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能源势动:电力行业的碳中和该如何实现?数字化的障碍在哪

脑极体 来源:脑极体 作者:脑极体 2022-07-05 09:16 次阅读

近日全国各地暴雨、高温、冰雹、洪涝等异常气象频繁在不同地域上演。时间线拉长来看,近20年,全球变暖、冰川融化、海平面上升等温室效应带来的气候变化正严重影响着我们的生存环境。随着世界各国对全球气候变化的逐渐重视,碳达峰、碳中和等一系列碳排放规划逐步落地。

数据显示,在我国的碳排放中,能源燃烧是中国主要的二氧化碳排放源,占全部二氧化碳排放的88%左右。而能源燃烧的用途主要是用来发电,数据显示,2019年电力碳排放42.27亿吨,占全社会排放总量的43%。能源系统脱碳是实现碳中和目标的关键,而电力行业的脱碳是重中之重。

那么问题来了:电力行业在助益实现碳中和的路径都有哪些?电力行业的数字化转型又是如何支持能源系统的碳中和转型之路?

脱碳之路

日常生活中,有无处不在的电源插头,插上电源线拨动开关空调、冰箱、电脑等电器就开始运转;在工厂中,自动化的机器运转也离不开电力的支持,小小的开关背后,是庞大精密复杂的电力系统。

电力行业背后的电力系统,由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。电力行业的脱碳之路主要也是围绕着这些关键的环节展开。

1.在发电环节,火力发电是主要的电力来源。据国家统计局数据显示,以燃煤发电为主的火力发电量,占全国发电量比例为71.19%。其次是水力发电,占比达到16.37%,然后是风力发电、核能。最后是太阳能发电,比重仅为1.92%。存量的火力发电行业中,运用各类净煤技术来改造火力发电的燃烧效率减少碳排,比如运用AI离线强化学习技术,用数据驱动优化火电厂燃烧系统环节,通过AI技术对火力发电机组的燃烧过程控制优化提升机组燃烧的效率。

除了火电能源供应外,风电、光伏发电规模不断增加。西南地区水力资源丰富,大型水电基地建设正在有序推进。西北则以风力发电、光伏发电为主。如光伏发电,国家能源局数据显示,截至 2021 年,国内光伏累计装机规模达 305.99GW, 同比增长 21.86%,太阳能发电在全部电源装机规模中占比为 12.90%,2021年国内新增光伏装机规模 54.88GW,2016-2021 年期间,国内光伏装机规模的年复合增长率为 32.31%,呈快速增长态势。

2.在变电环节,变电站被誉为电力系统的神经中枢,起变换、分配、控制、监测电能等作用。变电站在工作阶段也会消耗电能,据估计,我国变压器的总损耗占发电量的10%左右。这部分的碳排也不可忽视。变电站会嵌入一些智能设备来感知控制设备运行的状态,科学的优化运营策略,提升变电站整体的能效水平,促进节能减排。

3.在输电配电等环节,依赖电网的调度系统,保持发电与负荷的系统平衡。通过建设先进智能配电网,提高资源优化配置能力。智能电网推进已经近十年,各环节的自动化水平已经占据前列,数字化智能化技术与措施正在推进,以推动源网荷高效协同提高系统调节能力,提升电力需求侧响应水平。

当然,在这些路径外也有补充的措施,比如解决电网并网过程中间歇性、波动大的安全隐患措施,包含各类的物理、化学储能方式,如抽水蓄能、压缩空气、电池储能等储能技术,以解决清洁能源并网使用的困境,促进低碳清洁发电技术广泛应用与智能电网技术迭代升级。

数字技术在电力行业的脱碳道路中,与传统的电力电子技术相结合,通过智能化的协调或优化各环节,以驱动电力行业的碳排之路加速实现碳中和。电力行业的数字化转型,典型应用是在新型的电网系统中。

数字化转型的障碍

如果对电力系统行业有过了解的读者可能知道,传统电力系统采取的生产模式是“源随荷动”。什么意思呢?传统的电力系统可以根据用电侧的负荷来调整电源的发电量,用可控的发电系统去匹配波动幅度不大可测的用电系统,在运行过程中滚动调节,从而实现电力系统安全可靠运行。

随着可再生的清洁能源规模增加,新能源电力并入大电网,将改变这一模式。风能、太阳能等新能源易受气候影响,电力的生产具有随机性和波动性,而电网中的发电和负荷要时刻保持电力平衡,这也对电网的安全稳定性提出了挑战。而大规模储能技术的研发和广泛应用是改善可再生能源发电间歇性和波动性的保障,能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平,是推动能源结构转变的关键。

无论是适应新能源大规模高比例并网或消纳要求,还是支撑储能等分布式能源设施广泛接入,都需要以数字技术为电网赋能,以促进源网荷储协调互动,推动新型电网向更加智慧、更加泛在的能源互联网升级。

新型电力系统电网的数字化转型,需要云计算、大数据物联网、人工智能等新一代数字技术对传统电网进行数字化改造,支撑电力系统的绿色经济转型。不过数字技术在赋能电网智能绿色转型的过程中,面临的阻碍不少。

现阶段电力行业自动化程度高、信息化基础系统完备,因此电力企业在数字化转型上,更加关注物联网、大数据、人工智能等新技术的应用。新技术在电网中对于数据驱动决策的智能系统模型的建立并不成熟;在新能源电力的并网中,数字技术驱动的电网预测发电功率并不准确,电网电压电流的调节能力有限,系统的稳定安全无法完全保障,电网的控制难度大,弃电情形高居不下。

与此同时,数字技术赋能下的电网设备关联的数据庞大,大量的生产经营数据信息割裂,没有统一的管理平台将各类信息较好的融合,各类信息在各自的平台上处于孤岛状态,无法发挥数据的协同效用。并且这些数据关系着国民与资源的敏感数据,对网络安全也提出了较高的要求,构筑安全的数据防护体系也成为考验。

电网的数字化绿色转型处于发展的初始阶段,这些问题与挑战需要时间与技术的迭代磨合,电力行业的碳中和之路,是能源系统结构调整的关键部分,这是个复杂的系统问题,并不会简单到一蹴而就能够达成。

不可逆的大势与突破

电力行业数字化的转型瞄准的也是电网系统绿改中的核心痛点入手,在电力行业中,数字技术除了在电网系统的各类关键环节发力外,也有以集成的形态如工业互联网平台来提升对数据的采集、分析、和应用。

目前电力设备制造商、大数据AI技术服务商与电力企业开展合作,通过技术平台接入源、网、荷实时数据,利用AI、物联网、大数据分析建模,开展系统的调度、管控服务。一方面通过支持新能源实现无人值班、少人值守、区域化检修模式等提高运营的效率,另一方面则是提高电网系统本身的新能源电力并网效率与整体用电效率,减少能源损耗,支持电力电网能源资源的优化配置,促进能源绿色生产和消费,最终支撑“双碳”目标实现。

电力企业的碳中和之路是个复杂的系统工程,涉及的环节众多,电网系统的绿色改革、运行控制、安全防护等变得更加复杂,随着常规火电机组的有序退网和大规模新能源电源的并网,电力电子技术与设备的投入,带给整个电网系统较大的波动性,虽然改革困难,但电网系统的碳中和之路趋势不可逆。

虽然清洁能源会带来挑战,但不断发展的氢能、储能、可控核聚变等新技术有可能实现技术突破,并达到商用化程度,也会给电力结构的转型带来突破。我们在各类新闻中,总会看到在新能源汽车中,快充电池、储能电池屡屡突破的新闻,锂电池技术的革新,对电力系统带来颠覆性的革新,将很大程度上解决超高比例新能源接入给电力系统带来的挑战。不过储能技术从实验室到商用仍然需要很长的一段路需要走,这种不确定性,给其他技术的发展带来空间。

无论是氢能、储能、还是可控核聚变等技术,暂时都不能完全地解决电网系统的问题,仍处在探索与发展的初始阶段,面临的曲折不少。不过从长期来看,碳中和目标要求电力系统演化为“零碳电力系统”,电力电网的平衡需借助数字技术、新兴技术的突破来实现,结构性的深化与改革,也孕育着新一轮的科技革新与机遇。

不仅仅是意味着踩上了发展的东风,也能够让技术服务提供商们能够抢占数字技术的高地,提高竞争力。如果将这些复杂系统中的数字能力辐射到其他类似场景的变革中,也会为更多的行业带来效率的提升,在实现碳中和的路途中,拓展到更广阔的行业中,创造更大的社会价值。

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