能源互联网—实现零碳排放可持续性的多能源方法

5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

神华集团北京低碳清洁能源研究所分布式平台负责人John Lemmon博士在“能源互联网与多能互补专场”,发表了题为“能源互联网—实现零碳排放可持续性的多能源方法”的精彩演讲。

演讲内容如下:

John Lemmon:各位下午好!我叫John Lemmon,在北京低碳清洁能源研究所工作,是这里的国家特聘专家。我现在也在参与能源互联网的概念。除此之外,我们更把它进一步拓展到了零碳的能源概念。

我想稍微介绍一下我现在工作的机构,以前是隶属于神华集团的,这是非常有命的能源集团,最近神华集团与中国国电进行了合并,最后有了新的国家能源集团,现在应该是全球最大的清洁能源公司之一。实际上这里我列出了中国能源集团的八大业务板块,这里列举了一些数字,我们看到煤炭产能、煤电发电的装机容量、风电装机容量,等等都可以看出来国家能源集团是全球最大的这类公司,而且是属于全球五百强。我现在为这个集团工作做研究。

NICE,我们有全球的布局,在北京,大概有300人的团队,主要做4个领域:分布式能源是六大板块中的一个,我主导这方面的研究。最近在美国加州、硅谷又开了一个研究所。我们还在德国开了一个办公室,主要专攻光伏生产的可再生能源,我们研究所是总部,隶属于中国能源集团的全球布局的研究所,我们在全球都有团队,大家共同工作。

研究所有哪些目标?一是把集中式的高碳电网转向未来的低碳分布式电网,现在这种高碳的集中性电网也是有它的特性,比较安全,相对来说抗意外能力更强。但是我们用可再生能源,可再生能源有间断性,所以我们现在做电网又一定要强调可靠性,所以我们需要在可靠性和灵活性之间取得更好的平衡,在这里我们需要一些关键的技术来帮忙。储能是其中一种,同时还涉及到了掌控方式、算法和数据,我不光只是说化学能的电池,也可以是蓄水、水能或者虚拟的方式,比如需求响应,其实是有很多其他的技术都可以用到的。

我觉得这张图很有趣,中国现在已经有不少可再生能源用来发电,如果我们看一下弃风弃光的情况,还是相对比较严重的。这是风电的弃风现象,中国的弃风率是全国最高的。而且在这个风能使用上占比也并不高,所以你可以看到中国的弃风率有17%,这是相当大的损失。我们也面临另外一个能源弃用的问题,我们仍然面对热电厂的产能过剩,红色代表的是需求的增长曲线,而黑线代表的是煤电厂的产能,你可以发现我们有过很严重的供应过剩,两条曲线其实都在往下走。其实有的资产,现在供应已经过剩了,这其实对于储能来说也是一个挑战。所以我们提出了能源互联网的概念,能源互联网可以叫做由网络来促成的大规模电力网络,我相信这并不是一个陌生的概念,涉及到了从生产到输送到配电侧到用户侧的整条链条,最终是为了提高效率。不光是系统层面,包括设备层面,这是非常完整的体系。而且不光只是想生产,我们看到不同能源形式之间怎么样能够把他们协调起来进行应用,所以整套系统是非常的复杂的,涉及到各种能量来源,而且它的量级在不同的地方不一样,有的是KW级,有的是MW级,而且它也卡跨多个学科,有数学、物理、经济等等,不同的地点需求有极大的波动性。所有这一切都必须要有相应的经济效益才能运转起来。

刚刚听到了很多政策,除了政策还有技术,光有技术也是不够的,所以除了技术之外,还要政策,与此同时,我们还需要有钱,有财政或者资金的支持。有投资者愿意投到这个行业来,科技、资金、政策缺一不可,才能让整个能源互联网的概念真正贯彻起来。我们希望达成什么样的成效呢?我们能够减少可再生能源与供应、需求的波动,同时能够给实时向需求的反应,如果我们用图像解释,从左边的情况,没有需求响应的机制变成一个有迅速需求响应,有网络来控制的响应结构。我们在这方面做了一些其他的研究,如果我们真正利用起数据,用分析法分析这些数据,我们其实可以把电厂的效率和利用率都提高很多,甚至刚刚提到的弃风、弃电的情况,能够从15%降到4%,它会有相当多的好处。但是现在在研究院,因为我们是集团下属的研究院,我们也会做一些长期的规划,我们知道在市场里面做出很多变化,才能真正实现要达到的愿景,我们看一下在哪些领域应该首先促成一些变化。

首先是智能控制、高级算法方面,另外一方面是高级材料与设备。在这里,我们要怎么做呢?我们要有更多的创新把这些新的方法和材料、算法实现商业化。在未来,希望我们整体的能源结构变得效率越来越高,这就是说能源的效率、成本和环境友好之间做出平衡。首先降低成本,其次提高效率,我们还需要找到合适的模式以及优化的材料组合,包括我们使用的各个组件。当然了,最终这些技术都要进行商业化。所以我们要有很好的价值主张。当我们做现有技术对未来全新技术的衍生研究的时候,我们要兼顾这几个特性。

储能系统的成本,现在有些比较成熟的技术,有些目前正在开发的技术和未来的技术,大家现在看一下,从500美金到400美金是铅炭电池,未来还会有钠硫电池和锂离子电池,这些的成本差不多都是在300-500美金之间,而且他们的使用寿命都不够持久。在未来的技术趋势,哪些技术趋势让成本越来越低、效率越来越好呢?因为我们的价格一定要降到200美金/KWH,尤其是抑峰平谷,还有调频考虑,哪些技术是我们可以优先进行改革的?我们现在圈出来的是锂离子电池、流质电池,还有锂金属负极。如果做化学家,他们研究材料学和性能,他们就会说,我们做性能研究就好了,对于整体的电池效率的提升是最大的,但实际上我们有硬件和软件。整个能源存储的成本,在右边有软件,这些软件也可以看到怎么样在未来更好的控制整个的软硬件的搭配,包括整个价格组合,帮助我们得到更低的成本和更高的效率。

现在我们做一个非常关键的技术,能极大的帮我们减少成本。我们现在做建筑物外部的转型,希望未来建筑物转型本身能成为储能组件的一部分。有些技术是过渡性技术,有些是颠覆性技术,颠覆性技术现在有一个算法,这种优先的控制算法,比如说算法能够帮助我们更好的进行多效能源的互补,市场的计算,AI和人工智能、大数据和深度学习等等,从能源和材料、设备的这端,我们就希望能够用越来越多的先进的材料,我们再也不可能用过去的火电发电,至少要水电或者其他的可再生能源,所以我们希望有一个多效的能源来源来帮助我们。还有像设备端,可以用3D打印和更多的先进生产设备来进行成本的降低。短期来看,建筑物组件可以进行商业化运作,和我们更好进行储能系统的兼并。

未来我们要开发更多颠覆性的技术。未来的能源互联网,我们正在着手几个项目,其中一个是多效能源分布式系统,很多时候人们把多能集成分布网络看成单一的市场,实际上它是非常全面的市场。这个系统里面有ADN,ADN解决的是入口端的问题,包括新能源和可再生能源,另外还有用气的网络。比如说气体互联网,前面这位嘉宾讲到了,现在还有水力发电。另外未来还会考虑热损,所以我们把所有这些都联系到能源的生态圈,这个生态圈指的就是分布网络。在这里我们可以看到,我们有中国的科学家,目前和丹麦的科学家以及中国政府合作的项目叫CHPF能源枢纽项目,这个项目能把气、热、能全部联系在一起,右边有新资产,把它叫做气转电还有热转电等等。我们还有过去的这些旧的资产,比如火电发电厂、气电厂,还有110KV的发电站、220KV的发电站。大家看到的这些方盒子就是跨行业的能源的枢纽,现在我们可以在整个生态圈里面把他们通过我们的CHPF的网络联系在一起。这是我们和丹麦和中国政府做的全新项目,这个项目大家在网上可以查到发表的论文。

我们使用的工具盒或者工具箱,有一个分布式资源的虚拟化显示技术。当我们在实验室里做研究的时候,我们可以看不同的荷载、不同的能效供应、不同的可再生能源,还有像电流以及荷载,所以,我们叫它纳米网。这种纳米网能够把传统的燃料电池、不同的电池,全部都联系到光伏发电、转换器。所以我们整个做的是实验室里的场景,在实验室里,我们可以通过10G的具体设备和组件计算出最佳算法,这一切都是在云端进行的。同时我们得到的具体数字还可以指导我们实地调控。所以这是非常快速反应的框架。我们把它叫纳米网,它是比微网还要小的网,差不多是几个千瓦,而不是MW级别的网,我们只是雏形,叫超迷你网和纳米网,这里可以看到水电还有传统的热电以及我们的热损失,所有这些元素都考虑在里面。这个纳米网就是我们能够进行多能互补市场很好的解决方案。在短期,我们还在开发不同的能源系统储能的应用。比如前面讲的调频、调峰,还有商用的平峰和填谷,包括加州和德国的解决高峰和平谷之间差距的商业化模式。

这是一个关于电网的动画片。目前我们正试图用短期的时间做一些商业化的应用,长期的目标是做多能互补市场。现在二氧化碳的排放和风电场、热电厂,这里还有太阳能发电,在输电端、配电端,还有电池,同时在雏形里面还有非常先进的可再生能源的系统,同时我们还有调频、算法、雏形、原形等等。我们还创建了整个小系统的微网或者纳米网,同时我们还在学校里面搭了雏形,差不多是1GW的微网。这个项目是丹麦的大学,在配电端,我们现在看到的是多能互补和转换,尤其是表后的转换,包括像削峰平谷,未来我们还会进行大规模的试点。目前我们只是从多种能效和能源的角度来看这个问题。

总结,我们实验室主要是做商业化应用,我们在这里尝试的技术都是希望进行商业化的运作,我们现在正在做的主要技术就是刚才讲的纳米网,比微网还要小的网。希望跟大家有些分享。谢谢大家!