。

 

  新能源碎片化革命之分布式光伏
 

  随着传统化石能源的日益减少和人类可持续生存与发展的需要,太阳能、风能等替代能源因具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点,在未来三四十年的时间将逐步从补充性能源向替代能源和能源主要构成部分转变。

  目前,德国80%的电力都来自于可再生能源。美国、日本等世界发达国家亦加强对可再生能源的开发与利用。2011年日本大地震引发的核电危机,刺激光伏大规模发展,2013年日本新增6.9GW装机容量,全球排名第二。而我国可再生能源储量仅次于美国,位于世界第二位。风电、太阳能光伏发电等技术得到大规模商业化应用。我国提出到2050年,规划的可再生能源占一次能源比重将达到50%左右。

  2014年是分布式光伏的元年,即使路途坎坷,分布式光伏发电正在迎来春天。分布式光伏发电的推广应用是本次能源革命中的重要环节。德国是全世界在分布式光伏产业推广中显得最为“激进”的国家。由于土地资源有限,德国的绝大部分光伏发电属于屋顶光伏。与中国的分布式光伏发电政策相比,德国的政策对于中小项目的支持力度更大。

  分布式光伏将赋予未来更多可能。与过去的能源发展所不同的是,这一次,能源供应不再仅仅只是某些专业部门或企业的事,每一个消费个体都将成为能源系统的一部分:既消费,又产出。这真正改变了过去能源系统的供给关系。这一产物以碎片化的组织形式呈现在我们面前,是我们每一个人有史以来首次可以共同参与到宏大的能源变革中去。这种以点至面的发展,如星火燎原、聚沙成塔,将分散发电联结成电网的一部分,最终点亮地球。而这是新能源产业碎片化革命正在兴起的标志。

  在美国,分布式占光伏累计总装机容量超过83%,德国则超过85%,日本更高达90%以上。与大型电站相比,分布式光伏实现了每座建筑、每片适宜的土地都能分散生产、就地使用,尤其适合我国土地资源受限、电价相对较高、工业规模更大的中东部以及南部地区,不仅能够改善能源结构,也将成为我国光伏行业新的增长点。

  仅以屋顶发电为例,有数据显示,目前中国可利用的屋顶面积达到约3.16亿平方米,如果这些屋顶都能够得到充分利用,意味着中国将建成3.16亿平方米的电站。在这场可谓是“全民建电站”的运动中,无论光伏组件、配电设备还是电站投资商、工程总承包商都将迎来巨大商机。

  目前中国的工业电费要大大高于民用电费,这使得分布式光伏发电在工商业上的发展阻力较少。在大面积屋顶的工商业领域,分布式光伏发电使业主可以实现自发自用,再加上光伏发电的高峰也是用电的高峰期,使用效率大大提高。而长三角和珠三角地区不少企业原本就深受能源供应之困,在分布式光伏电站大面积推广的同时,必将推动中国工业的发展。

  除了在工商业领域可以预见的大规模推广外,民用是分布式光伏发电的另一隐藏市场。特别是随着中国城镇化和新农村建设如火如荼地推进,民居的优质屋顶资源或能成为分布式光伏发电产业的一块大蛋糕。民众私有的民居建筑占据80%以上,分布式光伏发电将撬动更广泛的民用光伏发电市场。

  如今,分布式光伏发电已经在工业领域获得政府支持推广,不少大型厂房都已经变成了小型“电站”。或许在不远的未来,它亦将在民用领域大放光彩。未来3~5年,分布式发电装置将可能成为中国家庭的必需品。这代表着光伏产业的碎片化运动正在兴起。

  目前,我国对于分布式光伏发电补贴政策原则是自发自用、余电上网。国家给予分布式补贴0.42元/千瓦时,余电上网电价等于补贴加上当地脱硫机组上网电价。在国家补贴的基础上,已经超过13个省市30个地方陆续出台了针对分布式光伏的地方补贴政策和细则。

  分布式光伏发电还具备更广泛的外延。凡是用电的设备,以后或许都可以考虑怎样与太阳能“接轨”。未来,行驶在道路上的新能源汽车们或许不再需要充电桩等设备,安装在车顶上的太阳能电池可以为汽车提供动力。驴友出行在外,不再需要携带煤油、储电装置等沉重物品,由新型材料制造的背包就可通过白天日照提供出行需要的电能。

  人类对太阳能的利用效率将提升到前人难以想象的地步。

  能源互联网的未来畅想和障碍

  能源互联网在未来所能给我们生活带来翻天覆地的变化:

  人们会在平板电脑上手指轻划就能把自家屋顶多余的光伏发电通过微信卖给附近准备给电动汽车停车充电的陌生人;

  每一个家用电器会根据能耗曲线设置最佳的开关时间并随时远程遥控,建筑物的能耗控制随时依据会议活动类型人数和实时电价进行动态调整;

  汽车共用(car-sharing)服务在各地风起云涌。据估算,汽车共用网络中每一辆汽车的使用可以减少20辆汽车的上路,他们驾驶汽车的里程数会降低40%以上。所减少的碳排放更为可观;

  沙漠和大海里安装的各种新能源发电设备可以通过程序由各国人民竞拍投资自由交易;
 

  城市的整体能源消耗和二氧化碳排放随时依据天气和事件变化进行需求侧编排以实现最优;
 

  每件商品、每个活动、每个人都会头顶一个碳排放状态条并可随时与周围进行交易。
 

  面对种种畅想,我们可以大快朵颐。但是现实情况是包括杰里米•里夫金提出的高瞻远瞩的可行方向,包括信奉“第三次工业革命”的人们,似乎有点过于正面乐观,因为我们忽略了可能面临的重重障碍。

  本世纪的全球经济系统已经且即将面临更严峻的三个限制条件:可再生与不可再生天然资源、能源、土地和环境品质的限制条件;全球气候正逐渐变迁与暖化;科学研究发展的边际效益递减而边际成本递增。

  再生能源也并非如杰里米•里夫金所言是成本低廉、免费且用之不竭的,任何再生能源的生产,如现有最风行的风能与太阳能,虽然原料是用之不竭的风力与太阳能,但是将之转变为可以利用的电力,都需要不少机器设备(如风力发电机或太阳能光电设备)以及各种投入,这些机器设备之生产也都需要很多自然资源、能源、人力、土地、资本之投入,很可能投入生产的能源大于这些机器设备一生可能生产的电力,这是风力与太阳能等间歇性再生能源的主要缺点。
 

  因此,无法解决上述能源与环境的限制条件,无法解决迫在眉睫的技术瓶颈,将无法持续全球人类的生存与发展。如何解决这些问题,将是我们人类现今最重要的课题!

  参考来源:微能源

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