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“智慧能源综合服务”的机遇与挑战

作者:王永真 高峰 来源:清华能源互联网研究院 发布时间:2020-08-16 浏览:
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6月15日,国家电网公司发布“数字新基建”十大重点建设任务,其中,智慧能源综合服务作为十大重点任务之一,实际上也是全能源行业企业关注的焦点。当前,智慧能源综合能源服务的机遇与挑战并存。因此,本文就智慧能源综合服务的新技术、新模式、新特征进行梳理和辨识,阐述了智慧能源服务的基本内涵、外延和分类,归纳了当前智慧能源服务的数十项新技术、新业态及其新特征。最后,针对智慧能源综合服务的几个典型场景,尝试揭示智慧能源综合服务的“机遇”及“挑战”,以供智慧能源综合服务生态的参与者在实操中参考。

1. 能源互联网下的智慧能源综合服务内涵与外延

现阶段,我国社会的主要矛盾已经转变为人民日益增长的美好生活需求和不平衡不充分的发展之间的矛盾,人民的需求已经从物质性需求逐渐迈向社会性需求和心理性需求。能源作为人类社会的血脉和基础,处于以人工智能为代表的新一轮工业革命下的能源服务,就是为生产生活提供更加高效、清洁、经济、智慧、舒适、个性的能源解决方案,“互联网+智慧能源”(简称:能源互联网)的理念和技术已经成就上述能源服务特征的路线和途径。

“互联网+智慧能源”下的综合能源服务,可称为智慧能源综合服务或叫综合智慧能源服务,简称综合能源服务(英文可为integrated energy system或 comprehensive energy service),遍及生产生活的方方面面,正体现着云大物移智链+5G等数字技术及互联网技术赋能能源服务的新智慧。从当前国内外智慧能源综合能源服务的生态来看,我国综合能源服务的市场潜力在数万亿元以上,以智慧能源综合服务为代表的能源互联网已经全面进入“实操”的阶段,讲概念的阶段已经过去,实操阶段讲究的是项目规划、接入以及运行过程中综合效益的挖掘和落地。从本次国网公司发布的数字新基建——智慧能源综合服务的重点任务可以看出,国网公司的综合能源服务已经比较聚焦和清晰,基本突出了以电为核心的、以用户为本的典型场景的能效服务。

全能源服务生态来看,综合能源服务可分为围绕综合能源系统产生的基本供能服务与多元增值服务,如图1所示。同时,综合能源服务也可区分为广义综合能源服务和狭义综合能源服务。其中,凡是涉及到能源多能互补综合能源系统“基本能源服务”以及“多元增值服务”其中任一环节的,都属于广义综合能源服务的范畴(英文为:comprehensive energy service)。因此,在综合能源服务的必然发展趋势下,与能源投资、工程、服务和平台相关的企业都在向综合能源服务转型。但是,不得不提的是,狭义综合能源服务(英文为:integrated energy system)在物理上强调总能系统能的梯级综合利用、在平台上强调信息流改造能量流、在商业模式上强调能源的开放共享,总的是以提高能源服务系统全生命周期、能源-经济-环境多维度综合效益为目标的综合能源及能源综合服务。

大体上,我国综合能源服务还处于初级阶段,多元主体合作与竞争的态势明显。一方面,在综合能源服务领域,传统物理机制的能源解决方案正在与数字驱动的能源解决方案展开融合,形式多样化的大大小小的能源信息物理融合系统正在逐步形成;另一方面,一种面向多竞争主体的综合能源服务共商、共建、共治、共赢的产业生态正在不断迭代,形形色色、包罗万象的综合能源解决方案及内容提供商正在孵化和角逐。

可以见得,相对于传统节能服务,现阶段综合能源系统既有新的对象的产生,以及相应技术路径及商业模式的探索,也有基于大数据技术对传统能源服务的升级改造。但是,综合能源服务的业态林林总总,很多综合能源服务公司仍存在分不清、看不明综合能源服务的新技术与新模式的现象,在打造适合自身特色的综合能源服务关键技术中迷茫。

因此,总结凝练综合能源服务当前新技术、新模式的新特征,辨识当前综合能源服务关键技术及业态,有助于厘清综合能源服务的内涵外延,有助于科学面对当前综合能源服务的挑战,有助于企业精准卡位,避免盲目进入粗糙发展而形成不良资产,进而实现向智慧能源综合服务的健康转型,这正是本文的出发点。

图1 智慧能源综合服务的业态示意

2. 当前智慧能源综合服务的新技术、新模式、新特征

从多目标优化的角度来讲,能源系统的基本目标就是不断逼近“满足支付能力”、“维持安全可靠”、“达到低碳清洁”的能源不可能三角的目标。“互联网+智慧能源”(能源互联网)的发展,深化了本阶段我国能源供应与消费的“能源三角目标”,是助推能源“四个革命、一个合作”的重要理念和技术。如今,我国的能源转型已呈现出电气化、绿色化、共享化、高效化、产消化、数字化以及商品化的明显特征,以满足人类活动对能源的“社会性需求”和“心理性需求”。

综合能源服务是能源互联网发展趋势下的产物,是能源互联网的重要业态组成,好比是能源系统最终赋能社会经济发展的能源服务末端细胞。相较于传统的节能服务或能效服务,当前电动汽车的规模化应用、分布式能源的遍地开花、新能源微电网的建设、众多产消者的出现、储能技术发展、以热泵技术为代表的P2X技术的普及应用,以及云大物移智链等互联网相关技术和思维的大众化趋势,还有智慧城市和新基建的建设,给当前能源互联网生态下,我国综合能源服务呈现以下新特征,如图2所示。

如:从单一到综合、从重资到轻资、从无序到有序、从局部到全局、从单向到双向、从高位到低位、从单次到梯次、从单调到多种、从实体到虚拟、从粗放到精细、从垄断到共享,等等,如表1所示。不得不说的是,上述特征表述也仅试图从单一维度进行新特征的示意区分,对于某一的综合能源服务,以上特征都互有交叉且多重并举,或仅适用于某种固定场景或业态,也是在能源互联网新趋势下对传统能源服务的继承与创新。

3. 智慧能源综合服务——挑战与机遇并存

总的来看,我国能源互联网相关技术及产业目前还处于初级阶段,作为能源互联网的重要业态,综合能源服务的发展也是一个需要不断迭代的过程,离不开自上而下的顶层规划与自下而上的产业探索的相互碰撞。当前,综合能源服务百花竟放、百家争鸣的竞争环境的营造,正是要快速激发多行业、全链条的融合以及综合能源的迭代发展。

最终,综合能源系统将经过市场之手和技术竞争的优胜劣汰,逐渐走向更加成熟的综合能源服务的高级阶段。如图3所示,目前综合能源服务生态圈开放共享,但是综合能源服务也是一个竞争激烈的战场。因此,需要从业者具有敏锐的综合能源服务的嗅觉、深入现场与用户打成一片的决心和执行力,更需要在综合能源服务关键技术以及商业模式上的全面把握与定制化设计。

实际上,能源行业具有较高的门槛,能源的商品化面临着体制机制以及专业壁垒的强大障碍。同时,基于综合能源系统多专业交叉的综合能源服务必然难度更大,综合能源服务也不是简单地把某个技术从场景A搬到场景B,综合能源系统也面临诸多挑战,如表1所示。比如:

1)多能互补集成优化综合能源系统理论上具有很好的热经济性,但其顶层设计或系统优化实际上是很复杂的、门槛也较高的,需要在负荷预测、边界条件、政策解读以及多专业协调都比较恰当的基础上,离不开智能算法、数据挖掘等技术对多变量、非线性、强耦合问题的求解。如图4所示,我国在该领域的一些还是商业软件还比较少,很多高校和科研单位也正在努力开发,这也是当前能源互联网规划优化求解的热点之一。而且,如果没有对用户现场特征以及系统各设备单元能量转换特性以及运行约束的充分把握,所得系统架构及配置的最优理论策略存在很多的不确定性,要么导致理论策略难以与工程实际配合,进而设备利用率低以及经济性差;要么因为数据感知和调控的缺陷,工程落地后综合能源系统管控平台不能实现预期功能,造成各设备或能源子系统孤岛式运行,发挥不了多元互动的全局优化潜力。因此,综合能源系统的设计不是一蹴而就的,需要综合能源系统顶层设计与工程设计的多轮迭代,这种多行业融合的规划、设计、优化的难度目前还是比较大的。

图3 智慧能源综合服务的发展趋势示意

2)综合能源服务的一个趋势就是借助信息流改造能量流,或称为信息技术给能量系统赋能,是基于能源大数据技术的。除了海量历史数据的支撑外,大数据最明显的特征就是需要面向用户的个性化设计,并不能想当然地照搬一些工程设计或者经验范式,直接给用户上能源管控平台(即所谓的工业物联网平台),并没有搞清楚平台的管控落地各末端设备调控约束条件以及数据感知质量的问题,导致不能管理和控制的综合能源服务失效的结局,更不要说能源增值服务了。另外,能源系统的数据的全息感知、精准调控的传感器、变频或调解设备以及管控平台未必见到很“便宜”,有的项目往往这块还是投资的大头。因此,需要在做好用户画像的基础上,综合运用物理驱动专业技术团队和数据驱动的大数据学习技术,抓住主要变量和主要矛盾,或许分层、分块到全局管控,才能为用户做好一个合格的定制化综合能源服务,不然会导致综合能源服务解决方案全链条的失灵。

3)工业余热动力回收作为一个常见的综合能源服务的领域,余热余压回收的TRT技术和余热锅炉汽轮发电技术在玻璃、钢铁、水泥、化工中高温余热回收上发展已经比较成熟,而如今的余热动力回收领域的综合能源服务实际上面临更低品位余热回收与利用的挑战。根据卡诺循环基本原理,驱动热源温度越低,动力循环的平均蒸发温度越低,在余热酸露点的下限约束下,余热回收动力循环的效率和节能空间是很小的(即输出功率降低),加上中低温余热动力循环受膨胀机的技术约束(比如小功率有机朗肯循环发电技术高效低成本长寿命的膨胀机还不成熟),相对于中高温余热回收,当前中低温余热动力回收设备的投资是比较高昂的,导致综合能源服务转型商给出的中低温余热回收的技术路线的热经济性往往具有挑战性,投资回收期一般都较长。进而,需要做好余热品质、中低温动力循环、厂内上游工艺联动的系统分析,方能给出具备商业价值的综合能源服务余热回收的解决方案。

4)不同能源链上的相关企业都瞅准了新基建下的智慧能源综合服务,一个重要的趋势就是打造物理资源融合的综合能源新模式,比如多杆合一、多站融合等等。但是,这些类型的综合能源服务业态目前多是一些在“规模”层次的物理资产的集成耦合,而新基建的特征之一就是“数字经济”,物理资产融合下多杆合一、多站融合所具有的“数据赋能”的潜力还基本没有挖掘出来,因此“数字技术”难以激发能源及资源的整合的价值,这也正是下阶段的重点任务。如此,再加上多行业壁垒下商业模式的障碍,进而,综合能源服务重资产的投资是存在可能的,甚至不良资产的形成。因此,尽可能地提高设备的全生命周期利用率以及设备数据服务能力,这将是智慧能源综合服务开展过程中的关键之一。

图4 国内外综合能源系统规划商业工具(部分总结)

5)清洁供暖作为智慧能源服务的一个重要内容,电网企业、五大四小正在布局清洁供暖业务,特别是便捷、智能、绿色、低碳的“电采暖”技术路径。不过,仅就分散式的家庭型的居民场景而言,电采暖的技术路径就包括电热泵(空气源、水源、地源等)和电热膜(有机材料、无机材料等)的主要方式。其中,空气源热泵能效高,但是能效受应用场景的气候工况变化较大,投资也稍高,以对流为主的传热方式对人体的舒适度不是很好。而电热膜能效虽然较空气源热泵低,但是电热膜能够实现室内空间的快速、均匀升温,并且与温度控制器、智能管控具有更好的互动响应,综合能效也不差,特别是基于无机半导体材料的“智慧之热”技术,能够建筑材料高度一体化,实现低投入、长寿命、高效率、快响应、高智能和精细化采暖。但是相对于清洁煤以及燃气集中供热,两者的规模化都面临着配网改造、主网扩容、投资成本高、运行费用高的限制。因此,需要在高比例清洁电力低成本供应或交易的前提下,因地制宜、深入调研,特别是气候过渡带及南方地区的电采暖技术,全面系统分析电采暖的技术可行性及商业模式的临界价值,才能有效布局,在电采暖的综合能源服务中占据比较优势。

4. 小结

当前,智慧能源综合能源服务挑战与机遇并存,原始创新与集成创新并存,物理驱动与数据驱动相互融合,不确定性与确定性并存。综合能源服务的参与者需要有全面、辩证和长远的眼光去看待智慧能源的产业发展,全面把握智慧能源产业发展的未来趋势基本面,梳理辨识自身综合能源服务的精准场景,并做好智慧能源综合服务的短期、中期、长期的发展规划。同时,不管是所谓的风口导向、基因导向,还是理想导向的综合能源服务转型商,其转型都离不开专业的人才队伍、系统化思维、创新意识以及过硬的关键技术的融合。

综合能源服务不是简单粗糙地把技术从场景A搬到场景B,需要多专业扎实、深度的交叉和创新。我们也应该相信,经过技术与市场的双轮驱动,在洞察综合能源服务新技术新模式新特征的基础上,综合能源服务生态参与者应根据自身技术特征,量体裁衣、精准卡位,以用户为中心,刻画用户画像,就能打造具备竞争力和生命力的综合能源服务的商业模式,实现企业综合智慧能源的健康可持续发展,共创能源互联网创新创业的沃土。

5. 致谢

感谢中国博士后科学基金课题(2019M660634)、电力系统国家重点实验室课题(SKLD19KZ03)、国家社会科学基金重大项目(19ZDA081)的资助。本文部分内容及观点发表于《能源》、《风能》杂志,可参见。

关键字:智慧能源综合服务

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