国内外新能源发展现状与趋势

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：2009年，日本政府公布了其在2020年，2030年和2050年的温室气体减排目标，拟构建覆盖全国的新型能源系统，实现能源结构优化和能效提升，并促进可再生能源的规模化开发。2011年9月，日本数字电网联盟成立，并倡导“数字电网”。

由于煤炭、石油等传统化石能源的不可再生性，提高能源利用效率、发掘新能源并实现可再生能源规模化开发，已成为解决人类社会发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用、环境保护之间矛盾的必然选择^[1，2]。而打破原有各供能系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，实现智能电网与能源网的融合，也将成为适应人类社会能源领域变革、确保人类社会用能安全和长治久安的必由之路。不同国家对未来能源系统的发展已有一定的研究成果，尽管定义、命名不同，但本质均是扩大智能电网的互联范围，深度融合能源网，进一步提高能源系统的经济和安全性^[3-5]。

美国能源部于2001年提出了针对能源网的发展计划，2007年颁布了能源独立和安全法案（EISA），明确要求社会主要供能（电力和天然气）系统必须开展综合能源规划，综合能源系统的研究被提升为国家战略行为；2008年，美国国家科学基金项目“未来可再生电力能源传输与管理系统”（The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System，FREEDM System）研究了一种构建在可再生能源发电和分布式储能装置基础上的新型电网结构，其理念是在电力电子、高速数字通信和分布控制技术的支撑下，建立具有智慧功能的革命性电网构架，通过综合控制能源的生产、传输和消费各环节，实现能源的高效利用和对可再生能源的兼容。2009年美国总统奥巴马将智能电网列入美国国家战略，其终极目标为利用新型信息技术构建一个高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的综合能源系统。加拿大将综合能源系统视为实现其2050年减排目标的重要支撑技术，而关注的重点是社区级综合能源系统（Integrated Community Energy System，ICES）的研究与建设，并将推进ICES技术研究和工程建设列为2010～2050年的国家能源战略。

此外，美国著名学者杰里米·里夫金在其新著《第三次工业革命》一书中，首先提出了能源互联网的愿景。里夫金预言，以新能源技术和信息技术的深入结合为特征的一种新的能源利用体系，即“能源互联网”即将出现。里夫金认为能源互联网应具有如下特征：

1）支持由化石能源向可再生能源转变。

2）支持大规模分布式电源的接入。

3）支持大规模氢储能及其他储能设备的接入。

4）利用互联网技术改造电力系统。

5）支持向电气化交通的转型。

从上述特征可以看出，里夫金所倡导的能源互联网的内涵主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调；其最终目的是实现由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。近年来，可再生能源、分布式发电、智能电网、直流输电、储能、电动汽车等新能源技术与物联网、大数据、移动互联网等信息技术的不断发展，为第三次工业革命奠定了坚实基础。能源技术和信息技术的深度融合，即形成了能源互联网。

欧洲是最早提出综合能源系统的概念并付诸实施的地区。欧盟第5框架中有关多种能源形式协同优化的研究被置于显著位置，如分布式发电运输与能源（DGTRE）项目将可再生能源综合开发与交通运输清洁化协调考虑；在欧盟第6框架和第7框架中，能源协同优化的相关研究进一步得到深化，实施了诸如FP6中的微网与多微网（Microgrids and More Mirogrids）项目、FP7中的泛欧网络（Trans-European Networks）和智能能源（Intelligent Energy）等一大批具有国际影响力的重要项目。欧洲还开展风电一体化项目的研究，来自欧洲4个地区的13个国家共同携手打造的欧洲电力供应规划，其希望研究一种市场和技术之间良好的互动模式，以市场为主导，以电力系统互联为基础的发展可再生能源的模式，共同解决可再生能源并网的挑战。

此外，欧洲各国还根据自身需求开展了大量更为深入的相关研究，如英国的高度分布式电力系统（Highly Distributed Power Systems，HDPS）项目关注大量可再生能源与电力网间的协同问题，未来高度分布式能源（Highly Distributed Energy Future，HiDEF）项目关注智能电网框架下集中式、分布式能源系统的协同优化。丹麦政府计划在2050年全面摆脱化石燃料，实现零碳社会，其构建的未来能源系统将涵盖海上风力发电，潮汐发电，陆上电动、混合燃料汽车，太阳能、地热能发电及储能。除大力推广能源系统计划外，丹麦还正通过技术创新以及推广建筑节能规范等方式不断提供能效。2008年德国联邦环境部和经济与技术部在智能电网的基础上推出了E-Energy计划，提出在整个能源供应体系中实现完全数字化互联以及计算机控制和监测的目标。E-Energy充分利用信息和通信技术开发新的解决方案，以满足未来以分布式能源供应为主的电力系统需求，它将实现电网基础设施与用电器之间的相互通信和协调。2011年开始，德国在环境部和经济与技术部等机构的统一领导下，每年追加3亿欧元，从能源全供应链和全产业链角度实施对能源系统的优化协调，近期关注的重点是可再生能源、能源效率提升、能源存储、多能源有机协调以提高能源供应安全等方面的问题。

在亚洲地区，日本是最早开展新型能源系统研究的国家。2009年，日本政府公布了其在2020年，2030年和2050年的温室气体减排目标，拟构建覆盖全国的新型能源系统，实现能源结构优化和能效提升，并促进可再生能源的规模化开发。2010年，日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）发起成立了日本智能社区联盟（JSCA），主要致力于智能社区技术的研究与示范。2011年9月，日本数字电网联盟成立，并倡导“数字电网”。日本数字电网完全建立在信息互联网上，用互联网技术为其提供信息支撑，通过逐步重组国家电力系统，逐渐把同步电网细分成异步自主但相互联系的不同大小的子电网，给发电机、电源转换器、风力发电场、存储系统、屋顶太阳能电池以及其他电网基础结构等分配相应的IP地址。而东京燃气公司（Tokyo Gas）则提出了更为超前的综合能源系统解决方案，即在上述传统综合供能系统基础上，还将建设覆盖全社会的氢能供应网络。

我国智能电网与能源网融合的相关技术发展尚处在起步阶段。在2015年的政府工作报告中，李克强总理明确指出并制定了“互联网+”行动计划，旨在推动互联网技术与现代制造业的融合，提升传统制造业的现代化水平。2015年7月发布的《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》把“互联网+”智慧能源列为重点行动领域之一。全国“十三五”能源规划工作座谈会强调，“十三五”期间，要着力推进能源系统优化，实施电力和天然气调峰能力提升、分布式能源和智能电网发展、“互联网+”智慧能源等行动计划，显著提高能源系统的智能化水平和运行效率。2014年7月，国家电网公司在电气与电子工程学会（IEEE）电力与能源协会年会上首次提出构建全球能源互联网的构想，2015年4月，国家能源局组织召开能源互联网会议，提出制定“能源互联网行动计划”。2016年3月，国家发改委、国家能源局发布《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》将能源互联网技术创新列为一项重点任务。

国内相关研究机构和制造商正加紧探索能源互联网技术的研究与实践，并取得了一系列成果。在科学研究方面，天津大学早在2009年就承担了国家“973”项目，研究区域与用户级智能能源网（简称微网）的规划设计、运行控制和仿真分析等问题，并在科技部的支持下建设了多个微网示范工程。在研究机构设置方面，2015年4月，清华大学成立能源互联网创新研究院，致力于建立我国基础设施智能化、生产消费互动化、信息流动充分化的新型能源体系，促进能源市场体系建立，推动能源科技创新变革，带动能源关联产业发展；2015年10月，华北电力大学成立能源互联网研究中心，旨在充分利用当前科技发展优势，在科学研究、产业化和人才培养等方面，促进能源互联网发展。在企业技术研发方面，由国内联方云天科技（北京）公司设计开发的“Energ-yRouter”，可以支持多路电源输入，包含交流、直流、可再生能源及电池，能源转换效率高并具备智能输入切换能力、UPS不断电能力及大容量电池组管理功能，若同时将多台“EnergyRouter”并网输出，即可形成直流微网；新澳集团提出了泛能网的概念，即利用智能协同技术，将能源网、物质网和互联网耦合形成“能源网”模型，泛能网概念是目前国内提出的体系较为完善的一种能源网的技术体现。

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