高比例可再生能源“兩點論”
——訪中國工程院院士余貽鑫
中國儲能網(wǎng)訊：高比例可再生能源新時代
黨的十九大報告提出，要加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國，您認為，能源電力行業(yè)，如何在能源革命進程中落實這一號召?
余貽鑫：建設(shè)美麗中國、推進能源革命，需要高比例可再生風能和太陽能發(fā)電。習(xí)近平主席2015年在巴黎氣候大會上宣布，2030年中國單位GDP二氧化碳排放要比2005年下降60%~65%。根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、落基山研究所、能源基金會等機構(gòu)的研究(《重塑能源：中國》)，預(yù)計：2050年我國電力占整個終端能源消費的比例將提高到41%以上，2050年電能的總發(fā)電量約10.8萬億kWh(基于能源利用效率大幅度提升的假設(shè));2050年煤電在我國電能構(gòu)成中的占比將降低至12.4%;可再生能源發(fā)電量占比將達到68%以上，非化石能源發(fā)電量達到82%，其中風電和太陽能發(fā)電量的比例達到47.3%以上(風電為24.7%，太陽能發(fā)電為22.6%)。
對于我國可再生能源資源的家底，您怎么看?
余貽鑫：眾所周知，德國是利用太陽能很先進的國家，而我國的太陽能資源條件要比德國好很多。中國76%國土面積上的風能，以及幾乎百分百國土面積的太陽能都具有開發(fā)的潛力，僅太陽能資源一項，就可以遠遠滿足我國遠景(2050年)用電需求，而且不論是東部地區(qū)還是西部地區(qū)太陽能資源都十分富裕。以京津地區(qū)為例，即使不考慮技術(shù)進步使得光電轉(zhuǎn)換效率提高的影響，按照光伏年利用小時數(shù)取1100小時計算，只需鋪蓋我國國土面積的1.0%左右就可產(chǎn)生2050年全社會總用電量10.8×1012kWh。對于分布式光伏而言，可利用土地和建筑屋頂或墻面也是重要的資源條件。我國擁有世界最大量的建筑，太陽能與建筑結(jié)合及一體化，可以充分利用建筑以及太陽能資源，降低成本，具有規(guī)模發(fā)展的廣闊前景。預(yù)計2020年分布式建筑光伏最大可裝機容量達7.5億千瓦，2050年達10億千瓦。中國不能用于耕作的沙漠和灘涂，總面積為128萬平方公里，其中戈壁面積為57萬平方公里，有充足的土地資源發(fā)展太陽能發(fā)電。此外農(nóng)田和魚塘的上方空間也是可以利用的，如農(nóng)光互補、漁光互補等。與此同時，國際上已在探索利用路面鋪設(shè)太陽能光伏，而我國現(xiàn)有人均城市道路的面積已達15平方米。應(yīng)該注意的是伴隨著我國大規(guī)模的快速城鎮(zhèn)化進程，預(yù)計2030年全國城鎮(zhèn)建筑面積可達400億平方米，相當于未來20年內(nèi)再造一個中國。一方面，這樣大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設(shè)，是無法直接采用當前西方發(fā)達國家的用能模式的，必須大力開展全方位節(jié)能模式和節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，這就為分布式太陽能光伏的發(fā)展提供了難得的機遇;另一方面也為太陽能光伏的發(fā)展提供了土地和空間資源。
與大多數(shù)新技術(shù)類似，可再生能源發(fā)展也面臨成本過高的挑戰(zhàn)，您認為未來趨勢是什么?
余貽鑫：隨著技術(shù)的進步，這些問題都會逐漸解決。以光伏為例，由于材料科學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，從1977年到2013年，光伏的價格下降到之前的1%，而且光伏的價格還在以每年10%甚至更快的速度下降。在國際上，2016年3美分/kWh的風電和5美分/kWh的光伏電力已成為新常態(tài)。在我國，目前太陽能光伏發(fā)電的成本大概為0.45元/kWh甚至更低，光伏發(fā)電和電網(wǎng)平價已經(jīng)或者即將來臨。
除了成本之外，風能和太陽能還有間歇性、多變性和不確定性，以及儲能價格相對高昂的痛點，這個難題如何破解?
余貽鑫：風能和太陽很難單獨運行，需要采用一些功率補償或者平滑的措施，其中包括：大電網(wǎng)的吸納、需求側(cè)管理、分布式小型燃油燃氣發(fā)電、儲能，乃至綜合能源系統(tǒng)等。為此，需要一個功能合理的現(xiàn)代電網(wǎng)，來集成它們，并提高能源脫碳、轉(zhuǎn)化與利用過程的效率，這個電網(wǎng)就是智能電網(wǎng)。
我國現(xiàn)實的挑戰(zhàn)是，電網(wǎng)中用于功率平滑的可調(diào)容量很低。從全球來看，中國的可調(diào)容量只是美國的1/8，德國的1/4。所以在開發(fā)風電和光伏時，我國西北地區(qū)采取了風光火打捆的模式，利用火電機組的調(diào)節(jié)容量。這樣做一方面降低了火電機組的熱效率和年運行小時數(shù)，另一方面由于火電機組的可調(diào)節(jié)的范圍在其額定容量的50%~100%間，必然伴生大量的火電，這不是我們所希望的。但是相當長一段時間內(nèi)，我國還是需要依賴火電機組作為調(diào)節(jié)容量的，應(yīng)該開展增大火電機組調(diào)節(jié)范圍的研發(fā)工作，使其可以在20%~100%范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。與此同時，我們應(yīng)該加速抽水蓄能的開發(fā)，因為它是目前最便宜的儲能方式。由于國際上有關(guān)電動汽車儲能的研究投入力度很大，分布式儲能價格也會逐漸減低。
大量分布式可再生能源和用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)的接入提高了電力系統(tǒng)終端(如配電網(wǎng)、微網(wǎng)、工廠、建筑和家庭)的供需不確定性。需要強調(diào)的是，供給側(cè)與需求側(cè)的不確定性共同構(gòu)成了未來電網(wǎng)運行所面臨的最大挑戰(zhàn)。解決該問題的關(guān)鍵在于實現(xiàn)不確定性的就地(終端)解決，未來電網(wǎng)必須將責任分攤到終端承擔。
電網(wǎng)第二次智能化新挑戰(zhàn)
實際上，電網(wǎng)的智能化一直在推進中，您認為其終點在哪里?人工智能與深度學(xué)習(xí)技術(shù)，會給智能電網(wǎng)發(fā)展帶來什么影響?
余貽鑫：智能電網(wǎng)的特征包括智能化、高效、包容、激勵、機遇、重視質(zhì)量、抗擾能力、環(huán)保等，智能化只是這些特征之一。
電網(wǎng)的第一次智能化發(fā)生在1970年代，在輸電系統(tǒng)的(數(shù)以千計的)變電站中安裝了遠方終端單元(RTU)，每2-10秒收集一次實時數(shù)據(jù)，并把它們送到能量管理系統(tǒng) (EMS)控制中心，控制中心里的計算機使用復(fù)雜的軟件對系統(tǒng)中的發(fā)電機和輸電線進行實時的監(jiān)視、分析和控制。對于輸電來說，這個電網(wǎng)是相當智能的，只是電力消費者完全不了解它。當時通信與信息技術(shù)成本較高，這種模式難以推廣到配用電系統(tǒng)。然而，目前通信與信息技術(shù)的成本已大幅下降，為其向配電和用電領(lǐng)域推廣應(yīng)用準備好了條件。與此同時，環(huán)境壓力與能源轉(zhuǎn)型，以及數(shù)字化社會對電網(wǎng)可靠性、韌性(抵御災(zāi)害和攻擊的能力)、電能質(zhì)量和節(jié)能降損的要求日益嚴格，成了電網(wǎng)第二次智能化的原動力。毋容置疑的是，由于環(huán)境壓力與能源轉(zhuǎn)型這一原動力的出現(xiàn)，電網(wǎng)第二次智能化的強勁程度遠高于電網(wǎng)的第一次智能化。而且由于現(xiàn)在的配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計的，不具備有效集成大量分布式電源的技術(shù)潛能。所以電網(wǎng)第二次智能化的重點發(fā)展領(lǐng)域在配用電側(cè)，借以集成高比例的分布式電源和加強電力公司與用戶的互動。
智能電網(wǎng)的進一步發(fā)展是智能能源網(wǎng)(又稱能源互聯(lián)網(wǎng)或綜合能源系統(tǒng))，其實施需要幾十年，它將伴隨能源轉(zhuǎn)型的全過程。
20多年前，電力系統(tǒng)領(lǐng)域就開展了人工智能方法(如專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，也涉及人工智能中的眾多數(shù)學(xué)方法，由于現(xiàn)在計算機能力的大幅度提升，它會成功地應(yīng)用到智能電網(wǎng)的更多方面，特別是會在EMS中得到很好的應(yīng)用。至于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，我的課題組已把它應(yīng)用到“非侵入式負荷分解裝置”中，它利用用戶出口處的電壓和電流信號，識別戶內(nèi)各種電器實時的用電(有功和無功)功率，這種精細到戶內(nèi)設(shè)備的用電信息在電力公司優(yōu)化電網(wǎng)的規(guī)劃、運行與管理，電力用戶節(jié)省耗電量和電費，及全社會把提高生態(tài)文明意識付諸實踐等方面具有重要意義。
我國要建成智能電網(wǎng)還需多久?在發(fā)展過程中，需要做出哪些改變和適應(yīng)?
余貽鑫：智能電網(wǎng)(Smart Grid)的愿景，在智能化及誘人的視野方面是極不尋常的。它將像互聯(lián)網(wǎng)那樣改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，并激勵類似的變革。但實現(xiàn)智能電網(wǎng)，由于其本身的復(fù)雜性和涉及廣泛的利益相關(guān)者，需要漫長的過渡、持續(xù)的研發(fā)和多種技術(shù)的長期共存。我估計，中國實現(xiàn)智能電網(wǎng)至少需要20年甚至更長時間。電網(wǎng)變遷的過程必將改變整個行業(yè)的業(yè)務(wù)模型。智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)極其廣泛，涉及許多技術(shù)、體制和社會問題，而最主要的是要確立分布式電源和用戶廣泛參與的理念。
短期內(nèi)，我們可以著眼于實現(xiàn)一個較為智能的電網(wǎng)(smarter grid)。它利用已有的或不久的將來就可配置的技術(shù)，使目前的電網(wǎng)更有效;在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時，也提供相當大的社會效益，如較小的環(huán)境影響等。
智能電網(wǎng)最本質(zhì)的特征是，電力和信息的雙向流動性，并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò);把分布式計算和通信的優(yōu)勢引入電網(wǎng)，達到信息實時交換和設(shè)備層次上電力近乎瞬時的供需平衡。
在我國，高度自動化已被廣泛接受，但廣泛分布式現(xiàn)在還在深入認識過程當中。風能和太陽能應(yīng)用的主流形式是分布式的，“分布式電源+智能電網(wǎng)”更加關(guān)注本地控制和減少對外依賴，是“顛覆性”的改變，其對日常生活、社會和經(jīng)濟發(fā)展存在潛在的巨大影響。
實施智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略不僅使用戶能夠獲得高安全性、高可靠性、高質(zhì)量、高效率和價格合理的電力供應(yīng)，還能提高國家的能源安全水平，改善環(huán)境，推動可持續(xù)發(fā)展，同時激勵市場不斷創(chuàng)新，從而提高國家的國際經(jīng)濟競爭力。智能電網(wǎng)的關(guān)鍵是利用各種技術(shù)、資源和市場機制以實現(xiàn)高效。智能電網(wǎng)的預(yù)期效益是明顯的，這些效益包括：供電的安全性、韌性、可靠性和電能質(zhì)量提高方面的收益;電力設(shè)備、人身和賽博安全方面的收益;能源使用效率收益;環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的收益以及直接經(jīng)濟(容量、燃料和運維成本)效益。而從廣義層面來看，由于技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個關(guān)鍵目標是要催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命，以確保子孫后代繁榮昌盛。網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)袖思科預(yù)言，智能電網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)擁有大得多的市場空間。事實上，智能電網(wǎng)是典型的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。
群集理念和智能分布式體系
就地開發(fā)消納模式成為可再生能源發(fā)展下一步方向，10月31日，相關(guān)部門下發(fā)《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》，規(guī)劃明年2月啟動第一批試點地區(qū)交易，您如何看待其前景?
余貽鑫：為了激勵智能電網(wǎng)方面的創(chuàng)新，亟需建立一個成熟的、健全的和集成的電力市場，具體包括：一是實施分時/實時電價，使“電能”作為一種商品的市場價值得到合理地體現(xiàn)——比如說為了實現(xiàn)需求響應(yīng)需要這樣做;二是 制定鼓勵分布式電源賣電回電網(wǎng)和作為電網(wǎng)后備電源使用的政策，含分布式清潔能源的上網(wǎng)電價政策——你所說到的分布式發(fā)電市場化交易試點應(yīng)該屬于這一點;三是建立智能電網(wǎng)投資成本回收的政策。
我國目前的費率結(jié)構(gòu)和電力公司收入模型，無法用來促進或捕捉分布式能源價值。建立一個好的商務(wù)模型(商業(yè)案例)極其重要，因為它們能為容量規(guī)劃和電網(wǎng)運行中的投資，以及分布式電源(DERs)科學(xué)地發(fā)揮作用提供依據(jù)。分布式發(fā)電市場化交易是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，涉及規(guī)范參與主體、費率制定、交易模式、平臺支撐等眾多方面，為了構(gòu)建經(jīng)濟高效的分布式發(fā)電市場機制，從而促進分布式發(fā)電的健康快速發(fā)展，開展試點工作是非常必要的。
那目前有哪些具有商業(yè)價值的負荷和用戶能實現(xiàn)與電網(wǎng)友好合作?
余貽鑫：除了分布式的發(fā)電和儲能之外，鼓勵用戶參與需求響應(yīng)(Demand Response, DR)和基于協(xié)議的負荷控制也是實現(xiàn)電力供需平衡的有效方法。需求響應(yīng)的定義是：“在正常耗電模式下，用戶用電功率能夠隨著電價的變化而變化，或者當電力零售市場電價過高或系統(tǒng)可靠性受到損害時，能夠促使用戶減少用電”。生態(tài)文明意識的提升，使電力公司積極尋求不同于傳統(tǒng)的方式來滿足供需平衡。居民負荷、商業(yè)負荷和高耗能產(chǎn)業(yè)中均含有較大比例的可平移負荷,它們可以與電網(wǎng)友好合作,支持削峰填谷與事故情況下的減負荷，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)近乎瞬時的功率平衡。以居民負荷為例，他們的洗衣機、熱水器、電冰箱等都屬于可平移負荷。據(jù)美國調(diào)查顯示，在日高峰時有13%的居民電力負荷可以與電網(wǎng)友好合作，其可平移負荷功率與電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量相當，技術(shù)經(jīng)濟價值十分巨大。
現(xiàn)代交通在能源消費結(jié)構(gòu)中占比很高，僅次于電力，對其實現(xiàn)電能替代和電能高效利用，可以有效緩解化石能源資源緊缺的局面。到2050年實現(xiàn)美麗中國的目標要求電動汽車比重達到80%以上，其電能的總消費量和總存儲量都十分巨大，可在用電低谷(電價便宜)時充電,并在白天最需要電能(電價貴)的時候?qū)㈦娸敾仉娋W(wǎng)，所以電動汽車也將成為需求響應(yīng)的重要部分，應(yīng)該且可以與大規(guī)模發(fā)展的分布式可再生能源發(fā)電協(xié)同發(fā)展。仿真研究表明，如果2030年全國總用電量約8.5萬億千瓦時，則到2030年需要23億千瓦時的儲能即可把風電和太陽能光伏電量提升到40%以上，而預(yù)計2030年電動汽車保有量約為8000萬輛(《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》)，電池容量將達到24億千瓦時，如果管理好就可能為風、光、火、儲的大規(guī)模配合奠定基礎(chǔ)。為此需要為電動汽車的發(fā)展提供技術(shù)平臺和市場平臺，技術(shù)平臺是讓老百姓充電方便，市場平臺是激勵用戶夜充晝放的積極性。電動汽車發(fā)展很可能是帶動分布式能源和智能電網(wǎng)發(fā)展的“殺手級”應(yīng)用(Killer-Application)。
隨著大量分布式電源和智能終端接入電網(wǎng)，系統(tǒng)會非常復(fù)雜，未來智能電網(wǎng)將怎樣控制、管理、響應(yīng)負荷與需求?
余貽鑫：可再生能源的分布式特性決定了集成高比例分布式可再生能源需要的是協(xié)作，而不是集中或分級的命令和控制機制。協(xié)作行為將導(dǎo)致更加分散地共享所產(chǎn)生的利益，通力合作、追求共同利益是實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑。
里夫金(Jeremy Rifkin)在《第三次工業(yè)革命》一書中所提倡的能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想是，讓數(shù)以百萬計的用戶在家庭、辦公室或者工廠自行利用可再生能源發(fā)電，并能夠彼此共享所發(fā)出的電能;電動汽車與本地儲能設(shè)備將會得到廣泛的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的加入將把電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能源可以互相共享的互聯(lián)網(wǎng)。其理念與智能電網(wǎng)是一致的。
為了抓住未來的機遇已提出如下的設(shè)想：未來的配電網(wǎng)、微網(wǎng)、建筑單元(大樓、工廠和住宅等)與輸電系統(tǒng)的差異將逐步消失，具有本地發(fā)電和雙向電力潮流的特點，都將配有能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)并按照“群集”理念實現(xiàn)各自近實時的功率平衡，即輸電系統(tǒng)(互聯(lián)電力系統(tǒng))是若干個控制區(qū)(即區(qū)域性輸電網(wǎng))互聯(lián)起來的群集(clusters)，每個控制區(qū)是一個群(cluster);每個區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個配電網(wǎng)互聯(lián)起來的群集，每個配電網(wǎng)是若干個微網(wǎng)、建筑單元組成的群集，每個微網(wǎng)又可以是由若干個建筑單元互聯(lián)起來的群集;每個群集的運行過程中，通過調(diào)度確定各群間的功率交換計劃，每一個群必須維持其內(nèi)部凈功率的平衡并履行與外部功率交換的職責，以維持整個群集近實時的功率平衡。和控制區(qū)相似，每個群都有發(fā)電和/或負荷，以及智能控制和通信。群的基本功能包括如下三項：進行發(fā)電/負荷調(diào)度(Dispatch)，以維持凈功率平衡;當?shù)氐姆答伩刂?，用于平滑波?通過削減發(fā)電機/負荷來緩解故障。
需要強調(diào)的是，任何智能電網(wǎng)的命脈都是用以驅(qū)動應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，而這些應(yīng)用又反過來促使開發(fā)新的和改進的運營策略成為可能。電力系統(tǒng)任一領(lǐng)域，從電力用戶、電力市場、服務(wù)提供商、運行、發(fā)電、輸電和配電，所收集到的數(shù)據(jù)都可能同其它領(lǐng)域的改善相關(guān)。所以以適時的方式與那些需要使用或有權(quán)了解數(shù)據(jù)的參與者實時共享數(shù)據(jù)，是智能電網(wǎng)的基本要素。
目前主流的智能終端設(shè)備，會否取代智能電表，成為共享數(shù)據(jù)和信息的核心環(huán)節(jié)?
余貽鑫：國外現(xiàn)有的產(chǎn)品，如亞馬遜的Echo，谷歌的Home，都是智能家居方面的產(chǎn)品，它們可以作為共享數(shù)據(jù)和信息的一個來源，但很難取代智能電表，因為智能電表的一個基本功能是計費，是需要監(jiān)管的。
在您看來，分布式能源加儲能，是否會造成用戶離網(wǎng)，最終拋棄大電網(wǎng)甚至是智能電網(wǎng)?業(yè)界應(yīng)該如何積極布局和推動?
余貽鑫：智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)不會消失，因為分布式能源需要通過它實現(xiàn)互聯(lián)、互通和互濟。恰如里夫金在《第三次工業(yè)革命》中宣稱的那樣，電網(wǎng)將成為一種大量分布式可再生能源可以互相分享的互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)以億計的人們會從家中、辦公室和工廠中生產(chǎn)綠色能源，并在“能源互聯(lián)網(wǎng)”中彼此分享，就像在線創(chuàng)造和分享信息一樣。大電網(wǎng)的規(guī)劃與建造需要考慮到這一趨勢。
我們現(xiàn)在討論能源互聯(lián)網(wǎng)，更應(yīng)該關(guān)注多種能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起的系統(tǒng)，按其應(yīng)用范圍可以分成終端能源系統(tǒng)、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)和全域綜合能源系統(tǒng)。從經(jīng)濟、社會因素、技術(shù)難易程度方面綜合考慮，鑒于中國燃氣網(wǎng)絡(luò)不像美國、英國等發(fā)達國家，我們可以先從終端能源系統(tǒng)開始，逐步向區(qū)域綜合能源系統(tǒng)、乃至全域綜合能源系統(tǒng)發(fā)展。
