陸王琳， 陸啟亮， 張志洪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上發(fā)表重要講話時(shí)提出中國(guó)的二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)提出的“3060碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)是迄今為止全球各國(guó)中作出的最大減少氣候變暖的重要承諾，也是對(duì)《巴黎協(xié)定》原定目標(biāo)的主動(dòng)提升。

2020年以來(lái)，我國(guó)深化了能源供給側(cè)的結(jié)構(gòu)性改革，采取了一系列政策舉措優(yōu)先發(fā)展非化石能源，促使我國(guó)清潔能源快速發(fā)展，清潔能源占比穩(wěn)步提升，能源結(jié)構(gòu)得到持續(xù)優(yōu)化。近十年來(lái)，不同品種能源占比呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。原煤和原油生產(chǎn)量占比持續(xù)下降，2019年較2011年分別下降了9.2個(gè)百分點(diǎn)和1.6個(gè)百分點(diǎn)，天然氣生產(chǎn)量占比變化不大，2019年較2011年提升了1.6個(gè)百分點(diǎn)，水電、核電和風(fēng)電等一次電力生產(chǎn)量合計(jì)占比翻番，2019年較2011年提升了9.2個(gè)百分點(diǎn)。截至2020年底，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模占總裝機(jī)容量的比重達(dá)到42.4%，為9.3億千瓦，同2012年相比，增長(zhǎng)了14.6個(gè)百分點(diǎn)[1]。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速、高質(zhì)量發(fā)展離不開(kāi)持續(xù)可靠的能源供應(yīng)。然而，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍然呈現(xiàn)“一煤獨(dú)大”的局面，碳排放總量居世界首位[2]。按2015年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值計(jì)算，我國(guó)的單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放量達(dá)到了0.4 kg，是世界平均水平的1.5倍。按噸油當(dāng)量計(jì)算，我國(guó)的單位能源消費(fèi)碳排放量約為3 t，超過(guò)全球平均水平的30%。與大部分發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)存在較大差距。因此，想要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國(guó)需在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、能源結(jié)構(gòu)及節(jié)能增效等方面作出轉(zhuǎn)變和調(diào)整，才能按期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)[2]。

綜合智慧能源(部分國(guó)家或組織也稱綜合能源)作為一種新興的能源利用形式，能夠加快推進(jìn)能源供給側(cè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，以數(shù)字賦能實(shí)現(xiàn)智慧化和低碳化發(fā)展，并將服務(wù)前移，可以更好地貼近用戶、服務(wù)用戶，從而構(gòu)建和諧共生的生態(tài)能源體系，將成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新發(fā)展模式的重要方向。

筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外綜合智慧能源的發(fā)展情況，立足于現(xiàn)階段碳中和、碳達(dá)峰的能源轉(zhuǎn)型需要，對(duì)綜合智慧能源各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分類分析，引出了亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了我國(guó)“十四五”階段能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的趨勢(shì)和建議。

1 國(guó)內(nèi)外綜合智慧能源發(fā)展的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外綜合智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀

綜合智慧能源在提升能源利用效率、實(shí)現(xiàn)可再生能源模塊化開(kāi)發(fā)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。世界各國(guó)或地區(qū)針對(duì)本國(guó)需要，制定了不同的綜合智慧能源發(fā)展戰(zhàn)略。其中，歐洲、美國(guó)及日本等地區(qū)的綜合智慧能源服務(wù)發(fā)展起步較早，所開(kāi)展的綜合智慧能源服務(wù)在業(yè)務(wù)內(nèi)容、商業(yè)模式和服務(wù)形式等方面不斷創(chuàng)新并日趨多樣化[3]。

1.1.1 歐洲

歐洲是世界上最早提出、同時(shí)也是將綜合能源系統(tǒng)概念付諸實(shí)施的地區(qū)。從哥本哈根氣候大會(huì)開(kāi)始，該地區(qū)就制定了當(dāng)時(shí)最高標(biāo)準(zhǔn)的減排標(biāo)準(zhǔn)[4]。在2007年，歐盟開(kāi)展“20-20-20計(jì)劃”，指出到2020 年，二氧化碳等溫室氣體排放量相比1990年減少20%，可再生能源占比達(dá)到20%，能源綜合利用效率提高20%[4]。

早在歐盟第五框架(FP5)中，雖然當(dāng)時(shí)尚未明確定義綜合能源系統(tǒng)的概念，但是能源協(xié)同優(yōu)化的有關(guān)研究已經(jīng)得到歐洲各國(guó)的極大重視，后在歐盟第六框架(FP6)、第七框架(FP7)中得到進(jìn)一步深入研究，類似于美國(guó)綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)的項(xiàng)目，歐盟第六框架項(xiàng)目Microgrids and More Microgrids以及歐盟第七框架項(xiàng)目Trans-European Networks、Intelligent Energy等陸續(xù)實(shí)施[4-5]。

歐盟提高能源綜合利用效率和節(jié)能減排主要依靠能源信息化的改革和創(chuàng)新，歐盟較其他國(guó)家和地區(qū)更突出強(qiáng)調(diào)了信息技術(shù)在低碳化發(fā)展上所起的作用[4]。據(jù)Utilities UK集團(tuán)市場(chǎng)調(diào)研顯示，歐洲已有上千家能源服務(wù)公司，歐盟內(nèi)部能源系統(tǒng)間的耦合與互動(dòng)也呈急劇上升趨勢(shì)，其中以德國(guó)和英國(guó)為典型代表。

1.1.2 美國(guó)

美國(guó)對(duì)智慧能源的探索起步較早，對(duì)智慧能源體系的探索主要集中在智能電網(wǎng)和智慧建筑領(lǐng)域[5]。美國(guó)能源部早在2001年就啟動(dòng)了IES的發(fā)展計(jì)劃，該計(jì)劃擬通過(guò)提高可再生能源的供應(yīng)和使用占比等方式提高供能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。IES發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)是促進(jìn)對(duì)分布式能源以及冷熱電聯(lián)供技術(shù)的推廣應(yīng)用。同時(shí)，在新一輪電力改革中，美國(guó)的加州、紐約州等地區(qū)也確定以需求側(cè)管理和電力系統(tǒng)靈活性提升作為重要發(fā)展方向[6]。

2008年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金項(xiàng)目“未來(lái)可再生能源傳輸與管理系統(tǒng)”中提出研究構(gòu)建在可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能裝置基礎(chǔ)上的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，稱之為“能源互聯(lián)網(wǎng)”[7]。

1.1.3 日本

日本由于其地緣劣勢(shì)，能源一直嚴(yán)重依賴進(jìn)口，因此日本也是亞洲最早開(kāi)展綜合能源系統(tǒng)研究的國(guó)家。日本政府早在2009年9月便公布2020年、2030年和2050年的碳減排目標(biāo)，提出要建立覆蓋全日本的綜合能源系統(tǒng)，并對(duì)日本的能源結(jié)構(gòu)和能效進(jìn)行優(yōu)化提升，促進(jìn)可再生能源規(guī)?；_(kāi)發(fā)[7]。

2010年4月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)啟動(dòng)“智慧能源共同體”計(jì)劃，涵蓋了能源、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域[8]。該計(jì)劃主要包括2個(gè)項(xiàng)目：一是“智慧城市”示范項(xiàng)目，在橫濱、豐田、關(guān)西和北九州4座城市進(jìn)行試點(diǎn)部署；二是“智慧能源網(wǎng)”示范項(xiàng)目，在東京和大阪實(shí)施[8]。

1.2 國(guó)內(nèi)綜合智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)綜合智慧能源系統(tǒng)的研究起步相對(duì)較晚，但各能源企業(yè)在業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型方面呈現(xiàn)強(qiáng)勁發(fā)展態(tài)勢(shì)，而在發(fā)展路徑方面，主要采用“1+N”發(fā)展模式，即依托1項(xiàng)主營(yíng)業(yè)務(wù)向多個(gè)能源產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)延伸[3]。

2001年，我國(guó)開(kāi)展了針對(duì)智能體系方面的專題研究，以智能電網(wǎng)、配電網(wǎng)為載體，聚焦國(guó)內(nèi)智能能源體系結(jié)構(gòu)、模型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通行協(xié)議和實(shí)施計(jì)劃等方面。國(guó)內(nèi)綜合智慧能源系統(tǒng)仍處于發(fā)展的初步階段。國(guó)內(nèi)運(yùn)行的綜合智慧能源系統(tǒng)項(xiàng)目基本以電為主，只配合少量的清潔能源，僅僅起示范作用[9]。2010年，我國(guó)成立了國(guó)家能源委員會(huì)，旨在推動(dòng)能源領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展及綜合智慧能源系統(tǒng)體系的建設(shè)，同時(shí)加快能源改革，創(chuàng)新能源發(fā)展模式。在國(guó)家層面，我國(guó)制定并通過(guò)了若干有關(guān)綜合智慧能源系統(tǒng)的重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)相關(guān)能源企業(yè)積極布局，同時(shí)與國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，加快推動(dòng)綜合智慧能源系統(tǒng)在技術(shù)、服務(wù)模式等方面的創(chuàng)新，以建設(shè)清潔、安全、可持續(xù)的綜合智慧能源體系[4]。

2 綜合智慧能源的內(nèi)涵及技術(shù)框架

綜合智慧能源系統(tǒng)是以數(shù)字化、智慧化能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存、供應(yīng)、消費(fèi)和管理與服務(wù)為主線，追求橫向“電、熱、冷、氣、水、氫”和“水、火、核、風(fēng)、光、儲(chǔ)”等多種能源品種和供應(yīng)方式的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)縱向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-用”等各環(huán)節(jié)間的互動(dòng)優(yōu)化，向終端用戶提供綜合能源一體化解決方案，構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”與“務(wù)聯(lián)網(wǎng)”(服務(wù)互聯(lián)網(wǎng))無(wú)縫銜接的能源生態(tài)體系，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 綜合智慧能源關(guān)鍵技術(shù)

3.1 能源生產(chǎn)技術(shù)

3.1.1 分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)

分布式冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)是以能源梯級(jí)利用為基礎(chǔ)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷、供熱和發(fā)電過(guò)程的一體化多聯(lián)供系統(tǒng)。與傳統(tǒng)集中式能源系統(tǒng)相比，CCHP系統(tǒng)的分布位置更接近用戶側(cè)，不需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓輸送，顯著減少線損和運(yùn)行費(fèi)用，能達(dá)到更高的能源綜合利用效率。CCHP系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于樓宇式和區(qū)域式的能源供應(yīng)，以天然氣作為燃料，主要配套燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，余熱回收后可進(jìn)行供冷和供熱[10]。

在雙碳背景下，分布式能源將不再單純以天然氣為主，與可再生能源進(jìn)行耦合將成必然趨勢(shì)，很多學(xué)者提出了多種耦合型CCHP系統(tǒng)，如天然氣與地?zé)豳Y源耦合[11]、與太陽(yáng)能資源耦合[12]以及與太陽(yáng)能和地?zé)豳Y源耦合[13]等。

3.1.2 熱泵技術(shù)

熱泵機(jī)組是能效比高的能源利用設(shè)備之一，根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用電能、蒸汽等驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳熱工質(zhì)把自然界的空氣、水、土壤或其他低溫?zé)?冷)源中無(wú)法被利用的低品位熱能有效吸收，并將其提升至可用的高品位熱(冷)能加以利用。閉式熱泵系統(tǒng)可分為蒸汽壓縮式、吸收式和吸附式，其中蒸汽壓縮式應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟。根據(jù)供熱溫度，蒸汽壓縮式熱泵可分為傳統(tǒng)熱泵、高溫?zé)岜煤统邷責(zé)岜?，常用的熱泵包括空氣源熱泵、?地)源熱泵和土壤源熱泵等均為傳統(tǒng)熱泵，盡管在供冷供熱領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但仍存在一些問(wèn)題，不少學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了研究。

為解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下結(jié)霜、壓縮機(jī)頻繁啟停和供熱功率不足的問(wèn)題，學(xué)者們經(jīng)過(guò)大量研究提出了噴氣增焓技術(shù)以及跨臨界CO2循環(huán)、雙級(jí)耦合、復(fù)疊式熱泵、能源塔和無(wú)霜處理等技術(shù)[14]。

高溫和超高溫?zé)岜弥饕菫榱藵M足工業(yè)生產(chǎn)需求，尤其是有蒸汽需求的工業(yè)領(lǐng)域，超高溫?zé)岜每梢詮?0～100 ℃余熱中取熱，輸出100 ℃以上的蒸汽[15]，將在未來(lái)終端一次能源替代中發(fā)揮重要作用。

3.1.3 太陽(yáng)能利用技術(shù)

綜合智慧能源領(lǐng)域中太陽(yáng)能的利用主要體現(xiàn)在光伏發(fā)電和光熱利用2個(gè)方面，將在能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為集中式和分布式2種，集中式系統(tǒng)需要大面積土地，多建設(shè)于戈壁、高原和荒漠等場(chǎng)景中；分布式系統(tǒng)則比較靈活，建設(shè)場(chǎng)景選擇多樣，并可與多種能源組合，多應(yīng)用于建筑物頂部，近年來(lái)在西北地區(qū)扶貧項(xiàng)目也有較多應(yīng)用。在太陽(yáng)能電池方面，鈍化發(fā)射極和背面電池(PERC)、異質(zhì)結(jié)電池(HJT)及隧穿氧化層鈍化接觸電池(TOPCon)3種技術(shù)路線在轉(zhuǎn)換效率上不斷突破，鈣鈦礦技術(shù)也有較大發(fā)展。在逆變器方面，產(chǎn)品技術(shù)縱向向著高電壓、大功率、大電流、大子陣發(fā)展，進(jìn)一步降低了平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)；產(chǎn)品技術(shù)橫向向著多功能升級(jí)，通過(guò)智能算法等方法使光伏發(fā)電具備同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)與火力發(fā)電同等的功能，幫助電網(wǎng)調(diào)頻，使電網(wǎng)更穩(wěn)定。光伏發(fā)電以其靈活的供能效果，與多種應(yīng)用模式、場(chǎng)景深度結(jié)合，如“光伏+生態(tài)修復(fù)”、“光伏+建筑”、“光伏+農(nóng)業(yè)”、“光伏+漁業(yè)”及“光伏+公路”等，隨著行業(yè)技術(shù)逐步成熟，光儲(chǔ)融合也在快速發(fā)展[16]。光伏建筑一體化(BIPV)通過(guò)光伏組件與建筑材料結(jié)合，推動(dòng)建筑從耗能向產(chǎn)能、節(jié)能轉(zhuǎn)變。但BIPV組件作為新興事物，其安全性和可靠性仍需提升，針對(duì)其建筑材料性能方面的機(jī)械強(qiáng)度、能源經(jīng)濟(jì)性、隔熱性能、防火性能和降噪性能等標(biāo)準(zhǔn)較少，相關(guān)技術(shù)規(guī)范仍有待完善[17]。

光熱發(fā)電利用大規(guī)模陣列聚光器收集太陽(yáng)熱能、加熱工質(zhì)并經(jīng)換熱產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，光熱發(fā)電方式可分為塔式、槽式、碟式、線性菲涅爾式及向下發(fā)射式。光熱發(fā)電可與儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合，日間日照充足時(shí)儲(chǔ)熱，夜晚釋放儲(chǔ)能維持連續(xù)發(fā)電，如將其與火電結(jié)合，能將儲(chǔ)熱、調(diào)峰、連續(xù)發(fā)電等融于一體[18]。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電必要設(shè)備多(集熱器+熱交換器+汽輪機(jī)+發(fā)電機(jī)或集熱器+斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)+發(fā)電機(jī))且各環(huán)節(jié)復(fù)雜[19]，其投資成本高，行業(yè)門檻相對(duì)較高，技術(shù)研發(fā)主要集中于輻射吸收材料、涂層、聚光鏡、控制系統(tǒng)和熱循環(huán)等方面。

3.1.4 風(fēng)能利用技術(shù)

對(duì)風(fēng)能的利用主要是通過(guò)風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展使風(fēng)能成為不可或缺的新能源之一。隨著大容量、長(zhǎng)葉片、高塔架、全功率變流、智能控制和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用[20]，風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性更強(qiáng)，從陸上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展到海上風(fēng)電場(chǎng)，由高速風(fēng)電場(chǎng)拓展到低速風(fēng)電場(chǎng)。但集中式大型風(fēng)電場(chǎng)普遍存在波動(dòng)性大、可控性差及電網(wǎng)接入存在困難的問(wèn)題；同時(shí)大型風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)一般遠(yuǎn)離用電區(qū)域，電力就地消納和外送問(wèn)題使得這些區(qū)域出現(xiàn)“棄風(fēng)”現(xiàn)象。

海上浮式風(fēng)力發(fā)電[21]近幾年發(fā)展迅速，其與波浪能的耦合利用彌補(bǔ)了自身能流密度低、不穩(wěn)定、不連續(xù)缺陷；二者還可共享基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)，節(jié)省運(yùn)維成本，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)海洋能源綜合利用。

隨著風(fēng)電技術(shù)和市場(chǎng)的大規(guī)模發(fā)展，風(fēng)電數(shù)字化、智能化技術(shù)亦得到快速發(fā)展。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)大數(shù)據(jù)收集、智能傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)等可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電智能監(jiān)控、風(fēng)電智能運(yùn)維、機(jī)組故障智能診斷和預(yù)警[22]。

我國(guó)風(fēng)電機(jī)組仍存在技術(shù)支撐不完備情況，雙饋異步發(fā)電、無(wú)齒輪箱直驅(qū)發(fā)電、低電壓穿越、變速恒頻運(yùn)行、全功率變流、風(fēng)電機(jī)組大型化和變槳距控制等技術(shù)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究[23]。

3.1.5 生物質(zhì)能利用技術(shù)

生物質(zhì)能被認(rèn)為是太陽(yáng)能等所有可再生能源中最有發(fā)展前景，并成為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源[24]。在諸多生物質(zhì)應(yīng)用中，生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣(主要含有H2、CO等可燃?xì)怏w以及H2O和CO2等)可以直接作為燃料，可轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能等。生物質(zhì)氣化技術(shù)主要包括熱解氣化、氣化劑氣化和超臨界水氣化，其中氣化劑氣化中空氣氣化、氧氣氣化、蒸汽氣化和混合氣化等技術(shù)應(yīng)用較多，有學(xué)者提出了新型自熱CaO環(huán)生物質(zhì)氣化技術(shù)，該技術(shù)使用CO2作為氣化劑，合成氣的輸出量可明顯增加[25]。

超臨界水氣化不需要對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥預(yù)處理，反應(yīng)速率快，降低了氣化成本，節(jié)約了氣化時(shí)間，合成氣中H2含量較高，該技術(shù)被認(rèn)為是針對(duì)高濕度生物質(zhì)氣化最有前景的技術(shù)，但投資成本高、對(duì)能源要求高等問(wèn)題仍有待解決。

3.1.6 氫能技術(shù)

氫能將在全球能源新格局中扮演重要角色，氫能的利用可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效可再生能源的消納，在一定程度上可替代傳統(tǒng)化石能源。主要的制氫方式包括煤和天然氣等重整制氫、電解水制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫，其他如光熱制氫、光電化學(xué)制氫、生物質(zhì)制氫及核能制氫等方式在未來(lái)具有規(guī)?；瘽摿Γ^(guò)95%的氫氣來(lái)自于煤、天然氣等重整制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫，可再生能源電解水制氫還非常有限，尚未實(shí)現(xiàn)“綠氫”的真正高效利用[26]。

根據(jù)電解槽系統(tǒng)的不同，電解水制氫技術(shù)可分為質(zhì)子交換膜(PEM)電解水技術(shù)、堿性電解水技術(shù)和固體氧化物(SOEC)電解水技術(shù)，其中堿性電解水技術(shù)因難以適應(yīng)可再生能源的快速波動(dòng)性而難以與可再生能源進(jìn)行耦合， SOEC電解水技術(shù)仍處于技術(shù)研發(fā)階段，PEM電解水技術(shù)在與可再生能源耦合方面優(yōu)勢(shì)明顯，被公認(rèn)為是制氫領(lǐng)域極具發(fā)展前景的電解制氫技術(shù)之一[27]。

3.2 能源輸送技術(shù)

3.2.1 電力輸送

傳統(tǒng)電網(wǎng)采用交流電的配電方案，隨著直流技術(shù)的發(fā)展，以及直流輸電具備較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及低損耗等優(yōu)點(diǎn)，直流輸配電逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)。柔性直流輸電技術(shù)是除交流輸電技術(shù)和常規(guī)直流輸電技術(shù)之外的輸電技術(shù)，其以電壓源換流器為核心，具有響應(yīng)速度快、可控性好和運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)和孤島供電等方面[28]。

我國(guó)西部地區(qū)可再生資源相對(duì)較多、負(fù)荷較少，而東部正好相反，國(guó)內(nèi)電力資源與負(fù)荷需求分布極不匹配，遠(yuǎn)距離大容量的特高壓輸電工程不斷增加?；陔娋W(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(LCC-HVDC)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在特高壓輸電工程中，但其仍具有逆變站易發(fā)生換相失敗、無(wú)功功率消耗大等缺點(diǎn)。而基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)具有可獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率、不存在換相失敗、可向無(wú)源系統(tǒng)供電等優(yōu)勢(shì)；其輸電拓?fù)渲械哪K化多電平換流器直流輸電系統(tǒng)(MCC-HVDC)通態(tài)損耗小、頻率低、擴(kuò)展性強(qiáng)，具備更好的運(yùn)行特性，但換流站建設(shè)成本高、對(duì)于直流故障無(wú)法有效處理等問(wèn)題限制了其在直流輸電工程中的應(yīng)用[29]。因此，將LCC-HVDC與MCC-HVDC結(jié)合，綜合這2種技術(shù)特點(diǎn)，形成LCC-MCC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)，在一些直流輸電場(chǎng)景下比傳統(tǒng)直流及柔性直流技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景[30]。

盡管特高壓輸電技術(shù)在大容量、遠(yuǎn)距離電力輸送方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但仍需要大量輸電走廊。因此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者也在積極研究超導(dǎo)直流輸電技術(shù)，通過(guò)高溫超導(dǎo)直流輸電提高輸電效率，并充分利用已有輸電通道，實(shí)現(xiàn)在更低電壓等級(jí)上、更大容量的電力輸送[31-32]，但超導(dǎo)輸電電纜的低溫冷卻問(wèn)題也需進(jìn)一步研究。

3.2.2 熱能輸送

熱能包括冷熱水和蒸汽，主要采用埋地或架空管網(wǎng)進(jìn)行輸送。對(duì)于供熱管網(wǎng)本身，其設(shè)計(jì)、制造和施工等技術(shù)已相對(duì)成熟，主要是將信息化和智能化技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，解決區(qū)域管網(wǎng)布局優(yōu)化、管網(wǎng)泄露、水力平衡、供熱量計(jì)量和巡檢等難題[33]，提高供熱的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 氫氣輸送

3批原料采用不同氫氣露點(diǎn)工藝，所得二氧化鉬樣品粒度分布(分散劑為水)如圖2所示，掃描電鏡照片如圖3所示。

氫氣的輸送主要有氣氫、液氫和固氫輸送3種方式[34]。氣氫輸送分為長(zhǎng)管拖車和管道輸運(yùn)2種，我國(guó)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但成本高、效率低；管道運(yùn)輸具有大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送的優(yōu)點(diǎn)，但純氫管道的初投資大，因此對(duì)摻氫天然氣管道輸送技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)[35]。液氫輸送主要分為液氫罐車或?qū)Ｓ靡簹漶g船運(yùn)輸，適用于大容量、遠(yuǎn)距離輸送。我國(guó)液氫輸送技術(shù)的起步較晚且核心設(shè)備進(jìn)口受限，國(guó)內(nèi)仍以氣態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)為主，運(yùn)輸壓力低于20 MPa，使得氫氣運(yùn)輸成本高居不下[36]。固氫輸送是通過(guò)金屬氫化物存儲(chǔ)氫能，駁船和大型槽車等運(yùn)輸工具均可以用以運(yùn)輸固態(tài)氫[36]。

3.3 能源存儲(chǔ)技術(shù)

3.3.1 儲(chǔ)電技術(shù)

儲(chǔ)電技術(shù)主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能以鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池和鈉基電池等儲(chǔ)能技術(shù)為主，水系鋰離子電池具有繼續(xù)發(fā)展的可能性，部分液流電池已有示范項(xiàng)目落地，鉛蓄電池成本低廉但壽命較短，鈉硫電池的安全性仍是待突破的技術(shù)點(diǎn)[37]。物理儲(chǔ)能以抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能為主，飛輪、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能以及超級(jí)電容器在國(guó)內(nèi)均處于示范階段，各自的關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。

3.3.2 儲(chǔ)熱技術(shù)

儲(chǔ)熱技術(shù)主要分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。大規(guī)模顯熱儲(chǔ)熱應(yīng)用最廣的是分布式能源系統(tǒng)中的水蓄冷/熱和太陽(yáng)能光熱發(fā)電中的熔鹽蓄熱系統(tǒng)，但顯熱儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)能密度低，系統(tǒng)裝置龐大；相變潛熱具有較高的儲(chǔ)熱密度，系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單，但儲(chǔ)/放熱速率較低，主要應(yīng)用于小型分布式儲(chǔ)熱領(lǐng)域；熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)與前2種技術(shù)相比具有儲(chǔ)熱密度大及溫度范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[38]。

3.3.3 儲(chǔ)氣技術(shù)

儲(chǔ)氣技術(shù)主要針對(duì)氫氣的存儲(chǔ)，可分為物理儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，其中物理儲(chǔ)氫又可分為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟、應(yīng)用廣，但體積容量小、存在泄漏和爆炸等隱患；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)體積儲(chǔ)氫密度大、純度高，但液化過(guò)程耗能大、成本高；固體儲(chǔ)氫技術(shù)體積儲(chǔ)氫密度大、操作方便、純度高，但質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低、成本高，該技術(shù)仍處于研究階段；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)由于純度不高、催化劑易失活和成本高等影響尚未大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用[34]。

3.4 能源消費(fèi)技術(shù)

我國(guó)現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤、油和天然氣的比重仍較大，其能源消耗量大而且利用效率低，綜合智慧能源系統(tǒng)具有多能互補(bǔ)、新能源的高滲透和用戶側(cè)互動(dòng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用、能效提升和低碳排放。

3.5 能源智慧化技術(shù)

能源的智慧化貫穿于能源產(chǎn)業(yè)鏈全過(guò)程。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、多目標(biāo)優(yōu)化及人工智能等技術(shù)對(duì)能源的生產(chǎn)、調(diào)度、輸配、存儲(chǔ)、銷售和使用等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)及運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能源預(yù)測(cè)、多參數(shù)尋優(yōu)處理和閉環(huán)控制，促進(jìn)能源與信息深度融合，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)和管理智慧化[40-41]。

根據(jù)用戶畫像提供有針對(duì)性的能源定制化服務(wù)，預(yù)測(cè)用戶負(fù)荷需求，提前調(diào)節(jié)能源分配方向和模式，優(yōu)化能源調(diào)度，解決能源平衡問(wèn)題，并通過(guò)智慧能源網(wǎng)及時(shí)響應(yīng)用戶需求，實(shí)現(xiàn)能源點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易[42]；通過(guò)智能分析實(shí)時(shí)的能源產(chǎn)、輸、用情況，開(kāi)展故障判斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平；將能源生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)協(xié)調(diào)匹配，通過(guò)“虛擬電廠”提供以用戶側(cè)為導(dǎo)向的能源服務(wù)，整合能源，對(duì)全環(huán)節(jié)進(jìn)行最優(yōu)調(diào)節(jié)和高效管理，實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合利用，達(dá)到安全、高效、綠色、低碳的能源使用效果；引入傳感技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對(duì)區(qū)域內(nèi)設(shè)備狀態(tài)、用戶特征、用能負(fù)荷等進(jìn)行分析挖掘和智能預(yù)測(cè)，加強(qiáng)能源全產(chǎn)業(yè)鏈的信息對(duì)接和深度交互，加速能源數(shù)字化、智慧化進(jìn)程[43]，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+人工智能模式形成數(shù)字化能源托管，建立智慧能源管理中心，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)到消費(fèi)的全周期智慧化管理。

4 綜合智慧能源發(fā)展趨勢(shì)及建議

“十四五”是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段，是構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”現(xiàn)代能源體系的加速階段。從能源生產(chǎn)到能源消費(fèi)，能源的綜合智慧化利用貫穿行業(yè)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)等多個(gè)環(huán)節(jié)，提高能源綜合利用水平，推動(dòng)能源智慧化轉(zhuǎn)型勢(shì)必成為能源發(fā)展的趨勢(shì)。

能源生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，推動(dòng)高能效、低排放、耦合可再生能源的CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用，加強(qiáng)系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性；解決空氣源熱泵低溫環(huán)境下的突出問(wèn)題，加大制冷劑、壓縮機(jī)和超臨界CO2等技術(shù)及設(shè)備的研究，推動(dòng)高溫和超高溫?zé)岜迷诠I(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效電能替代；推進(jìn)光伏和風(fēng)電技術(shù)的升級(jí)，提高轉(zhuǎn)換效率，探索化合物半導(dǎo)體和有機(jī)體材料的光電轉(zhuǎn)換材料，加大應(yīng)用場(chǎng)景的研究；合理選擇生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，降低超臨界水氣化成本，探索自然CaO環(huán)生物質(zhì)氣化技術(shù)；加快推動(dòng)電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)和核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，提高可再生能源制氫的比重，實(shí)現(xiàn)“綠氫”的高效利用。

能源輸送技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：加強(qiáng)柔性直流輸電、LCC-MCC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)直流輸電等關(guān)鍵技術(shù)及換流器等核心設(shè)備的研究；推動(dòng)氫氣輸送關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，加大摻氫天然氣管道輸送技術(shù)的研究。

能源存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：降低液流電池的成本，提升運(yùn)行效率，推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能與新能源的耦合；推動(dòng)相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料的研究。

能源消費(fèi)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：加強(qiáng)綜合智慧能源系統(tǒng)在建筑、交通及工業(yè)等領(lǐng)域的滲透，加快推進(jìn)熱泵、余熱回收和換電等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)終端電能替代；推動(dòng)“零能耗”建筑的示范和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。

能源智慧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：加強(qiáng)對(duì)能源用戶行為的捕捉和需求感知力度，提高對(duì)用戶信息和數(shù)據(jù)的解析能力；打破不同品種能源數(shù)據(jù)壁壘，統(tǒng)一能源行業(yè)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，搭建智慧能源一體化大平臺(tái)；解決云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，推動(dòng)智慧能源系統(tǒng)集成創(chuàng)新與融合應(yīng)用。

針對(duì)綜合智慧能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析，提出以下建議：

(1) 加強(qiáng)綜合智慧能源系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃。結(jié)合我國(guó)“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃，積極推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中綜合智慧能源布局，加快關(guān)鍵技術(shù)的研究及成果轉(zhuǎn)化，推進(jìn)智慧城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)和集群樓宇等典型場(chǎng)景的綜合智慧能源開(kāi)發(fā)、建設(shè)和服務(wù)。

(2) 推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。為加快能源發(fā)展步伐，提高能源安全性，應(yīng)加快推進(jìn)區(qū)塊鏈、儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)和質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化及知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。

(3) 促進(jìn)綜合智慧能源市場(chǎng)完善。我國(guó)綜合智慧能源市場(chǎng)需求多、分布廣，應(yīng)大力推進(jìn)與市場(chǎng)相關(guān)的制度規(guī)范、開(kāi)發(fā)建設(shè)、電力交易和運(yùn)營(yíng)供應(yīng)等方面不斷完善，構(gòu)建有序、健全的綜合智慧能源市場(chǎng)。

(4) 推動(dòng)用戶側(cè)能源服務(wù)發(fā)展。綜合智慧能源系統(tǒng)的發(fā)展將面對(duì)更多元、更靈活的服務(wù)場(chǎng)景和終端用戶，應(yīng)創(chuàng)新能源服務(wù)模式，根據(jù)用戶需求提供定制化能源解決方案，為用戶提供綠色、低碳、節(jié)能、生態(tài)、智慧的能源供應(yīng)和增值服務(wù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜合智慧能源系統(tǒng)將化石能源與可再生能源有機(jī)結(jié)合，通過(guò)能源生產(chǎn)技術(shù)、能源輸送技術(shù)、能源存儲(chǔ)技術(shù)、能源消費(fèi)技術(shù)和能源智慧化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)向以清潔能源為主、化石能源為輔的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以及以集中式能源為主的供應(yīng)模式向以分布式與集中式并重的供應(yīng)模式轉(zhuǎn)變。

大力發(fā)展綜合智慧能源系統(tǒng)，通過(guò)過(guò)程中的橫向互補(bǔ)和縱向協(xié)調(diào)，構(gòu)建能源多元供應(yīng)體系，提高綜合智慧能源系統(tǒng)綠色低碳水平，增強(qiáng)能源供應(yīng)保障安全。

同時(shí)，綜合智慧能源系統(tǒng)的推廣將推動(dòng)能源消費(fèi)升級(jí)，圍繞用戶需求的能源服務(wù)將進(jìn)一步提高能源利用效率，降低用能成本。在“碳中和”背景下，綜合智慧能源系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。