碳中和背景下綜合智慧能源發(fā)展趨勢

陸王琳， 陸啟亮， 張志洪

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上發(fā)表重要講話時提出中國的二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和。我國提出的“3060碳達峰、碳中和”的目標是迄今為止全球各國中作出的最大減少氣候變暖的重要承諾，也是對《巴黎協(xié)定》原定目標的主動提升。

2020年以來，我國深化了能源供給側(cè)的結(jié)構(gòu)性改革，采取了一系列政策舉措優(yōu)先發(fā)展非化石能源，促使我國清潔能源快速發(fā)展，清潔能源占比穩(wěn)步提升，能源結(jié)構(gòu)得到持續(xù)優(yōu)化。近十年來，不同品種能源占比呈現(xiàn)不同變化趨勢。原煤和原油生產(chǎn)量占比持續(xù)下降，2019年較2011年分別下降了9.2個百分點和1.6個百分點，天然氣生產(chǎn)量占比變化不大，2019年較2011年提升了1.6個百分點，水電、核電和風電等一次電力生產(chǎn)量合計占比翻番，2019年較2011年提升了9.2個百分點。截至2020年底，我國可再生能源發(fā)電裝機規(guī)模占總裝機容量的比重達到42.4%，為9.3億千瓦，同2012年相比，增長了14.6個百分點[1]。

我國經(jīng)濟高速、高質(zhì)量發(fā)展離不開持續(xù)可靠的能源供應。然而，我國的能源結(jié)構(gòu)仍然呈現(xiàn)“一煤獨大”的局面，碳排放總量居世界首位[2]。按2015年國內(nèi)生產(chǎn)總值計算，我國的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放量達到了0.4 kg，是世界平均水平的1.5倍。按噸油當量計算，我國的單位能源消費碳排放量約為3 t，超過全球平均水平的30%。與大部分發(fā)達國家相比，我國實現(xiàn)碳中和的基礎存在較大差距。因此，想要實現(xiàn)碳中和目標，我國需在經(jīng)濟發(fā)展方式、能源結(jié)構(gòu)及節(jié)能增效等方面作出轉(zhuǎn)變和調(diào)整，才能按期實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標[2]。

綜合智慧能源(部分國家或組織也稱綜合能源)作為一種新興的能源利用形式，能夠加快推進能源供給側(cè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，以數(shù)字賦能實現(xiàn)智慧化和低碳化發(fā)展，并將服務前移，可以更好地貼近用戶、服務用戶，從而構(gòu)建和諧共生的生態(tài)能源體系，將成為推動能源轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展模式的重要方向。

筆者結(jié)合國內(nèi)外綜合智慧能源的發(fā)展情況，立足于現(xiàn)階段碳中和、碳達峰的能源轉(zhuǎn)型需要，對綜合智慧能源各項關鍵技術進行了分類分析，引出了亟待解決的關鍵問題，并提出了我國“十四五”階段能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的趨勢和建議。

1 國內(nèi)外綜合智慧能源發(fā)展的現(xiàn)狀

1.1 國外綜合智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀

綜合智慧能源在提升能源利用效率、實現(xiàn)可再生能源模塊化開發(fā)上具有顯著優(yōu)勢。世界各國或地區(qū)針對本國需要，制定了不同的綜合智慧能源發(fā)展戰(zhàn)略。其中，歐洲、美國及日本等地區(qū)的綜合智慧能源服務發(fā)展起步較早，所開展的綜合智慧能源服務在業(yè)務內(nèi)容、商業(yè)模式和服務形式等方面不斷創(chuàng)新并日趨多樣化[3]。

1.1.1 歐洲

歐洲是世界上最早提出、同時也是將綜合能源系統(tǒng)概念付諸實施的地區(qū)。從哥本哈根氣候大會開始，該地區(qū)就制定了當時最高標準的減排標準[4]。在2007年，歐盟開展“20-20-20計劃”，指出到2020 年，二氧化碳等溫室氣體排放量相比1990年減少20%，可再生能源占比達到20%，能源綜合利用效率提高20%[4]。

早在歐盟第五框架(FP5)中，雖然當時尚未明確定義綜合能源系統(tǒng)的概念，但是能源協(xié)同優(yōu)化的有關研究已經(jīng)得到歐洲各國的極大重視，后在歐盟第六框架(FP6)、第七框架(FP7)中得到進一步深入研究，類似于美國綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)的項目，歐盟第六框架項目Microgrids and More Microgrids以及歐盟第七框架項目Trans-European Networks、Intelligent Energy等陸續(xù)實施[4-5]。

歐盟提高能源綜合利用效率和節(jié)能減排主要依靠能源信息化的改革和創(chuàng)新，歐盟較其他國家和地區(qū)更突出強調(diào)了信息技術在低碳化發(fā)展上所起的作用[4]。據(jù)Utilities UK集團市場調(diào)研顯示，歐洲已有上千家能源服務公司，歐盟內(nèi)部能源系統(tǒng)間的耦合與互動也呈急劇上升趨勢，其中以德國和英國為典型代表。

1.1.2 美國

美國對智慧能源的探索起步較早，對智慧能源體系的探索主要集中在智能電網(wǎng)和智慧建筑領域[5]。美國能源部早在2001年就啟動了IES的發(fā)展計劃，該計劃擬通過提高可再生能源的供應和使用占比等方式提高供能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。IES發(fā)展計劃的重點是促進對分布式能源以及冷熱電聯(lián)供技術的推廣應用。同時，在新一輪電力改革中，美國的加州、紐約州等地區(qū)也確定以需求側(cè)管理和電力系統(tǒng)靈活性提升作為重要發(fā)展方向[6]。

2008年，美國國家科學基金項目“未來可再生能源傳輸與管理系統(tǒng)”中提出研究構(gòu)建在可再生能源發(fā)電和分布式儲能裝置基礎上的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，稱之為“能源互聯(lián)網(wǎng)”[7]。

1.1.3 日本

日本由于其地緣劣勢，能源一直嚴重依賴進口，因此日本也是亞洲最早開展綜合能源系統(tǒng)研究的國家。日本政府早在2009年9月便公布2020年、2030年和2050年的碳減排目標，提出要建立覆蓋全日本的綜合能源系統(tǒng)，并對日本的能源結(jié)構(gòu)和能效進行優(yōu)化提升，促進可再生能源規(guī)?；_發(fā)[7]。

2010年4月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(METI)啟動“智慧能源共同體”計劃，涵蓋了能源、社會基礎設施和智能電網(wǎng)等領域[8]。該計劃主要包括2個項目：一是“智慧城市”示范項目，在橫濱、豐田、關西和北九州4座城市進行試點部署；二是“智慧能源網(wǎng)”示范項目，在東京和大阪實施[8]。

1.2 國內(nèi)綜合智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀

我國對綜合智慧能源系統(tǒng)的研究起步相對較晚，但各能源企業(yè)在業(yè)務轉(zhuǎn)型方面呈現(xiàn)強勁發(fā)展態(tài)勢，而在發(fā)展路徑方面，主要采用“1+N”發(fā)展模式，即依托1項主營業(yè)務向多個能源產(chǎn)業(yè)鏈服務延伸[3]。

2001年，我國開展了針對智能體系方面的專題研究，以智能電網(wǎng)、配電網(wǎng)為載體，聚焦國內(nèi)智能能源體系結(jié)構(gòu)、模型、技術標準、通行協(xié)議和實施計劃等方面。國內(nèi)綜合智慧能源系統(tǒng)仍處于發(fā)展的初步階段。國內(nèi)運行的綜合智慧能源系統(tǒng)項目基本以電為主，只配合少量的清潔能源，僅僅起示范作用[9]。2010年，我國成立了國家能源委員會，旨在推動能源領域的創(chuàng)新發(fā)展及綜合智慧能源系統(tǒng)體系的建設，同時加快能源改革，創(chuàng)新能源發(fā)展模式。在國家層面，我國制定并通過了若干有關綜合智慧能源系統(tǒng)的重點研發(fā)項目，國內(nèi)相關能源企業(yè)積極布局，同時與國外相關機構(gòu)開展合作，加快推動綜合智慧能源系統(tǒng)在技術、服務模式等方面的創(chuàng)新，以建設清潔、安全、可持續(xù)的綜合智慧能源體系[4]。

2 綜合智慧能源的內(nèi)涵及技術框架

綜合智慧能源系統(tǒng)是以數(shù)字化、智慧化能源生產(chǎn)、儲存、供應、消費和管理與服務為主線，追求橫向“電、熱、冷、氣、水、氫”和“水、火、核、風、光、儲”等多種能源品種和供應方式的協(xié)同，實現(xiàn)縱向“源-網(wǎng)-荷-儲-用”等各環(huán)節(jié)間的互動優(yōu)化，向終端用戶提供綜合能源一體化解決方案，構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”與“務聯(lián)網(wǎng)”(服務互聯(lián)網(wǎng))無縫銜接的能源生態(tài)體系，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 綜合智慧能源關鍵技術

3.1 能源生產(chǎn)技術

3.1.1 分布式冷熱電聯(lián)供技術

分布式冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)是以能源梯級利用為基礎，能同時實現(xiàn)供冷、供熱和發(fā)電過程的一體化多聯(lián)供系統(tǒng)。與傳統(tǒng)集中式能源系統(tǒng)相比，CCHP系統(tǒng)的分布位置更接近用戶側(cè)，不需要進行遠距離高壓輸送，顯著減少線損和運行費用，能達到更高的能源綜合利用效率。CCHP系統(tǒng)廣泛應用于樓宇式和區(qū)域式的能源供應，以天然氣作為燃料，主要配套燃氣輪機、微型燃氣輪機或內(nèi)燃機進行發(fā)電，余熱回收后可進行供冷和供熱[10]。

在雙碳背景下，分布式能源將不再單純以天然氣為主，與可再生能源進行耦合將成必然趨勢，很多學者提出了多種耦合型CCHP系統(tǒng)，如天然氣與地熱資源耦合[11]、與太陽能資源耦合[12]以及與太陽能和地熱資源耦合[13]等。

3.1.2 熱泵技術

熱泵機組是能效比高的能源利用設備之一，根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用電能、蒸汽等驅(qū)動，通過傳熱工質(zhì)把自然界的空氣、水、土壤或其他低溫熱(冷)源中無法被利用的低品位熱能有效吸收，并將其提升至可用的高品位熱(冷)能加以利用。閉式熱泵系統(tǒng)可分為蒸汽壓縮式、吸收式和吸附式，其中蒸汽壓縮式應用最廣、技術最成熟。根據(jù)供熱溫度，蒸汽壓縮式熱泵可分為傳統(tǒng)熱泵、高溫熱泵和超高溫熱泵，常用的熱泵包括空氣源熱泵、水(地)源熱泵和土壤源熱泵等均為傳統(tǒng)熱泵，盡管在供冷供熱領域中得到廣泛應用，但仍存在一些問題，不少學者對此也進行了研究。

為解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下結(jié)霜、壓縮機頻繁啟停和供熱功率不足的問題，學者們經(jīng)過大量研究提出了噴氣增焓技術以及跨臨界CO2循環(huán)、雙級耦合、復疊式熱泵、能源塔和無霜處理等技術[14]。

高溫和超高溫熱泵主要是為了滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，尤其是有蒸汽需求的工業(yè)領域，超高溫熱泵可以從60～100 ℃余熱中取熱，輸出100 ℃以上的蒸汽[15]，將在未來終端一次能源替代中發(fā)揮重要作用。

3.1.3 太陽能利用技術

綜合智慧能源領域中太陽能的利用主要體現(xiàn)在光伏發(fā)電和光熱利用2個方面，將在能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展過程中發(fā)揮至關重要的作用。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為集中式和分布式2種，集中式系統(tǒng)需要大面積土地，多建設于戈壁、高原和荒漠等場景中；分布式系統(tǒng)則比較靈活，建設場景選擇多樣，并可與多種能源組合，多應用于建筑物頂部，近年來在西北地區(qū)扶貧項目也有較多應用。在太陽能電池方面，鈍化發(fā)射極和背面電池(PERC)、異質(zhì)結(jié)電池(HJT)及隧穿氧化層鈍化接觸電池(TOPCon)3種技術路線在轉(zhuǎn)換效率上不斷突破，鈣鈦礦技術也有較大發(fā)展。在逆變器方面，產(chǎn)品技術縱向向著高電壓、大功率、大電流、大子陣發(fā)展，進一步降低了平準化度電成本(LCOE)；產(chǎn)品技術橫向向著多功能升級，通過智能算法等方法使光伏發(fā)電具備同步發(fā)電機并網(wǎng)能力，實現(xiàn)與火力發(fā)電同等的功能，幫助電網(wǎng)調(diào)頻，使電網(wǎng)更穩(wěn)定。光伏發(fā)電以其靈活的供能效果，與多種應用模式、場景深度結(jié)合，如“光伏+生態(tài)修復”、“光伏+建筑”、“光伏+農(nóng)業(yè)”、“光伏+漁業(yè)”及“光伏+公路”等，隨著行業(yè)技術逐步成熟，光儲融合也在快速發(fā)展[16]。光伏建筑一體化(BIPV)通過光伏組件與建筑材料結(jié)合，推動建筑從耗能向產(chǎn)能、節(jié)能轉(zhuǎn)變。但BIPV組件作為新興事物，其安全性和可靠性仍需提升，針對其建筑材料性能方面的機械強度、能源經(jīng)濟性、隔熱性能、防火性能和降噪性能等標準較少，相關技術規(guī)范仍有待完善[17]。

光熱發(fā)電利用大規(guī)模陣列聚光器收集太陽熱能、加熱工質(zhì)并經(jīng)換熱產(chǎn)生蒸汽，進而推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，光熱發(fā)電方式可分為塔式、槽式、碟式、線性菲涅爾式及向下發(fā)射式。光熱發(fā)電可與儲熱系統(tǒng)結(jié)合，日間日照充足時儲熱，夜晚釋放儲能維持連續(xù)發(fā)電，如將其與火電結(jié)合，能將儲熱、調(diào)峰、連續(xù)發(fā)電等融于一體[18]。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電必要設備多(集熱器+熱交換器+汽輪機+發(fā)電機或集熱器+斯特林發(fā)動機+發(fā)電機)且各環(huán)節(jié)復雜[19]，其投資成本高，行業(yè)門檻相對較高，技術研發(fā)主要集中于輻射吸收材料、涂層、聚光鏡、控制系統(tǒng)和熱循環(huán)等方面。

3.1.4 風能利用技術

對風能的利用主要是通過風力發(fā)電，風電技術的快速發(fā)展使風能成為不可或缺的新能源之一。隨著大容量、長葉片、高塔架、全功率變流、智能控制和大數(shù)據(jù)分析等技術的發(fā)展和大規(guī)模應用[20]，風電機組適應性更強，從陸上風電場發(fā)展到海上風電場，由高速風電場拓展到低速風電場。但集中式大型風電場普遍存在波動性大、可控性差及電網(wǎng)接入存在困難的問題；同時大型風電場所在地區(qū)一般遠離用電區(qū)域，電力就地消納和外送問題使得這些區(qū)域出現(xiàn)“棄風”現(xiàn)象。

海上浮式風力發(fā)電[21]近幾年發(fā)展迅速，其與波浪能的耦合利用彌補了自身能流密度低、不穩(wěn)定、不連續(xù)缺陷；二者還可共享基礎結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)，節(jié)省運維成本，提高能源利用效率，實現(xiàn)海洋能源綜合利用。

隨著風電技術和市場的大規(guī)模發(fā)展，風電數(shù)字化、智能化技術亦得到快速發(fā)展。通過風電場大數(shù)據(jù)收集、智能傳感技術和智能控制技術等可實現(xiàn)風電智能監(jiān)控、風電智能運維、機組故障智能診斷和預警[22]。

我國風電機組仍存在技術支撐不完備情況，雙饋異步發(fā)電、無齒輪箱直驅(qū)發(fā)電、低電壓穿越、變速恒頻運行、全功率變流、風電機組大型化和變槳距控制等技術問題還有待進一步研究[23]。

3.1.5 生物質(zhì)能利用技術

生物質(zhì)能被認為是太陽能等所有可再生能源中最有發(fā)展前景，并成為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源[24]。在諸多生物質(zhì)應用中，生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣(主要含有H2、CO等可燃氣體以及H2O和CO2等)可以直接作為燃料，可轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能等。生物質(zhì)氣化技術主要包括熱解氣化、氣化劑氣化和超臨界水氣化，其中氣化劑氣化中空氣氣化、氧氣氣化、蒸汽氣化和混合氣化等技術應用較多，有學者提出了新型自熱CaO環(huán)生物質(zhì)氣化技術，該技術使用CO2作為氣化劑，合成氣的輸出量可明顯增加[25]。

超臨界水氣化不需要對生物質(zhì)原料進行干燥預處理，反應速率快，降低了氣化成本，節(jié)約了氣化時間，合成氣中H2含量較高，該技術被認為是針對高濕度生物質(zhì)氣化最有前景的技術，但投資成本高、對能源要求高等問題仍有待解決。

3.1.6 氫能技術

氫能將在全球能源新格局中扮演重要角色，氫能的利用可以實現(xiàn)大規(guī)模、高效可再生能源的消納，在一定程度上可替代傳統(tǒng)化石能源。主要的制氫方式包括煤和天然氣等重整制氫、電解水制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫，其他如光熱制氫、光電化學制氫、生物質(zhì)制氫及核能制氫等方式在未來具有規(guī)?；瘽摿Γ^95%的氫氣來自于煤、天然氣等重整制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫，可再生能源電解水制氫還非常有限，尚未實現(xiàn)“綠氫”的真正高效利用[26]。

根據(jù)電解槽系統(tǒng)的不同，電解水制氫技術可分為質(zhì)子交換膜(PEM)電解水技術、堿性電解水技術和固體氧化物(SOEC)電解水技術，其中堿性電解水技術因難以適應可再生能源的快速波動性而難以與可再生能源進行耦合， SOEC電解水技術仍處于技術研發(fā)階段，PEM電解水技術在與可再生能源耦合方面優(yōu)勢明顯，被公認為是制氫領域極具發(fā)展前景的電解制氫技術之一[27]。

3.2 能源輸送技術

3.2.1 電力輸送

傳統(tǒng)電網(wǎng)采用交流電的配電方案，隨著直流技術的發(fā)展，以及直流輸電具備較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及低損耗等優(yōu)點，直流輸配電逐漸成為關注焦點。柔性直流輸電技術是除交流輸電技術和常規(guī)直流輸電技術之外的輸電技術，其以電壓源換流器為核心，具有響應速度快、可控性好和運行方式靈活等特點，適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)和孤島供電等方面[28]。

我國西部地區(qū)可再生資源相對較多、負荷較少，而東部正好相反，國內(nèi)電力資源與負荷需求分布極不匹配，遠距離大容量的特高壓輸電工程不斷增加?；陔娋W(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(LCC-HVDC)技術被廣泛應用在特高壓輸電工程中，但其仍具有逆變站易發(fā)生換相失敗、無功功率消耗大等缺點。而基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)具有可獨立控制有功功率和無功功率、不存在換相失敗、可向無源系統(tǒng)供電等優(yōu)勢；其輸電拓撲中的模塊化多電平換流器直流輸電系統(tǒng)(MCC-HVDC)通態(tài)損耗小、頻率低、擴展性強，具備更好的運行特性，但換流站建設成本高、對于直流故障無法有效處理等問題限制了其在直流輸電工程中的應用[29]。因此，將LCC-HVDC與MCC-HVDC結(jié)合，綜合這2種技術特點，形成LCC-MCC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)，在一些直流輸電場景下比傳統(tǒng)直流及柔性直流技術更有優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景[30]。

盡管特高壓輸電技術在大容量、遠距離電力輸送方面具有較大優(yōu)勢，但仍需要大量輸電走廊。因此，國內(nèi)外諸多學者也在積極研究超導直流輸電技術，通過高溫超導直流輸電提高輸電效率，并充分利用已有輸電通道，實現(xiàn)在更低電壓等級上、更大容量的電力輸送[31-32]，但超導輸電電纜的低溫冷卻問題也需進一步研究。

3.2.2 熱能輸送

熱能包括冷熱水和蒸汽，主要采用埋地或架空管網(wǎng)進行輸送。對于供熱管網(wǎng)本身，其設計、制造和施工等技術已相對成熟，主要是將信息化和智能化技術應用于規(guī)劃設計和運行管理中，解決區(qū)域管網(wǎng)布局優(yōu)化、管網(wǎng)泄露、水力平衡、供熱量計量和巡檢等難題[33]，提高供熱的可靠性和經(jīng)濟性。

3.2.3 氫氣輸送

3批原料采用不同氫氣露點工藝，所得二氧化鉬樣品粒度分布(分散劑為水)如圖2所示，掃描電鏡照片如圖3所示。

氫氣的輸送主要有氣氫、液氫和固氫輸送3種方式[34]。氣氫輸送分為長管拖車和管道輸運2種，我國長管拖車運輸設備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但成本高、效率低；管道運輸具有大規(guī)模、長距離輸送的優(yōu)點，但純氫管道的初投資大，因此對摻氫天然氣管道輸送技術的研究成為熱點[35]。液氫輸送主要分為液氫罐車或?qū)Ｓ靡簹漶g船運輸，適用于大容量、遠距離輸送。我國液氫輸送技術的起步較晚且核心設備進口受限，國內(nèi)仍以氣態(tài)氫儲運技術為主，運輸壓力低于20 MPa，使得氫氣運輸成本高居不下[36]。固氫輸送是通過金屬氫化物存儲氫能，駁船和大型槽車等運輸工具均可以用以運輸固態(tài)氫[36]。

3.3 能源存儲技術

3.3.1 儲電技術

儲電技術主要包括電化學儲能和物理儲能，電化學儲能以鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池和鈉基電池等儲能技術為主，水系鋰離子電池具有繼續(xù)發(fā)展的可能性，部分液流電池已有示范項目落地，鉛蓄電池成本低廉但壽命較短，鈉硫電池的安全性仍是待突破的技術點[37]。物理儲能以抽水蓄能和壓縮空氣儲能為主，飛輪、超導磁儲能以及超級電容器在國內(nèi)均處于示范階段，各自的關鍵技術尚未突破。

3.3.2 儲熱技術

儲熱技術主要分為顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱。大規(guī)模顯熱儲熱應用最廣的是分布式能源系統(tǒng)中的水蓄冷/熱和太陽能光熱發(fā)電中的熔鹽蓄熱系統(tǒng)，但顯熱儲熱材料的儲能密度低，系統(tǒng)裝置龐大；相變潛熱具有較高的儲熱密度，系統(tǒng)裝置簡單，但儲/放熱速率較低，主要應用于小型分布式儲熱領域；熱化學儲熱技術與前2種技術相比具有儲熱密度大及溫度范圍更廣等優(yōu)點，但仍處于實驗室研究階段[38]。

3.3.3 儲氣技術

儲氣技術主要針對氫氣的存儲，可分為物理儲氫、固體儲氫和有機液態(tài)儲氫，其中物理儲氫又可分為低溫液態(tài)儲氫和高壓氣態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫技術成熟、應用廣，但體積容量小、存在泄漏和爆炸等隱患；低溫液態(tài)儲氫技術體積儲氫密度大、純度高，但液化過程耗能大、成本高；固體儲氫技術體積儲氫密度大、操作方便、純度高，但質(zhì)量儲氫密度低、成本高，該技術仍處于研究階段；有機液態(tài)儲氫技術由于純度不高、催化劑易失活和成本高等影響尚未大規(guī)模商業(yè)應用[34]。

3.4 能源消費技術

我國現(xiàn)有的能源消費結(jié)構(gòu)中，煤、油和天然氣的比重仍較大，其能源消耗量大而且利用效率低，綜合智慧能源系統(tǒng)具有多能互補、新能源的高滲透和用戶側(cè)互動等特點，實現(xiàn)了能源的梯級利用、能效提升和低碳排放。

3.5 能源智慧化技術

能源的智慧化貫穿于能源產(chǎn)業(yè)鏈全過程。應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、多目標優(yōu)化及人工智能等技術對能源的生產(chǎn)、調(diào)度、輸配、存儲、銷售和使用等業(yè)務數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)及運維數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、分析和計算，并在此基礎上進行能源預測、多參數(shù)尋優(yōu)處理和閉環(huán)控制，促進能源與信息深度融合，實現(xiàn)能源生產(chǎn)、輸送、消費和管理智慧化[40-41]。

根據(jù)用戶畫像提供有針對性的能源定制化服務，預測用戶負荷需求，提前調(diào)節(jié)能源分配方向和模式，優(yōu)化能源調(diào)度，解決能源平衡問題，并通過智慧能源網(wǎng)及時響應用戶需求，實現(xiàn)能源點對點交易[42]；通過智能分析實時的能源產(chǎn)、輸、用情況，開展故障判斷、預測性維護，提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運行水平；將能源生產(chǎn)、輸送和消費協(xié)調(diào)匹配，通過“虛擬電廠”提供以用戶側(cè)為導向的能源服務，整合能源，對全環(huán)節(jié)進行最優(yōu)調(diào)節(jié)和高效管理，實現(xiàn)多種能源的綜合利用，達到安全、高效、綠色、低碳的能源使用效果；引入傳感技術、云平臺技術、區(qū)塊鏈技術和物聯(lián)網(wǎng)技術等，對區(qū)域內(nèi)設備狀態(tài)、用戶特征、用能負荷等進行分析挖掘和智能預測，加強能源全產(chǎn)業(yè)鏈的信息對接和深度交互，加速能源數(shù)字化、智慧化進程[43]，通過互聯(lián)網(wǎng)+人工智能模式形成數(shù)字化能源托管，建立智慧能源管理中心，實現(xiàn)能源生產(chǎn)到消費的全周期智慧化管理。

4 綜合智慧能源發(fā)展趨勢及建議

“十四五”是我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關鍵階段，是構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”現(xiàn)代能源體系的加速階段。從能源生產(chǎn)到能源消費，能源的綜合智慧化利用貫穿行業(yè)源-網(wǎng)-荷-儲等多個環(huán)節(jié)，提高能源綜合利用水平，推動能源智慧化轉(zhuǎn)型勢必成為能源發(fā)展的趨勢。

能源生產(chǎn)技術的發(fā)展趨勢如下：推動燃氣輪機設備的國產(chǎn)化，推動高能效、低排放、耦合可再生能源的CCHP系統(tǒng)的應用，加強系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性；解決空氣源熱泵低溫環(huán)境下的突出問題，加大制冷劑、壓縮機和超臨界CO2等技術及設備的研究，推動高溫和超高溫熱泵在工業(yè)領域的應用，實現(xiàn)高效電能替代；推進光伏和風電技術的升級，提高轉(zhuǎn)換效率，探索化合物半導體和有機體材料的光電轉(zhuǎn)換材料，加大應用場景的研究；合理選擇生物質(zhì)氣化技術應用場景，降低超臨界水氣化成本，探索自然CaO環(huán)生物質(zhì)氣化技術；加快推動電解水制氫關鍵技術和核心設備的國產(chǎn)化，提高可再生能源制氫的比重，實現(xiàn)“綠氫”的高效利用。

能源輸送技術的發(fā)展趨勢如下：加強柔性直流輸電、LCC-MCC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)和高溫超導直流輸電等關鍵技術及換流器等核心設備的研究；推動氫氣輸送關鍵設備的國產(chǎn)化，加大摻氫天然氣管道輸送技術的研究。

能源存儲技術的發(fā)展趨勢如下：降低液流電池的成本，提升運行效率，推動壓縮空氣儲能與新能源的耦合；推動相變儲熱和熱化學儲熱材料的研究。

能源消費技術的發(fā)展趨勢如下：加強綜合智慧能源系統(tǒng)在建筑、交通及工業(yè)等領域的滲透，加快推進熱泵、余熱回收和換電等技術的應用，實現(xiàn)終端電能替代；推動“零能耗”建筑的示范和應用，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。

能源智慧化技術的發(fā)展趨勢如下：加強對能源用戶行為的捕捉和需求感知力度，提高對用戶信息和數(shù)據(jù)的解析能力；打破不同品種能源數(shù)據(jù)壁壘，統(tǒng)一能源行業(yè)通信協(xié)議標準，搭建智慧能源一體化大平臺；解決云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等關鍵技術問題，推動智慧能源系統(tǒng)集成創(chuàng)新與融合應用。

針對綜合智慧能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析，提出以下建議：

(1) 加強綜合智慧能源系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃。結(jié)合我國“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃，積極推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中綜合智慧能源布局，加快關鍵技術的研究及成果轉(zhuǎn)化，推進智慧城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)和集群樓宇等典型場景的綜合智慧能源開發(fā)、建設和服務。

(2) 推動關鍵技術及設備的國產(chǎn)化。為加快能源發(fā)展步伐，提高能源安全性，應加快推進區(qū)塊鏈、儲能、燃氣輪機和質(zhì)子交換膜等關鍵技術和設備的國產(chǎn)化及知識產(chǎn)權布局。

(3) 促進綜合智慧能源市場完善。我國綜合智慧能源市場需求多、分布廣，應大力推進與市場相關的制度規(guī)范、開發(fā)建設、電力交易和運營供應等方面不斷完善，構(gòu)建有序、健全的綜合智慧能源市場。

(4) 推動用戶側(cè)能源服務發(fā)展。綜合智慧能源系統(tǒng)的發(fā)展將面對更多元、更靈活的服務場景和終端用戶，應創(chuàng)新能源服務模式，根據(jù)用戶需求提供定制化能源解決方案，為用戶提供綠色、低碳、節(jié)能、生態(tài)、智慧的能源供應和增值服務。

5 結(jié) 語

綜合智慧能源系統(tǒng)將化石能源與可再生能源有機結(jié)合，通過能源生產(chǎn)技術、能源輸送技術、能源存儲技術、能源消費技術和能源智慧化技術等關鍵技術的研發(fā)與應用，實現(xiàn)由以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)向以清潔能源為主、化石能源為輔的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以及以集中式能源為主的供應模式向以分布式與集中式并重的供應模式轉(zhuǎn)變。

大力發(fā)展綜合智慧能源系統(tǒng)，通過過程中的橫向互補和縱向協(xié)調(diào)，構(gòu)建能源多元供應體系，提高綜合智慧能源系統(tǒng)綠色低碳水平，增強能源供應保障安全。

同時，綜合智慧能源系統(tǒng)的推廣將推動能源消費升級，圍繞用戶需求的能源服務將進一步提高能源利用效率，降低用能成本。在“碳中和”背景下，綜合智慧能源系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。