中國工程院院士余貽鑫：高比例可再生能源新時代
2018-01-02 10:52:03
摘要：建設美麗中國、推進能源革命，需要高比例可再生風能和太陽能發電。
黨的十九大報告提出，要加快生態文明體制改革，建設美麗中國，您認為，能源電力行業，如何在能源革命進程中落實這一號召?
余貽鑫：建設美麗中國、推進能源革命，需要高比例可再生風能和太陽能發電。習近平主席2015年在巴黎氣候大會上宣布，2030年中國單位GDP二氧化碳排放要比2005年下降60%~65%。根據國家發改委能源研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、落基山研究所、能源基金會等機構的研究(《重塑能源：中國》)，預計：2050年我國電力占整個終端能源消費的比例將提高到41%以上，2050年電能的總發電量約10.8萬億kWh(基于能源利用效率大幅度提升的假設);2050年煤電在我國電能構成中的占比將降低至12.4%;可再生能源發電量占比將達到68%以上，非化石能源發電量達到82%，其中風電和太陽能發電量的比例達到47.3%以上(風電為24.7%，太陽能發電為22.6%)。
對于我國可再生能源資源的家底，您怎么看?
余貽鑫：眾所周知，德國是利用太陽能很先進的國家，而我國的太陽能資源條件要比德國好很多。中國76%國土面積上的風能，以及幾乎百分百國土面積的太陽能都具有開發的潛力，僅太陽能資源一項，就可以遠遠滿足我國遠景(2050年)用電需求，而且不論是東部地區還是西部地區太陽能資源都十分富裕。以京津地區為例，即使不考慮技術進步使得光電轉換效率提高的影響，按照光伏年利用小時數取1100小時計算，只需鋪蓋我國國土面積的1.0%左右就可產生2050年全社會總用電量10.8×1012kWh。對于分布式光伏而言，可利用土地和建筑屋頂或墻面也是重要的資源條件。我國擁有世界最大量的建筑，太陽能與建筑結合及一體化，可以充分利用建筑以及太陽能資源，降低成本，具有規模發展的廣闊前景。預計2020年分布式建筑光伏最大可裝機容量達7.5億千瓦，2050年達10億千瓦。中國不能用于耕作的沙漠和灘涂，總面積為128萬平方公里，其中戈壁面積為57萬平方公里，有充足的土地資源發展太陽能發電。此外農田和魚塘的上方空間也是可以利用的，如農光互補、漁光互補等。與此同時，國際上已在探索利用路面鋪設太陽能光伏，而我國現有人均城市道路的面積已達15平方米。應該注意的是伴隨著我國大規模的快速城鎮化進程，預計2030年全國城鎮建筑面積可達400億平方米，相當于未來20年內再造一個中國。一方面，這樣大規模的城鎮建設，是無法直接采用當前西方發達國家的用能模式的，必須大力開展全方位節能模式和節能技術創新，這就為分布式太陽能光伏的發展提供了難得的機遇;另一方面也為太陽能光伏的發展提供了土地和空間資源。
與大多數新技術類似，可再生能源發展也面臨成本過高的挑戰，您認為未來趨勢是什么?
余貽鑫：隨著技術的進步，這些問題都會逐漸解決。以光伏為例，由于材料科學和電子技術的發展，從1977年到2013年，光伏的價格下降到之前的1%，而且光伏的價格還在以每年10%甚至更快的速度下降。在國際上，2016年3美分/kWh的風電和5美分/kWh的光伏電力已成為新常態。在我國，目前太陽能光伏發電的成本大概為0.45元/kWh甚至更低，光伏發電和電網平價已經或者即將來臨。
除了成本之外，風能和太陽能還有間歇性、多變性和不確定性，以及儲能價格相對高昂的痛點，這個難題如何破解?
余貽鑫：風能和太陽很難單獨運行，需要采用一些功率補償或者平滑的措施，其中包括：大電網的吸納、需求側管理、分布式小型燃油燃氣發電、儲能，乃至綜合能源系統等。為此，需要一個功能合理的現代電網，來集成它們，并提高能源脫碳、轉化與利用過程的效率，這個電網就是智能電網。
我國現實的挑戰是，電網中用于功率平滑的可調容量很低。從全球來看，中國的可調容量只是美國的1/8，德國的1/4。所以在開發風電和光伏時，我國西北地區采取了風光火打捆的模式，利用火電機組的調節容量。這樣做一方面降低了火電機組的熱效率和年運行小時數，另一方面由于火電機組的可調節的范圍在其額定容量的50%~100%間，必然伴生大量的火電，這不是我們所希望的。但是相當長一段時間內，我國還是需要依賴火電機組作為調節容量的，應該開展增大火電機組調節范圍的研發工作，使其可以在20%~100%范圍內進行調節。與此同時，我們應該加速抽水蓄能的開發，因為它是目前最便宜的儲能方式。由于國際上有關電動汽車儲能的研究投入力度很大，分布式儲能價格也會逐漸減低。
大量分布式可再生能源和用戶側能量管理系統的接入提高了電力系統終端(如配電網、微網、工廠、建筑和家庭)的供需不確定性。需要強調的是，供給側與需求側的不確定性共同構成了未來電網運行所面臨的最大挑戰。解決該問題的關鍵在于實現不確定性的就地(終端)解決，未來電網必須將責任分攤到終端承擔。
電網第二次智能化新挑戰
實際上，電網的智能化一直在推進中，您認為其終點在哪里?人工智能與深度學習技術，會給智能電網發展帶來什么影響?
余貽鑫：智能電網的特征包括智能化、高效、包容、激勵、機遇、重視質量、抗擾能力、環保等，智能化只是這些特征之一。
電網的第一次智能化發生在1970年代，在輸電系統的(數以千計的)變電站中安裝了遠方終端單元(RTU)，每2-10秒收集一次實時數據，并把它們送到能量管理系統(EMS)控制中心，控制中心里的計算機使用復雜的軟件對系統中的發電機和輸電線進行實時的監視、分析和控制。對于輸電來說，這個電網是相當智能的，只是電力消費者完全不了解它。當時通信與信息技術成本較高，這種模式難以推廣到配用電系統。然而，目前通信與信息技術的成本已大幅下降，為其向配電和用電領域推廣應用準備好了條件。與此同時，環境壓力與能源轉型，以及數字化社會對電網可靠性、韌性(抵御災害和攻擊的能力)、電能質量和節能降損的要求日益嚴格，成了電網第二次智能化的原動力。毋容置疑的是，由于環境壓力與能源轉型這一原動力的出現，電網第二次智能化的強勁程度遠高于電網的第一次智能化。而且由于現在的配電網絡是按單向潮流設計的，不具備有效集成大量分布式電源的技術潛能。所以電網第二次智能化的重點發展領域在配用電側，借以集成高比例的分布式電源和加強電力公司與用戶的互動。
智能電網的進一步發展是智能能源網(又稱能源互聯網或綜合能源系統)，其實施需要幾十年，它將伴隨能源轉型的全過程。
20多年前，電力系統領域就開展了人工智能方法(如專家系統和人工神經網絡等)在電力系統中應用的研究，也涉及人工智能中的眾多數學方法，由于現在計算機能力的大幅度提升，它會成功地應用到智能電網的更多方面，特別是會在EMS中得到很好的應用。至于深度學習技術，我的課題組已把它應用到“非侵入式負荷分解裝置”中，它利用用戶出口處的電壓和電流信號，識別戶內各種電器實時的用電(有功和無功)功率，這種精細到戶內設備的用電信息在電力公司優化電網的規劃、運行與管理，電力用戶節省耗電量和電費，及全社會把提高生態文明意識付諸實踐等方面具有重要意義。
我國要建成智能電網還需多久?在發展過程中，需要做出哪些改變和適應?
余貽鑫：智能電網(SmartGrid)的愿景，在智能化及誘人的視野方面是極不尋常的。它將像互聯網那樣改變人們的生活和工作方式，并激勵類似的變革。但實現智能電網，由于其本身的復雜性和涉及廣泛的利益相關者，需要漫長的過渡、持續的研發和多種技術的長期共存。我估計，中國實現智能電網至少需要20年甚至更長時間。電網變遷的過程必將改變整個行業的業務模型。智能電網面臨的挑戰極其廣泛，涉及許多技術、體制和社會問題，而最主要的是要確立分布式電源和用戶廣泛參與的理念。
短期內，我們可以著眼于實現一個較為智能的電網(smartergrid)。它利用已有的或不久的將來就可配置的技術，使目前的電網更有效;在提供優質電力的同時，也提供相當大的社會效益，如較小的環境影響等。
智能電網最本質的特征是，電力和信息的雙向流動性，并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網絡;把分布式計算和通信的優勢引入電網，達到信息實時交換和設備層次上電力近乎瞬時的供需平衡。
在我國，高度自動化已被廣泛接受，但廣泛分布式現在還在深入認識過程當中。風能和太陽能應用的主流形式是分布式的，“分布式電源+智能電網”更加關注本地控制和減少對外依賴，是“顛覆性”的改變，其對日常生活、社會和經濟發展存在潛在的巨大影響。
實施智能電網發展戰略不僅使用戶能夠獲得高安全性、高可靠性、高質量、高效率和價格合理的電力供應，還能提高國家的能源安全水平，改善環境，推動可持續發展，同時激勵市場不斷創新，從而提高國家的國際經濟競爭力。智能電網的關鍵是利用各種技術、資源和市場機制以實現高效。智能電網的預期效益是明顯的，這些效益包括：供電的安全性、韌性、可靠性和電能質量提高方面的收益;電力設備、人身和賽博安全方面的收益;能源使用效率收益;環境保護和可持續發展的收益以及直接經濟(容量、燃料和運維成本)效益。而從廣義層面來看，由于技術涉獵廣泛，智能電網的一個關鍵目標是要催生新的技術和商業模式，實現產業革命，以確保子孫后代繁榮昌盛。網絡領袖思科預言，智能電網比互聯網擁有大得多的市場空間。事實上，智能電網是典型的大規模物聯網。
群集理念和智能分布式體系
就地開發消納模式成為可再生能源發展下一步方向，10月31日，相關部門下發《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》，規劃明年2月啟動第一批試點地區交易，您如何看待其前景?
余貽鑫：為了激勵智能電網方面的創新，亟需建立一個成熟的、健全的和集成的電力市場，具體包括：一是實施分時/實時電價，使“電能”作為一種商品的市場價值得到合理地體現——比如說為了實現需求響應需要這樣做;二是制定鼓勵分布式電源賣電回電網和作為電網后備電源使用的政策，含分布式清潔能源的上網電價政策——你所說到的分布式發電市場化交易試點應該屬于這一點;三是建立智能電網投資成本回收的政策。
我國目前的費率結構和電力公司收入模型，無法用來促進或捕捉分布式能源價值。建立一個好的商務模型(商業案例)極其重要，因為它們能為容量規劃和電網運行中的投資，以及分布式電源(DERs)科學地發揮作用提供依據。分布式發電市場化交易是一個復雜的系統工程問題，涉及規范參與主體、費率制定、交易模式、平臺支撐等眾多方面，為了構建經濟高效的分布式發電市場機制，從而促進分布式發電的健康快速發展，開展試點工作是非常必要的。
那目前有哪些具有商業價值的負荷和用戶能實現與電網友好合作?
余貽鑫：除了分布式的發電和儲能之外，鼓勵用戶參與需求響應(DemandResponse,DR)和基于協議的負荷控制也是實現電力供需平衡的有效方法。需求響應的定義是：“在正常耗電模式下，用戶用電功率能夠隨著電價的變化而變化，或者當電力零售市場電價過高或系統可靠性受到損害時，能夠促使用戶減少用電”。生態文明意識的提升，使電力公司積極尋求不同于傳統的方式來滿足供需平衡。居民負荷、商業負荷和高耗能產業中均含有較大比例的可平移負荷,它們可以與電網友好合作,支持削峰填谷與事故情況下的減負荷，幫助系統實現近乎瞬時的功率平衡。以居民負荷為例，他們的洗衣機、熱水器、電冰箱等都屬于可平移負荷。據美國調查顯示，在日高峰時有13%的居民電力負荷可以與電網友好合作，其可平移負荷功率與電網的旋轉備用容量相當，技術經濟價值十分巨大。
現代交通在能源消費結構中占比很高，僅次于電力，對其實現電能替代和電能高效利用，可以有效緩解化石能源資源緊缺的局面。到2050年實現美麗中國的目標要求電動汽車比重達到80%以上，其電能的總消費量和總存儲量都十分巨大，可在用電低谷(電價便宜)時充電,并在白天最需要電能(電價貴)的時候將電輸回電網，所以電動汽車也將成為需求響應的重要部分，應該且可以與大規模發展的分布式可再生能源發電協同發展。仿真研究表明，如果2030年全國總用電量約8.5萬億千瓦時，則到2030年需要23億千瓦時的儲能即可把風電和太陽能光伏電量提升到40%以上，而預計2030年電動汽車保有量約為8000萬輛(《節能與新能源汽車技術路線圖》)，電池容量將達到24億千瓦時，如果管理好就可能為風、光、火、儲的大規模配合奠定基礎。為此需要為電動汽車的發展提供技術平臺和市場平臺，技術平臺是讓老百姓充電方便，市場平臺是激勵用戶夜充晝放的積極性。電動汽車發展很可能是帶動分布式能源和智能電網發展的“殺手級”應用(Killer-Application)。
隨著大量分布式電源和智能終端接入電網，系統會非常復雜，未來智能電網將怎樣控制、管理、響應負荷與需求?
余貽鑫：可再生能源的分布式特性決定了集成高比例分布式可再生能源需要的是協作，而不是集中或分級的命令和控制機制。協作行為將導致更加分散地共享所產生的利益，通力合作、追求共同利益是實現經濟可持續發展的最佳途徑。
里夫金(JeremyRifkin)在《第三次工業革命》一書中所提倡的能源互聯網構想是，讓數以百萬計的用戶在家庭、辦公室或者工廠自行利用可再生能源發電，并能夠彼此共享所發出的電能;電動汽車與本地儲能設備將會得到廣泛的應用?；ヂ摼W技術的加入將把電網轉變為一種能源可以互相共享的互聯網。其理念與智能電網是一致的。
為了抓住未來的機遇已提出如下的設想：未來的配電網、微網、建筑單元(大樓、工廠和住宅等)與輸電系統的差異將逐步消失，具有本地發電和雙向電力潮流的特點，都將配有能量管理系統(EnergyManagementSystem，EMS)并按照“群集”理念實現各自近實時的功率平衡，即輸電系統(互聯電力系統)是若干個控制區(即區域性輸電網)互聯起來的群集(clusters)，每個控制區是一個群(cluster);每個區域性輸電網是若干個配電網互聯起來的群集，每個配電網是若干個微網、建筑單元組成的群集，每個微網又可以是由若干個建筑單元互聯起來的群集;每個群集的運行過程中，通過調度確定各群間的功率交換計劃，每一個群必須維持其內部凈功率的平衡并履行與外部功率交換的職責，以維持整個群集近實時的功率平衡。和控制區相似，每個群都有發電和/或負荷，以及智能控制和通信。群的基本功能包括如下三項：進行發電/負荷調度(Dispatch)，以維持凈功率平衡;當地的反饋控制，用于平滑波動;通過削減發電機/負荷來緩解故障。
需要強調的是，任何智能電網的命脈都是用以驅動應用的數據和信息，而這些應用又反過來促使開發新的和改進的運營策略成為可能。電力系統任一領域，從電力用戶、電力市場、服務提供商、運行、發電、輸電和配電，所收集到的數據都可能同其它領域的改善相關。所以以適時的方式與那些需要使用或有權了解數據的參與者實時共享數據，是智能電網的基本要素。
目前主流的智能終端設備，會否取代智能電表，成為共享數據和信息的核心環節?
余貽鑫：國外現有的產品，如亞馬遜的Echo，谷歌的Home，都是智能家居方面的產品，它們可以作為共享數據和信息的一個來源，但很難取代智能電表，因為智能電表的一個基本功能是計費，是需要監管的。
余貽鑫：智能電網和能源互聯網不會消失，因為分布式能源需要通過它實現互聯、互通和互濟。恰如里夫金在《第三次工業革命》中宣稱的那樣，電網將成為一種大量分布式可再生能源可以互相分享的互聯網，數以億計的人們會從家中、辦公室和工廠中生產綠色能源，并在“能源互聯網”中彼此分享，就像在線創造和分享信息一樣。大電網的規劃與建造需要考慮到這一趨勢。
我們現在討論能源互聯網，更應該關注多種能源網絡結合在一起的系統，按其應用范圍可以分成終端能源系統、區域綜合能源系統和全域綜合能源系統。從經濟、社會因素、技術難易程度方面綜合考慮，鑒于中國燃氣網絡不像美國、英國等發達國家，我們可以先從終端能源系統開始，逐步向區域綜合能源系統、乃至全域綜合能源系統發展?！赌茉丛u論》王偉
