基于日本能源發(fā)展特點的智慧能源服務發(fā)展與模式研究

宋天琦

上海航天智慧能源研究院

關鍵字：能源發(fā)展；智慧能源；服務模式；氫能戰(zhàn)略

0 引言

智慧能源服務是立足用戶端、多元化能源生產與消費需求的新型能源服務,是在傳統(tǒng)供能(電、燃氣、熱、冷)的基礎上,整合可再生能源、氫能、儲能及電氣化交通等,通過天然氣、風、光等各類分布式能源和智能微網等方式,結合大數據、云計算、物聯(lián)網等技術,實現多能協(xié)同供應和能源綜合梯級利用,從而提高能源利用率和綠度,降低用能成本。

不同國家自然能源狀況各有特點，隨之發(fā)展的智慧能源服務也各有特色。在當前中國大力倡導能源改革大背景下，了解其他國家智慧能源服務模式、案例及可借鑒之處顯得尤為重要。

日本是我國鄰國，也是世界范圍內較有影響力的發(fā)達國家。本文主要對其自身能源發(fā)展特點、智慧能源服務模式與案例進行分析與研究，以供參考。

1 日本能源發(fā)展概述

目前，火力發(fā)電依然是日本核心能源。作為人口超過一億的發(fā)達經濟體，日本能源消耗巨大，而化石燃料的極度缺乏，導致日本嚴重依賴進口，因此日本成為最早開展智慧能源綜合研究的亞洲國家。

2009年9月，日本政府公布了2020、2030和2050年溫室氣體減排目標，并提出建設覆蓋全國的智慧能源綜合系統(tǒng)、優(yōu)化能源結構、提升能效、推進可再生能源規(guī)?；_發(fā)是實現減排目標的必由之路。在政府大力推動下，日本主要能源研究機構積極開展研究，并形成了不同的方向，如：

（1）由新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構NEDO于2010年4月成立的日本智能社區(qū)聯(lián)盟（JSCA，Japan Smart Community Alliance），主要致力于智能社區(qū)的研究與示范。智能社區(qū)的建設類似于加拿大綜合社區(qū)能源管理（ICES）方案，是在社區(qū)能源一體化（包括:電力、燃氣、熱力、可再生等）的基礎上，實現與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的集成。

（2）東京燃氣公司提出更為超前的能源一體化解決方案，在傳統(tǒng)綜合供能（電力、燃氣、熱力）的基礎上，建設覆蓋全社會的氫能供應網絡。此外，在能源網終端，使用不同能源的設備、能源轉換和存儲單元共同構成終端能源系統(tǒng)。

2 日本能源發(fā)展特點與趨勢

日本智慧能源之所以著重強調社區(qū)和氫能的發(fā)展，主要是因為：

1）雙頻率共存

日本電網是世界上唯一同時存在50Hz和60Hz頻率的國家。其邊界南起靜岡縣富士川河，北至本州島新滹，相當于在東京和大阪兩個城市之間的連線上做一條垂直平分線。平分線以左，包括京都、大阪、名古屋是60Hz的電網；平分線以右，包括東京、橫濱、千葉是50Hz的電網,見圖1。

圖1 日本電網概況

1895年前后，大阪區(qū)域主要購買按美國60Hz標準制造的美國通用電氣公司（GE）產品，東京區(qū)域則主要購買按德國50Hz標準制造的德國通用電氣公司（AEG）產品。經過近百年的發(fā)展，這些區(qū)域向周邊輻射，從而形成了兩個頻率不同的電網。雖然這兩個電網通過直流背靠背工程實現了聯(lián)網，但傳輸容量較低，僅為百萬千瓦級，無法解決電力互供問題。遠期規(guī)劃中，日本將提高傳輸容量列入其中，但相較日本巨大的經濟體量，傳輸容量的提升仍難以滿足實際需求。

此外，統(tǒng)一頻率的可行性也很渺小，因為兩個頻率在技術的優(yōu)越性上無特殊區(qū)別，只需統(tǒng)一設備制造標準。因此從技術層面而言，統(tǒng)一頻率很難找到有說服力的理論依據，且頻率的統(tǒng)一意味著另一頻率區(qū)域的電氣設備、發(fā)電設備等，無論是民用還是工業(yè)用，都將大范圍停用和廢棄，可預見的經濟損失巨大且難以承擔。

因此向社區(qū)化發(fā)展、大范圍減少電力輸送在日本顯得尤為重要。

2）氫能與核能相輔相成發(fā)展

日本對氫能利用的研究起步很早。1993年日本開始實施《世界能源網絡計劃》，著手對氫能源和燃料電池進行基礎性研究，并制定了2020年氫能推廣初步時間表。從預算看，自2003年以來，日本氫能源預算基本維持在200億日元以上。從2009年開始，日本大量補貼燃料電池，到2017年燃料電池預算高達七百多億日元，見圖2。

圖2 日本氫能源預算

自2009年開始，日本大力推行熱電共生系統(tǒng)（ENE-FARM）的民用化。該行動由東京燃氣執(zhí)行，政府提供補貼直到2015年。日本首相官邸在2005年便開始使用熱電共生系統(tǒng)供電和供熱。經過數年推進，日本成功部署了約十萬套系統(tǒng)。

從豐田美玲(Mirai)汽車到東京燃氣熱電共生可見，日本現階段將固定式燃料電池和燃料電池車FCV發(fā)展并舉。日本對燃料電池的研究興起于上世紀九十年代，快速推動則從2002年開始。

國內常見的關于日本能源發(fā)展的看法是，日本大力推動燃料電池的動機是將燃料電池作為福島核事故后棄核的補充。而日本本國產業(yè)界和學術界則普遍認為，日本大力推動燃料電池和氫能源的初衷和前提是--大力發(fā)展核電。原因如下：

①日本燃料電池研究發(fā)展時間節(jié)點與日本核戰(zhàn)略進行點吻合。

②大力發(fā)展核電可產生廉價且大量的電力，這些電力通過電解法制造氫氣，為燃料電池提供氫能源。

③由于日本極度缺乏化石燃料，致使該技術發(fā)展?jié)摿薮螅偈谷毡境蔀楸姸喟l(fā)達國家中氫能源策略的積極推動者。

2011年日本福島核事故迫使日本從積極的核戰(zhàn)略轉向，但氫能戰(zhàn)略沒有改變，并進一步對氫氣來源規(guī)劃了兩條新的并行路線。

(1)海外進口廉價氫氣

自2017年以來，川崎重工（KHI，Kawasaki Heavy Industries）開始在澳大利亞設立工廠，使用低品質廉價褐煤生產氫氣，試運行計劃年產量為20t/d。此外，澳洲豐富的可再生能源也可生產大量的氫氣。如果考慮社會和健康成本，可再生能源生產氫氣的成本接近褐煤重整成本。目前，北歐國家挪威也有意憑借自己廉價的可再生能源參與氫氣供應競爭中。日本在澳大利亞氫能源項目見圖3。

（2）大力發(fā)展風電和太陽能

在發(fā)展風電和太陽能基礎上，配合廉價高效儲能電池，在本土制備氫氣。

自福島核事故后，日本加快了這條路線的推進。日本住友集團在日本和美國圣地亞哥均有大型全釩液流電池示范項目，其在北海道的電池項目規(guī)模高達60MW。

3 日本東京電力公司經營模式

東京電力公司是日本九大電力公司之一，也是世界著名的電力公司。在能源發(fā)展社區(qū)化、多元化大背景下，其供能服務越來越貼近用戶端，智慧能源綜合服務特色明顯：

1）根據用戶類型制定差異化服務

東京電力公司將客戶分為大客戶和居民客戶兩類。針對大客戶，服務內容包括：

（1）為客戶提供各種電價方案和電氣設備方案的優(yōu)化組合。

（2）為客戶提供電力、燃氣、燃油最佳能源組合。

（3）提供全方位節(jié)能協(xié)助服務，幫助客戶改進設備，實現節(jié)能目標。

（4）兼顧包括通訊在內的建筑物設計、施工、維護等。

針對居民客戶，東京電力公司將其需求定位為：舒適、節(jié)能、環(huán)保、安全、經濟。為此，東京電力公司確定了對居民客戶的營銷策略，如推廣高效用電（IH）的炊具、節(jié)能熱水器等，為居民構建“全電氣化住宅”。

2）利用多種手段幫助用戶節(jié)能

公司一方面為用戶提供節(jié)能診斷、設備維護及運營管理等節(jié)能解決方案，另一方面通過智能電表、通訊網絡與服務器建立智能用電系統(tǒng)，引導用戶錯峰用電。

3）注重技術研發(fā)，提高能源效率

東京電力公司設有技術開發(fā)研究所，對智能家居、建筑節(jié)能、電動汽車等進行研究，如將電動汽車接入智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據負荷及預設方案對其進行充放電。此外，利用地源熱泵、太陽能發(fā)電等技術，通過儲能和監(jiān)控對室內環(huán)境溫度進行調節(jié)。電器用電及環(huán)境狀況也將被納入統(tǒng)一監(jiān)控，以實現家居用能集中調節(jié)及優(yōu)化。

4 結語

日本根據本國極度缺乏化石能源和電網頻率不同導致傳輸容量有限的國情，積極推進氫能源政策和社區(qū)化智慧能源綜合服務。我國能源結構雖不同于日本，但也在積極探索將氫能利用融入智慧能源綜合服務領域、積極推進智慧能源綜合服務貼近用戶端。望本文通過日本能源發(fā)展思路與路徑的探討、對日本智慧能源服務發(fā)展與模式的梳理可以助力相關領域的研究。