赵俊华：能源互联网的起源与若干思考

电力18讯：    
　　能源互联网+作为一个新生事物，可以说还不存在一个权威的定义。不同的机构与个人对其存在多种不同的解读，对于能源互联网的具体技术组成和商业化路线也存在很多争议。上述对能源互联网的不同解读，事实上可以视为能源互联网的不同侧面；各种解读均有其合理性，因此将各种解读有机结合，就是真正的能源互联网。当前社会上对能源互联网充满争议，事实上也正说明，能源互联网还处在萌芽阶段，其中蕴藏的创新潜力和商业机会不可限量。

　　能源互联网概念的起源能源

　　互联网的概念是2011年由美国学者杰里米・里夫金(Jeremy Rifkin)在其著作《第三次工业革命》中最先明确提出的。里夫金认为, 随着化石燃料的逐渐枯竭及其造成的环境污染问题, 在第二次工业革命中奠定的基于化石燃料大规模利用的工业模式正在走向终结。里夫金预言, 以新能源技术和信息技术的深入结合为特征, 一种新的能源利用体系即将出现，他将他所设想的这一新的能源体系命名为能源互联网(Energy Internet)。

　　里夫金定义的能源互联网有以下几个特征：

　　（1) 以可再生能源为主要一次能源;

　　（2) 支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统自由接入网络，支持产销一体（prosumer）的新型能源生产与消费形态;

　　（3) 基于互联网技术实现广域能源共享;

　　（4) 支持交通系统的电气化 (即由燃油汽车向电动汽车转变)。总结里夫金的思想，他所倡导的能源互联网的内涵大体有三点：即从化石能源走向可再生能源；从集中式产能走向分布式产能；从封闭走向开放。里夫金作为一个经济学家，他对能源互联网的定义和思考更多的只是一种愿景，而并不是切实可行的技术路径。但由于里夫金本人的影响力，他的观点一经抛出，就引起了政府、学界和企业界的巨大反响。这其中有代表性的是欧盟理事会副主席Antonio Tajani的表态：“第三次工业革命将围绕能源互联网展开……”学界和企业开始在能源互联网的研发领域大量投入资源，能源互联网也因而成为了今年以来能源领域的讨论焦点。

　　与人工智能、云计算、智能电网等新概念在最初提出时一样，能源互联网的概念在当前也充满了误解与争议。不同的机构与个人从多种不同的角度对能源互联网给出了很多的解读。那么，究竟应该如何理解能源互联网这一新生事物呢？

　　大电网广域互联

　　里夫金的能源互联网概念的核心是实现以可再生能源为主的能源供应体系。目前，利用风能和太阳能等可再生能源的最大困难是可再生能源具有时空分布高度不平衡、出力具有间歇性和不确定性等特征。而解决可再生能源间歇性的技术手段主要有三种：一是有效利用可再生能源与电力负荷的时空互补性；二是大力发展储能技术；三是发展需求侧管理等技术，使需求可以在一定程度上配合供给。

　　2014年7月，在电气与电子工程师学会(IEEE)电力与能源协会2014年年会上，国家电网公司董事长刘振亚在其署名文章中提出了“全球能源互联网”的概念，并将其定义为以特高压电网为骨干网架(通道)、以输送清洁能源为主导、全球互联的坚强智能电网。显然，国家电网公司对能源互联网的解读的本质是利用特高压输电技术，构建广域互连电网，目标是充分利用可再生能源与电力负荷的时空互补性。尽管目前社会上对于特高压技术存在激烈的争议，但发展广域互联电网无疑是解决可再生能源间歇性，实现更大范围内资源有效配置的重要手段之一。需要考虑的只是应当发展哪一种远距离输电技术。目前，除了我国在力推特高压输电技术之外，欧洲也在大力发展以HVDC和柔性直流输电技术为核心的超级电网（super grid），其技术发展思路值得我国借鉴。从里夫金本人的设想来看，要实现广域的能源共享，一个强大的骨干能源输送网架是必不可少的，这可以称为能源互联网中的“广域能源网”。

　　多能源融合与转化

　　对能源互联网的第二种解读是，能源互联网不仅是智能电网的简单升级，而应当是多种能源系统相互融合的产物。在能源互联网中，电能、化学能、热能等不同能源形式应当可以根据需求相互转化。多能源网络的概念由苏黎世联邦理工学院的Goran Andersson教授最先提出，并初步奠定了多能源网络运行与控制的理论基础。但真正使多能源网络可能变为现实的，则是电转气(power to gas)技术的出现。

　　电转气技术的基本原理是首先利用富余的可再生能源电解水，再将产生的氢气与空气中的二氧化碳进一步反应产生甲烷。由于甲烷是天然气的主要成分，因此，电转气装置产生的甲烷可以注入现有的天然气网络中存储和运输。电转气技术的出现，可以说是革命性地建立了电力与天然气两个原本相互独立的能源网络间能量双向流动的渠道。可再生能源可以通过电转气技术，在天然气管道中远距离传输和大规模存储，这提出了一条与目前依靠高压电网和电池实现可再生能源传输与存储截然不同的思路。

　　世界上的第一个电转气项目是2012年在德国斯图加特建成的250kW的电转气示范工程。随后，奥迪公司在德国建成了第一个工业级的电转气工程（容量为6MW），并将其与当地的天然气网络联通，从而可以直接向天然气公司出售多余的甲烷。目前，利用电转气技术将可再生能源转化为甲烷的效率大约在50%- 70%之间。若再经过燃气机组将甲烷转化为电，效率大约是30%-38%。如果将电转气与热电联供结合，则电→气→电+热的总体效率可达40%-50%。电转气技术本身还在快速发展中，欧盟在2014年资助了HELMETH项目，预期可将电转甲烷的效率进一步提高到85%，从而真正实现电转气的产业化。

　　开放能源信息平台与即插即用

　　显然，物理系统的互联只是能源互联网的一个方面。与之同等重要的是能源信息网络的构建和能源信息的互联。只有通过构建一个开放的能源信息网络，才能实现里夫金所倡导的分布式设备开放自由接入和能源的分布式生产。

　　能源互联网内可以接入的分布式设备种类繁多（包括分布式电源、储能、智能用电设备、电动汽车、传感器、表计设备等等）。充分利用分布式设备的负荷弹性（智能用电设备与电动汽车）与储能功能是解决可再生能源间歇性的另一种重要手段。由于能源互联网中的分布式设备数量庞大，实行人工管理显然是行不通的。这必然要求能源互联网作为一个平台，具有允许分布式设备即插即用的功能。即插即用具有两层含义：一是在电气层面上，能源互联网应当支持分布式设备在任何时候均可以安全地接入和退出网络，这需要新型硬件设备，例如能源路由器的支持。二是在信息层面上，能源互联网可以在分布式设备接入后，自动实现设备的身份识别、寻址、信息采集、数据交换与管理等功能。当前，为了实现用户侧的智能设备的互联，不同公司与组织开发了大量不同的标准、协议和技术。这导致了用户侧智能设备互联这一领域的碎片化现象非常严重，大量的系统互不兼容，无法真正地实现能源信息的互联共享。

　　因此，为能源互联网内大量分布式设备即插即用与信息共享制定统一标准与协议，是真正实现能源互联网的当务之急。实现能源互联网信息平台的另一个困难是数据量。数据是一切互联网应用的核心。目前，电网公司的计量自动化系统的数据采样频率一般不超过15分钟一次，但其产生的年数据量已经是PB级。如果大规模应用高频度智能电表，并对各种智能用电设备也采集高频度数据，则其数据量将是惊人的。如何对能源互联网的大数据进行有效的传输、存储与分析将是一个极大的挑战。基于传统TCP/IP协议族的互联网体系架构，以及电力系统现有的集中式的信息管理模式，必然将迎来能源互联网庞大数据量的挑战。目前，学术界与企业界正在开展以数据为核心的新一代能源网络信息架构的研究，其中具有代表性的是加州大学伯克利分校的ICEI项目。这可以为我国发展能源互联网的信息互联技术提供有益的借鉴。

　　电力市场与商业模式

　　开放是互联网的核心价值。开放与封闭也是能源互联网区别于传统电力系统的一个根本特征。能源互联网应当突破电力系统以买电卖电为核心的传统商业模式，转型为支撑能源交易、能源信息共享与能源增值服务的开放式的信息平台。

　　能源互联网作为平台，应当允许能源信息的自由共享，支持大量第三方企业基于能源互联网提供增值服务。只有围绕能源互联网构造一个完整的生态系统，才能充分挖掘能源大数据中蕴含的价值，释放能源领域的创新潜力。当前我国正在推行的电改，可以说适逢其时，为实现能源互联网的商业生态系统提供了难得的机遇。

　　依托能源互联网出现的新型商业模式，大体应该可以分为以下几类：一是通过挖掘能源大数据，为电网企业提供信息服务，这样的企业以OPower、Autogrid等为代表。二是协助用户参与电力交易（包括电力零售交易，以及作为代理，帮助用户参与辅助服务、需求响应等特殊的电力交易），帮助用户挖掘节能潜力；电力零售企业将是开展上述业务的非常适合的人选。三是新型能源硬件的制造商，这以Tesla公司开发的powerwall为代表。四是通过挖掘能源大数据，为用户提供其他领域的增值服务。五是作为能源互联网的基础服务提供商，为第三方企业提供云计算、数据存储等基础服务。未来的新型能源企业的业务，可能是上述多种业务的融合。