促進可再生能源發(fā)展，加快能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

趙東明

促進可再生能源發(fā)展，加快能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

趙東明

中國的能源互聯(lián)網(wǎng)首先進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括分布式能源、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)等技術(shù)的普及和發(fā)展，然后逐步開放電力交易市場，基本建立電力交易的市場體制，接著實現(xiàn)電力系統(tǒng)的逐步完善，實現(xiàn)配電的智能化，在2020 -2030年建立一個中級能源互聯(lián)網(wǎng)，先實現(xiàn)國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

能源互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源融合，構(gòu)建一個新型的能源網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)能源互聯(lián)互通、信息實時交換，從而降低能源成本，提高能源效率，促進能源低碳化、清潔化、便捷性發(fā)展。

隨著社會的快速發(fā)展，能源需求越來越大。大量使用化石能源造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響可持續(xù)發(fā)展。無碳、清潔的風(fēng)能和太陽能等可再生能源的作用越來越重要，可以滿足經(jīng)濟社會對能源的需求。能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，可以實現(xiàn)能源的區(qū)域配置與協(xié)同調(diào)節(jié)?？稍偕茉磁c能源互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。

世界能源利用現(xiàn)狀

隨著能源消耗越來越多，化石燃料已不能夠滿足人類生存發(fā)展的需求，世界能源消費總量在今后很長一段時期內(nèi)將始終保持高速增長。隨著經(jīng)濟發(fā)展，世界一次能源需求量已經(jīng)從1965年的53.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到2013年的181.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，預(yù)計到2030年可達到230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2050年達到250億～270億噸標(biāo)準(zhǔn)煤?；茉磧α坑邢?，大規(guī)模的開發(fā)必然導(dǎo)致儲量迅速減少，隨著后期開采成本的增加，運輸配置時的安全性、政治性與經(jīng)濟性壓力增大，能源的開發(fā)、配置和利用方式將面臨巨大的挑戰(zhàn)。隨著化石能源的減少，資源需求和供應(yīng)之間的矛盾將制約人類經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

大氣中二氧化碳的濃度隨時間的變化情況（圖1 ）

北美洲、歐洲和大洋洲，能源消費增長較慢，消費量占全球比重持續(xù)下降，但卻是人均能源消費水平最高、能源消費最密集的地區(qū)。隨著亞洲、南美洲和非洲人口規(guī)模較快增長及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，其能源消費占全球比重將較快增加。自2003年后，亞太地區(qū)能源消費總量已超過歐美地區(qū)，成為全球能源消費總量巨大、增速最快的地區(qū)。就中國而言，由于經(jīng)濟和社會處于快速發(fā)展期，化石資源消耗與電力需求迅速增加，據(jù)統(tǒng)計，1990—2013年間，中國能源消費量年均增長6.0%，新增能源消費量約占同期世界新增能源消費總量的47.4%，預(yù)計到2020年，中國電力總裝機容量將達到1186吉瓦。

化石能源的大量使用會引起環(huán)境污染和氣候變化。全球平均溫度升高，酸雨、空氣污染、水污染、土地污染等已成為不爭的事實。化石燃料燃燒是溫室氣體排放的主要來源，因化石燃料而產(chǎn)生的二氧化碳占人類活動排放的溫室氣體的56.6%，由此造成的溫室效應(yīng)對人類的生存發(fā)展和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大的威脅。1850—2010年，大氣中二氧化碳的濃度越來越高，增長的速度越來越快（圖1），因此需要采取有效措施，降低二氧化碳排放。

化石能源的燃燒除了引起溫室效應(yīng)外，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的霧霾(PM2.5)污染和二氧化硫等污染物。2014年底，環(huán)保部、中科院、中國工程院聯(lián)合發(fā)布了北京、上海、哈爾濱、濟南、石家莊和天津等六個重點城市的PM2.5來源解析，研究顯示六個城市PM2.5來源的60%~70%與化石能源密切相關(guān)。中國、印度和四個發(fā)達國家的PM2.5情況對比（圖2），可以發(fā)現(xiàn)中國的霧霾污染情況相當(dāng)嚴(yán)重。二氧化硫等酸性污染氣體的排放會導(dǎo)致酸雨，酸雨會對生態(tài)環(huán)境和人們正常生產(chǎn)生活造成破壞，2013年對中國降雨pH值進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，中國國內(nèi)的降雨普遍呈酸性。

年均PM2.5暴露濃度（圖2 ）

清潔替代

2016年11月4日《巴黎協(xié)定》正式生效，要求將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2攝氏度之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5攝氏度之內(nèi)而努力。因此，各國必須努力減少溫室氣體排放，堅持走綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的道路，所以，必須改變能源利用結(jié)構(gòu)，采用可再生能源作為替代能源是減少碳排放、改善環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵舉措。

風(fēng)能和太陽能具有綠色、清潔和可再生性，資源總量豐富，能夠滿足人類和社會發(fā)展的需要，是重要的可再生能源。風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)化為電能之后，可以實現(xiàn)能源的高效利用。

風(fēng)能

風(fēng)電具有眾多優(yōu)點。它是一種干凈清潔的可再生能源；風(fēng)電技術(shù)日益成熟，產(chǎn)品可靠性高，能源可用率達95%；風(fēng)電成本低，投資規(guī)模靈活，適合單臺和多臺機組安裝?，F(xiàn)階段風(fēng)電裝備制造技術(shù)日益成熟，風(fēng)能利用效率、技術(shù)水平和系統(tǒng)友好性等不斷增加。隨著風(fēng)電技術(shù)不斷進步和開發(fā)規(guī)模的持續(xù)增加，風(fēng)電成本有望接近甚至低于化石能源發(fā)電成本。

中國地域廣闊，海岸線長，風(fēng)力資源豐富。風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量每年約20萬億千瓦時。中國的風(fēng)能資源主要集中在兩個地帶：一是“三北地區(qū)豐富帶”，包括東北、華北、西北地區(qū)；二是東部沿海風(fēng)帶，主要是沿海數(shù)十公里的海岸和海道。2012年6月，中國超過美國，成為世界上最大的風(fēng)電裝機大國。

但是電場位于偏遠的地區(qū)，遠離經(jīng)濟發(fā)展快、工業(yè)發(fā)達和人口密集的地區(qū)，因此需要解決電能的輸運和就地消納問題。由于風(fēng)電的不穩(wěn)定性和不可控性，所以需要解決風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊和穩(wěn)定性問題。

太陽能

太陽能是太陽輻射能，是世界上資源量最大、分布最廣、開發(fā)潛力巨大的清潔能源。太陽每年輻射到地球表面的能量約116萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，遠遠大于2013年世界一次能源消耗量181.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。中國太陽資源豐富，太陽能的開發(fā)利用潛力巨大，全國三分之二的土地年累計日照時間超過2200小時。西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古高原屬世界太陽資源豐富地區(qū)，特別是西藏西部的年累計太陽總輻照量高達8399 兆焦/平方米。

太陽能發(fā)電是太陽能高效利用的最主要方式。太陽能發(fā)電技術(shù)包括太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，其中光伏組件轉(zhuǎn)換效率約為16.5%，光熱電站的轉(zhuǎn)換效率為14%。光伏發(fā)電技術(shù)比較成熟，已經(jīng)進入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段。根據(jù)國際能源署發(fā)布的光伏應(yīng)用趨勢報告，截至2015年底，全球太陽能光伏裝機容量累計超過228吉瓦，占全球電力需求的1.2%以上。根據(jù)中國國家能源局數(shù)據(jù)，2015年，中國新增太陽能光伏裝機容量為15.15吉瓦，累計總裝機容量達到43.5吉瓦，首次超越德國成為全球最大的太陽能光伏國家。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，從2008年開始進入快速發(fā)展期，但與光伏發(fā)電相比，發(fā)電規(guī)模還很小。2014年全球新能源發(fā)展報告指出，截至2013年底，全球已建成光熱項目363萬千瓦，在建200萬千瓦，中國已建光熱項目2.1萬千瓦，在建項目17.0萬千瓦。2016年中國公布了光熱發(fā)電的上網(wǎng)電價為1.15元/千瓦時，這將有利于中國光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展。

電能替代

電力是清潔的、高效的二次能源。電力對于人類的進步和社會的發(fā)展具有重大的促進作用。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對電力的需求越來越大，1990—2013年，全世界發(fā)電裝機總?cè)萘坑?7.6億千瓦增加到57.3億千瓦。2013年中國發(fā)電裝機容量達到12.58億千瓦，占世界裝機總?cè)萘康?2.0%，年發(fā)電總量5.37萬億千瓦時，占世界總發(fā)電量的23.9%。電能利用率高達90%，遠遠高于化石能源的利用效率。

電能替代是指在能源的消費形式上，使用電能代替化石能源進行直接消費，提高電力作為二次能源的使用比例。電能替代的重點是“以電代煤、以電代油、電從遠方來、來的是清潔電”?！耙噪姶骸焙汀耙噪姶汀笔菑南M終端代替化石能源的消耗，從而減少環(huán)境污染；“電從遠方來”是由于負荷中心和能量資源逆向分布，所以需要電網(wǎng)的遠距離、高負荷輸送；“來的是清潔電”是使用清潔替代的必然結(jié)果，只有使用清潔能源，電能替代才會實現(xiàn)低碳化，才是環(huán)境變化的根本出路。電能替代，可以推動能源向清潔化、便捷性、安全性方向發(fā)展。

可再生能源的發(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，是解決能源需求問題和環(huán)境污染問題的必由之路。

構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)是由美國經(jīng)濟學(xué)家里夫金提出，他認為可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源相融合，將全球的電力網(wǎng)變?yōu)槟茉垂蚕砭W(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以接入可再生能源為主，采用先進信息技術(shù)、通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等，實現(xiàn)電能的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)不同區(qū)域間的能源互補。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源基礎(chǔ)設(shè)施與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互耦合，形成信息物理系統(tǒng)。

江蘇泰州打造國家千億級新能源產(chǎn)業(yè)基地。

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要完成多個目標(biāo)任務(wù)，即實現(xiàn)可再生能源供應(yīng)和消費比重的提升，實現(xiàn)各市場主體的無差別可靠接入，實現(xiàn)能源和信息的共享運營，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)體系的全面構(gòu)建。簡而言之，能源互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源融合，構(gòu)建一個新型的能源網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)能源互聯(lián)互通、信息實時交換，從而降低能源成本，提高能源效率，促進能源低碳化、清潔化、便捷性發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對能源互聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)尚未達成共識。結(jié)合我國實際，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)通過學(xué)習(xí)成功經(jīng)驗，結(jié)合基本國情，反復(fù)實踐，探索適合我國的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)方式。在此，筆者認為，我國的能源互聯(lián)網(wǎng)首先進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括分布式能源、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)等技術(shù)的普及和發(fā)展，然后逐步開放電力交易市場，基本建立電力交易的市場體制，接著實現(xiàn)電力系統(tǒng)的逐步完善，實現(xiàn)配電的智能化，在2020—2030年期間建立一個中級能源互聯(lián)網(wǎng)，先實現(xiàn)國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

可再生能源與能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合

全球能源互聯(lián)網(wǎng)是落實全球能源觀、實現(xiàn)“清潔替代”和“電能替代”的重要載體，在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，要堅持“清潔發(fā)展”和“全球配置”。為了促進能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，滿足日益增長的能源需求，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要增加風(fēng)能和太陽能的利用，將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過能源互聯(lián)網(wǎng)進行配置，提高可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例。

為了促進可再生能源與能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，需要解決兩者之間存在的技術(shù)和政策問題：

（1）需要促進可再生能源發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新，包括風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等技術(shù)創(chuàng)新，提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本。

（2）促進電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，電網(wǎng)技術(shù)是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。研究適合能源互聯(lián)網(wǎng)的特高壓輸電技術(shù)、直流電網(wǎng)技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、分布式電網(wǎng)技術(shù)等。

（3）可再生能源具有不穩(wěn)定性，因此儲能技術(shù)是新能源發(fā)電技術(shù)的難點。促進儲能技術(shù)的發(fā)展，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

（4）促進信息技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)交互式實時通信，滿足能源的協(xié)同控制。

（5）做好國內(nèi)和國際間的技術(shù)交流、規(guī)劃設(shè)計和政策支持，穩(wěn)步推動可再生能源的發(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

可再生能源的發(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，是解決能源需求問題和環(huán)境污染問題的必由之路。實現(xiàn)兩者的結(jié)合發(fā)展，必然會實現(xiàn)經(jīng)濟和社會發(fā)展的低碳化、清潔化和可持續(xù)發(fā)展的長遠目標(biāo)。

（作者系中國科學(xué)院電工研究所太陽能熱利用研究部博士）