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在物聯(lián)網(wǎng)概念已被炒得火熱的今天，大家似乎很少提到一個已經(jīng)存在了上百年，并且已經(jīng)深深嵌入城市和家庭每個角落的大網(wǎng)——電網(wǎng)。這個網(wǎng)絡不僅將所有的發(fā)電及用電設備連接起來，還須保證發(fā)電量和用電量時刻保持平衡。這就意味著，像打開一盞燈這樣的一個簡單動作，也可能引發(fā)千里之外電網(wǎng)發(fā)電端的一次微小調(diào)整。
這個網(wǎng)絡之所以讓大家覺得很遙遠，是因為在大多數(shù)情況下，它都是單向的：我們只是電力的純消費者，電網(wǎng)與人們的聯(lián)系好像只有每月的電費賬單，而電網(wǎng)背后的復雜運行機制和普通消費者并沒有直接聯(lián)系。而這一切即將被蓬勃發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)以及隨之而來的能源行業(yè)的變革所打破。
新能源和傳統(tǒng)能源相比，除了大家已經(jīng)熟知的綠色無污染的優(yōu)點外，還具備另外兩大特征：分散性和不穩(wěn)定性。在新能源的發(fā)展先驅(qū)地德國，隨處可見的屋頂光伏發(fā)電設備和分散在田間路旁的風力發(fā)電機所輸出的電力，就像無數(shù)的涓涓細流一樣匯入廣闊的電網(wǎng)。2016 年，以風能和太陽能為代表的新能源發(fā)電在德國電力的生產(chǎn)比例已經(jīng)超過 30%。
與傳統(tǒng)能源主要被大型發(fā)電集團控制不同，德國大部分的新能源發(fā)電設備都屬于個人或小業(yè)主。對于電網(wǎng)來說，這一變化所帶來的影響是革命性的。前面已經(jīng)提到，為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定，發(fā)電量和用電量必須保持平衡。過去，這種平衡主要是通過調(diào)節(jié)發(fā)電端的發(fā)電量來實現(xiàn)的，而當分散在全國各個角落且不可控的新能源發(fā)電所占的比例越來越高的時候，這一調(diào)節(jié)方式就越來越難以為繼了。
2016 年 5 月 8 日，德國出現(xiàn)了歷史性的一刻，在幾個小時的時間里，德國的新能源發(fā)電總量(主要是風能和太陽能)居然達到接近其用電總量95% 的高峰，這就意味著，整個德國在這幾個小時里幾乎全由風能和太陽能驅(qū)動!
當然，這一現(xiàn)象具有一定的偶然性：首先是天氣的完美配合，即德國北部(風電集中)的強勁風力和德國南部(太陽能集中)的充沛陽光同時出現(xiàn);其次，當天是一個周日，德國的整體用電量相比工作日來說有所降低。而對于整個能源市場來說，這一偶然事件所引發(fā)的連鎖反應卻幾乎顛覆了整個市場結(jié)構(gòu)，即電價由正常的3 歐分 / 千瓦時 跌至最低 –32 歐分 / 千瓦時，這就意味著在這幾個小時內(nèi)，用電居然還可以賺錢!
導致這一不可思議的現(xiàn)象發(fā)生的原因是：在德國，雖然能源的交易已經(jīng)全面市場化，但由于德國能源法保障可再生能源必須全額上網(wǎng)，因此新能源的發(fā)電量越大，留給其他傳統(tǒng)能源的份額就越小。電作為商品的特殊性就在于其生產(chǎn)和消費必須即時進行，存儲的代價極大。而傳統(tǒng)能源由于設備運轉(zhuǎn)的需求，發(fā)電量有一個最低極限值，所以當傳統(tǒng)能源的發(fā)電份額被新能源擠到低于其最低發(fā)電量時，就必須通過補貼的方式，將多余的發(fā)電量賣出去，以免威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定，這才造就了這一“負電價”現(xiàn)象。
能源行業(yè)的變革需要信息技術(shù)的支撐
從上面這個德國電力市場負電價的例子可以看出，雖然從全年來看，新能源發(fā)電量只占發(fā)電總量的1/3，但由于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在某些時間點，新能源的發(fā)電量將可能遠遠超出平均水平，這將給電網(wǎng)和電力市場帶來巨大沖擊。如果不能解決這一問題，新能源的進一步發(fā)展將受到極大的限制，而這正是信息技術(shù)可以大顯身手的痛點。
首先是解決由新能源的分散性所帶來的發(fā)電量的不可控問題。正如叫車軟件滴滴打車將在路上盲目“掃街”的出租車司機有序地組織起來一樣，利用信息技術(shù)同樣可以將分散的新能源發(fā)電單元協(xié)調(diào)組織起來，形成一個大型的虛擬電場。這一領域已經(jīng)涌現(xiàn)了很多初創(chuàng)公司，代表企業(yè)是德國的Next Kraftwerke 公司，其目前已經(jīng)接入4000 多個 新能源發(fā)電單元，總體發(fā)電功率已經(jīng)達到2.7 吉瓦(GW)，相當于一個大型火電站的發(fā)電能力。它的運行模式是在每個發(fā)電單元安裝一個 叫作“NextBox”(下一個盒子)的通信和控制組件，Next Box 通過一 個專門的加密GPRS(通用分組無線服務)信道與中央服務器相連，一方面將發(fā)電單元的實時數(shù)據(jù)傳送到中央服務器，另一方面接收服務器的控制指令，這樣就可以對電網(wǎng)以及電力市場進行實時響應。它的商業(yè)模式是：一方面可以將小型發(fā)電單元打包成大型發(fā)電廠，從而直接進入電力市場進行交易，獲得更高的電價;另一方面可以利用自己的快速響應能力，為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務，從而獲得進一步的收益。
其次是解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題，基本可以分為三個技術(shù)方向。第一個方向是運用信息技術(shù)對新能源的發(fā)電量進行預測，從而通過電力市場機制提前對未來新能源的發(fā)電量做出相應反應，避免電網(wǎng)出現(xiàn)大的波動。歐洲電力市場根據(jù)交易與實際電力交付的時差可分為遠期(Future)市場、日前(Day-ahead)市場、日間(Intra-day)市場 以及平衡(Balancing)市場。遠期市場可以交易未來數(shù)月甚至數(shù)年的電力，日前市場是在實際電力交付前一天進行交易，日間市場則是在當天提前數(shù)小時進行交易，而平衡市場是為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定以 15 分鐘為單位進行的交易。
針對歐洲電力市場的要求，法國初創(chuàng)公司Steadysun根據(jù)不同的預測周期和精度為太陽能發(fā)電量預測提供了一個三級系統(tǒng)，它們分別是： SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye。第一級系統(tǒng)SteadyMet 主要基于氣象模型和太陽能發(fā)電單元的歷史運行數(shù)據(jù)，并綜合運用智能學習算法，提供未來幾天的太陽能發(fā)電量預測，主要可用于日前市場交易。第二級系統(tǒng)SteadySat 在此基礎上加入了每小時更新1~4 次的實時衛(wèi)星圖片信息，從而能夠比較準確地預測太陽能發(fā)電單元被云層遮蓋的程度，可以提供對最多6 小時后的太陽能發(fā)電量的更精確預測，主要可用于日間市場交易，并及時對第一級系統(tǒng)的預測誤差進行修正，從而減少損失。第三級系統(tǒng)SteadyEye 則可以提供對未來15 分鐘發(fā)電量的精確預測，它通過在太陽能發(fā)電單元附近加裝一個觀察云層運動的攝像頭，捕捉云層的運動軌跡，再通過對云層運動的物理建模，實現(xiàn)對云層遮蓋非常精確的預測，主要用于實時電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。
在風能發(fā)電量預測方面，比較有特色的是德國的初創(chuàng)公司Ener，它開發(fā)了基于云端智能算法的發(fā)電量預測服務。預測算法可以分為兩個部分。第一部分是對氣象參數(shù)的預測。由于影響風力發(fā)電機發(fā)電量的氣象參數(shù)非常多，如風速、風向、空氣密度、濕度、氣壓等，為了綜合各氣象模型和氣象信息，Ener 推出了 ensemble engine(集成引擎)，它將各種不同的氣象信息和模型融合起來，并根據(jù)特定風電場的歷史觀測數(shù)據(jù)，通過自學習算法來設定它們的權(quán)重，從而獲得最優(yōu)的預測效果。第二部分是基于氣象參數(shù)的發(fā)電量預測。對于風能發(fā)電來說，不僅是眾多的氣象參數(shù)，甚至周圍的地形和附近的其他風力發(fā)電機都會對發(fā)電量產(chǎn)生不同程度的影響，因此用傳統(tǒng)的物理建模預測方法很難進行精確預測。Ener 公司推出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的風力發(fā)電量預測算法，它首先使用歷史數(shù)據(jù)(包含氣象參數(shù)和特定風力發(fā)電機的發(fā)電量)，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，然后再由人工神經(jīng)網(wǎng)絡基于第一部分的氣象參數(shù)預測得到發(fā)電量預測，并且在運行過程中持續(xù)地將實測數(shù)據(jù)反饋回神經(jīng)網(wǎng)絡以進行迭代訓練，從而不斷提升預測精度以及持續(xù)跟蹤風力發(fā)電機本身運行狀態(tài)的變化。
對于前面提到的像NextKraftwerke 公司這樣的虛擬電廠運營商來說，由于電力交易需要提前進行，新能源發(fā)電量的預測服務是不可或缺的。甚至對于傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)來說，新能源發(fā)電量的預測服務也越來越重要——它不僅可以避免前文提到的負電價的出現(xiàn)，而且根據(jù)預測，如果未來幾天的電價由于新能源電力的大量涌入而降到成本以下，那么傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)就可以提前適當減少發(fā)電量以避免虧損。
第二個技術(shù)方向是通過用電端的主動調(diào)整來適應新能源的不確定性。在工業(yè)用電方面，有很多工業(yè)流程是可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整對電力的使用而并不影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的。在挖掘這方面的潛力上，比利時的初創(chuàng)公司 REstore 在冶金、造紙、化工等很多工業(yè)領域已經(jīng)獲 得了上百家客戶。REstore 的商業(yè)模式從對每個客戶的用電特性進行分析開始，據(jù)此量身定制電力調(diào)節(jié)方案，比如在哪些時間段可以減少多大比例的用電量。當這些工業(yè)企業(yè)在電網(wǎng)發(fā)電端供應不足時(如新能源發(fā)電量較低時)，便會在REstore 信息系統(tǒng)的指揮下，調(diào)低相應的用電負荷。而當電網(wǎng)發(fā)電端供應過大時，則開足用電負荷。在整個過程中，REstore 不收取任何費用，只通過參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制[也就是前文 提到的電力平衡(Balancing)市場交易]，從客戶獲得的額外收益中抽取一定比例的傭金。對電網(wǎng)來說，主動參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制的用電企業(yè)越多，需要準備的備用發(fā)電能力就越少，相應的整體發(fā)電成本也會隨之降低?？梢哉f，REstore 塑造了一個多贏的格局。
第三個技術(shù)方向是通過儲能設備在新能源發(fā)電量大的時候儲存電力，在發(fā)電量小的時候輸出電力。這是補償新能源不穩(wěn)定性最有效的方式，隨著新能源發(fā)電份額的不斷上升，大規(guī)模儲能將不可或缺。
2017 年 2 月 15 日，澳大利亞南澳地區(qū)發(fā)生的大停電事故，部分原因就是新能源發(fā)電量低于預期，同時電網(wǎng)又缺乏足夠的儲備發(fā)電能力，而這已經(jīng)是南澳地區(qū)在幾個月內(nèi)發(fā)生的第三起大停電事故了。針對這一挑戰(zhàn)，特斯拉創(chuàng)始人埃隆˙馬斯克在社交媒體推特(Twitter)上公開宣稱，他們有能力在100 天的時間內(nèi)安裝100 兆瓦時(Mwh)的電池儲能設備，從而完全解決南澳地區(qū)的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，并許諾如果不能在100 天內(nèi)完成，將免費提供所有電池儲能設備。這個聽上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亞官方的積極回應，并最終促成了澳大利亞總理馬爾科姆˙特恩布爾(Malcolm Turnbull)和馬斯克的會面。馬斯克的底氣來自2017 年 1 月在美國加州落成的特斯拉電池儲能項目，它用3 個月時間建成了可以為15 000 個家庭提供數(shù)小時電能的電能存儲設備。加州陽光充沛，白天的光伏發(fā)電充足，甚至常常超過需求，但到了晚上仍需要用傳統(tǒng)的燃氣發(fā)電來補充電力供應。2015 年加州發(fā)生的燃氣泄漏事故，不斷加強的環(huán)保要求，以及即將關停核電站的計劃，都促使政府不得不尋求另外的解決方案，而電池儲能可以很好地滿足這一需求，即可以將白天富余的太陽能電力存儲起來以便夜間使用。
除了大規(guī)模集中使用的場景，電池儲能技術(shù)目前也出現(xiàn)了以家庭電池儲能為核心，綜合了家庭光伏發(fā)電和家庭智能能源管理的商業(yè)模式。由于新能源發(fā)電的分散性，分布式的家庭儲能是未來非常有希望的解決方案。將這種模式帶入公眾視野的仍然是特斯拉公司，它于 2015 年發(fā)布了家庭電池能量墻(Powerwall Home Battery)。不過，這個領域目前的實際領跑者是德國的初創(chuàng)公司Sonnen，它占據(jù)了全球家庭光伏儲能市場將近1/4 的份額，并于2016 年成功獲得了包含中國遠景能源參與的新一輪融資。Sonnen 首先以解決家庭屋頂光伏應用對儲能的需求為切入點：由于光伏發(fā)電的高峰是白天，而家庭的用電高峰卻在晚上，因此發(fā)電和用電高峰之間存在錯位，即使將白天的電力出售給電網(wǎng)，晚上再由電網(wǎng)供電，也仍然要支付由電網(wǎng)成本導致的出售價格低于買入價格的價差。而通過家庭儲能則可以將白天的光伏電力存儲起來留待晚上使用，這樣就能顯著降低家庭的電費支出。
在此基礎上，Sonnen 還在它的儲能系統(tǒng)上進一步集成了家庭智能能源管理系統(tǒng)，目前它最多可與三臺家庭用電系統(tǒng)(如洗衣機、烘干機等)相連接，在有富余光伏電力的情況下，會首先啟動這些設備進行工作，從而在一定程度上降低對儲能電池容量的需求。
另一方面，Sonnen 公司的儲能系統(tǒng)還可以將富余的儲存能力用于為電網(wǎng)提供穩(wěn)定控制服務，從而獲得進一步的收益。針對沒有光伏發(fā)電設備的家庭，Sonnen 公司提供了“Sonnen 社區(qū)”(Sonnen community) 的商業(yè)模式，通過安裝Sonnen 的儲能系統(tǒng)，用戶可以獲 得長達10 年的每年2 000 度的免費用電額度，超出這個額度之后，用戶還可享受優(yōu)惠電價，這樣節(jié)省下來的電費就遠遠超過了購買儲能系統(tǒng)的成本。一方面，這使得用戶可以擁有更多的存儲能力，另一方面，這些用戶的用電需求又使得連入Sonnen 儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電單元的富余電力有了新的變現(xiàn)渠道，由于跳過了中間環(huán)節(jié)，不管是發(fā)電端還是用電端，都可以獲得更好的電價。目前，Sonnen 公司正在將這一模式進一步推廣到風能和生物質(zhì)能領域。
對于電網(wǎng)來說，Sonnen 的儲能系統(tǒng)一方面減輕了家庭光伏發(fā)電和家庭用電錯位所帶來的調(diào)峰壓力，另一方面還可以將富余的存儲能力“打包”成一個大的蓄能池，可以有效地補償新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性。未來，這一商業(yè)模式還可以擴展到目前正在如火如荼發(fā)展的電動汽車行業(yè)。
在儲能應用這一全新的維度上，相對于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車具有顛覆性的優(yōu)勢。對于家用車來說，其實全天大部分時間都處于非工作狀態(tài)。在這些時間里，連入電網(wǎng)的電動汽車電池就有可能作為電網(wǎng)的儲能部件，參與電網(wǎng)控制，所獲得的收益可以在很大程度上攤薄電動汽車的電池成本。
為了充分發(fā)掘電動汽車的儲能功能，首先需要升級電動汽車的充電系統(tǒng)。目前，大部分的電動汽車只有單向的充電功能，因此也只能提供單向的儲能能力，即通過智能充電軟件控制電動汽車，在電網(wǎng)負荷較小時(如夜間)進行充電。這一領域未來的發(fā)展方向是進一步改進電動汽車的充電和電池系統(tǒng)，使電力能夠?qū)崿F(xiàn)雙向流動，從而更好地發(fā)揮其作為電網(wǎng)儲能元件的作用。日本三菱公司已率先推出帶有充放電功能的電動汽車，德國寶馬公司也在積極測試相關技術(shù)與產(chǎn)品。
其次，我們還需要考慮對分散的電動汽車進行協(xié)調(diào)控制的問題。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息技術(shù)的解決方案可以非常方便地擴展到這一領域中。未來，只要用戶輸入一個出行計劃，電動汽車的智能管理系統(tǒng)就可以自動生成一個最優(yōu)的充放電程序，在保證電動汽車運行所需電量的前提下，將剩余的存儲能力連入“虛擬電廠”，從而為用戶獲得最大收益。
另一方面，電動汽車的電池作為儲能部件的壽命，甚至遠遠大于它為電動汽車工作的壽命，由于電網(wǎng)儲能對電池性能的要求遠遠低于電動汽車，因此當電動汽車的電池容量衰減到一定程度時，雖然無法滿足電動汽車續(xù)航里程的要求，但可以繼續(xù)為電網(wǎng)儲能服務。目前，德國汽車行業(yè)的領軍企業(yè)寶馬公司和博世公司就正在德國漢堡合作建設一個新型儲能項目，它被命名為“電動汽車電池的第二生命”，這個項目以從寶馬牌電動汽車上退役的電池為基礎，重新設計并組合成一個 26 米長、6 米寬的儲能大電池，未來它將為德國北部不斷增加的風能發(fā)電份額提供電網(wǎng)調(diào)節(jié)服務。這同時也意味著，通過對退役電動汽車電池的再利用，可以進一步降低電動汽車的整體成本。
電池儲能技術(shù)雖然有非常多的優(yōu)點，但由于其較高的成本以及能量衰減率，主要適用于短期電力調(diào)峰的應用場景，并且需要和其他儲能技術(shù)相配合。目前，世界各國都在爭相研究各種針對不同地理、環(huán)境條件的儲能技術(shù)。
首先是以抽水蓄能為代表的大型儲能電站，它是歷史最悠久的儲能技術(shù)，其優(yōu)點是能夠大規(guī)模、長時間地儲存電力，缺點是對環(huán)境資源的要求較高。為了適應快速增長的儲能需求，德國政府正在想方設法地提高抽水蓄能能力，其中一個很有創(chuàng)意的方案是對老工業(yè)區(qū)已經(jīng)廢棄的煤礦的重新利用。由于礦井常常有數(shù)百米深且面積很大的地下空間，經(jīng)過改造，可以在電力富余時將水從礦井底部抽到地面，在電力不足時將水回流到礦井底部并同時產(chǎn)生電能。
在海上風能蓬勃發(fā)展的大背景下，德國的弗朗霍夫研究所(Fraunhofe Institute for Production Technology)正在開發(fā)深水儲能技術(shù)， 它的基本原理是將一個大型蓄能裝置沉入大約200 米深的海底，利用海上風力發(fā)電所產(chǎn)生的電能將水從蓄能裝置中抽出，在需要輸出電能時，讓水在海底巨大壓力的推動下，重新進入蓄能裝置并發(fā)電。目前，研究人員已完成了對模型樣機(體積縮小比例為1∶10)的測試，由于未來海上風能將為歐洲提供相當份額的能源供應，深水儲能裝置將有很好的應用前景。
在陸上風能的應用場景中，蓄水儲能也可以和風能進行深度融合。德國正在建設一個新型陸上風場，它將風機的基礎部分直接設計成了一個幾十米高的蓄水庫，而風機的主體結(jié)構(gòu)則建立在這個蓄水庫上面。與一般的風機基礎相比，這相當于將風機抬高了幾十米。在一般情況下，由于風速與高度呈正比，因此這會在很大程度上增加風機的發(fā)電量，而這部分額外的收益將來可以抵銷修建蓄水庫的成本。多個風機的蓄水庫之間還可以互相連接，共同構(gòu)成一個與風場緊密結(jié)合的蓄水儲能系統(tǒng)，從而有效地平衡風力發(fā)電的不確定性。
其他的大規(guī)模儲能方案還有壓縮空氣、電解水形成氫氣等。由于現(xiàn)在沒有哪一種儲能技術(shù)可以“一家通吃”，因此未來的儲能系統(tǒng)也必然是由數(shù)量眾多，地理上非常分散，內(nèi)部機理也各不相同的儲能單元構(gòu)成，它們適用的場景和相應的成本存在很大的差異，這就需要一套非常完善的信息系統(tǒng)對各個儲能單元進行協(xié)調(diào)控制，以發(fā)揮它們的最大效能。
能源系統(tǒng)的重構(gòu)將帶來基于信息技術(shù)的新商業(yè)模式
隨著新能源份額的不斷提升，能源系統(tǒng)未來將逐漸被重構(gòu)。未來的能源系統(tǒng)將主要由分散的發(fā)電單元、分散的用電單元以及分散的儲能單元構(gòu)成，同一個節(jié)點還可能具有多重角色。比如，一個裝有家庭光伏發(fā)電設備和電池儲能設備(或電動汽車)的家庭，就同時具備發(fā)電、用電和儲能的所有角色功能。這與當初互聯(lián)網(wǎng)將大眾從單一的信息接收者，變?yōu)榧婢甙l(fā)起者與接收者的雙重角色非常像。未來，這樣的新型能源節(jié)點將為信息技術(shù)的廣泛應用和大量新商業(yè)模式的涌現(xiàn)提供非常肥沃的土壤。
比如，方興未艾的區(qū)塊鏈技術(shù)未來就很有可能改變傳統(tǒng)的電力交易模式。未來電網(wǎng)的交易首先將由單向變?yōu)殡p向，比如前面提到的裝有家庭光伏發(fā)電設備或其他儲能設備的家庭，它們既是能源的消費者，也是能源的生產(chǎn)者或電網(wǎng)服務的提供者。其次，電網(wǎng)交易主體的數(shù)量將空前增加，每個家庭，甚至每臺聯(lián)入電網(wǎng)的電動汽車都將是一個交易主體。這些交易主體的規(guī)模都很小，而且很分散，甚至是可移動的。另一方面，就像前面提到的，電網(wǎng)需要在每一時刻都維持動態(tài)平衡，同一度電或同一容量的儲能服務在不同的時間和地點，其價值是不一樣的，因此如果按照傳統(tǒng)的交易方式，將會產(chǎn)生很大的交易成本，這是大量小規(guī)模的交易主體所無法承受的。而區(qū)塊鏈作為一種去中心化的交易手段，未來將很有希望為能源互聯(lián)網(wǎng)提供基礎交易服務。
在這一方向上，美國初創(chuàng)公司TransActiveGrid (交互式電網(wǎng)) 于 2016 年推出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的個人電力交易平臺，它使得用戶可以非常方便地將多余的屋頂光伏電力賣給周圍的鄰居，而無須跟每位買家簽訂條款煩瑣的合同。德國能源巨頭Innogy 公司聯(lián)合初創(chuàng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺企業(yè)Slock.it 推出了基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電服務 “Blockge”，用戶無須與電力公司簽訂任何供電合同，只需下載一個手機應用程序，并完成用戶驗證，即可在Innogy 廣布歐洲的充電樁上進行充電，電價由后臺程序自動根據(jù)當時與當?shù)氐碾娋W(wǎng)負荷情況實時確定。由于采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，整個充電和電價優(yōu)化過程是完全可追溯和可查詢的，因此極大地降低了信任成本。這一模式可以非常方便地擴展到分屬各國不同電力公司的充電樁上，甚至是私人電動樁上。在德國，私人充電裝置的數(shù)量是公用充電樁的10 倍，Blockge 的升級版將這些資源也納入服務范圍，只要在私人充電裝置上安裝一個嵌有信息收集芯片的插頭，就可以非常方便地接入Blockge 的服務網(wǎng)絡，這一模式將進一步促進電動汽車的快速普及。
能源信息安全不可或缺
在將各種信息技術(shù)引入能源領域的同時，信息安全問題也日漸成為能源行業(yè)的重大課題。由于能源是日常生活的必需品，它對安全的要求也相應是最高的。在過去相當長的時間里，大家對能源信息安全的討論還僅僅停留在理論階段，直到2015 年 12 月 23 日。當時，烏克蘭的電力信息系統(tǒng)受到惡意攻擊，黑客利用軟件漏洞侵入電力系統(tǒng)控制程序，切斷了近20 萬戶居民家中的電力供應，持續(xù)長達數(shù)小時之久，這對于正在嚴冬中苦熬的烏克蘭居民來說無異于一場災難。這樣的惡性攻擊在2016 年再次上演，攻擊對象依然是烏克蘭，黑客再次成功地侵 入電網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)，只是這次攻擊所產(chǎn)生的影響比2015 年的要小一些。
在接連出現(xiàn)重大事故之后，能源信息系統(tǒng)的安全問題得到了非常廣泛的關注。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的設計充分考慮了各種隨機發(fā)生的自然災害(如臺風)的影響，卻對系統(tǒng)性的惡意攻擊缺乏足夠的抵抗力。為應對可能的危機，北美電力穩(wěn)定組織(NERC)已制定了相應的行業(yè)法規(guī)，提出了對電力信息系統(tǒng)安全保護的具體要求，并組織了對電力系統(tǒng)的模擬攻擊，以驗證安全等級。但目前，這些保護措施只考慮了大型骨干輸電網(wǎng)絡和設備，對于連接千家萬戶的小型配電網(wǎng)絡和設備并不適用，而2015 年針對烏克蘭的攻擊事件恰恰發(fā)生在跟大家生活緊密相關的小型配電網(wǎng)絡領域。未來，各種新能源發(fā)電設備將導致電網(wǎng)布局更加分散，使電力信息安全管理更加困難，但對于信息安全技術(shù)來說，這同樣意味著廣闊的市場空間。未來，每家每戶都可能需要安裝能源系統(tǒng)軟件防火墻，就像現(xiàn)在的家用電腦防火墻一樣。
結(jié)語
以上提到的信息技術(shù)解決方案和商業(yè)模式只是未來能源變革大風口的冰山一角，新能源發(fā)展的先驅(qū)德國正在如火如荼地執(zhí)行著它的能源轉(zhuǎn)型計劃，希望把目前新能源占能源生產(chǎn)總量30% 的份額進一步提 升到2030 年的50%，以及2050 年的80%。中國的“十三五”規(guī)劃也將 目標設定為，到2020年將新能源裝機容量提升到35%。而信息技術(shù)將會在未來的能源體系中發(fā)揮基礎性作用，將可預測且可控的分布式新能源與可即時響應的工業(yè)和家庭用電、儲能單元相串聯(lián)，其實就是在目前的電力網(wǎng)絡上加了一層信息網(wǎng)。這兩張網(wǎng)之間的智能交互就構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)，它將使得未來構(gòu)建以新能源為主體的清潔能源體系成為可能。
(作者：陳瑋博士， 全球最大新能源咨詢認證機構(gòu) DNV-GL Energy 風能行業(yè)項目經(jīng)理及控制系統(tǒng)高級工程師)
這個網(wǎng)絡之所以讓大家覺得很遙遠，是因為在大多數(shù)情況下，它都是單向的：我們只是電力的純消費者，電網(wǎng)與人們的聯(lián)系好像只有每月的電費賬單，而電網(wǎng)背后的復雜運行機制和普通消費者并沒有直接聯(lián)系。而這一切即將被蓬勃發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)以及隨之而來的能源行業(yè)的變革所打破。
新能源和傳統(tǒng)能源相比，除了大家已經(jīng)熟知的綠色無污染的優(yōu)點外，還具備另外兩大特征：分散性和不穩(wěn)定性。在新能源的發(fā)展先驅(qū)地德國，隨處可見的屋頂光伏發(fā)電設備和分散在田間路旁的風力發(fā)電機所輸出的電力，就像無數(shù)的涓涓細流一樣匯入廣闊的電網(wǎng)。2016 年，以風能和太陽能為代表的新能源發(fā)電在德國電力的生產(chǎn)比例已經(jīng)超過 30%。
與傳統(tǒng)能源主要被大型發(fā)電集團控制不同，德國大部分的新能源發(fā)電設備都屬于個人或小業(yè)主。對于電網(wǎng)來說，這一變化所帶來的影響是革命性的。前面已經(jīng)提到，為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定，發(fā)電量和用電量必須保持平衡。過去，這種平衡主要是通過調(diào)節(jié)發(fā)電端的發(fā)電量來實現(xiàn)的，而當分散在全國各個角落且不可控的新能源發(fā)電所占的比例越來越高的時候，這一調(diào)節(jié)方式就越來越難以為繼了。
2016 年 5 月 8 日，德國出現(xiàn)了歷史性的一刻，在幾個小時的時間里，德國的新能源發(fā)電總量(主要是風能和太陽能)居然達到接近其用電總量95% 的高峰，這就意味著，整個德國在這幾個小時里幾乎全由風能和太陽能驅(qū)動!
當然，這一現(xiàn)象具有一定的偶然性：首先是天氣的完美配合，即德國北部(風電集中)的強勁風力和德國南部(太陽能集中)的充沛陽光同時出現(xiàn);其次，當天是一個周日，德國的整體用電量相比工作日來說有所降低。而對于整個能源市場來說，這一偶然事件所引發(fā)的連鎖反應卻幾乎顛覆了整個市場結(jié)構(gòu)，即電價由正常的3 歐分 / 千瓦時 跌至最低 –32 歐分 / 千瓦時，這就意味著在這幾個小時內(nèi)，用電居然還可以賺錢!
導致這一不可思議的現(xiàn)象發(fā)生的原因是：在德國，雖然能源的交易已經(jīng)全面市場化，但由于德國能源法保障可再生能源必須全額上網(wǎng)，因此新能源的發(fā)電量越大，留給其他傳統(tǒng)能源的份額就越小。電作為商品的特殊性就在于其生產(chǎn)和消費必須即時進行，存儲的代價極大。而傳統(tǒng)能源由于設備運轉(zhuǎn)的需求，發(fā)電量有一個最低極限值，所以當傳統(tǒng)能源的發(fā)電份額被新能源擠到低于其最低發(fā)電量時，就必須通過補貼的方式，將多余的發(fā)電量賣出去，以免威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定，這才造就了這一“負電價”現(xiàn)象。
能源行業(yè)的變革需要信息技術(shù)的支撐
從上面這個德國電力市場負電價的例子可以看出，雖然從全年來看，新能源發(fā)電量只占發(fā)電總量的1/3，但由于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在某些時間點，新能源的發(fā)電量將可能遠遠超出平均水平，這將給電網(wǎng)和電力市場帶來巨大沖擊。如果不能解決這一問題，新能源的進一步發(fā)展將受到極大的限制，而這正是信息技術(shù)可以大顯身手的痛點。
首先是解決由新能源的分散性所帶來的發(fā)電量的不可控問題。正如叫車軟件滴滴打車將在路上盲目“掃街”的出租車司機有序地組織起來一樣，利用信息技術(shù)同樣可以將分散的新能源發(fā)電單元協(xié)調(diào)組織起來，形成一個大型的虛擬電場。這一領域已經(jīng)涌現(xiàn)了很多初創(chuàng)公司，代表企業(yè)是德國的Next Kraftwerke 公司，其目前已經(jīng)接入4000 多個 新能源發(fā)電單元，總體發(fā)電功率已經(jīng)達到2.7 吉瓦(GW)，相當于一個大型火電站的發(fā)電能力。它的運行模式是在每個發(fā)電單元安裝一個 叫作“NextBox”(下一個盒子)的通信和控制組件，Next Box 通過一 個專門的加密GPRS(通用分組無線服務)信道與中央服務器相連，一方面將發(fā)電單元的實時數(shù)據(jù)傳送到中央服務器，另一方面接收服務器的控制指令，這樣就可以對電網(wǎng)以及電力市場進行實時響應。它的商業(yè)模式是：一方面可以將小型發(fā)電單元打包成大型發(fā)電廠，從而直接進入電力市場進行交易，獲得更高的電價;另一方面可以利用自己的快速響應能力，為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務，從而獲得進一步的收益。
其次是解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題，基本可以分為三個技術(shù)方向。第一個方向是運用信息技術(shù)對新能源的發(fā)電量進行預測，從而通過電力市場機制提前對未來新能源的發(fā)電量做出相應反應，避免電網(wǎng)出現(xiàn)大的波動。歐洲電力市場根據(jù)交易與實際電力交付的時差可分為遠期(Future)市場、日前(Day-ahead)市場、日間(Intra-day)市場 以及平衡(Balancing)市場。遠期市場可以交易未來數(shù)月甚至數(shù)年的電力，日前市場是在實際電力交付前一天進行交易，日間市場則是在當天提前數(shù)小時進行交易，而平衡市場是為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定以 15 分鐘為單位進行的交易。
針對歐洲電力市場的要求，法國初創(chuàng)公司Steadysun根據(jù)不同的預測周期和精度為太陽能發(fā)電量預測提供了一個三級系統(tǒng)，它們分別是： SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye。第一級系統(tǒng)SteadyMet 主要基于氣象模型和太陽能發(fā)電單元的歷史運行數(shù)據(jù)，并綜合運用智能學習算法，提供未來幾天的太陽能發(fā)電量預測，主要可用于日前市場交易。第二級系統(tǒng)SteadySat 在此基礎上加入了每小時更新1~4 次的實時衛(wèi)星圖片信息，從而能夠比較準確地預測太陽能發(fā)電單元被云層遮蓋的程度，可以提供對最多6 小時后的太陽能發(fā)電量的更精確預測，主要可用于日間市場交易，并及時對第一級系統(tǒng)的預測誤差進行修正，從而減少損失。第三級系統(tǒng)SteadyEye 則可以提供對未來15 分鐘發(fā)電量的精確預測，它通過在太陽能發(fā)電單元附近加裝一個觀察云層運動的攝像頭，捕捉云層的運動軌跡，再通過對云層運動的物理建模，實現(xiàn)對云層遮蓋非常精確的預測，主要用于實時電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。
在風能發(fā)電量預測方面，比較有特色的是德國的初創(chuàng)公司Ener，它開發(fā)了基于云端智能算法的發(fā)電量預測服務。預測算法可以分為兩個部分。第一部分是對氣象參數(shù)的預測。由于影響風力發(fā)電機發(fā)電量的氣象參數(shù)非常多，如風速、風向、空氣密度、濕度、氣壓等，為了綜合各氣象模型和氣象信息，Ener 推出了 ensemble engine(集成引擎)，它將各種不同的氣象信息和模型融合起來，并根據(jù)特定風電場的歷史觀測數(shù)據(jù)，通過自學習算法來設定它們的權(quán)重，從而獲得最優(yōu)的預測效果。第二部分是基于氣象參數(shù)的發(fā)電量預測。對于風能發(fā)電來說，不僅是眾多的氣象參數(shù)，甚至周圍的地形和附近的其他風力發(fā)電機都會對發(fā)電量產(chǎn)生不同程度的影響，因此用傳統(tǒng)的物理建模預測方法很難進行精確預測。Ener 公司推出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的風力發(fā)電量預測算法，它首先使用歷史數(shù)據(jù)(包含氣象參數(shù)和特定風力發(fā)電機的發(fā)電量)，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，然后再由人工神經(jīng)網(wǎng)絡基于第一部分的氣象參數(shù)預測得到發(fā)電量預測，并且在運行過程中持續(xù)地將實測數(shù)據(jù)反饋回神經(jīng)網(wǎng)絡以進行迭代訓練，從而不斷提升預測精度以及持續(xù)跟蹤風力發(fā)電機本身運行狀態(tài)的變化。
對于前面提到的像NextKraftwerke 公司這樣的虛擬電廠運營商來說，由于電力交易需要提前進行，新能源發(fā)電量的預測服務是不可或缺的。甚至對于傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)來說，新能源發(fā)電量的預測服務也越來越重要——它不僅可以避免前文提到的負電價的出現(xiàn)，而且根據(jù)預測，如果未來幾天的電價由于新能源電力的大量涌入而降到成本以下，那么傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)就可以提前適當減少發(fā)電量以避免虧損。
第二個技術(shù)方向是通過用電端的主動調(diào)整來適應新能源的不確定性。在工業(yè)用電方面，有很多工業(yè)流程是可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整對電力的使用而并不影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的。在挖掘這方面的潛力上，比利時的初創(chuàng)公司 REstore 在冶金、造紙、化工等很多工業(yè)領域已經(jīng)獲 得了上百家客戶。REstore 的商業(yè)模式從對每個客戶的用電特性進行分析開始，據(jù)此量身定制電力調(diào)節(jié)方案，比如在哪些時間段可以減少多大比例的用電量。當這些工業(yè)企業(yè)在電網(wǎng)發(fā)電端供應不足時(如新能源發(fā)電量較低時)，便會在REstore 信息系統(tǒng)的指揮下，調(diào)低相應的用電負荷。而當電網(wǎng)發(fā)電端供應過大時，則開足用電負荷。在整個過程中，REstore 不收取任何費用，只通過參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制[也就是前文 提到的電力平衡(Balancing)市場交易]，從客戶獲得的額外收益中抽取一定比例的傭金。對電網(wǎng)來說，主動參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制的用電企業(yè)越多，需要準備的備用發(fā)電能力就越少，相應的整體發(fā)電成本也會隨之降低?？梢哉f，REstore 塑造了一個多贏的格局。
第三個技術(shù)方向是通過儲能設備在新能源發(fā)電量大的時候儲存電力，在發(fā)電量小的時候輸出電力。這是補償新能源不穩(wěn)定性最有效的方式，隨著新能源發(fā)電份額的不斷上升，大規(guī)模儲能將不可或缺。
2017 年 2 月 15 日，澳大利亞南澳地區(qū)發(fā)生的大停電事故，部分原因就是新能源發(fā)電量低于預期，同時電網(wǎng)又缺乏足夠的儲備發(fā)電能力，而這已經(jīng)是南澳地區(qū)在幾個月內(nèi)發(fā)生的第三起大停電事故了。針對這一挑戰(zhàn)，特斯拉創(chuàng)始人埃隆˙馬斯克在社交媒體推特(Twitter)上公開宣稱，他們有能力在100 天的時間內(nèi)安裝100 兆瓦時(Mwh)的電池儲能設備，從而完全解決南澳地區(qū)的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，并許諾如果不能在100 天內(nèi)完成，將免費提供所有電池儲能設備。這個聽上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亞官方的積極回應，并最終促成了澳大利亞總理馬爾科姆˙特恩布爾(Malcolm Turnbull)和馬斯克的會面。馬斯克的底氣來自2017 年 1 月在美國加州落成的特斯拉電池儲能項目，它用3 個月時間建成了可以為15 000 個家庭提供數(shù)小時電能的電能存儲設備。加州陽光充沛，白天的光伏發(fā)電充足，甚至常常超過需求，但到了晚上仍需要用傳統(tǒng)的燃氣發(fā)電來補充電力供應。2015 年加州發(fā)生的燃氣泄漏事故，不斷加強的環(huán)保要求，以及即將關停核電站的計劃，都促使政府不得不尋求另外的解決方案，而電池儲能可以很好地滿足這一需求，即可以將白天富余的太陽能電力存儲起來以便夜間使用。
除了大規(guī)模集中使用的場景，電池儲能技術(shù)目前也出現(xiàn)了以家庭電池儲能為核心，綜合了家庭光伏發(fā)電和家庭智能能源管理的商業(yè)模式。由于新能源發(fā)電的分散性，分布式的家庭儲能是未來非常有希望的解決方案。將這種模式帶入公眾視野的仍然是特斯拉公司，它于 2015 年發(fā)布了家庭電池能量墻(Powerwall Home Battery)。不過，這個領域目前的實際領跑者是德國的初創(chuàng)公司Sonnen，它占據(jù)了全球家庭光伏儲能市場將近1/4 的份額，并于2016 年成功獲得了包含中國遠景能源參與的新一輪融資。Sonnen 首先以解決家庭屋頂光伏應用對儲能的需求為切入點：由于光伏發(fā)電的高峰是白天，而家庭的用電高峰卻在晚上，因此發(fā)電和用電高峰之間存在錯位，即使將白天的電力出售給電網(wǎng)，晚上再由電網(wǎng)供電，也仍然要支付由電網(wǎng)成本導致的出售價格低于買入價格的價差。而通過家庭儲能則可以將白天的光伏電力存儲起來留待晚上使用，這樣就能顯著降低家庭的電費支出。
在此基礎上，Sonnen 還在它的儲能系統(tǒng)上進一步集成了家庭智能能源管理系統(tǒng)，目前它最多可與三臺家庭用電系統(tǒng)(如洗衣機、烘干機等)相連接，在有富余光伏電力的情況下，會首先啟動這些設備進行工作，從而在一定程度上降低對儲能電池容量的需求。
另一方面，Sonnen 公司的儲能系統(tǒng)還可以將富余的儲存能力用于為電網(wǎng)提供穩(wěn)定控制服務，從而獲得進一步的收益。針對沒有光伏發(fā)電設備的家庭，Sonnen 公司提供了“Sonnen 社區(qū)”(Sonnen community) 的商業(yè)模式，通過安裝Sonnen 的儲能系統(tǒng)，用戶可以獲 得長達10 年的每年2 000 度的免費用電額度，超出這個額度之后，用戶還可享受優(yōu)惠電價，這樣節(jié)省下來的電費就遠遠超過了購買儲能系統(tǒng)的成本。一方面，這使得用戶可以擁有更多的存儲能力，另一方面，這些用戶的用電需求又使得連入Sonnen 儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電單元的富余電力有了新的變現(xiàn)渠道，由于跳過了中間環(huán)節(jié)，不管是發(fā)電端還是用電端，都可以獲得更好的電價。目前，Sonnen 公司正在將這一模式進一步推廣到風能和生物質(zhì)能領域。
對于電網(wǎng)來說，Sonnen 的儲能系統(tǒng)一方面減輕了家庭光伏發(fā)電和家庭用電錯位所帶來的調(diào)峰壓力，另一方面還可以將富余的存儲能力“打包”成一個大的蓄能池，可以有效地補償新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性。未來，這一商業(yè)模式還可以擴展到目前正在如火如荼發(fā)展的電動汽車行業(yè)。
在儲能應用這一全新的維度上，相對于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車具有顛覆性的優(yōu)勢。對于家用車來說，其實全天大部分時間都處于非工作狀態(tài)。在這些時間里，連入電網(wǎng)的電動汽車電池就有可能作為電網(wǎng)的儲能部件，參與電網(wǎng)控制，所獲得的收益可以在很大程度上攤薄電動汽車的電池成本。
為了充分發(fā)掘電動汽車的儲能功能，首先需要升級電動汽車的充電系統(tǒng)。目前，大部分的電動汽車只有單向的充電功能，因此也只能提供單向的儲能能力，即通過智能充電軟件控制電動汽車，在電網(wǎng)負荷較小時(如夜間)進行充電。這一領域未來的發(fā)展方向是進一步改進電動汽車的充電和電池系統(tǒng)，使電力能夠?qū)崿F(xiàn)雙向流動，從而更好地發(fā)揮其作為電網(wǎng)儲能元件的作用。日本三菱公司已率先推出帶有充放電功能的電動汽車，德國寶馬公司也在積極測試相關技術(shù)與產(chǎn)品。
其次，我們還需要考慮對分散的電動汽車進行協(xié)調(diào)控制的問題。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息技術(shù)的解決方案可以非常方便地擴展到這一領域中。未來，只要用戶輸入一個出行計劃，電動汽車的智能管理系統(tǒng)就可以自動生成一個最優(yōu)的充放電程序，在保證電動汽車運行所需電量的前提下，將剩余的存儲能力連入“虛擬電廠”，從而為用戶獲得最大收益。
另一方面，電動汽車的電池作為儲能部件的壽命，甚至遠遠大于它為電動汽車工作的壽命，由于電網(wǎng)儲能對電池性能的要求遠遠低于電動汽車，因此當電動汽車的電池容量衰減到一定程度時，雖然無法滿足電動汽車續(xù)航里程的要求，但可以繼續(xù)為電網(wǎng)儲能服務。目前，德國汽車行業(yè)的領軍企業(yè)寶馬公司和博世公司就正在德國漢堡合作建設一個新型儲能項目，它被命名為“電動汽車電池的第二生命”，這個項目以從寶馬牌電動汽車上退役的電池為基礎，重新設計并組合成一個 26 米長、6 米寬的儲能大電池，未來它將為德國北部不斷增加的風能發(fā)電份額提供電網(wǎng)調(diào)節(jié)服務。這同時也意味著，通過對退役電動汽車電池的再利用，可以進一步降低電動汽車的整體成本。
電池儲能技術(shù)雖然有非常多的優(yōu)點，但由于其較高的成本以及能量衰減率，主要適用于短期電力調(diào)峰的應用場景，并且需要和其他儲能技術(shù)相配合。目前，世界各國都在爭相研究各種針對不同地理、環(huán)境條件的儲能技術(shù)。
首先是以抽水蓄能為代表的大型儲能電站，它是歷史最悠久的儲能技術(shù)，其優(yōu)點是能夠大規(guī)模、長時間地儲存電力，缺點是對環(huán)境資源的要求較高。為了適應快速增長的儲能需求，德國政府正在想方設法地提高抽水蓄能能力，其中一個很有創(chuàng)意的方案是對老工業(yè)區(qū)已經(jīng)廢棄的煤礦的重新利用。由于礦井常常有數(shù)百米深且面積很大的地下空間，經(jīng)過改造，可以在電力富余時將水從礦井底部抽到地面，在電力不足時將水回流到礦井底部并同時產(chǎn)生電能。
在海上風能蓬勃發(fā)展的大背景下，德國的弗朗霍夫研究所(Fraunhofe Institute for Production Technology)正在開發(fā)深水儲能技術(shù)， 它的基本原理是將一個大型蓄能裝置沉入大約200 米深的海底，利用海上風力發(fā)電所產(chǎn)生的電能將水從蓄能裝置中抽出，在需要輸出電能時，讓水在海底巨大壓力的推動下，重新進入蓄能裝置并發(fā)電。目前，研究人員已完成了對模型樣機(體積縮小比例為1∶10)的測試，由于未來海上風能將為歐洲提供相當份額的能源供應，深水儲能裝置將有很好的應用前景。
在陸上風能的應用場景中，蓄水儲能也可以和風能進行深度融合。德國正在建設一個新型陸上風場，它將風機的基礎部分直接設計成了一個幾十米高的蓄水庫，而風機的主體結(jié)構(gòu)則建立在這個蓄水庫上面。與一般的風機基礎相比，這相當于將風機抬高了幾十米。在一般情況下，由于風速與高度呈正比，因此這會在很大程度上增加風機的發(fā)電量，而這部分額外的收益將來可以抵銷修建蓄水庫的成本。多個風機的蓄水庫之間還可以互相連接，共同構(gòu)成一個與風場緊密結(jié)合的蓄水儲能系統(tǒng)，從而有效地平衡風力發(fā)電的不確定性。
其他的大規(guī)模儲能方案還有壓縮空氣、電解水形成氫氣等。由于現(xiàn)在沒有哪一種儲能技術(shù)可以“一家通吃”，因此未來的儲能系統(tǒng)也必然是由數(shù)量眾多，地理上非常分散，內(nèi)部機理也各不相同的儲能單元構(gòu)成，它們適用的場景和相應的成本存在很大的差異，這就需要一套非常完善的信息系統(tǒng)對各個儲能單元進行協(xié)調(diào)控制，以發(fā)揮它們的最大效能。
能源系統(tǒng)的重構(gòu)將帶來基于信息技術(shù)的新商業(yè)模式
隨著新能源份額的不斷提升，能源系統(tǒng)未來將逐漸被重構(gòu)。未來的能源系統(tǒng)將主要由分散的發(fā)電單元、分散的用電單元以及分散的儲能單元構(gòu)成，同一個節(jié)點還可能具有多重角色。比如，一個裝有家庭光伏發(fā)電設備和電池儲能設備(或電動汽車)的家庭，就同時具備發(fā)電、用電和儲能的所有角色功能。這與當初互聯(lián)網(wǎng)將大眾從單一的信息接收者，變?yōu)榧婢甙l(fā)起者與接收者的雙重角色非常像。未來，這樣的新型能源節(jié)點將為信息技術(shù)的廣泛應用和大量新商業(yè)模式的涌現(xiàn)提供非常肥沃的土壤。
比如，方興未艾的區(qū)塊鏈技術(shù)未來就很有可能改變傳統(tǒng)的電力交易模式。未來電網(wǎng)的交易首先將由單向變?yōu)殡p向，比如前面提到的裝有家庭光伏發(fā)電設備或其他儲能設備的家庭，它們既是能源的消費者，也是能源的生產(chǎn)者或電網(wǎng)服務的提供者。其次，電網(wǎng)交易主體的數(shù)量將空前增加，每個家庭，甚至每臺聯(lián)入電網(wǎng)的電動汽車都將是一個交易主體。這些交易主體的規(guī)模都很小，而且很分散，甚至是可移動的。另一方面，就像前面提到的，電網(wǎng)需要在每一時刻都維持動態(tài)平衡，同一度電或同一容量的儲能服務在不同的時間和地點，其價值是不一樣的，因此如果按照傳統(tǒng)的交易方式，將會產(chǎn)生很大的交易成本，這是大量小規(guī)模的交易主體所無法承受的。而區(qū)塊鏈作為一種去中心化的交易手段，未來將很有希望為能源互聯(lián)網(wǎng)提供基礎交易服務。
在這一方向上，美國初創(chuàng)公司TransActiveGrid (交互式電網(wǎng)) 于 2016 年推出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的個人電力交易平臺，它使得用戶可以非常方便地將多余的屋頂光伏電力賣給周圍的鄰居，而無須跟每位買家簽訂條款煩瑣的合同。德國能源巨頭Innogy 公司聯(lián)合初創(chuàng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺企業(yè)Slock.it 推出了基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電服務 “Blockge”，用戶無須與電力公司簽訂任何供電合同，只需下載一個手機應用程序，并完成用戶驗證，即可在Innogy 廣布歐洲的充電樁上進行充電，電價由后臺程序自動根據(jù)當時與當?shù)氐碾娋W(wǎng)負荷情況實時確定。由于采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，整個充電和電價優(yōu)化過程是完全可追溯和可查詢的，因此極大地降低了信任成本。這一模式可以非常方便地擴展到分屬各國不同電力公司的充電樁上，甚至是私人電動樁上。在德國，私人充電裝置的數(shù)量是公用充電樁的10 倍，Blockge 的升級版將這些資源也納入服務范圍，只要在私人充電裝置上安裝一個嵌有信息收集芯片的插頭，就可以非常方便地接入Blockge 的服務網(wǎng)絡，這一模式將進一步促進電動汽車的快速普及。
能源信息安全不可或缺
在將各種信息技術(shù)引入能源領域的同時，信息安全問題也日漸成為能源行業(yè)的重大課題。由于能源是日常生活的必需品，它對安全的要求也相應是最高的。在過去相當長的時間里，大家對能源信息安全的討論還僅僅停留在理論階段，直到2015 年 12 月 23 日。當時，烏克蘭的電力信息系統(tǒng)受到惡意攻擊，黑客利用軟件漏洞侵入電力系統(tǒng)控制程序，切斷了近20 萬戶居民家中的電力供應，持續(xù)長達數(shù)小時之久，這對于正在嚴冬中苦熬的烏克蘭居民來說無異于一場災難。這樣的惡性攻擊在2016 年再次上演，攻擊對象依然是烏克蘭，黑客再次成功地侵 入電網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)，只是這次攻擊所產(chǎn)生的影響比2015 年的要小一些。
在接連出現(xiàn)重大事故之后，能源信息系統(tǒng)的安全問題得到了非常廣泛的關注。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的設計充分考慮了各種隨機發(fā)生的自然災害(如臺風)的影響，卻對系統(tǒng)性的惡意攻擊缺乏足夠的抵抗力。為應對可能的危機，北美電力穩(wěn)定組織(NERC)已制定了相應的行業(yè)法規(guī)，提出了對電力信息系統(tǒng)安全保護的具體要求，并組織了對電力系統(tǒng)的模擬攻擊，以驗證安全等級。但目前，這些保護措施只考慮了大型骨干輸電網(wǎng)絡和設備，對于連接千家萬戶的小型配電網(wǎng)絡和設備并不適用，而2015 年針對烏克蘭的攻擊事件恰恰發(fā)生在跟大家生活緊密相關的小型配電網(wǎng)絡領域。未來，各種新能源發(fā)電設備將導致電網(wǎng)布局更加分散，使電力信息安全管理更加困難，但對于信息安全技術(shù)來說，這同樣意味著廣闊的市場空間。未來，每家每戶都可能需要安裝能源系統(tǒng)軟件防火墻，就像現(xiàn)在的家用電腦防火墻一樣。
結(jié)語
以上提到的信息技術(shù)解決方案和商業(yè)模式只是未來能源變革大風口的冰山一角，新能源發(fā)展的先驅(qū)德國正在如火如荼地執(zhí)行著它的能源轉(zhuǎn)型計劃，希望把目前新能源占能源生產(chǎn)總量30% 的份額進一步提 升到2030 年的50%，以及2050 年的80%。中國的“十三五”規(guī)劃也將 目標設定為，到2020年將新能源裝機容量提升到35%。而信息技術(shù)將會在未來的能源體系中發(fā)揮基礎性作用，將可預測且可控的分布式新能源與可即時響應的工業(yè)和家庭用電、儲能單元相串聯(lián)，其實就是在目前的電力網(wǎng)絡上加了一層信息網(wǎng)。這兩張網(wǎng)之間的智能交互就構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)，它將使得未來構(gòu)建以新能源為主體的清潔能源體系成為可能。
(作者：陳瑋博士， 全球最大新能源咨詢認證機構(gòu) DNV-GL Energy 風能行業(yè)項目經(jīng)理及控制系統(tǒng)高級工程師)
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