中國儲能網(wǎng)訊：未來的微型電網(wǎng)將使用更多來自可再生能源的能源，并將以更低的成本提供越來越可靠的電力。最終，這將把更多的電力擴展到偏遠地區(qū)，并支持更有彈性的電網(wǎng)社區(qū)和工業(yè)。
政策制定者總結
為什么是基于可再生能源的微型電網(wǎng)？
基于可再生能源的微型電網(wǎng)為缺乏現(xiàn)代能源服務的農(nóng)村和偏遠地區(qū)的社區(qū)提供清潔能源。與太陽能家庭服務系統(tǒng)相比，微型電網(wǎng)可以提供更高水平的服務，除了照明等基本服務外，還可以促進能源的生產(chǎn)性使用。在有主電網(wǎng)的地區(qū)，微型電網(wǎng)可以連接到主電網(wǎng)，以提供更可靠、更清潔和成本競爭力的替代方案，包括為需要大量電力的消費者。
基于可再生能源的微型電網(wǎng)，或可再生微型電網(wǎng)，是混合小型電網(wǎng)，很大一部分用于產(chǎn)生它們分配的電力。在能源需求沒有得到滿足、電網(wǎng)擴展不是一種成本效益高的替代方案的地區(qū)，可再生微型電網(wǎng)作為能源解決方案繼續(xù)獲得發(fā)展勢頭?？稍偕⑿碗娋W(wǎng)正在達到成熟，其提高了可靠性，降低了環(huán)境影響，加強了當?shù)貙δ茉词褂玫目刂疲⒊掷m(xù)降低了成本。它們照亮偏遠社區(qū)，使孤立地區(qū)的工業(yè)成為可能，并在主電網(wǎng)故障時提供備份。未來的微型電網(wǎng)將使用更多來自可再生能源的能源，并將以更低的成本提供越來越可靠的電力。最終，這將把更多的電力擴展到偏遠地區(qū)，并支持更有彈性的電網(wǎng)社區(qū)和工業(yè)。
可再生微型電網(wǎng)代表著一個不斷增長的市場，每年的價值可能超過2000億美元?？稍偕茉纯梢耘c柴油燃料的容量混合，將50-250千兆瓦（GW）的容量轉換為混合動力微型電網(wǎng)。自主可再生微型電網(wǎng)限制了使用電線桿和電線連接社區(qū)和主電網(wǎng)的需要，互聯(lián)可再生微型電網(wǎng)可能減少集中公用事業(yè)網(wǎng)絡的負擔，甚至支持。根據(jù)當?shù)厍闆r，使用不同類型的可再生能源技術，會影響可再生微型電網(wǎng)的設計?，F(xiàn)有的柴油微型電網(wǎng)已經(jīng)進行了改造，以主要通過增加與存儲解決方案集成的太陽能光伏（PV）發(fā)電的份額來抵消燃料的供應。
小型水電（SHP）和生物質(zhì)發(fā)電的裝機容量，盡管農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)有75G兆瓦和生物質(zhì)發(fā)電仍然是相對未開發(fā)的小型電網(wǎng)解決方案。在有水電和生物質(zhì)資源的地區(qū)，SHP和生物能源可以為社區(qū)能源需求提供基本負荷，而不需要短期儲存。然而，資源可用性的季節(jié)性是這兩種選擇需要考慮的一個問題。小型風能可以集成到小型電網(wǎng)中，補充光伏系統(tǒng)的發(fā)電模式。創(chuàng)新將通過逐步提高可再生能源的普及率，促進向100%可再生微型電網(wǎng)的過渡。
該報告向能源部門的決策者和其他利益相關者通報了可再生微型電網(wǎng)的技術發(fā)展。它還討論了這些技術的發(fā)展如何使可再生小型電網(wǎng)加快商業(yè)化和大規(guī)模部署。本報告中所載的信息有助于各國通過擴大其可再生能源選擇來支持其國家目標。決策者還將在本報告中發(fā)現(xiàn)，這是一個關于有效執(zhí)行旨在向可持續(xù)能源制度過渡的激勵方案和政策行動的討論。
什么是微電網(wǎng)？
微型電網(wǎng)可以為不同的服務水平提供電力，根據(jù)需求進行定制。
小型電網(wǎng)是具有負荷和能源資源的綜合能源基礎設施。微型電網(wǎng)技術的核心功能是：發(fā)電、蓄電、控制、管理和測量（CMM）；轉換和消耗。圖S1展示了一個可再生的微型網(wǎng)格的例子。規(guī)劃和設計有助于在施工前和運行期間將其他五種功能連接在一起。
圖S1：微電網(wǎng)功能
迷你網(wǎng)格可以根據(jù)其與網(wǎng)格的連接和所提供的服務水平進行分類。一個可再生的微型電網(wǎng)可以相互連接到主電網(wǎng)，或者獨立于鄰近的電網(wǎng)，在這種情況下，它被認為是自主的。可再生的微型電網(wǎng)可以提供不同水平的服務，從僅提供照明等基本服務到更高水平的服務，如滿足商業(yè)能源需求。表S1提供了這些類別的概述。
部署微電網(wǎng)
提供基本服務的自主小型電網(wǎng)系統(tǒng)被廣泛部署。相互連接的微型網(wǎng)格仍在出現(xiàn)。在非洲和拉丁美洲等地區(qū)，小型電網(wǎng)具有巨大的未開發(fā)潛力。
這份名為《創(chuàng)新展望：可再生微型電網(wǎng)》的報告發(fā)現(xiàn)，提供基本服務的自主微型電網(wǎng)已經(jīng)接近成熟，并正在全球部署。提供更高服務水平的自主可再生微型電網(wǎng)正在世界大多數(shù)地區(qū)進行測試?；ヂ?lián)微型電網(wǎng)的部署有限，大多數(shù)實施的系統(tǒng)集中在北美和東亞。
表S1：微電網(wǎng)的類型
表S2：不同類型的微電網(wǎng)的部署狀態(tài)
創(chuàng)新在規(guī)模擴張中起著至關重要的作用
未來的可再生能源微型電網(wǎng)需要在規(guī)劃和設計階段，以及在微型電網(wǎng)的每一個功能方面進行技術進步：從發(fā)電到消費，以及跨電力存儲、電力轉換和CMM技術。每個功能都需要改進，以釋放成本降低、響應社會需求和保護環(huán)境資源。
本報告對這些開創(chuàng)性的創(chuàng)新進行了令人興奮的研究，這些創(chuàng)新可以帶頭加快部署具有更大可再生能源份額的微型電網(wǎng)，作為未來有競爭力的能源供應選擇之一。今天的研發(fā)（研發(fā)）和早期商業(yè)化預計將產(chǎn)生創(chuàng)新，使可再生微型電網(wǎng)更環(huán)保，降低成本，提高其可靠性。這些創(chuàng)新預計將導致在未來20年里更容易地部署可再生礦物材料。本出版物中所述的研發(fā)創(chuàng)新為我們提供了解決當今可再生微型電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)的關鍵方法。
盡管并非本出版物中所述的所有研究都能在2035年之前實現(xiàn)運營解決方案，但這些創(chuàng)新有可能幫助可再生微型電網(wǎng)達到臨界質(zhì)量，并進一步實現(xiàn)微型電網(wǎng)將只使用可再生能源進行發(fā)電的過渡。以下列出了目前在實驗室中正在進行的一些研究課題和技術發(fā)展，并在本出版物中進行了詳細的討論：
規(guī)劃和設計方面的創(chuàng)新降低了成本，簡化了可再生微型電網(wǎng)的實施。目前，這一領域的研發(fā)部門正在努力加強設計和規(guī)劃的工具，以增加負荷數(shù)據(jù)的可用性，并降低可再生能源評估的成本。
CMM的創(chuàng)新使可再生微型電網(wǎng)的運行更容易、更可靠。在許多其他研究中，一些目前正在確定的研究項目的重點是進行更智能的短期和長期控制，以及風能和太陽能預測，調(diào)整計量技術，改進通信技術和互操作性標準，以及簡化技術的集成。
存儲方面的創(chuàng)新提高了資源的使用效率和更可靠的操作，在所有重大影響領域產(chǎn)生了強大的效益。本出版物討論了改進電池的研究努力，如使用更便宜和更豐富的材料來制造鋰離子電池，較低的維護要求，或可以處理資源可用性的季節(jié)性變化的存儲
逆變器、整流器和轉換器的創(chuàng)新減少了電力損失，并提供了一個集成可再生微型電網(wǎng)組件的硬件平臺，這可以簡化設置和降低成本。確定的轉換研究包括部分輸出高效的新轉換器設計，將不同的功能組合成逆變器，或者，其中，改進不同可再生微型電網(wǎng)市場的模塊化。
消費方面的創(chuàng)新降低了能源需求，產(chǎn)生了環(huán)境和成本效益。本出版物討論了更有效的設備，特別是在遠程能源接入市場，為直流電（DC）電網(wǎng)設計的設備的擴大，以及直流線路和設備之間更靈活的連接的發(fā)展。
令人興奮的創(chuàng)新正在進行中
突破性的改進正在進行中，不僅是在組件方面，而且在系統(tǒng)集成、可控性和靈活性方面。
在未來，可再生微型電網(wǎng)的創(chuàng)新將包括越來越多的使用非直升機硬件和軟件的模塊化解決方案。這些技術將會降低成本，提高能力。隨著可再生能源發(fā)電和存儲成本的下降，模塊化和易用性的重要性將繼續(xù)增加。模塊化和易用性將由使用更智能的規(guī)劃和控制、改進的互操作性和更好的設計可擴展性來驅(qū)動。對預計到2035年實現(xiàn)小型電網(wǎng)功能的技術進展的概述包括：
鋰離子、有機流和其他化學物質(zhì)將降低電池成本，預計將增加市場的吸收。雖然鉛酸電池預計將繼續(xù)成為可再生微型電網(wǎng)的主要存儲技術，但先進的鉛酸電池將發(fā)揮更大的作用。先進的鉛酸電池越來越能夠以更高的效率處理更多的循環(huán)。其他化學物質(zhì)將會激增，這將引發(fā)進一步的競爭來壓低價格。相變材料和熱化學材料的創(chuàng)新有望允許長期增加儲熱器的使用。超級電容器可以受益于石墨烯使用的創(chuàng)新和提高高功率和長壽命的能力。技術創(chuàng)新對電池成本的影響如圖S2所示。
短期控制能夠集成更復雜的算法和更準確的風能和太陽能預測，再加上智能控制和電池集成，是增加可再生能源普及率的關鍵。對能夠適應新的商業(yè)模式的更智能、更靈活的計量器、使用時間定價、自動電表讀數(shù)和先進的計量基礎設施的研究是研究和創(chuàng)新的關鍵領域。模塊化解決方案和改進的通信和標準對于簡化組件的集成和互操作性至關重要。
物聯(lián)網(wǎng)技術將繼續(xù)通過允許傳統(tǒng)電器之間的互連和相互通信，從而更智能地使用電力。隨著成本降低的趨勢和直流線路的標準化，市場上對直流電器和更高效的交流電器的使用預計將會增加。
越來越多的直流電網(wǎng)和電器的使用將需要更高效和更經(jīng)濟的直流-直流轉換器。轉換技術在市場上的可用性預計將增加，并包括更大功率的電池逆變器。然而，大多數(shù)轉換技術的創(chuàng)新預計將發(fā)生在晶體管中。這將降低成本，提高效率，并減少其尺寸和重量。圖S3總結了到2035年，在降低網(wǎng)格形成、網(wǎng)格跟蹤和雙模轉換器成本方面的創(chuàng)新所產(chǎn)生的預期影響。
圖S2：到2015年、2025年和2035年，鉛酸、先進鉛酸、鋰離子和流式蓄電池的預期成本下降
該出版物還包括一項專利審查，并表明大多數(shù)核心技術的創(chuàng)新趨勢都是積極的。人們對它們改變能源行業(yè)的潛力的興趣正在增長。在過去的四年里，中國申請了CMM技術近12 000項專利，存儲技術超過3萬項專利。在此同時，美國申請了可再生微型電子轉換器的2 180項專利，能源效率、需求側管理和備份技術領域的2 090多項專利。
圖S3：2025年和2035年電網(wǎng)形成、網(wǎng)格跟隨和雙模轉換器的預期成本降低
未來的微電網(wǎng)會是什么樣子的？
一個由兩部分的圖，如下所示，描述了當前研究和技術發(fā)展的潛在演變。
圖S4：到2025年和2035年可再生微型電網(wǎng)的潛在演變
2025年的可再生能源微型電網(wǎng)
2035年的可再生能源微型電網(wǎng)
創(chuàng)新增強了微型電網(wǎng)的競爭力
技術創(chuàng)新，伴隨著進步。微型電網(wǎng)的商業(yè)模式和系統(tǒng)運營似乎將下降，這將在未來20年顯著將可再生微型電網(wǎng)的發(fā)電成本降至目前成本的三分之一。
創(chuàng)新將使自主可再生微型電網(wǎng)能夠以更低的成本提供更高的服務水平。這將在未來幾十年帶來更大的地理范圍，為更大的孤立社區(qū)提供越來越清潔的電力。到2025年，僅使用可再生能源的自動微型電網(wǎng)的水平成本預計將降至0.30美元/千瓦時（千瓦時）至0.57美元/千瓦時之間，到2035年將降至0.19美元/千瓦時至0.35美元/千瓦時之間。當前成本在0.47美元/千瓦時到0.92美元/千瓦時之間。這種較低的水平成本的主要驅(qū)動因素預計是更低的存儲成本和更智能的控制。然而，在其他功能方面的創(chuàng)新將是必要的
到2025年，自主可再生微型電網(wǎng)將能夠以具有競爭力的價格提供基本和高級服務，導致大規(guī)模商業(yè)化并部署到全球偏遠地區(qū)。隨著成本的下降，可再生的微型電網(wǎng)將具有更多的經(jīng)濟意義，并將越來越多地與主電網(wǎng)的擴展相競爭。到2035年，即使是在靠近主電網(wǎng)的地區(qū)，可再生能源的微型電網(wǎng)也將是一個具有成本競爭力的選擇。
相互連接的可再生微型電網(wǎng)也正在發(fā)展成為一種商業(yè)上可行的選擇。如今，對于有關鍵需求的客戶和主電網(wǎng)電力昂貴的地區(qū)來說，互聯(lián)微型電網(wǎng)的商業(yè)案例最強。然而，到2025年，創(chuàng)新預計將推動向負荷要求較低的客戶安裝可再生微型電網(wǎng)，從而形成更有彈性的電網(wǎng)系統(tǒng)。一個主要的驅(qū)動因素將是尋找更好的彈性和災難響應能力。到2035年，公用事業(yè)公司對可再生小型電網(wǎng)的廣泛接受將進一步改善可再生微型電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的兼容性。在其發(fā)電組合中使用中小型可再生能源的微型電網(wǎng)預計將很常見，而日益下降的成本將使尋求更好環(huán)境選擇的社區(qū)采用使用可再生微型電網(wǎng)的可再生能源。
圖S5顯示了將所有能源來自可再生能源的自主可再生微型電網(wǎng)的估計成本的演變。這些估計都是保守的。將可再生能源與其他能源相結合可以提供成本更低的選擇，互聯(lián)的微型電網(wǎng)成本也可以從鄰近的主電網(wǎng)購買能源，以降低成本。
互聯(lián)可再生微型電網(wǎng)的成本降低將受到互聯(lián)主電網(wǎng)的經(jīng)濟效益的影響，但可以應用自主電網(wǎng)的主要成本趨勢。
在向部署100%可再生能源的微型電網(wǎng)過渡的過程中，根據(jù)微型電網(wǎng)的設計，混合微型電網(wǎng)的成本可能比100%可再生的微型電網(wǎng)更低。然而，由于可再生能源在存儲和控制系統(tǒng)等技術上的份額提高，該技術整合可再生能源的成本將會下降。例如，對于成本最低的太陽能光伏微型電網(wǎng)設計，可再生能源的最佳比例可能從2015年低于0.45美元/千瓦時的60%上升到2025年約0.30美元/千瓦時的90%以上，到2035年為0.20美元/千瓦時的幾乎100%可再生能源。
圖S5：從2005年至2035年，一個100%可再生能源社區(qū)系統(tǒng)的可再生微型電網(wǎng)的無補貼成本范圍。
政策制定者如何能鋪平道路？
如果沒有決策者、私營部門和非營利部門以及學術界的充分支持，這些創(chuàng)新都是不可能的。
雖然可再生微型電網(wǎng)為重新思考傳統(tǒng)能源供應模式提供了一個令人興奮的機會，但它們的發(fā)展和部署需要在社會需求、政治意愿、經(jīng)濟效率、技術能力和環(huán)境保護之間取得平衡。為了解決這些相互關聯(lián)的方面，創(chuàng)新展望：可再生微型電網(wǎng)為政策制定者、技術投資者、項目開發(fā)商、非營利部門和學者提供了關鍵建議，以幫助所有人參與促進這些技術選擇的增長。以下是報告中討論的支持部署可再生微型電網(wǎng)的一些選擇：
公私伙伴關系和貸款贈款可以幫助開發(fā)和實施項目，而公共風險基金和補貼則有助于產(chǎn)生和交換知識。來自公共和私營部門的資金對于支持產(chǎn)生新想法的基礎研究活動至關重要。
政策制定者在提供市場政策以支持可再生微型電網(wǎng)設備的商業(yè)化方面發(fā)揮著關鍵作用?？稍偕⑿碗娋W(wǎng)發(fā)展最后階段的創(chuàng)新可以受益于克服“死亡之谷”的市場政策。
對可再生能源微型電網(wǎng)的監(jiān)管仍處于起步階段，除其他外，公共部門應專注于采用新的、靈活的標準，鼓勵發(fā)展，避免阻礙創(chuàng)新的標準。監(jiān)管可再生微型電網(wǎng)的挑戰(zhàn)是，在針對這些小型電網(wǎng)的具體政策監(jiān)管和適用于無數(shù)選擇的靈活監(jiān)管框架之間保持一種平衡的方法。
各國政府通過國際合作和工業(yè)支持，在建立能力和傳播知識方面發(fā)揮了重要作用。還需要進行范式轉變，以促進電氣工程師和技術人員的新的和持續(xù)的培訓。
私人投資者在資助基礎研究活動和試點項目以及促進知識和技術轉讓方面發(fā)揮著重要作用。私營部門需要對新技術進行投資，并需要技術持有者將他們在其他情況下獲得的知識轉移到可再生微型電網(wǎng)部門，例如在汽車部門內(nèi)進行的關于電池的研究。
學術界和大學對可再生微型電網(wǎng)的創(chuàng)新具有重要意義。除了通過基礎研究和應用研究來推動創(chuàng)新之外，學術界還可以合作制定研究議程和進行最苛刻的微型網(wǎng)格實驗。
未來的幾十年將為微型網(wǎng)格帶來令人興奮的前景?？稍絹碓蕉嗟奈⑿碗娋W(wǎng)越來越多地選擇作為滿足世界各地不同社區(qū)能源需求的替代方案。從在偏遠地區(qū)集成了直流系統(tǒng)的太陽能光伏和小型風能技術，到與電動汽車集成和智能需求側控制的大型社區(qū)光伏電站，不同的應用將通過各種創(chuàng)新的解決方案得到增強。在這種動態(tài)的景觀中，微型電網(wǎng)具有巨大的潛力，除了其應用于能源獲取，補充更大的系統(tǒng)和支持可再生能源的生產(chǎn)用途之外。創(chuàng)新展望：可再生微型電網(wǎng)展望未來幾十年令人興奮的發(fā)展。
