綜合能源系統：尋路能源變革
綜合能源系統：尋路能源變革
摘要： 發展清潔能源產業，推進能源生產和消費革命
發展清潔能源產業，推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，是黨的“十九大”報告對未來能源發展方向的定位。推動能源生產和消費革命要求建立多元供應體系，不僅指巨集觀層面的國內外能源資源供應體系，也包括滿足終端消費多元化需求的、清潔低碳、節能高效和安全的供應體系。在新一輪工業革命的條件下，綜合能源系統是滿足多元供應體系的具體實現方式，已經成為世界各國能源轉型爭相發展的重點。
綜合能源系統能帶來什麼
狹義的綜合能源系統則是指能源系統內部的各種能源之間相互連結、耦合，讓能源供給更加高效、柔性、多元、互補、安全。從廣義上看，綜合能源系統是將能源系統本身與其他系統的資訊和資料鏈接起來，實現大系統之間的協同和互動，在實現效益最大化的同時，不斷提高可再生能源的比例。
綜合能源系統既涉及能源傳輸網路，也涉及接駁多種能源的系統，同時也涉及能源系統本身與其他系統，如資料與資訊網路的互聯。綜合能源系統可以很好地利用潛在和協同效益，提高能源系統的可靠性，實現不同供能系統間的有機協調、優化排程和協同利用。
有機協調，即提高能源供應的安全性、靈活性、可靠性。如2008年初我國南方發生的低溫雨雪冰凍災害，最初在電力系統中引發了多米諾骨牌效應，不僅殃及其他供能系統，還引發了交通、通訊、金融等多個部門的故障，暴露出大電網在極端情況下缺乏足夠自愈能力的嚴重風險。相關研究也表明，單純通過加大某一供能系統（如電力系統）的投入來提高其安全性和自愈能力，並不能保證整體系統的安全性。而通過構建綜合能源系統，以實現各供能系統間的有機協調，則是解決上述問題的一種有效途徑。
優化排程，提高社會供能系統基礎設施的利用率。供電、供氣、供熱/冷系統的負荷需求存在明顯的峰谷交錯特徵，目前各供能系統相對獨立執行，只能按自身峰值負荷進行單獨設計與建設，由此不可避免地產生裝置利用率低下的問題。以電力為例，美國的統計資料顯示，其供電裝置平均載荷率只有43%，載荷率在95%以上的時段不足5%。裝置利用率低下的問題同樣存在於供氣、供熱/冷系統，加大了各供用能系統的執行維護費用，造成了社會資金的巨大浪費。
綜合能源系統可通過各子系統間的有機協調緩解或消除上述問題。如利用供電系統低谷時段過剩電能產生冷/熱能並加以儲存，在電力高峰時段使用；通過供電與供冷/熱系統的有機配合，實現同時提高供電與供冷/熱系統裝置利用率的目的。
協同利用，即增加生產、輸配、消費、儲存不同環節間的時空耦合機制和互補替代性，一方面實現不同品位能源的梯階利用；另一方面還能彌補可再生能源( 如風能、太陽能等) 能流密度低、分散性強和間歇性明顯等問題，提高其規模化開發利用水平。
先行者的路徑
近年來，發達國家的能源轉型加速進行，在綜合能源系統領域，已經取得很多進展，並呈現出各有特點的頂層設計特徵。
歐盟的特徵在於明確的目標導向型。歐盟於2014年通過了2030年“40-27-27目標”升級了原來了2020年“20-20-20目標”，即到2030年,實現溫室氣體排放與1990年水平相比至少減少40%，27%的能源消耗來自可再生能源，能源效率比預期提高27%。在這個目標下，歐盟各成員國面臨著前所未有的挑戰,正在積極尋求系統層面的解決方案,從而推動了綜合能源系統快速發展。
英國長期以來一直致力於建立一個安全和可持續發展的能源系統，並表現出了明顯的從上至下的特徵。除了國家層面的整合電力/燃氣系統,社群層面的分散式綜合能源系統研究和應用在英國也得到了巨大的支援。例如英國的能源與氣候變化部（DECC）和英國的創新代理機構——“創新英國”(Innovate UK，以前稱為TSB)與企業合作，資助了大量區域綜合能源系統的研究和應用。2015年4月，“創新英國”在伯明翰成立“能源系統彈射器”(Energy Systems Catapult),每年投入3千萬英鎊，用於支援英國的企業重點研究和開發綜合能源系統。
與英國相比，德國更側重於能源系統和通訊資訊系統間的整合，其標誌性專案是Ｅ-Energy。這個專案在2008年選擇了6個試點地區，總投資約1.4億歐元，涉及智慧發電、智慧電網、智慧消費和智慧儲能等方面。該專案旨在推動其他企業和地區積極參與建立以新型資訊通訊技術（ICT）和系統為基礎的高效能源系統，以最先進的調控手段來應對日益增多的分散式電源與各種複雜的使用者終端負荷。通過在智慧化區域用能管理系統、智慧家居、儲能裝置、售電網路等多平臺開展試點，Ｅ-Energy專案實施後最大負荷和用電量均有一定減少，更主要是，可再生能源消納能力有了明顯提升。此外，在E-Energy專案實施以後，德國政府還推出了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等專案，進一步提高可再生能源消納能力。
在丹麥，對不同能源系統進行整合的重要目的，是為了消納可再生能源，充分開發各種能源資源。近幾年，丹麥電力系統中風電佔比已經超過40%，熱電聯產、熱泵、電熱、儲熱等供熱技術使用廣泛,使得丹麥的電力、供暖和燃氣系統緊密關聯，且互動性日益增強。
美國非常注重與能源綜合系統相關理論與技術的研發。美國能源部在2001年即提出了綜合能源系統（integrated energy system，IES）發展計劃，目標是提高清潔能源供應與利用比重，進一步提高社會供能系統的可靠性和經濟性，而重點是促進對分散式能源（DER）和冷熱電聯供（CCHP）技術進步和推廣應用。2007年12月，美國頒佈能源獨立和安全法（EISA），明確要求社會主要供用能環節必須開展綜合資源規劃（integrated resource planning，IRP），並在2007～2012財年追加6.5億美元專項經費支援IRP的研究和實施；2009～2013年，美國將智慧電網列入國家戰略，旨在以電網為基礎，構建一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的綜合能源系統，以保證美國在未來引領世界能源領域的技術創新與革命。在需求側管理技術上，包括加州、紐約州在內的許多地區在新一輪電力改革中，明確把需求側管理、提高電力系統靈活性作為重要方向。特朗普上任以來，儘管採取了偏重傳統化石能源的政策，但在未來綜合能源系統、特別是傳統能源與可再生能源融合發展方面，美國依然投入了大量的人力、物力開展研究。
日本是亞洲最早開展綜合能源系統研究的國家。2009年9月，日本政府公佈了其2020、2030和2050年溫室氣體的減排目標，並認為構建覆蓋全國的綜合能源系統，能夠實現能源結構優化和能效提升；而促進可再生能源規模化開發，則是實現這一目標的必由之路。在日本政府的大力推動下，日本主要的能源研究機構都開展了此類研究，並形成了不同的研究方案，如由NEDO於2010年4月發起成立的JSCA（Japan smart community alliance），主要致力於智慧社群技術的研究與示範。智慧社群是在社群綜合能源系統（包括:電力、燃氣、熱力、可再生等）的基礎上，實現與交通、供水、資訊和醫療系統的一體化整合。氫能供應網路是日本對未來能源系統的一項重要探索。東京燃氣公司（Tokyo Gas）則提出了更為超前的綜合能源系統解決方案，在傳統綜合供能（電力、燃氣、熱力）系統的基礎上，將建設覆蓋全社會的氫能供應網路，同時在能源網路的終端，不同的能源使用裝置、能源轉換和儲存單元共同構成了終端綜合能源系統。
中國：亟需巨集觀研究
過去幾年，無論在建設規模上，還是在投資速度上，我國都在引領全球可再生能源的發展。隨著一系列政策的出臺，棄風、棄光、棄水現象呈好轉趨勢，但結構上的改進還存在很大空間。我國現有的能源基礎設施，在適應可再生能源融入的需求、使用者側的多元能源需求以及提升綜合能源效率的需求，面臨的挑戰不斷加大，能源系統的變革已經變得非常迫切，傳統以滿足“電與變動需求”匹配為目標的能源基礎設施，已經越來越難以滿足需求。如何使未來能源系統有足夠強大的能力去處理來自供給側的多元能源供給，特別是可再生能源的強波動性，同時滿足使用者多變的能源需求，同時實現效率最大化，是需要加快研究的問題。