综合能源系统之寻路能源变革

发展清洁能源产业，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，是党的“十九大”报告对未来能源发展方向的定位。推动能源生产和消费革命要求建立多元供应体系，不仅指宏观层面的国内外能源资源供应体系，也包括满足终端消费多元化需求的、清洁低碳、节能高效和安全的供应体系。在新一轮工业革命的条件下，综合能源系统是满足多元供应体系的具体实现方式，已经成为世界各国能源转型争相发展的重点。

综合能源系统能带来什么

狭义的综合能源系统则是指能源系统内部的各种能源之间相互链接、耦合，让能源供给更加高效、柔性、多元、互补、安全。从广义上看，综合能源系统是将能源系统本身与其他系统的信息和数据链接起来，实现大系统之间的协同和交互，在实现效益最大化的同时，不断提高可再生能源的比例。

综合能源系统既涉及能源传输网络，也涉及接驳多种能源的系统，同时也涉及能源系统本身与其他系统，如数据与信息网络的互联。综合能源系统可以很好地利用潜在和协同效益，提高能源系统的可靠性，实现不同供能系统间的有机协调、优化调度和协同利用。

有机协调，即提高能源供应的安全性、灵活性、可靠性。如2008年初我国南方发生的低温雨雪冰冻灾害，最初在电力系统中引发了多米诺骨牌效应，不仅殃及其他供能系统，还引发了交通、通信、金融等多个部门的故障，暴露出大电网在极端情况下缺乏足够自愈能力的严重风险。相关研究也表明，单纯通过加大某一供能系统(如电力系统)的投入来提高其安全性和自愈能力，并不能保证整体系统的安全性。而通过构建综合能源系统，以实现各供能系统间的有机协调，则是解决上述问题的一种有效途径。

优化调度，提高社会供能系统基础设施的利用率。供电、供气、供热/冷系统的负荷需求存在明显的峰谷交错特征，目前各供能系统相对独立运行，只能按自身峰值负荷进行单独设计与建设，由此不可避免地产生设备利用率低下的问题。以电力为例，美国的统计数据显示，其供电设备平均载荷率只有43%，载荷率在95%以上的时段不足5%。设备利用率低下的问题同样存在于供气、供热/冷系统，加大了各供用能系统的运行维护费用，造成了社会资金的巨大浪费。

综合能源系统可通过各子系统间的有机协调缓解或消除上述问题。如利用供电系统低谷时段过剩电能产生冷/热能并加以存储，在电力高峰时段使用;通过供电与供冷/热系统的有机配合，实现同时提高供电与供冷/热系统设备利用率的目的。

协同利用，即增加生产、输配、消费、存储不同环节间的时空耦合机制和互补替代性，一方面实现不同品位能源的梯阶利用;另一方面还能弥补可再生能源( 如风能、太阳能等) 能流密度低、分散性强和间歇性明显等问题，提高其规模化开发利用水平。

先行者的路径

近年来，发达国家的能源转型加速进行，在综合能源系统领域，已经取得很多进展，并呈现出各有特点的顶层设计特征。

欧盟的特征在于明确的目标导向型。欧盟于2014年通过了2030年“40-27-27目标”升级了原来了2020年“20-20-20目标”，即到2030年,实现温室气体排放与1990年水平相比至少减少40%，27%的能源消耗来自可再生能源，能源效率比预期提高27%。在这个目标下，欧盟各成员国面临着前所未有的挑战,正在积极寻求系统层面的解决方案,从而推动了综合能源系统快速发展。

英国长期以来一直致力于建立一个安全和可持续发展的能源系统，并表现出了明显的从上至下的特征。除了国家层面的集成电力/燃气系统,社区层面的分布式综合能源系统研究和应用在英国也得到了巨大的支持。例如英国的能源与气候变化部(DECC)和英国的创新代理机构——“创新英国”(Innovate UK，以前称为TSB)与企业合作，资助了大量区域综合能源系统的研究和应用。2015年4月，“创新英国”在伯明翰成立“能源系统弹射器”(Energy Systems Catapult),每年投入3千万英镑，用于支持英国的企业重点研究和开发综合能源系统。

与英国相比，德国更侧重于能源系统和通信信息系统间的集成，其标志性项目是E-Energy。这个项目在2008年选择了6个试点地区，总投资约1.4亿欧元，涉及智能发电、智能电网、智能消费和智能储能等方面。该项目旨在推动其他企业和地区积极参与建立以新型信息通信技术(ICT)和系统为基础的高效能源系统，以最先进的调控手段来应对日益增多的分布式电源与各种复杂的用户终端负荷。通过在智能化区域用能管理系统、智能家居、储能设备、售电网络等多平台开展试点，E-Energy项目实施后最大负荷和用电量均有一定减少，更主要是，可再生能源消纳能力有了明显提升。此外，在E-Energy项目实施以后，德国政府还推出了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等项目，进一步提高可再生能源消纳能力。

在丹麦，对不同能源系统进行整合的重要目的，是为了消纳可再生能源，充分开发各种能源资源。近几年，丹麦电力系统中风电占比已经超过40%，热电联产、热泵、电热、储热等供热技术使用广泛,使得丹麦的电力、供暖和燃气系统紧密关联，且互动性日益增强。

美国非常注重与能源综合系统相关理论与技术的研发。美国能源部在2001年即提出了综合能源系统(integrated energy system，IES)发展计划，目标是提高清洁能源供应与利用比重，进一步提高社会供能系统的可靠性和经济性，而重点是促进对分布式能源(DER)和冷热电联供(CCHP)技术进步和推广应用。2007年12月，美国颁布能源独立和安全法(EISA)，明确要求社会主要供用能环节必须开展综合资源规划(integrated resource planning，IRP)，并在2007～2012财年追加6.5亿美元专项经费支持IRP的研究和实施;2009～2013年，美国将智能电网列入国家战略，旨在以电网为基础，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，以保证美国在未来引领世界能源领域的技术创新与革命。在需求侧管理技术上，包括加州、纽约州在内的许多地区在新一轮电力改革中，明确把需求侧管理、提高电力系统灵活性作为重要方向。特朗普上任以来，尽管采取了偏重传统化石能源的政策，但在未来综合能源系统、特别是传统能源与可再生能源融合发展方面，美国依然投入了大量的人力、物力开展研究。

日本是亚洲最早开展综合能源系统研究的国家。2009年9月，日本政府公布了其2020、2030和2050年温室气体的减排目标，并认为构建覆盖全国的综合能源系统，能够实现能源结构优化和能效提升;而促进可再生能源规模化开发，则是实现这一目标的必由之路。在日本政府的大力推动下，日本主要的能源研究机构都开展了此类研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月发起成立的JSCA(Japan smart community alliance)，主要致力于智能社区技术的研究与示范。智能社区是在社区综合能源系统(包括:电力、燃气、热力、可再生等)的基础上，实现与交通、供水、信息和医疗系统的一体化集成。氢能供应网络是日本对未来能源系统的一项重要探索。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，在传统综合供能(电力、燃气、热力)系统的基础上，将建设覆盖全社会的氢能供应网络，同时在能源网络的终端，不同的能源使用设备、能源转换和存储单元共同构成了终端综合能源系统。

中国：亟需宏观研究

过去几年，无论在建设规模上，还是在投资速度上，我国都在引领全球可再生能源的发展。随着一系列政策的出台，弃风、弃光、弃水现象呈好转趋势，但结构上的改进还存在很大空间。我国现有的能源基础设施，在适应可再生能源融入的需求、用户侧的多元能源需求以及提升综合能源效率的需求，面临的挑战不断加大，能源系统的变革已经变得非常迫切，传统以满足“电与变动需求”匹配为目标的能源基础设施，已经越来越难以满足需求。如何使未来能源系统有足够强大的能力去处理来自供给侧的多元能源供给，特别是可再生能源的强波动性，同时满足用户多变的能源需求，同时实现效率最大化，是需要加快研究的问题。

从长远看，我国能源基础设施向综合能源服务系统转型已远远不是一个成本问题，而是一个能否适应和推动中国高质量发展的根本性问题，是一个关乎未来发展新动力的问题。但同时要充分认识到，它也是一个复杂的、跨界的、系统性的问题，因此，顶层设计与综合性的宏观研究，是当下最为迫切的需求。

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