能源互聯網視域下綜合能源服務的新特征

文 | 王永真

相對于傳統節能服務，在現階段綜合能源系統（Integrated Energy System，IES 或Comprehensive Energy Service，CES）中，既有新的對象產生，以及相應技術路徑和商業模式的探索，也有基于大數據技術對傳統能源服務的升級改造。當前，面對綜合能源服務業態的林林總總，仍有太多企業分不清、看不明相關的新技術與新模式，難以打造適合自身特點的關鍵技術。因此，總結凝練這些新技術與新模式的特征、辨識與之相關的關鍵技術，有助于厘清綜合能源服務的內涵與外延，科學地應對挑戰。

在當前的能源互聯網生態下，我國綜合能源服務呈現多重新特征。值得注意的是，本文僅試圖從單一維度對這些新特征進行示意區分，對于某一綜合能源服務，以上特征互有交叉且多重并舉，也是在能源互聯網新趨勢下對傳統能源服務的繼承與創新。

單一供能與綜合供能并舉，綜合供能發展態勢明顯（簡稱：單一/綜合）：多能聯供是綜合能源服務最基礎的能源服務之一。在能源互聯網特征下，對于能源規模用戶，多能聯供試圖打破各行業條塊分割的體制機制及技術壁壘，實現冷、熱、電、氣、氫等多種能源的聯合供應，以提高能源的綜合利用率與綜合效益。其中，多能互補綜合能源系統就是綜合能源服務技術和體制壁壘破局的最佳體現。多能互補更強調源側兩種以上一次能源的集成互補，綜合能源系統則更強調荷側冷、熱、電、氣多能源的耦合供應。從能量利用角度來看，多能互補綜合能源系統體現出源側、網側和荷側多種異質能源的耦合互補與多能協同，已經從技術上實現了不同行業能流的優化。如，“北京市北科產業園綜合智慧能源項目”將冷、熱、電、氣統一規劃，打造了集燃氣鍋爐、直燃機、電制冷設備、配電系統、供冷/熱管網于一體的綜合能源系統，相較于單一分供系統，可節約配電容量300MVA；國網客戶服務中心北方園區集合了光伏發電、儲能微網、太陽能空調、太陽能熱水、地源熱泵、冰蓄冷空調、蓄熱式電鍋爐等七個能源子系統的集成應用和托管服務等等。

重資產與輕資產投資并舉，輕資產的服務態勢明顯（簡稱：重資/輕資）：除傳統大型能源設備以及管網等“重資產”的投資或改造外，對于存量改造項目，綜合能源服務的另一主要業態是基于已有重資產基礎上的多元供能增值服務（輕資產），即依托信息及物聯網技術能源管控及托管平臺、商業模式與增值服務的創新，來滿足用戶多元化、定制化的用能服務需求，涉及節能服務、運維服務、技術咨詢等。如，“基于電力大數據的能源公共服務建設與應用工程示范項目”構建了“物理分布、邏輯統一、跨越協同”的企業級大數據平臺，探索出電力數據對外服務的新模式；河北雄安市民服務中心應用城市智慧能源管控系統（CIEMS），初步實現對能源系統的生產、運行、傳輸、消費環節的集中數字化管理；張家口可再生能源示范區探索了“政府+電網公司+企業+用戶”的“四方協作機制”。

從無序用能向有序用能的轉變（簡稱：無序/有序）：能量系統在熵視域下具有明顯的耗散結構特征，符合社會系統生存和演化的熵增規律，即能源系統逐漸由有序向無序發展。因此，能源系統的提質增效，就是持續通過物理和信息的方法，優化其架構及能流分布，在滿足日益增長的負荷需求的條件下，不斷減少能源系統內外部的熵增，盡可能地減緩能源系統從有序走向無序的速度。隨著數字經濟的快速發展，現階段以信息流改造能量流的綜合能源服務趨勢也日益明朗，即利用能源大數據挖掘技術及商業模式，形成一種能源信息流的負熵策略，以減緩對應的能源物理系統向無序發展的速度，盡可能使能源系統更加有序。例如，“面向特大城市電網能源互聯網示范項目”是基于數據挖掘與精準調節的生產設備有序控制技術，通過密煉機能耗數據的挖掘與分析，形成有序生產的電力調控策略，將無序生產設備控制為有序運行，削減峰值負荷約20%，具備節約配電投資以及節能降耗的潛力。“大規模源網荷友好互動系統示范工程”打造了多資源參與電網資源配置的管理機制及技術，利用有效的響應機制引導可調節負荷參與電網資源配置，將分散的海量可中斷負荷、儲能資源集中起來，進行精準柔性負荷的實時控制與有序控制。再如，伴隨未來電動汽車的規模化發展，以及車網互動（Vehicle-to-Grid，V2G）技術和需求側響應技術的成熟，電動汽車有序充電和釋電技術將整合巨量無序的電動汽車儲能資源，助力于電網的削峰填谷，這也是綜合能源服務實現用能從無序到有序的體現。

從局部優化到全局優化的發展（簡稱：局部/全局）：綜合能源系統的目標就是追求“能源三角”的多目標全局優化。當前，隨著“云大物移智鏈”等數據驅動相關技術的發展，綜合能源系統擺脫了傳統物理驅動模型求解強耦合非線性能源系統問題的瓶頸，逐漸實現從局部優化上升到盡可能的全局優化，覆蓋的優化對象越來越全面。比如，數據中心作為一個能耗大戶，在傳統模式中，為了追求高性能、保證服務質量和可靠性，通常采用電力冗余的設計或者制冷系統過大設計的運行策略，加大了數據中心冷卻系統、配電裝置等配套設備能耗的投入，致使數據中心的能耗成本可達到運行成本的50%以上。而人工智能技術的研究，讓數據中心的全局優化具有了可行性，能為探究數據中心“算力”“能效”“成本”的系統性同步優化，數據中心能耗監控、動態控制與數據計算量聯動互動的全局優化提供手段。再如，建筑空調系統的優化已經由原來只關注冷水機組的局部優化，逐步發展成對建筑負荷預測、冷凍機組、冷卻塔以及冷卻水泵等因素全景感知的綜合能源服務的全局優化。對于新建項目的優化目標也由傳統單一的經濟最優，擴展到環境效益、投資成本以及節能率的多目標綜合優化。

單向能流與雙向能流并存，雙向能流特征逐漸凸顯（簡稱：單向/雙向）：傳統電網運行調控是單一的源隨荷動模式，電力系統供應側隨時按照負荷側的變化而變化，負荷側則不會考慮供應側的彈性變化。因此，為滿足經濟社會發展不斷增長的用能需求，采用基于源隨荷動的傳統解決方案，就必須不斷增加電力供應側的裝機。如此，在剛性投資不斷加大的同時，電網設備未能全力運行，另外還要花費更多人力、財力去運維，影響企業效益。為了解決上述問題，“大規模源網荷友好互動系統示范工程”研究了大規模源網荷友好互動技術，將電網運行調控從傳統單一的源隨荷動模式，轉變為“源隨荷動、荷隨網動”的源網荷儲智能互動模式，顯著提升新能源消納水平、電網靈活調節能力和彈性恢復能力，有利于支撐新一代電力系統的安全經濟運行。從單向到雙向的體現還有電動汽車、分布式能源的發展，在并網時形成了電網潮流的反向分布，傳統電網的單向分布由此變成了復雜動態的雙向分布，這是綜合能源服務的新特征和市場空間之一。類似地，“產消者”的新模式就是在以往單純的能源消費者群體中產生的一個新形態—能源“產消者”（Prosumer，既是能源的生產者，也是能源的消費者），比如V2G 模式，具有儲能的微能源網/分布式能源，甚至是產消型的數據中心，使能源消費用戶具備了能源生產的能力，從而給綜合能源服務注入新動力。

余能回收與利用將從高品位走向低品位領域（簡稱：高位/低位）：余能回收與利用是綜合能源服務的業態之一，比如我國工業余熱可回收資源潛力達到2189～8676 TWh。不過，當前綜合能源服務在余熱回收領域主要面臨從高溫到低溫的挑戰。水泥廠、玻璃廠、鋼鐵廠的余熱回收已經有幾十年的歷史。以余熱發電為例，早期余熱發電的溫度在300～1000℃，多采用高爐煤氣余壓透平發電裝置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT）或者余熱鍋爐+汽輪機的方式，已經實現較為成熟的中高溫余熱的動力回收技術。剩下難以回收的300℃以下中低品位余熱能，則需要更為先進、更昂貴的回收技術，比如有機朗肯循環技術（Organic Rankine Cycle，ORC）、煙氣深度冷卻技術、吸收式制冷技術等。根據卡諾循環基本原理，驅動熱源溫度越低，動力循環（正循環）的熱電轉換效率會越低。因此，低品位余熱驅動的余熱回收的熱經濟性收益會越來越小。同理，對于余熱制冷來講，高品位余熱驅動的吸收式或者吸附式制冷的性能系數（COP）會大于低品位驅動的COP。因此，對于中低品位余熱的回收需要有周全詳細的方案，方能獲得預期的綜合能源服務投資回報率。相反，對于熱泵（供暖模式）而言，環境溫度越低，熱泵搬運難度更大，其COP 會越低，熱經濟性就越差，且“三北”地區冬季供暖還面臨結霜的問題。

電池規模化回收即將到來，單次到梯次利用正在形成（簡稱：單次/梯次）：隨著電動汽車數量爆發式增長，不能達到電動汽車使用標準的動力電池將大量退役，對這些電池進行儲能梯級利用，也是綜合能源服務的業態之一。動力電池從電動汽車上退役后仍有高達80%的剩余容量，可應用于對電池性能要求較低的場合，即進入電池儲能梯級利用階段。典型的儲能梯級場合，如削峰填谷，減小用電峰谷差，減輕電網供需矛盾；作為備用電源，提高供電可靠性；與可再生能源發電結合，提高它們的可控性等。例如，“面向特大城市電網能源互聯網示范項目”引入綜合能源服務商在用戶內建設分布式儲能，包括中國鐵塔閑散儲能電池資源、電動汽車退役電池的梯次利用，實現多方共贏，采用多種投資模式已建設4 個分布式儲能項目，合計總容量10MW/44MWh；利用變電站退役電池進行梯級利用，提高資產利用率，已 投 運187kW/1.87MWh（2V/300Ah）。“數字儲能技術”，則基于能量信息化的基本理念，可以針對不同儲能應用需求，將多種物理、化學性質迥異的儲能介質進行數字化混用，實現一套物理儲能系統同時滿足多種儲能應用需求，達到儲能系統的價值最大化，可為未來大規模電池泛在、梯級利用提供重要的技術支撐。

單一資源多功能加載，能源服務從單調到多樣發展（簡稱：單調/多樣）：綜合能源服務也可體現在將傳統不同行業單一的用能設備集成在一起，在方便供能的同時，節約占地，還能集中管控，并提供能源大數據增值服務。城市層面的智慧路燈作為一種集成各種信息技術應用的市政基礎設施，是建立城市全面感知網絡的優質載體。如廣州供電局積極部署智慧用能新興業務，智慧路燈集公共照明、視頻監控、環境監測、微基站、充電樁等功能模塊于一體，實現“一桿多用”。國網雄安新區供電公司主導研發的多功能復合桿柱示范工程，借助智能照明設備、多功能攝像頭和交通指示燈、一鍵式報警裝置、路燈WiFi 和5G 網絡基站、多功能傳感裝置，實現對環境溫度、空氣質量、土壤濕度等指標的實時監測。再如，南方電網的首個“互聯網+智慧用能綜合示范小區”實現四網融合，集中承載“互聯網、廣播電視網、電信網和電網”的業務需求。另外，隨著分布式電網的建設與發展，變電站的功能將包括儲能、電力變換等，能量的傳輸也從單向轉為雙向，這使得電力的調度變得非常復雜，所需要采集的數據急劇增加。因此，“多站融合”的建設與運營模式成為一種綜合能源服務的新業態，它是將變電站、充換電站、儲能站，甚至是數據中心等集于一體。未來，從單調到多樣的綜合能源服務新業態，重點在于挖掘“一桿多用”“多站合一”“多表集抄”之后的數據增值服務，服務于城市智慧能源以及為智慧城市建設的基礎設施起支撐作用。

需求側管理與響應，是綜合能源服務從實體到虛擬的趨勢（簡稱：實體/虛擬）：利用存量能源載體的熱慣性或者可調節負荷，可以實現與同等實體設備投入等價的效果。其中，虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）是一種通過先進信息通信技術和軟件系統，實現分布式電源（Distributed Generation，DG）、儲能系統、可控負荷、電動汽車等分布式能源資源（Distributed Energy Resource，DER）的聚合和協調優化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。“虛擬電廠”概念的內核可以概括為“通信”和“聚合”。虛擬電廠的關鍵技術包括協調控制技術、智能計量技術以及信息通信技術。如“冀北泛在電力物聯網虛擬電廠示范工程”具備秒級感傳算用、可聚合億級用戶能力，它依托泛（FUN）電平臺，將蓄熱式電采暖、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11 類泛在可調資源組合在一起，參與電力系統實時柔性互動，打造出泛在可調資源創新參與電力市場的市場機制和商業模式。另外，建筑的保溫性能使其溫度變化相較于空調耗電量大小的瞬變具有一定滯后性，某種程度上具有熱儲備的能力。通過改變空調的設定溫度，改變其耗電量，可以將空調的制冷制熱量在短時間內存儲于建筑中。把空調―建筑系統等效為虛擬儲能（Virtual Energy Storage，VES）裝置，在保證用戶舒適度的前提下，能夠實現負荷削峰填谷的功能。

系統優化的顆粒度逐漸從粗放到精細，從靜態到動態（簡稱：粗放/精細）：隨著功率預測、負荷預測和智能規劃技術的發展，對能源系統供應側和需求側的匹配研究，逐漸由以日為尺度，變為以小時、分鐘甚至是秒為尺度。時間尺度的逐漸縮短，供、用能之間的動態變化以及匹配特性逐漸被挖掘，也給能源系統的節能降耗提供了潛力空間。如此，經過合理的設計，就能夠避免能源供給設備的過大設計、設備利用率低以及配電資源的浪費。再如，由于計算困難，早期多聯供系統中能源轉化設備的性能系數往往取恒定值；如今隨著智能算法的發展，綜合能源系統的設備性能模型趨于更加精細，可以實現驅動熱源、冷源變化，甚至是設備內部參數的動態變化，這樣有利于綜合能源系統的規劃和策略制定。再如，“互聯網+”在智能供熱系統中的應用研究及工程示范，構建了智慧供熱的“一站一優化曲線”，通過綜合考慮室外氣溫、太陽輻射以及建筑物熱惰性對供熱負荷的影響，折算成一個綜合環境溫度，實現對每個站點溫度調節曲線的優化。未來，以個性化、定制化、動態化為特征的能源需求會不斷出現，這都將依靠傳感、能源路由、邊緣計算、數據挖掘等技術，是基于數據驅動的綜合能源服務的重要業態之一。

能源的商品化屬性凸顯，從壟斷態勢走向共享共贏（簡稱：壟斷/共享）：在目前能源相對充足的發展階段，能源“民主化”的態勢逐漸顯現，能源行業扁平化的體制機制和大眾參與的態勢正在逐步形成。“創新、協調、綠色、開放、共享”是能源互聯網的指導方針。綜合能源服務作為能源產業發展的新形態，相關運營技術、商業模式還處于探索發展階段。國家層面正在健全能源互聯網相關技術從優化到實際落地的體制機制，放管服、新電改、電力現貨市場、碳市場等能源市場機制日益完善的趨勢不斷明朗。例如，在“新基建”的驅動下，國家電網―國網電動汽車公司推出了“尋找合伙人”的商業模式，打造一種個人樁加入、樁群商戶、充電樁生產企業、充電場地投入、資金場地投入的合作開放的綜合能源服務模式。未來綜合能源服務的典型特征之一是，能源將像商品一樣，在生產者與消費者之間自由流動，從而構建起人人能夠參與的綜合能源服務新業態。再如，“基于能源互聯網插座”的精細化用電管理模式及平臺，可以能源的泛在通道—“插座”為抓手，將用電服務、計量和管理等功能下沉到能源系統的最底層—插座，在便捷掃碼充電的同時，充分還原了電能的商品屬性，也能夠實現用戶對電價的個性化自定義設置，形成“人人泛在的經濟共享售電”的應用模式。“近零能耗建筑”集合了主動式、被動式的多種能源技術，可以暢想，未來的家庭在實現能源自給的同時，也可以基于能源互聯網的思維及技術，充分參與到綜合能源服務的生態中。