美國(guó)未來(lái)學(xué)家杰里米·里夫金在其新著《第三次工業(yè)革命》中提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想,稱“能源互聯(lián)網(wǎng)”將會(huì)出現(xiàn),并標(biāo)志著第三次工業(yè)革命的到來(lái)。對(duì)此,賽迪智庫(kù)產(chǎn)業(yè)政策研究所認(rèn)為,能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想給人類描繪了一個(gè)美好的未來(lái),但其實(shí)現(xiàn)目前還存在著四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸:高效、低能耗能源采集和轉(zhuǎn)換設(shè)備亟待突破;能源互聯(lián)傳輸所需的超導(dǎo)材料和技術(shù)突破尚沒(méi)有時(shí)刻表;能源互聯(lián)互通仍存在技術(shù)障礙;新型能源存儲(chǔ)材料發(fā)展面臨瓶頸?;诖?,我們更應(yīng)理性看待能源互聯(lián)網(wǎng);儲(chǔ)備能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù);做好信息網(wǎng)與電力網(wǎng)融合的基礎(chǔ)性工作。
20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后,能源問(wèn)題一直受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。前不久,美國(guó)未來(lái)學(xué)家杰里米·里夫金在其新著《第三次工業(yè)革命》中提出,分布式可再生能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的“能源互聯(lián)網(wǎng)”將出現(xiàn),并預(yù)言第三次工業(yè)革命即將到來(lái),人類從此擺脫能源、資源、環(huán)境的束縛,實(shí)現(xiàn)“活著是為了游樂(lè)”。那么,“能源互聯(lián)網(wǎng)”究竟何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)?它真的已經(jīng)離我們很近了嗎?
世界各國(guó)積極探索能源互聯(lián)網(wǎng)
里夫金在《第三次工業(yè)革命》中為我們描述了能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式:使用可再生能源,采用分布式能源采集系統(tǒng),充分采集散落在地球各個(gè)角落的微小可再生能源,通過(guò)氫或其他存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)間歇式能源,聚少成多,利用互聯(lián)網(wǎng)和智能終端技術(shù)構(gòu)建智能能源共享網(wǎng)絡(luò)。
事實(shí)上,在能源互聯(lián)網(wǎng)提出之前,各主要國(guó)家已開(kāi)始在這一領(lǐng)域探索,并著手規(guī)劃和實(shí)施智能電網(wǎng)、智能能源網(wǎng)等。
(一)美國(guó):以智能電網(wǎng)建設(shè)為先導(dǎo)推動(dòng)能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
2001年,美國(guó)提出名為“智能電網(wǎng)”的新電力能源供應(yīng)系統(tǒng)概念,并于2003年正式展開(kāi)研究。智能電網(wǎng)采用先進(jìn)的材料技術(shù)、高溫超導(dǎo)技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)等,旨在構(gòu)建一張全美骨干電網(wǎng)、區(qū)域性電網(wǎng)、地方電網(wǎng)和微型電網(wǎng)等多層次的電力網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效安全、穩(wěn)定可靠、可靈活應(yīng)變及品質(zhì)有保障的電力供應(yīng)。該計(jì)劃將在2030年完成。
(二)英國(guó):規(guī)劃智能電網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展
近兩年,英國(guó)政府大力支持智能電網(wǎng)建設(shè),制定了詳細(xì)的以實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電和強(qiáng)互動(dòng)性智能配電為主要目的的智能電網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃,并制定出到2050年的智能電網(wǎng)線路圖及實(shí)施方案。該輸電網(wǎng)多采取互動(dòng)供電模式,需求側(cè)可將剩余的電力逆向輸入電網(wǎng),但需對(duì)電網(wǎng)實(shí)施雙向保護(hù),給電網(wǎng)的穩(wěn)定控制和調(diào)度管理帶來(lái)很大困難,技術(shù)尚待突破。
(三)德國(guó):大力發(fā)展E-Energy
在美英智能電網(wǎng)建設(shè)熱火朝天之際,德國(guó)另辟蹊徑,提出了E-Energy概念,并于2008年年底開(kāi)始投資實(shí)施該計(jì)劃。有觀點(diǎn)認(rèn)為,這是德國(guó)的智能電網(wǎng),其實(shí)不然。德國(guó)意在借此打造一個(gè)基于信息和通信技術(shù)的能源供應(yīng)系統(tǒng),這更像是里夫金能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想的一個(gè)實(shí)踐。為此,德國(guó)專門(mén)開(kāi)設(shè)了一個(gè)網(wǎng)站,向公眾宣傳E-Energy優(yōu)勢(shì),并及時(shí)公布該項(xiàng)目的進(jìn)度,使E-Energy計(jì)劃更廣泛地被接受。
(四)中國(guó):率先推出智能能源網(wǎng)
2009年11月27日,“國(guó)家‘十二五’中國(guó)智能能源網(wǎng)發(fā)展模式和實(shí)施方案課題組”成立,正式開(kāi)始籌劃智能能源網(wǎng)。2010年7月15日,由中國(guó)工程院、中國(guó)能源研究會(huì)、國(guó)家能源專家咨詢委等機(jī)構(gòu)的有關(guān)專家組成委員會(huì),評(píng)審并通過(guò)了《中國(guó)智能能源網(wǎng)發(fā)展模式及實(shí)施方案》課題研究成果。
智能能源網(wǎng)是通過(guò)將水、電、氣甚至熱力等不同的能源品種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)整合,形成跨能源品種的能源生產(chǎn)、流通(交易)、消費(fèi)網(wǎng)絡(luò),并采用信息化集成技術(shù),構(gòu)建一個(gè)生產(chǎn)輸送側(cè)與需求側(cè)相對(duì)稱、相互動(dòng)的智能能源運(yùn)轉(zhuǎn)體系。它包括智能化的集中分層式能源生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)、先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能終端能源系統(tǒng)、智能能源服務(wù)系統(tǒng)等四大系統(tǒng),涉及智能燃?xì)饩W(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能熱力網(wǎng)等八個(gè)子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。根據(jù)測(cè)算,智能能源網(wǎng)將把我國(guó)能源效率提高至少15%。
能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸
盡管能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想給了我們一個(gè)美好的愿景,但要真正實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)互通,尚需解決眾多的技術(shù)難題。
(一)高效、低能耗能源采集和轉(zhuǎn)換設(shè)備亟待突破
分布式可再生能源系統(tǒng)使得能源采集和生產(chǎn)小型化,并更貼近需求,其實(shí)現(xiàn)依賴于低能耗、高轉(zhuǎn)換效率的可再生能源的采集和轉(zhuǎn)換設(shè)備。現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)遠(yuǎn)不能滿足要求。
一是太陽(yáng)能的采集、轉(zhuǎn)換為電能的效率仍較低。目前,在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的硅基太陽(yáng)能電池中,單晶硅電池的最高轉(zhuǎn)換效率為29%,即便采用太陽(yáng)能電池堆疊技術(shù),也僅實(shí)現(xiàn)41.1%的轉(zhuǎn)換率。
二是小容量、低損耗的變壓器、穩(wěn)壓器、逆變器等轉(zhuǎn)換設(shè)備亟待開(kāi)發(fā)。我國(guó)變壓器的總損耗占發(fā)電量的10%左右,每年有近千億度電浪費(fèi)在升壓降壓轉(zhuǎn)換中。在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,分布式能源系統(tǒng)的普及,尤其是安裝在建筑物上的太陽(yáng)能電池板輸出電力均為低電壓直流電,需要巨量小容量的轉(zhuǎn)換設(shè)備支撐?,F(xiàn)有技術(shù)條件的大量換轉(zhuǎn)設(shè)備將消耗海量能源,這將完全蠶食掉分布式能源系統(tǒng)中微小能源采集單元生產(chǎn)的電力。
(二)能源互聯(lián)傳輸所需的超導(dǎo)材料和技術(shù)突破尚沒(méi)有時(shí)間表
發(fā)展新型輸電材料——常溫超導(dǎo)材料是能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)想,就是充分利用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源,使每棟建筑都成為一個(gè)微型發(fā)電廠,除供本建筑使用外,還可對(duì)主干網(wǎng)輸出多余的電力。這個(gè)大膽的設(shè)想,需要有新的電力傳輸材料和技術(shù)加以支撐。采用常規(guī)材料和低電壓傳輸方式,能源互聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)分散在生活或生產(chǎn)單元的發(fā)電單元的微小余電將在傳輸線路上損耗殆盡,根本無(wú)法上傳到主干網(wǎng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源的回收,能源的互聯(lián)便無(wú)從談起。所以,要實(shí)現(xiàn)電力在低壓傳輸過(guò)程中有效輸送和回收,充分利用各分布式小功率能源采集和生產(chǎn)單元的余電并網(wǎng),必須使用常溫超導(dǎo)體。
但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾十年內(nèi),常溫超導(dǎo)材料(工作溫區(qū)在355K,即80℃左右)很難取得實(shí)質(zhì)性突破。高溫超導(dǎo)體需要消耗巨大能源將其工作溫度維持在低溫狀態(tài),利用高溫超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)不具現(xiàn)實(shí)意義。
利用電力網(wǎng)加載高頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息通信,是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。盡管小范圍、小規(guī)模的傳輸數(shù)據(jù)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,如電力貓可以實(shí)現(xiàn)電力線傳輸數(shù)據(jù),但局限于同一個(gè)電表內(nèi),大規(guī)模、廣域網(wǎng)的大數(shù)據(jù)傳輸尚有待于技術(shù)突破。
一是輸送速度低,難以承載海量數(shù)據(jù)。能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí),將產(chǎn)生千萬(wàn)億甚至上萬(wàn)億的能源采集生產(chǎn)單元和用能終端。對(duì)這些終端實(shí)時(shí)反饋控制,實(shí)現(xiàn)電力智能調(diào)度,將產(chǎn)生當(dāng)前人類難以想像數(shù)量級(jí)的海量數(shù)據(jù),即便下一代互聯(lián)網(wǎng)恐怕也難以承受。盡管未來(lái)技術(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度,但突破尚需時(shí)日。
二是傳輸范圍有限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)傳輸。在常溫超導(dǎo)未實(shí)現(xiàn)的情況下,為減少線損,電力傳輸必須通過(guò)變壓器層層升壓,再層層降壓來(lái)完成。高頻信號(hào)無(wú)法通過(guò)變壓器傳輸,信息只能在同一個(gè)變壓器的電力子網(wǎng)內(nèi)傳輸。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾十年內(nèi),這將是信息在全網(wǎng)傳輸不可逾越的鴻溝。
(四)新型能源存儲(chǔ)材料發(fā)展面臨瓶頸
如何對(duì)間歇式的可再生能源進(jìn)行潔凈存儲(chǔ)和提取,保持能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是能源互聯(lián)網(wǎng)面臨的又一挑戰(zhàn)。
一是小型化、大功率、安全性好的電池研發(fā)和商用尚需時(shí)日。大功率鋰電池尚未進(jìn)入實(shí)用階段,且安全性仍有待提高。釩電池雖具有功率大、容量大、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),但不適合作為分布式能源系統(tǒng)的小型化存儲(chǔ)設(shè)備。鈉硫電池雖具儲(chǔ)量大、能量和功率密度大、充放電效率高、不受場(chǎng)地限制、維護(hù)方便等特點(diǎn),但正、負(fù)極活性物質(zhì)的強(qiáng)侵蝕性,對(duì)電池資料、電池構(gòu)造及運(yùn)轉(zhuǎn)前提的要求苛刻,且存在安全、壽命、處置難等問(wèn)題。
二是作為終極儲(chǔ)能的“氫儲(chǔ)能”,由于氫制備成本高、存儲(chǔ)困難,仍屬于亟待攻克的技術(shù)難題,“氫儲(chǔ)能”之路仍很遙遠(yuǎn)。氣態(tài)儲(chǔ)氫能量密度低,安全性差;氫液化消耗能量巨大,是氫熱值的30%,對(duì)儲(chǔ)罐的絕熱性能要求高,能源可再利用率低。金屬氫化物、配位氫化物、納米材料吸附等固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,且可逆性差,能源提取難度大。
幾點(diǎn)思考
(一)理性看待能源互聯(lián)網(wǎng)
能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想被不少專家學(xué)者視為在短期內(nèi)就能解決能源短缺的法寶,甚至有人認(rèn)為它能帶來(lái)第三次工業(yè)革命。然而,從當(dāng)前乃至今后一段時(shí)間的技術(shù)水平和發(fā)展來(lái)看,能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)仍有待時(shí)日。面對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)掀起的熱潮,我們更應(yīng)保持客觀、冷靜,要立足眼前,腳踏實(shí)地,堅(jiān)定不移地做大做強(qiáng)工業(yè),提升基礎(chǔ)制造和能源生產(chǎn)能力;關(guān)注能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展,做好關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的儲(chǔ)備。
(二)儲(chǔ)備能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù),“大軍未動(dòng),糧草先行”
盡管能源互聯(lián)網(wǎng)還很遙遠(yuǎn),但也要對(duì)關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)提前進(jìn)行開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)備。重點(diǎn)支持高效、低耗太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的開(kāi)發(fā);支持超導(dǎo)材料,尤其是常溫超導(dǎo)的開(kāi)發(fā),鼓勵(lì)高溫超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;推進(jìn)新能源存儲(chǔ)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展,加快大功率鋰電池的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,提高鈉硫電池的安全性和實(shí)用性,探索釩電池的小型化。
(三)做好信息網(wǎng)與電力網(wǎng)融合的基礎(chǔ)性工作,積極探索利用電力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)廣域傳輸?shù)募夹g(shù)和設(shè)備的研發(fā),為推動(dòng)能源、廣電、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)四網(wǎng)融合做技術(shù)儲(chǔ)備
支持能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息傳輸和終端控制設(shè)備的發(fā)展。推動(dòng)小信號(hào)、微功率無(wú)線智能控制終端設(shè)備和智能電表等智能電網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展,加快對(duì)各用電單元進(jìn)行用能實(shí)時(shí)監(jiān)控,提高能源利用效率。