隨著全球新一輪能源革命的不斷深化，當前以化石能源為主的供能模式將發(fā)生重大變革，能源結構向多元化轉(zhuǎn)型，提高能源利用效率，實現(xiàn)多種能源形式協(xié)同互補利用成為應對氣候變化、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的必然選擇。然而，電、熱/冷、氣等不同類型供能系統(tǒng)的互聯(lián)存在負荷需求峰谷交錯、設備能效低下問題；太陽能、風能等波動性能源存在并網(wǎng)接入困難、成本過高和難以控制等特點；能源系統(tǒng)在需求預測和能源管理方面技術發(fā)展不足；大規(guī)模儲能技術尚未發(fā)展至廣泛應用階段；能源系統(tǒng)終端用能部門的耦合尚不成熟。因此，因地制宜、貼近用戶，將多種能源互相補充和梯級利用，形成多能互補系統(tǒng)，發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢和潛能，是緩解能源供需矛盾，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置和能源利用最大化的可靠途徑。
一、美國推進電網(wǎng)現(xiàn)代化，提出核能-可再生能源復合能源系統(tǒng)新概念
當前，世界主要發(fā)達國家及地區(qū)都制定了符合國情的多能互補系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略和實施舉措。美國2015年起提出“電網(wǎng)現(xiàn)代化計劃”并發(fā)布多年期資助計劃，成立電網(wǎng)現(xiàn)代化實驗室聯(lián)盟，將傳統(tǒng)能源與可再生能源、儲能和智能建筑整合以建立靈活、可靠、安全的現(xiàn)代電網(wǎng)。美國通過“太陽能攻關計劃”（SunShot）及其后續(xù)“SunShot 2030”計劃，推進太陽能的電網(wǎng)集成解決方案，2009年至2018年共投入超過4.2億美元資助相關項目。另外，美國還致力于發(fā)展核能-可再生能源復合能源系統(tǒng)（圖1），2016年制定了核能-可再生能源復合能源系統(tǒng)技術發(fā)展計劃，目標是到2030年實現(xiàn)此類系統(tǒng)的試點示范。
二、歐盟確定2050年愿景及2030年路線圖構建未來綜合能源系統(tǒng)
歐盟2010年成立歐盟能源研究聯(lián)盟（EERA）推進“能源系統(tǒng)集成”和“智能電網(wǎng)”相關研究。在2015年升級的“戰(zhàn)略能源技術規(guī)劃”（SET-Plan）中，提出發(fā)展可再生能源并將其集成至歐洲能源網(wǎng)絡，以及構建以能源用戶為中心的歐洲未來能源系統(tǒng)。在SET-Plan計劃框架下，歐盟創(chuàng)建了歐洲能源轉(zhuǎn)型智能網(wǎng)絡技術與創(chuàng)新平臺（ETIP SENT），于2018年提出了綜合能源系統(tǒng)2050愿景，即建立低碳、安全、可靠、靈活、經(jīng)濟高效、以市場為導向的泛歐綜合能源系統(tǒng)，并在2020年陸續(xù)發(fā)布了綜合能源系統(tǒng)2030年路線圖及第一階段（2021-2024年）的實施計劃（圖2）。2020年7月，歐盟發(fā)布《能源系統(tǒng)集成戰(zhàn)略》，重點強調(diào)以能效為核心的循環(huán)能源系統(tǒng)、擴大終端用能電氣化以及在難以電氣化的部門提倡使用清潔燃料，且將實施38項行動以加速能源系統(tǒng)集成。
圖2歐盟綜合能源系統(tǒng)2050愿景及關鍵舉措
三、日本倡導以氫能為基礎、通過發(fā)展智慧社區(qū)構建新型綜合能源體系
日本在2016年發(fā)布的《能源環(huán)境技術創(chuàng)新戰(zhàn)略》中提出利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、先進傳感和IoT技術構建多種智能能源集成管理系統(tǒng)。同時，日本高度重視將氫能納入到未來的綜合能源體系中，提出建立以氫能為基礎的二次能源結構，構建多維、多元、柔性的能源供需體系。日本政府倡導發(fā)展智能社區(qū)，根據(jù)當?shù)刭Y源特點，在綜合能源系統(tǒng)（電力、燃氣、熱力、可再生能源等）基礎上實現(xiàn)與建筑、交通、供水、信息的一體化集成，從2010年開始在多地推行智能社區(qū)綜合能源系統(tǒng)示范，并在2016年提出“福島系能源社會”計劃，通過在福島推廣可再生能源、構建氫能社會模式、建立智慧社區(qū)以構建新型的能源系統(tǒng)（圖3）。
圖3福島新型能源系統(tǒng)構想
四、多能互補系統(tǒng)關鍵技術及進展
多能互補系統(tǒng)涉及多種能源形式的有機耦合和終端用能的優(yōu)化整合，還需在系統(tǒng)管理環(huán)節(jié)確保效率、靈活性和供應安全，其關鍵技術包括分布式能源、多能混合建模、綜合能量管理系統(tǒng)、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)、儲能技術等。
1、分布式能源是小規(guī)模的能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)，通常會按照負荷的特點，注重能源的梯級利用，實現(xiàn)電、熱（冷）等多種形式供能，能源利用率高、供能靈活、個性化強，可滿足多重用戶需求，是集中式供能的有力補充。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）是典型的分布式能源系統(tǒng)，近年來逐漸向多種可再生能源與常規(guī)天然氣聯(lián)供系統(tǒng)相結合的綜合系統(tǒng)發(fā)展。
2、多能混合建模描述了不同類型能源的運行和互補轉(zhuǎn)化，確定了能量流分布，是多能互補集成優(yōu)化和其他關鍵技術的基礎。目前受到廣泛認可的多能互補系統(tǒng)通用建模方法是能量樞紐（Energy Hub），許多研究者針對EH的輸入、轉(zhuǎn)換、儲存和輸出四個方面進行了優(yōu)化和改進。
3、綜合能量管理系統(tǒng)是多能互補系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要保障，通過信息流調(diào)控能量流來保障多能互補系統(tǒng)安全高效運行，國內(nèi)外在多能互補系統(tǒng)綜合能量管理方面的研究尚未形成基礎理論體系，也缺乏成熟的系統(tǒng)應用研究。
4、多能互補系統(tǒng)中存在多種形式的能源，因此需要協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行?；诙嘀悄芟到y(tǒng)的分布式協(xié)同控制是實現(xiàn)多能互補系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的重要途徑，需考慮不同能源形式的多時間和空間尺度的協(xié)同調(diào)度策略。針對多能互補系統(tǒng)的能量優(yōu)化調(diào)度研究目前尚未形成體系，需要針對復雜能源網(wǎng)絡下的各種能源系統(tǒng)的運行及生產(chǎn)調(diào)度進行研究，其本質(zhì)是復雜網(wǎng)絡有約束的規(guī)劃問題。
5、儲能技術是促進多能互補系統(tǒng)發(fā)展的關鍵支撐技術，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池儲能等電力儲存以及儲熱技術等。不同儲能方式各有特點，因此適用于不同場景。抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能通?？捎糜陔娋W(wǎng)的削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻，超導磁儲能和超級電容器則可用于改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定輸出，儲熱技術則可解決綜合能源系統(tǒng)中的熱需求和供給的不平衡，平抑需求側(cè)的熱負荷波動。未來多能互補系統(tǒng)中，更為廣義的儲能還包括通過車輛到電網(wǎng)技術將電動汽車作為儲能單元，以及通過新能源發(fā)電進行電解水制氫，將氫氣作為儲能的介質(zhì)，注入氣網(wǎng)進行供熱或通過燃料電池為交通網(wǎng)絡提供動力，起到消納可再生能源、調(diào)節(jié)供需的作用，實現(xiàn)電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、冷/熱網(wǎng)和交通網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡的耦合。
五、我國發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議
我國以化石能源為主的能源結構導致了碳排放超標、顆粒物污染等環(huán)境問題，擴大清潔能源的開發(fā)是目前我國能源發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向，迫切需要發(fā)展多能互補技術以改革能源供給側(cè)結構，構建現(xiàn)代能源體系。因此，我國政府對多能互補系統(tǒng)的開發(fā)日益重視，先后出臺一系列支持政策，啟動重大研發(fā)項目開展技術研究，并部署了一批多能互補集成優(yōu)化示范工程和“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項目。
然而，我國在多能互補系統(tǒng)的研究開發(fā)及工程應用方面均面臨許多挑戰(zhàn)，在多能互補系統(tǒng)的規(guī)劃設計、多能流建模、綜合能量管理及協(xié)調(diào)優(yōu)化方面均與發(fā)達國家有一定差距，在多種類型多能互補系統(tǒng)的示范應用方面才剛剛起步。因此，需進一步從基礎研究、產(chǎn)業(yè)政策、基礎設施、財政補貼、國際交流等方面采取措施，爭取盡快實現(xiàn)多能互補系統(tǒng)的大范圍應用，構建智能、可靠、靈活、低碳的現(xiàn)代能源體系。具體建議包括：
（1）注重一體化、智能化的多能互補系統(tǒng)頂層架構設計和區(qū)域多樣化系統(tǒng)方案開發(fā)；
（2）政府部門出臺多層次支持政策和做好規(guī)劃協(xié)調(diào)，促進多能互補系統(tǒng)發(fā)展；
（3）技術研發(fā)上高度關注信息技術和能源技術深度融合的智慧能源技術；
（4）大力發(fā)展多能互補系統(tǒng)相關基礎設施；
（5）加強國際合作與交流，分享成功案例和經(jīng)驗。
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本文摘選自《國際科學技術前沿報告2019》“第5章多能互補系統(tǒng)國際發(fā)展態(tài)勢分析”。
