開展綜合能源服務推動城市能源綠色低碳發展

張春雁

國網上海綜合能源服務有限公司

0 前言

能源互聯網作為第三次產業革命的核心，其本身包含智能電網、智慧能源和綜合能源服務等部分。綜合能源技術是提升效率，減少碳排放的重要手段，而開展綜合能源服務是提升城市發展能級，構建綠色智慧城市能源系統，建設城市能源互聯網的重要基礎和抓手。

1 當前能源轉型發展的趨勢

能源，一切都是能源，它關系著人類文明變遷和社會進步。當前，我們正面臨資源緊缺、環境危機和氣候變暖等嚴峻挑戰，綠色低碳轉型成為可持續發展的強烈要求。不久前，微軟公司的創始人比爾·蓋茨說，新冠肺炎很可怕，但氣候變化可能更糟。這并不是危言聳聽，新的能源革命必須面對這個問題并提出解決方案。

我國能源中長期戰略方向已定，到2050 年非化石能源占一次能源消費的比重要達50%，終端能源消費中電能的占比達到50%，可再生能源發電量占比要達到50%以上。這其實就是要向綠色低碳轉型，構建清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系，也是我國發揮自主作用，力爭2030年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和的減排承諾的方向。

當前，能源行業正進入新的變革時代，新能源快速增長導致全球能源生產和消費結構產生巨大的變化。隨著各方積極探索開發能源創新服務價值的努力，智慧能源、綜合能源服務，能源互聯網正在推動能源革命的新進程。第三次工業革命的核心應是能源革命，其中，能源互聯網又是關鍵，而能源互聯網本身即智能電網+智慧能源+綜合能源服務。

為適應能源革命的發展趨勢，貫徹落實習總書記“四個革命，一個合作”的能源安全新戰略，國家電網確立了建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業的戰略目標。

從電網的角度來說，隨著新興能源技術和應用的創新發展，信息通信支撐技術的不斷進步，跨界融合和數字革命的驅動，新一代電力與能源系統逐步向能源互聯網方向發展。

2 對城市能源轉型發展的路徑和方案

城市能源變革需要綠色智慧解決方案。城市讓人類生活越來越美好，但占全球總人口50%的城市人口消耗了全球85%的資源和能源，排出了85%的廢物和CO2，因此，今天城市能源變革尤其重要。

以上海為例，上海面臨能源變革的訴求非常強烈，向清潔低碳和碳中和發展的任務也很重。

上海人口密度大，能源消費總量大，能耗密度很大，是全國平均的37 倍之多，亟待構建可滿足巨大能源消費需求的城市能源系統。

上海本地是沒有一次能源可開采的，地下沒有發現煤炭油氣儲存。目前上海的能源消費結構不盡合理，一次能源消費結構中主要是化石能源，占比接近90%，遠高于世界平均60%左右的水平。石油在一次能源消費中占40%多，而石油對外依賴度大，安全可控性差。目前本地電源裝機，共有2650.57萬kW，其中火電（煤、氣、油）裝機2447.14萬kW，占92.32%；而風電和太陽能等可再生能源裝機243.70萬kW，僅占9.19%（以上數據截至2020年8月），還不到10%。因此，需要進一步提高本地清潔能源發展力度和外來清潔能源輸入和消納水平。

上海單位GDP能耗大，城市能源綜合利用效率低，全國是36%左右，上海45%不到。而世界上一些發達國家綜合能源利用的平均效率都高于我們，如美日都要50%以上，丹麥等國家達70%。所以，綜合能效的提升是一個非常重要的能源變革要求，需要提升城市的綜合能源利用效率。

還有作為一個特大型高負荷密度的電網，峰谷差也非常大，夏天高峰要達到約45%，電網的安全運行和系統的經濟運行壓力都非常大。

目前上海終端能源消費中電氣化的占比不高，只有全國的平均水平還不到，和中國香港、東京、倫敦、新加坡、巴黎等比起來遠遠低了。很多發達國家已經進入到深度電氣化，但是我國電氣化特別是城市的深度電氣化水平還是不高的。隨著新一輪能源的轉型，再電氣化是一個重要的手段，未來必將要經歷一個高度電氣化社會，所以推動再電氣化，也是開展綜合能源服務的核心路徑之一。

當前，在不同能源系統之間缺乏協調和溝通，各個能源系統的數據非常豐富，但是這些數據沒有很好貫通，不能起到各能源系統多元協同和多能互補的作用，迫切需要構建能夠智能感知和控制的、能夠統一互通的城市能源信息系統。

當然，能源各方面的發展，就中國就上海來說，近十幾年來取得的進步是前所未有的。從輸電網來看，特高壓交直流及分層分區各級堅強智能電網已具備強大的資源配置能力，可保證市外來電可靠支持。從配供網來看，其供電可靠性，上海中心城區已達99.9999%，已是國際領先。從發電側看，目前發電機組的節能降耗、超低排放工作已經做得很好，像外高橋三廠超超臨界百萬機組的煤耗，在同類型機組中是世界領先的。但今天大家都關注到了搞綜合能源，目的是什么，原因是什么，應該是為了有一個安全性、可靠性、高效性、清潔性、智能性都不斷提升的城市綜合能源系統，有效地提升綜合利用效率，又是綠色智慧，清潔低碳，可持續發展的。高效對綜合能源系統的構建是非常重要的，許多單一的技術和系統的效率已經到一個閾值。

從上面的分析來看，像上海這樣的城市，能源變革訴求是非常強烈的，如何做到清潔低碳，數字智能，安全可靠，靈活友好，節約高效，是面臨的挑戰。構建安全高效、清潔低碳、綠色智慧的城市綜合能源系統是勢所必然。

本文認為建設城市能源互聯網是構建現代城市能源體系的一個解決方案，也是一個路徑。城市能源互聯網是城市能源變革的理念創新和實踐創新。城市能源互聯網作為構建智慧城市的能源基礎，具備節能環保、能源成本、產業發展、商業模式、技術創新、能源服務等多維價值。

城市能源互聯網以電為中心，以堅強智能電網為基礎平臺，通過互聯網技術，構建能源系統和通信信息技術、社會信息物理系統的融合系統，構建一個能源的互聯網。有一天，享受能源就像現在享受互聯網、享受移動互聯網一樣。

城市能源互聯網通過電、氣、冷、熱、氫以及交通和建筑等能源系統的一體化規劃與協同調度，打通不同能源形式之間靈活轉換和相互支撐的通道，充分利用各類能源系統中能源終端消費需求的時空分布特性差異和互補耦合特征，實現多類型能源供應與需求的平衡和協同，達到城市能源系統移峰填谷、互動、多元協調等目的，提高能源利用效率，促進可再生等強間歇性能源消納，實現“源網荷儲”和發輸配用的深度友好互動，達成城市能源資源的大范圍優化配置，保證城市能源系統的可持續發展。

3 綜合能源服務和城市能源互聯網建設的關系

城市能源變革的解決方案是能源互聯網建設，而能源互聯網建設的一個重要內容，我認為是構建綜合能源系統，開展綜合能源服務。綜合能源服務作為新的能源服務業態，目的是在廣泛連接產業鏈內外部和上下游資源和需求，打造能源服務新生態，支撐中國特色國際領先的能源互聯網的建設。所以綜合能源服務是城市能源互聯網建設的重要基礎。

綜合能源服務是一種新型的為滿足終端客戶多元化能源生產與消費的能源服務方式，涵蓋能源規劃設計、工程投資建設、多能源運營服務以及投融資服務等多個方面。綜合能源服務是能源互聯網建設的重要基礎和支撐。能源互聯網作為第三次產業革命的核心，其本身應包含智能電網、智慧能源和綜合能源服務等部分。

綜合能源服務有兩個維度體現其綜合性特征，在技術維度方面，冷、熱、電、氣包括即將到來的氫能源的耦合互補和多元轉化，以此實現效率最高、排放最優；在服務維度方面，則包括多元化、針對性、個性化、差異化，以此實現服務最佳。

國家電網在綜合能源服務領域的優勢是具備堅強的智能電力網絡，包括在用戶側終端能源系統客戶資源豐富，品牌效應好，數據價值挖掘潛力大，是開展終端綜合能源服務的新天地。

綜合能源服務產業標志性的表現是融合和跨界，在綜合能源服務這片廣袤的市場，它的發展剛處于起步階段，不同的市場主體也各有側重。在電源側，比如各發電集團，他們在綜合能源服務領域可能會更側重機組靈活性、超低排放等，通過儲能、氫能綜合利用等新興技術融合應用，再開展提升機組效率、減少CO2排放等相關服務。

而在電網看來，終端能源系統，則主要為用能主體提供最具性價比和個性化的用能服務，供電+能效提升服務。實際上國家電網與發電集團是在不同環節上開展綜合能源服務，應該說，在電力與能源生產、供應、消耗和傳輸，在源、網、荷、儲各個環節，各個地帶，都將有綜合能源服務的需求和市場。

4 綜合能源服務方向和具體內容

國家電網貫徹“四個革命，一個合作”能源安全新戰略，建設中國特色國際領先的能源互聯網企業，在傳統輸配用電業務基礎上，著力客戶需求，培育綜合能源服務新興業務，助力我國能源清潔低碳零碳發展。主要圍繞四大發展方向：一是綜合能效服務，其中涵蓋用能托管、能效診斷與評估、智能運維、余熱余氣余壓利用、節能服務、電能替代等多個細分領域；二是多能供應服務，涵蓋冷熱電三聯供、熱電聯供、區域能源供應，熱泵和蓄冷蓄熱技術應用等；三是清潔能源服務，包括太陽能、風能、生物質能及其綜合利用、風光儲充一體化等；四是新興用能服務，包括專屬充電站建設、充電網絡運營服務，需求響應、虛擬電廠，電制氫及綜合利用等。

開展綜合能源服務，構建綜合能源系統是基礎。特別是在終端能源中，綜合能源系統擔負著構建清潔、低碳、安全、高效、智慧、韌性的分布式能源系統的重任，是智慧能源系統的重要載體，是堅強的智能電網的重要補充；而綜合能源服務是對現代能源服務特性的理念創新，是綜合能源系統融合信息通信技術和社會物理系統的價值再造系統，是能源互聯網的重要業態形式。

總體來看，開展綜合能源服務也將支撐能源互聯網價值層面的商業模式創新，隨著技術進步，政策創新，市場成熟，未來發展前景廣闊，國家電網也在將其作為新興業務重點布局。而對于上海的綜合能源服務業務來說，一方面要做到精準化服務，整合電力、燃氣、石油、交通等多方能源數據資源，創新能源數據增值服務模式；另一方面要實現多元化供能，推動太陽能、風能、生物質能，特別是可期待的氫能等多元化的高效低碳零碳供能體系的構建；此外，要建立城市能源系統綜合能源規劃、開發協同機制并出臺政策法規支持；打造跨界融合、合作共贏的城市能源服務體系和能源服務生態圈，真正構建起城市綠色低碳、安全高效、智慧韌性、開放共享的現代化綜合能源服務體系，提升上海城市可持續發展的能級，保障卓越全球城市建設的能源安全。

5 綜合能源服務和能源互聯網的關鍵技術

綜合能源服務是支撐能源互聯網能源流、數據流、價值流三流合一的重要抓手，也是綠色智慧城市能源建設的重要基礎。如前面講的，綜合能源服務首先是能源清潔低碳轉型和城市能源變革驅動的需求；其次是能源技術本身創新發展的因勢而行，當然也離不開通信信息技術、“大云物移智鏈”技術的支撐作用；更是商業模式跨界融合創新和政策制度創新發展推動的結果。

現在往往把以前傳統的新能源，各種各樣的單一能源服務都歸到綜合能源服務范疇來，說明目前是一個初級階段。實際上最終的標志是通過技術和政策的手段，從高效低耗零耗、低碳零碳、安全可靠、智慧韌性，從商業模式、盈利模式的多元維度，真正獲得能源服務的各方價值。當然，構建好綜合能源系統是基礎，而能源技術是構建清潔低碳、安全高效的綜合能源系統的基礎的基礎，能源技術牽涉到許多領域和專業，下面簡單舉例談一下當下和今后具有強烈市場需求迫切需要突破的一些關鍵技術。

第一項是基于多能源轉換的綜合能源系統建模和規劃設計及優化運行技術。多能源轉換和互補怎么樣去實現，就是要依賴技術的進步。目前一些發達國家在研究PTG、PTX的技術，多種能源之間相互轉換的技術，這個非常重要。綜合不是簡單疊加，必須是多能互補和多元協同，所以綜合能源系統的建模仿真和規劃設計技術要突破原來的理念，要逐步進入多能轉換，這樣才可以達到效率的最佳。

第二項從電能替代的角度來說，是一些高性能、長壽命、高溫相變蓄熱蓄冷包括高溫熱泵等技術。在國內這些技術有的遠遠不能滿足目前市場的需求。現在的蓄熱蓄冷技術都是密度低、衰減快、體積大、壽命短。比如高溫的相變材料，在城市高密度建筑當中，它可以有很大的電能替代空間，只要增加能量密度，降低成本，延長壽命，就可規模化應用，可通過電清潔供熱供暖替代化石燃料，有的國家已經開發90 ℃以上，118 ℃甚至258 ℃的高溫相變材料。另外一個，比如高溫熱泵，現在地源熱泵、空氣源熱泵及各種水源熱泵，廣泛成熟應用，但高溫熱泵，溫度在130 ℃以上的高溫蒸汽熱泵，就根本無法滿足市場，比如工廠蒸汽供應場景的需求。這些東西我覺得從技術角度來說是非常需要去突破的，目前市場有巨大的應用空間，但技術經濟的性能還沒有達到。今后深度電能替代，包括結合可再生能源的零碳供能離不開它們。

第三項是綜合能源系統動態負荷資源需求響應和電網互動技術。綜合能源系統的可聚合負荷如何參與電網調節，對減少投資、清潔低碳都十分重要。比如，對上海來說，每年夏季尖峰負荷也就幾十個小時，終端系統的可利用負荷通過虛擬電廠技術，參與電網削峰或填谷，參與輔助服務，電力現貨交易，那它的經濟效益和社會價值就太大了。如果能達到上海大約3300萬kW 電網負荷的6%，就相當于建了一個200萬kW的虛擬電廠了。現在大數據、云計算、邊緣計算、區塊鏈技術的發展，完全可以滿足技術支撐和系統構建需要。

第四項是長壽命、低成本、高性能的儲能技術。儲能在能源系統中的地位是不可否定的，為什么目前這個狀況不如人意，是有多方面的原因。特別是電化學的儲能，隨著技術的進展，成本的降低，按照道理來說應有非常廣闊的應用場景，但是受制于尚無成熟的市場環境和必要的機制支撐，并沒有得到大規模的應用。但這一塊從它的發展來說，不管它在電源側，還是在電網側，包括用戶側、新能源消納側，都有非常廣闊的市場前景。可以說，有一天，儲能的應用無處不在了，而且用好了，滿足時間的、功率的或能量的需求了，那我們的電力與能源系統的高效化、清潔化、智能化多半得到了解決。當然，儲能技術需要不斷進步，各種清潔、可再生的高效長壽命電池技術非常需要。

第五項是氫能利用和燃料電池的技術。氫能非常可期待，未來的能源可能就是兩個，一個是電能，一個是氫能，低碳零碳的氫電能源系統未來已來。氫能作為一種清潔能源載體，來源多樣，是理想的能源互聯媒介。氫能發展已經成為全球能源技術革命向碳中和發展的重要方向，而燃料電池的廣泛應用將對氫能的普及發展起到重要的作用。因氫能有一種可以相互轉化的功能，也被稱為萬能能源，電可以變成氣，氣可以變成電，能完成PTG、PTX，等等，各種能源轉換，真正實現多能轉換系統。目前氫能技術在世界范圍內越來越成熟，特別是在交通領域的應用已經較廣泛。在能源系統以及其他場景的應用，在歐美、日本一些發達國家和地區也開展得比較好，但是我國才剛剛起步。從發展方向來說，電解制氫技術特別是與新能源結合的需求巨大，目前主要是長壽命、高穩定性、低成本問題，目前先進的PEM質子交換膜電解槽的效率已可達80%以上，單槽功率已經達500 kW 以上，氫熱電聯產系統的綜合能效可達90%以上，而固體氧化物電池（SOC）作為一種高效、清潔的全固態能量轉化裝置，具備燃料電池（SOFC）和電解池（SOEC）條件下工作能力，是又一種新型綠色發電裝置，也是未來可能用于大規模制氫的一種方法。高溫燃料電池冷熱電聯供技術也在不斷發展，這些技術的前景是非常廣闊的。燃料電池是氫的電化學應用；另外，氫作為還原劑，還可以作為降碳、去碳、零碳技術廣泛應用；能源方面可以改造傳統系統，比如，氫燃氣輪機技術，無論微小型燃機，還是大型燃機，都已經有摻燒氫甚至100%氫燃料的技術出現，理論上燃機發電效率甚至可以成倍以上提高，這是不得了的事情，是卡諾循環的新突破，那樣，聯合循環機組的發電效率甚至可以到80%或更高。如果這些高效清潔的燃氣輪機改造得以實現，再與可再生能源制氫儲氫結合，高比例可再生能源電網的靈活性問題也將得以解決，規模化的零碳電網也將產生。所以，氫將是人類解決全球氣候變化問題的重要能源，也是未來構建綜合能源系統，建設能源互聯網的重要元素。

綜上所述，綜合能源服務技術不僅關系到行業發展本身，也直接關系到能源技術革命，關鍵核心技術必須自主化，這方面，我們面臨的挑戰是很大的。現在，連天然氣三聯供分布式能源這種在世界上已經成熟使用的技術，其中關鍵核心的微、小型燃氣輪機或內燃機還是主要依賴國外進口，造成投資和運維成本居高不下。那么，對于亟待發展的一些清潔高效、低碳零碳負碳的能源技術，我們一定要下決心彎道超車，跨越發展，將其掌握在自己的手里。只有這樣，才能真正把握機遇，迎接新一輪能源革命的挑戰。