能源互联网技术的开放与融合

能源互联网技术的开放与融合

0生态文明建设高质量发展的对策建议改革开放40年来，中国的能源发展取得了令人瞩目的成就。能源生产和消费总量达到世界一流，能源结构不断优化，节能有效，环境保护能力不断发展。立足未来生态文明建设新高度,能源发展进入新的转型期,亟待解决不同范围、不同程度存在的高污染、高排放、高能耗、体验不佳等问题,以建立现代能源经济体系,实现高质量发展。本轮能源转型相对于薪柴–煤炭–油气的进化规律而言,出现了广泛使用分散、低能量密度、高波动新能源的新特点,也面临市场化改革深入推进和互联网技术广泛应用等新机遇,具有高度复杂性、高度不确定性,各类新理念、新技术开始涌现目前,对能源互联网的研究与实践呈快速扩张状态1能源互联网的未来发展趋势是以提高能效为导向能源互联网建立在未来的能源系统之上,研判中国能源互联网发展前景,需要放到中国能源生产与消费革命大背景下。在能源发展战略目标和现实条件约束下一是基于不同转型路径的比较可知,突出电气化将是中国能源互联网发展的重要特征。文献[14]立足于经济高质量增长新趋势和能源变革发展新格局,以提高能效水平和天然气消费比重为基础,以电气化和清洁能源发展为重点构建未来发展情景,研究设置了各类转型措施实施力度相对平衡的常规转型情景和电气化水平更快提升的电气化加速情景。分析表明,相对常规转型,电气化加速路径有终端能源需求总量更少、能效水平提升更快、碳减排力度更大等优势。到2050年中国人均电力消费将达到8800~10300kW·h。二是发展能源互联网不能走促进用户提高能源使用强度的道路,综合能源服务业务开拓重点在于提高终端能源利用效率。文献[14]测算表明,2040年以后人均能源需求稳定在4.0~4.2t标准煤,低于OECD国家目前平均水平,表明中国可以以更低的人均能源消费水平支撑经济长期增长。而到2050年能源消费强度将降至2015年的1/4,意味着巨大的提高能效市场空间。未来,工业部门、建筑部门(建筑部门分为城市住宅、农村住宅和公共建筑三大类,包括统计口径中的第三产业(不含交通运输)和居民用能)、交通部门的终端用能占比从目前的63.5%、21.7%、13.5%演变成41.4%、30.0%、26.7%格局三是解决高污染高排放等问题将成为能源互联网业务模式衍生的重点。能源系统产生的碳排放占排放总量的50%,而且空气污染物中85%的颗粒物、几乎所有的硫氧化物和氮氧化物也是由能源系统产生的。其中,碳排放量未来会进一步向电力系统转移,2025年前后电力部门碳排放达42亿t峰值,排放指标成为促进产业升级的关键动力,通过用能方式转变实现减排的需求日益增多。四是有效支撑大规模发展的新能源的高效利用将成为能源互联网持续发展的重要动力。电气化加速情景下,到2030年陆上风电与光伏将达13.7亿kW五是发展能源互联网需要着力于解决能源转型实施中面临的难题。能源消费总量虽然较快进入平台期,但仍有大幅增加,考虑到能源利用空间的聚集性,在土地资源、水资源、环保容量有限等约束下,能源基础设施布局等面临较大挑战,综合能源系统规划设计需要更多创新突破。此外,应客观认识能源互联网走电气化加速路径在发展速度、发展重点上的不确定性,需跟随新能源、储能等各类要素技术经济特性演化情况做出调整。2能源和互联网的功能特点能源互联网概念的提出虽然源于互联网的时代背景,但不能完全按照里夫金的“互联网+”改造能源系统的理念来认识2.1“互联网+”能量生产生活方式的突破未来的能源互联网将具有与互联网相似的网络特征和技术特点,采用相近的运行方式,表现出相仿的市场特性和组织模式。一是能源互联网具有泛在、多层次结构,不同能源子网间多重耦合,与由主干网、区域网、园区网构成的互联网具有相似的广泛互联网络结构。二是能源互联网与互联网都采用标准的接口与协议,支持海量主体即插即用。三是都通过“路由器”组网,实现能量/信息流双向快速变化。能源路由器通过能源转换、分配技术控制能量传输路径,通过内部储能装置调整能量盈缺、实现能量双向快速变化以更长时间尺度、能源大历史观来看,能量作为与信息同等重要的要素,有望像“互联网+”破除各行各业的信息壁垒一样,以“能源+”的形态改进各类高污染、高排放、高能耗的生产生活方式,推动全社会绿色可持续发展。纵览人类上千年的用能历史,能源始终是工业革命的先导。能源产业每一次跃迁都会带来人类生产生活的巨变。事实上,相对于当代的“互联网+”,“能源+”在人类历史上已经出现过多轮。综上,“能源+”是充分发挥能量生产要素在经济社会发展中的基础性、约束性(生态)和驱动性作用,通过能源互联网技术与传统产业融合,形成清洁低碳、优质高效、灵活便捷的能源消费新模式和产业升级新业态。2.2“能源+”服务的需求空间逐步形成,用户模式进入“困境”时代现代能源经济的实质是要求能源的角色从保障经济增长向驱动经济升级转变。能源问题已经成为各类产业升级亟待突破的瓶颈之一,能源转型不会局限于行业内部,能源产业的变化也会驱动相关行业模式和业态的创新。“能源+”经济将成为具有引领性的经济形态之一。能源互联网创新发展将落脚到能源消费升级,以“能源+”的方式与农业、工业、交通等其他产业结合,表现为各行各业能源消费水平、消费结构、排放程度、供能方式等变化。事实上,即使在农村,新一轮“能源+”成效也已显现。散烧煤、薪柴等初级能源的电能替代推动了农村部分地区制茶等产业的兴旺和生态环境改善。而随着农村能源消费空间相对进一步集聚和品质逐步提升,乡村振兴战略将得到更有效支撑。“能源+”与用户生活融合的重点是创造性解决存在的能源使用缺乏柔性和体验不佳等问题,并引领消费模式升级。当前能源系统鲁棒性不强,难以“即插即用”,难以应对潮流双向变动,服务用户模式单一。用户正由满足基本能源需求向更便捷、更经济发展,未来会逐步成为产销一体者,并在引导下愿意为清洁能源支付更高的用能成本,能源消费需求层次在逐渐提高。能量与信息、资本等其他要素的结合将推动形成包括“能源+互联网”、“能源+金融”等新服务形态、新盈利模式及新组织形式。不同要素的融合,将带来绿色金融、能源大数据、能源区块链等一系列新产品和新服务,也会促进能源行业价值链、产业链的优化,进而推动平台型组织兴起。3能源网络的结构和运营特征3.1多能互补、数据共享结合“能源+”理念、能源系统特点等,多维度刻画能源互联网架构特征。一是与社会系统深度结合,协同特征二是存量增量二元结构特征。能源系统具有资本、人力、技术密集的特征,存在巨大的发展惯性。能源互联网作为下一代能源系统,其体系架构必定以现有体系架构为主体,需要通过存量升级和增量换代解决能源系统正面临的多层次、多方面问题。多层次的存量与增量并存,包括煤、油、气、电、热等多个能源品种的独立系统与多能互补的终端融合系统。存量相对独立、封闭,增量相对融合、开放,目前增量主要是园区级、大工业用户等末端。三是网络化、分层特征。以发挥能源互联网规模经济、范围经济作用为基础,通过分层协同的架构和运行机制,避免供需失衡向下层传导和波动跨级上传。大基地和分布式是可再生能源的主要开发形式,前者目前存在消纳困难问题,亟需在能源主网进行大规模大范围的供需匹配;后者在系统底层接入,未来数量大幅增长,将导致潮流波动加剧甚至逆转,对能源网络形成明显冲击,需要在配网层或新建的微网层进行充分管理,平抑波动,避免波动跨级上传。四是终端融合、互补特征。通过高效转化装置互为备用以有效避免供能中断,也可利用不同能源互补特性有效提高综合能源利用效率,有力解决低质量低效率问题。但受现有技术、体制和经济性的限制,多能互补多在微网层面推广,不同能源的配网层和主网层难以实现大规模互通,未来较长时间内仍将保持相对独立。五是物理信息应用深度融合、平台化特征3.2创新能源合作机制,提高能源效率能源互联网运行特征是未来能源系统运行物理规律和市场规律的综合表现,是能源流、信息流、价值流之间关系的刻画。一是以用户为中心特征。这是改造传统能源系统、达成“能源+”功能的关键,需要关注用户需求,激发用户互动,创新产品与服务。二是市场引导、多要素协同、共享互动特征。形成能源系统各节点间动态互动与交互式协同运作,从而统筹发挥大范围能源资源配置优势、局部自平衡作用和闲置资源充分利用的价值。市场引导还原能源商品属性,发挥资源配置的决定性作用,多能互补和源–网–荷–储协调是具体调节手段,共享互动体现了能源领域共享经济思维。多能互补依据不同能源品种特点,调动能源转换装置,实现多种能源间余缺互济。源–网–荷–储协调通过各部分的深度交互,逐级消纳供需矛盾、平抑波动。三是具有高比例可再生能源接入、多尺度动态、非线性随机特征。包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统,控制优化面临更大挑战4能源和互联网的发展理念4.1新兴能源行业领域跨界竞争更为广泛、集中和合作共赢广泛的实践探索提供了认识能源互联网特征的丰富样本。以国家电网公司为代表的大型能源企业分别提出建设能源互联网企业、向综合能源服务商转型等目标。传统的能源规划设计单位、节能服务公司、装备制造企业及燃气、热力公司等积极拓展业务进入综合能源系统建设。新奥、协鑫等新兴能源企业以擅长的天然气、光伏业务为基础进入综合能源服务领域。阿里、腾讯、浙江中控分别借助数据信息技术、人工智能,依靠对用户行为的理解,参与能源行业竞争。此外,电动汽车、动力电池生产企业、建筑企业等也在延伸产业链进入能源行业。能源互联网作为新兴事物,体现了贴近用户、跨界探索、重视数据、合作共赢的实践特点。一是进入企业类型多元化、分散化,均发展贴近用户的业务,争夺客户粘性。二是相关企业均通过主营业务优势、某种技术优势、某细分市场优势开展价值链延伸,实现模式创新与市场突破,体现了业务拓展的路径依赖特点和集成创新性。三是数据获取、价值挖掘和平台建设作为价值高地,成为很多企业建立护城河的选择。四是BOT、PPP等商业模式很多,合作共赢成为共识。4.2跨界融合领域综上,能源互联网呈现开放、融合态势。政产学研各方探索着不同技术路线,初期分别针对能源系统灵活性不足问题、高污染和高排放问题、低质量和低效率问题提出了多种理念:借鉴互联网开放对等理念及体系架构变革能源系统关键设备、形态架构、运行方式以实现海量主体即插即用;融合信息通信技术和先进输电技术构建能源坚强传输网络实现清洁能源大范围配置与大规模利用;通过信息技术促进多种能源之间的相互替代和综合优化等。在融合过程中,各理念在清洁低碳、电气化特征、物理信息融合三方面交集不断加强,而并集则持续丰富,包括网络坚强、互联互通、多能互补、源网荷储协调、互联网思维和技术、分布自治、市场化和商业模式等。能源互联网正处于快速演进中,而且相关要素的技术经济性、能源系统颠覆性技术、具有破坏性的商业模式等都有较大的发展不确定性,因此目前还远未到可以较为成熟地全景勾勒其形态的阶段。总体而言,持续开放和创新将成为常态。结合对能源互联网“能源+”功能特征和跨界融合实践特点的分析,一个广义定义有利于发挥各方力量的不同优势,加速能源互联网生态的整体进化。这就如同互联网行业未限定在信息通信领域一样,各行各业与能源行业一起在实践中可以各有侧重突出能源互联网建设的某一方面。综合已有各方研究进展,结合前述发展方向研判和特征刻画,本文试图提出具有较大包容性的广义能源互联网发展理念,即沿着能源转型电气化加速路径,发展符合能源革命要求、以新一代电力系统为标志的未来能源系统,形成基本的物理条件简言之,这一理念着眼于发展现代能源经济,建立在能源转型驱动社会经济发展的理论逻辑架构之上,吸收了能源网络的互联网特征认识及相应的网络经济、范围经济和共享经济等思维模式,有利于保持能源互联网发展的强扩展性。5产业下颌格局竞争是能源互联网企业塑造核心竞争力的关键近年中国新兴产业发展表现出明显的头部效应,有必要研究影响未来能源互联网产业头部格局的关键因素。这也是能源互联网企业塑造核心竞争力所在。产业头部格局竞争表现在不同能源品种之间、网络之间、技术和商业模式之间的竞争,具有多层次、多方位和多元化的特点。各类能源互联网企业需要充分发挥不同的能源资源优势、网络优势、品牌优势、用户优势和技术优势。5.1建设综合能源服务平台能源互联网发展主导权的竞争关键在于互联互通能力。一是各类能源网络的规模、布局,其互联互通所达范围、网络结构特征、与其他网络连接深度等,影响其在能源互联网中的地位。互联互通能力是各类能源网络实力的传递和影响力的施展途径二是综合能源服务平台建设。综合能源服务平台具有入口、联接、激发属性,是调控、交易及衍生各类应用的操作系统,能实现广泛主体间能源、信息、市场等方面的整合,是企业组织能够平台化的物质基础。这与“苹果系统”、工业互联网平台等类似,均是各领域的底层核心竞争力。平台的本质之一是数据,数据获取能力、价值挖掘能力及相关的能源互联网业务理解与创新能力对于平台建设尤为关键。三是标准体系建设。标准影响互联互通发展效率和最终质量,标准竞争获得的产业领先能力可转化为持续的比较优势,不同的标准体系也会在能源互联网不同层面导致不同的发展形态。一个高质量的标准体系应该有利于降低能源互联网复杂度,即通过对多能转换接口、综合能源服务平台交互接口等关键环节标准的设计,提高“即插即用”、信息交互水平。5.2顶层设计向能源转型综合能源系统规划设计是能源互联网产业链条上的特殊一环,尤其在当前发展路径多元、导则标准缺失、技术融合难的产业引导期显得更为重要。一是规划层面较接近市政决策层的话语体系,易输出理念,直接与市政规划对接,是从上而下切入市场的重要入口。二是规划理念、原则等影响一个地区综合能源系统发展方向,决定未来几十年的能源利用格局。三是规划设计可以成为拓展综合能源服务市场的先导,规划层面易搭建生态体系,统筹理顺新能源、储能、电动汽车、节能各类业务逻辑,可带动相关设备企业、金融企业进入,并发展为总包能力,进而形成规划+能源实业的平台。以广义能源互联网为指导,综合能源系统规划设计可包括2个层面。底层是围绕对象能源转型指标要求,基于多能互补、源–网–荷–储协调理念,按照充分利用清洁能源,充分考虑冷热气电等在满足终端用户用能需求上的等效替代关系,计及能源加工转换环节经济性和转化速度与效率条件下,规划设计多能耦合环节的规模和布局。此外,要拓展形成能源子系统与交通等城市其他子系统一体化规划能力,实施电、气、冷、热管网布局综合规划、管廊一体化规划。上层是基于“能源+”理念,考虑对象产业升级等需求,因地制宜整合分布式光伏业务、储能业务、清洁供暖业务、绿色建筑、工业节能、能源云(光伏云、储能云、充电设施云)及能源数据平台等,提供能源驱动生产生活方式优化的构想级的一揽子综合解决方案。5.3优化能源产业链,促进行业协同发展传统能源产业向新兴朝阳产业转变,行业生态发生较大变化。传统能源产业是“竖井式”垂直集成、边缘封闭的业态,未来将逐步向边缘开放、各能源品种末端融合的能源新业态转变。未来能源互联网行业将发展成为由传统能源企业、新兴能源企业、互联网企业、人工智能企业、金融机构、规划设计机构、汽车企业、设备制造商、建筑企业等构成的生态系统。未来参与综合能源服务市场竞争,要依靠生态模式、平台模式实现共赢。新生态对传统能源企业创新能力、体制活力、容忍风险提出了更高要求,需增强自身包容性、自适应性,以适应跨领域进入者,同时能创造性地通过“能源+”进入其他行业。一是有必要调整围绕某能