毫無(wú)疑問(wèn)，氣候變化很大程度上導(dǎo)致了北半球最近出現(xiàn)的空前熱浪、洪水和龍卷風(fēng)。諸如此類的極端氣候影響是今年7月23日舉行的二十國(guó)集團(tuán)（G20）能源與氣候聯(lián)合部長(zhǎng)會(huì)議的一個(gè)主要議題，這也促使《能源與氣候部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議聯(lián)合公報(bào)》的發(fā)布?！豆珗?bào)》強(qiáng)調(diào)了分布式能源在應(yīng)對(duì)氣候和能源安全挑戰(zhàn)方面的重要性。面對(duì)日益頻繁的氣候?yàn)?zāi)害，分布式能源可以緩解、抵御氣候變化的影響，提高能源系統(tǒng)安全性。
然而，許多電力公用事業(yè)仍在努力理解分布式能源融入更廣泛能源領(lǐng)域的機(jī)制。什么是分布式能源？如何利用分布式能源提高電網(wǎng)可靠性和節(jié)省能源成本？分布式能源值得如此大費(fèi)周章嗎？
分布式能源可以生產(chǎn)、存儲(chǔ)能源，或者根據(jù)能源類型管理其能耗量?！胺植际侥茉促Y源”一詞涵蓋了一系列與終端用戶密切相關(guān)的技術(shù)，如能源效率和需求響應(yīng)解決方案、太陽(yáng)能光伏組件和電池等。分布式能源有時(shí)被更狹義地定義為“節(jié)能省電措施”。節(jié)能省電措施有些像黑匣子，這些措施只能使電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商或公用事業(yè)獲得較低的透明度。
雖然能源效率和需求響應(yīng)解決方案并不新鮮，但屋頂太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車最近在一些國(guó)家推動(dòng)了分布式能源的增長(zhǎng)。國(guó)際能源署（IEA）估計(jì)，2017～2020年，全球分布式太陽(yáng)能發(fā)電增加了1790億瓦。中國(guó)和美國(guó)貢獻(xiàn)了幾乎一半的新增裝機(jī)容量。電動(dòng)汽車庫(kù)存自2017年以來(lái)增長(zhǎng)了兩倍，2020年超過(guò)1100萬(wàn)輛。目前近80%的電動(dòng)汽車在中國(guó)和歐洲。預(yù)計(jì)今后幾年這些趨勢(shì)將在更多國(guó)家延續(xù)。
分布式能源通過(guò)多種方式落實(shí)脫碳，特別是支持燃料轉(zhuǎn)換。分布式太陽(yáng)能可以取代化石燃料發(fā)電，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)了道路交通動(dòng)力從石油到電力的規(guī)?；D(zhuǎn)變。隨著清潔可再生電力供應(yīng)規(guī)模的增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車和其他電氣化解決方案可以將其應(yīng)用擴(kuò)展到新的行業(yè)。根據(jù)IEA的凈零情景，全球電動(dòng)汽車銷量將增長(zhǎng)18倍，從300萬(wàn)輛增至5600萬(wàn)輛。此外，到2030年，大約有6億臺(tái)熱泵將提供清潔供暖，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電量將翻兩番以上，到2030年底達(dá)到6330億瓦。
分布式能源的迅速普及
給老舊電網(wǎng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)
絕大部分按照上世紀(jì)電力系統(tǒng)制式建造的電網(wǎng)，往往已經(jīng)運(yùn)行了幾十年。這些電網(wǎng)承載的電力由大型中央發(fā)電機(jī)發(fā)出，通過(guò)輸電電網(wǎng)只能沿一個(gè)方向向用戶輸送。電力需求穩(wěn)定，電價(jià)無(wú)彈性；電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)是大型發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)故障。這種情況下，了解消費(fèi)者需求模式的動(dòng)機(jī)有限，因此保障措施只是對(duì)電線進(jìn)行了足夠的加固，來(lái)應(yīng)對(duì)高峰負(fù)荷。
自分布式能源問(wèn)世以來(lái)，電力格局一直在發(fā)生變化。越來(lái)越多的電力是由與天氣有關(guān)的多變可再生能源生產(chǎn)的，這就需要增加電力系統(tǒng)的靈活性，確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)以滿足需求。例如，通過(guò)儲(chǔ)能使太陽(yáng)能發(fā)電滿足夜間的電力需求。分布式發(fā)電以雙向流動(dòng)的電力對(duì)公用事業(yè)提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)。如當(dāng)電力從消費(fèi)者持有的分布式太陽(yáng)能發(fā)電流向電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)使電網(wǎng)過(guò)載，導(dǎo)致電網(wǎng)擁堵更加頻繁。
終端設(shè)備的電氣化會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)。大部分能源消費(fèi)者遵循固定的生活軌跡，比如在晚上的同一時(shí)間下班回家。當(dāng)大量的上班族給他們的電動(dòng)汽車充電并打開電動(dòng)熱泵時(shí)，電力需求就會(huì)激增并使電網(wǎng)不堪重負(fù)。一項(xiàng)關(guān)于紐約電動(dòng)汽車部署的成本效益分析顯示，2017～2030年，除非高峰需求得到平緩并分布在非高峰時(shí)段，電動(dòng)汽車充電可能需要在全州范圍內(nèi)增加約23億美元的電網(wǎng)升級(jí)和發(fā)電成本。
所有這些新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)都應(yīng)該促使電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商積極主動(dòng)地管理網(wǎng)絡(luò)并采取節(jié)能減電舉措。然而，許多運(yùn)營(yíng)商缺乏對(duì)單個(gè)分布式能源的預(yù)見性和可控性。電力消耗正變得越來(lái)越不穩(wěn)定，特別是消費(fèi)者會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)價(jià)格波動(dòng)作出反應(yīng)，并在電價(jià)較為便宜的時(shí)候用電。屋頂光伏和其他可再生能源會(huì)為預(yù)測(cè)消費(fèi)模式增加額外的復(fù)雜性。比如，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在光伏發(fā)電無(wú)法滿足需求的情況下，制訂一定時(shí)段的計(jì)劃較為困難。
數(shù)字化可以將分布式能源
轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的電網(wǎng)資產(chǎn)
開發(fā)分布式能源面臨的眾多挑戰(zhàn)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即分布式能源在很大程度上是“不可預(yù)見的”，也不能被電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商控制，這意味著很難將其集成到電網(wǎng)的整體運(yùn)行中。數(shù)字化使問(wèn)題迎刃而解。智能數(shù)字解決方案使分布式能源的所有者能實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理他們的資源。這可以幫助電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商更為密切地監(jiān)控和干預(yù)分布式能源的運(yùn)行，提高分布式能源對(duì)電網(wǎng)的整體價(jià)值。數(shù)字化尤其強(qiáng)大，因?yàn)樗梢詮膯蝹€(gè)設(shè)備擴(kuò)展到建筑物、社區(qū)，甚至更大區(qū)域的任何聚合層次。
并網(wǎng)的電阻熱水器可以更好地管理電加熱。它們可以快速調(diào)整電力負(fù)荷，使每日能源消耗與太陽(yáng)能發(fā)電相匹配，并在不對(duì)消費(fèi)者造成任何明顯干擾的情況下，在緊急情況下減少高峰需求。智能熱泵熱水器反應(yīng)較慢，但可以幫助管理日常的用能需求，并能產(chǎn)生比消耗量多達(dá)2.5～3倍的能源（見圖1、圖2）。
先進(jìn)的逆變器可以幫助緩解屋頂太陽(yáng)能發(fā)電引起的電網(wǎng)問(wèn)題。當(dāng)配備了先進(jìn)的逆變器，太陽(yáng)能裝置可以調(diào)整其發(fā)電速率，以減少電網(wǎng)擁堵，并可以在電網(wǎng)輕微擾動(dòng)的情況下保持在線。當(dāng)大量太陽(yáng)能裝置同時(shí)過(guò)早地與電網(wǎng)斷開連接時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。2006年，這樣的一系列事件導(dǎo)致了歐洲有史以來(lái)最大的停電——“11·4”大停電事故，歐洲大陸有1500多萬(wàn)家庭經(jīng)歷了停電。
無(wú)需贅言，電池，包括電動(dòng)汽車的電池，是一種多功能資源。電池可為客戶和電網(wǎng)提供多達(dá)13項(xiàng)共同收益。家庭電池匹配使消費(fèi)者能夠充分使用屋頂太陽(yáng)能提供的低成本清潔能源。這些優(yōu)點(diǎn)使電池儲(chǔ)能對(duì)于新興的虛擬電廠項(xiàng)目不可或缺。
網(wǎng)格交互高效建筑集成了一系列的分布式能源，可以優(yōu)化建筑能源“消耗”，成為對(duì)電網(wǎng)有價(jià)值的資產(chǎn)。最近的一項(xiàng)研究估計(jì)，如果美國(guó)大約9000座的公共建筑升級(jí)為網(wǎng)格交互式建筑，每年可以為用戶帶來(lái)高達(dá)7000萬(wàn)美元的價(jià)值。
虛擬電廠可以聚合大范圍分散的分布式能源，并為每個(gè)網(wǎng)格提供服務(wù)。諸如人工智能的先進(jìn)優(yōu)化算法，使虛擬電廠能夠在保持電網(wǎng)可靠性和滿足客戶偏好的同時(shí)，為分布式能源所有者創(chuàng)造價(jià)值。澳大利亞正在開發(fā)的世界上最大的虛擬電廠項(xiàng)目，包括5萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能和電池系統(tǒng)。
數(shù)字化“孤掌難鳴”
電力系統(tǒng)的各個(gè)方面都需要改造
即使配備了數(shù)字技術(shù)，分布式能源仍然會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)挑戰(zhàn)。除非分布式能源所有者受到激勵(lì)或強(qiáng)制，否則他們幾乎沒(méi)有理由考慮自己的設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的整體影響。補(bǔ)貼和法規(guī)可以鼓勵(lì)分布式能源所有者通過(guò)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)網(wǎng)格狀態(tài)的方式，更好地定位和操作他們的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多贏。
補(bǔ)貼有助于使分布式能源所有者的利益與電網(wǎng)的需求保持一致，提高電網(wǎng)可靠性和分布式能源的經(jīng)濟(jì)效益。電價(jià)設(shè)計(jì)可以保證分布式能源的創(chuàng)收依據(jù)具體時(shí)間和地點(diǎn)獲得公平的報(bào)酬。監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以促進(jìn)小型分布式能源的聚集和其對(duì)電力批發(fā)市場(chǎng)的參與。激勵(lì)計(jì)劃還可以促進(jìn)公用事業(yè)公司購(gòu)買分布式能源，來(lái)替代昂貴的電網(wǎng)升級(jí)。
法規(guī)可以引入最低要求來(lái)維護(hù)電網(wǎng)的可靠性。數(shù)據(jù)收集規(guī)則可以改善對(duì)分布式能源的監(jiān)督，而不會(huì)給其所有者帶來(lái)沉重的成本負(fù)擔(dān)。例如，當(dāng)需要向電網(wǎng)減少輸送能源時(shí)，監(jiān)管也有助于限制危機(jī)的影響。通常有兩套不同的規(guī)則管理著發(fā)電方和消費(fèi)者。定制的電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)則可以助力生產(chǎn)端和消費(fèi)端優(yōu)化高度可控電池的使用。
電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要數(shù)字化管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)施補(bǔ)償方案和執(zhí)行規(guī)則。高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施成為首批大規(guī)模部署的此類解決方案之一。分布式能源管理系統(tǒng)可以有效地注冊(cè)和管理分布式能源同時(shí)，解決數(shù)據(jù)隱私和網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題同樣至關(guān)重要。
需要強(qiáng)調(diào)的是，新能源生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性不應(yīng)損害分布式能源的可持續(xù)增長(zhǎng)，分布式能源是凈零能源轉(zhuǎn)型的主要?jiǎng)恿?。此外，積極動(dòng)員處于能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中心的消費(fèi)者也是必不可少的。分布式能源的技術(shù)、法規(guī)和業(yè)務(wù)模型的持續(xù)發(fā)展將繼續(xù)提出新的解決方案和挑戰(zhàn)。隨著分布式能源的不斷發(fā)展，國(guó)際能源署將繼續(xù)與世界各國(guó)合作，通過(guò)推進(jìn)數(shù)字化需求驅(qū)動(dòng)電力網(wǎng)絡(luò)倡議（3DEN），幫助制定應(yīng)對(duì)該領(lǐng)域多變挑戰(zhàn)的最優(yōu)化、最具創(chuàng)新性的解決方案。
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數(shù)字化需求驅(qū)動(dòng)電力網(wǎng)絡(luò)倡議（3DEN）
數(shù)字需求驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)(Digital Demand-Driven Electricity Networks)是一項(xiàng)為期四年的跨結(jié)構(gòu)倡議，旨在通過(guò)政策、監(jiān)管、技術(shù)和投資指導(dǎo)，加快推進(jìn)電力系統(tǒng)現(xiàn)代化和分布式能源的有效利用。該項(xiàng)目在2019年氣候行動(dòng)峰會(huì)的背景下制定，旨在加強(qiáng)全球清潔能源行動(dòng)，以應(yīng)對(duì)氣候變化。
根據(jù)3DEN倡議，國(guó)際能源署將利用來(lái)自整個(gè)機(jī)構(gòu)和世界各地的分析、案例研究和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)和傳播可行的項(xiàng)目工具和指導(dǎo)。3DEN將與相關(guān)組織合作，將不同的利益相關(guān)者聚集在一起，促進(jìn)對(duì)話和分享經(jīng)驗(yàn)，包括國(guó)際智能電網(wǎng)行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、清潔能源部長(zhǎng)會(huì)議、任務(wù)創(chuàng)新和以用戶為中心的能源系統(tǒng)、建筑和社區(qū)能源以及節(jié)能終端設(shè)備技術(shù)合作項(xiàng)目。
3DEN倡議的初步涵蓋重點(diǎn)包括巴西、哥倫比亞、印度、印度尼西亞、摩洛哥、南非、突尼斯，以及拉丁美洲、非洲和東盟等關(guān)鍵地區(qū)。
本文刊載于《中國(guó)電力企業(yè)管理》2021年09期，作者Doyob Kim系IEA能源效率分析師，Alyssa Fischer系IEA前能源效率政策分析師，編譯者系本刊記者
