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能源互联网需要信息手艺的支持 大规模储能必不可少

  • 时间：2018-06-01
  • 泉源：科技前哨

在物联网看法已被炒得火热的今天，各人似乎很少提到一个已经保存了上百年，并且已经深深嵌入都会和家庭每个角落的大网——电网 。这个网络不但将所有的发电及用电装备毗连起来，还须包管发电量和用电量时刻坚持平衡 。这就意味着，像翻开一盏灯这样的一个简朴行动，也可能引发千里之外电网发电端的一次细小调解 。

这个网络之以是让各人以为很遥远，是由于在大大都情形下，它都是单向的：我们只是电力的纯消耗者，电网与人们的联系似乎只有每月的电费账单，而电网背后的重大运行机制和通俗消耗者并没有直接联系 。而这一切即将被蓬勃生长的新能源工业以及随之而来的能源行业的厘革所突破 。

新能源和古板能源相比，除了各人已经熟知的绿色无污染的优点外，还具备另外两大特征：疏散性和不稳固性 。在新能源的生长先驱地德国，随处可见的屋顶光伏发电装备和疏散在田间路旁的风力发电机所输出的电力，就像无数的涓涓细流一样汇入辽阔的电网 。2016 年，以风能和太阳能为代表的新能源发电在德国电力的生产比例已经凌驾 30% 。

与古板能源主要被大型发电集团控制差别，德国大部分的新能源发电装备都属于小我私家或小业主 。关于电网来说，这一转变所带来的影响是革命性的 。前面已经提到，为了维持电网的稳固，发电量和用电量必需坚持平衡 。已往，这种平衡主要是通过调理发电端的发电量来实现的，而当疏散在天下各个角落且不可控的新能源发电所占的比例越来越高的时间，这一调理方法就越来越难以为继了 。

2016 年 5 月 8 日，德国泛起了历史性的一刻，在几个小时的时间里，德国的新能源发电总量(主要是风能和太阳能)居然抵达靠近其用电总量95% 的岑岭，这就意味着，整个德国在这几个小时里险些全由风能和太阳能驱动!

虽然，这一征象具有一定的无意性：首先是天气的完善配合，即德国北部(风电集中)的强劲风力和德国南部(太阳能集中)的充分阳光同时泛起;其次，当天是一个周日，德国的整体用电量相比事情日来说有所降低 。而关于整个能源市场来说，这一无意事务所引发的连锁反应却险些倾覆了整个市场结构，即电价由正常的3 欧分 / 千瓦时 跌至最低 –32 欧分 / 千瓦时，这就意味着在这几个小时内，用电居然还可以赚钱!

导致这一难以想象的征象爆发的缘故原由是：在德国，虽然能源的生意已经周全市场化，但由于德国能源法包管可再生能源必需全额上网，因此新能源的发电量越大，留给其他古板能源的份额就越小 。电作为商品的特殊性就在于其生产和消耗必需即时举行，存储的价钱极大 。而古板能源由于装备运转的需求，发电量有一个最低极限值，以是当古板能源的发电份额被新能源挤到低于其最低发电量时，就必需通过津贴的方法，将多余的发电量卖出去，以免威胁电网的稳固，这才作育了这一“负电价”征象 。

能源行业的厘革需要信息手艺的支持

从上面这个德国电力市场负电价的例子可以看出，虽然从整年来看，新能源发电量只占发电总量的1/3，但由于新能源发电的不稳固性，在某些时间点，新能源的发电量将可能远远凌驾平均水平，这将给电网和电力市场带来重大攻击 。若是不可解决这一问题，新能源的进一步生长将受到极大的限制，而这正是信息手艺可以大显身手的痛点 。

首先是解决由新能源的疏散性所带来的发电量的不可控问题 。正如叫车软件滴滴打车将在路上盲目“扫街”的出租车司机有序地组织起来一样，使用信息手艺同样可以将疏散的新能源发电单位协调组织起来，形成一个大型的虚拟电场 。这一领域已经涌现了许多首创公司，代表企业是德国的Next Kraftwerke 公司，其现在已经接入4000 多个 新能源发电单位，总体发电功率已经抵达2.7 吉瓦(GW)，相当于一个大型火电站的发电能力 。它的运行模式是在每个发电单位装置一个 叫作“NextBox”(下一个盒子)的通讯和控制组件，Next Box 通过一 个专门的加密GPRS(通用分组无线服务)信道与中央服务器相连，一方面将发电单位的实时数据传送到中央服务器，另一方面吸收服务器的控制指令，这样就可以对电网以及电力市场举行实时响应 。它的商业模式是：一方面可以将小型发电单位打包成大型发电厂，从而直接进入电力市场举行生意，获得更高的电价;另一方面可以使用自己的快速响应能力，为电网提供调峰服务，从而获得进一步的收益 。

其次是解决新能源发电不稳固的问题，基本可以分为三个手艺偏向 。第一个偏向是运用信息手艺对新能源的发电量举行展望，从而通过电力市场机制提前对未来新能源的发电量做出响应反应，阻止电网泛起大的波动 。欧洲电力市场凭证生意与现实电力交付的时差可分为远期(Future)市场、日前(Day-ahead)市场、日间(Intra-day)市场 以及平衡(Balancing)市场 。远期市场可以生意未来数月甚至数年的电力，日前市场是在现实电力交付前一天举行生意，日间市场则是在当天提前数小时举行生意，而平衡市场是为了维持电网的稳固以 15 分钟为单位举行的生意 。

针对欧洲电力市场的要求，法国首创公司Steadysun凭证差别的展望周期和精度为太阳能发电量展望提供了一个三级系统，它们划分是： SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye 。第一级系统SteadyMet 主要基于气象模子和太阳能发电单位的历史运行数据，并综合运用智能学习算法，提供未来几天的太阳能发电量展望，主要可用于日前市场生意 。第二级系统SteadySat 在此基础上加入了每小时更新1~4 次的实时卫星图片信息，从而能够较量准确地展望太阳能发电单位被云层遮掩的水平，可以提供对最多6 小时后的太阳能发电量的更准确展望，主要可用于日间市场生意，并实时对第一级系统的展望误差举行修正，从而镌汰损失 。第三级系统SteadyEye 则可以提供对未来15 分钟发电量的准确展望，它通过在太阳能发电单位周围加装一个视察云层运动的摄像头，捕获云层的运动轨迹，再通过对云层运动的物理建模，实现对云层遮掩很是准确的展望，主要用于实时电网的稳固控制 。

在风能发电量展望方面，较量有特色的是德国的首创公司Ener，它开发了基于云端智能算法的发电量展望服务 。展望算法可以分为两个部分 。第一部分是对气象参数的展望 。由于影响风力发电机发电量的气象参数很是多，如风速、风向、空气密度、湿度、气压等，为了综合各气象模子和气象信息，Ener 推出了 ensemble engine(集成引擎)，它将州差别的气象信息和模子融合起来，并凭证特定风电场的历史视察数据，通过自学习算法来设定它们的权重，从而获得最优的展望效果 。第二部分是基于气象参数的发电量展望 。关于风能发电来说，不但是众多的气象参数，甚至周围的地形和周围的其他风力发电机都会对发电量爆发差别水平的影响，因此用古板的物理建模展望要领很难举行准确展望 。Ener 公司推出了基于人工神经网络的风力发电量展望算法，它首先使用历史数据(包括气象参数和特定风力发电机的发电量)，对人工神经网络举行训练，然后再由人工神经网络基于第一部分的气象参数展望获得发电量展望，并且在运行历程中一连地将实测数据反响回神经网络以举行迭代训练，从而一直提升展望精度以及一连跟踪风力发电机自己运行状态的转变 。

关于前面提到的像NextKraftwerke 公司这样的虚拟电厂运营商来说，由于电力生意需要提前举行，新能源发电量的展望服务是不可或缺的 。甚至关于古板能源发电企业来说，新能源发电量的展望服务也越来越主要——它不但可以阻止前文提到的负电价的泛起，并且凭证展望，若是未来几天的电价由于新能源电力的大宗涌入而降到本钱以下，那么古板能源发电企业就可以提前适当镌汰发电量以阻止亏损 。

第二个手艺偏向是通过用电端的自动调解来顺应新能源的不确定性 。在工业用电方面，有许多工业流程是可以在一定规模内无邪调解对电力的使用而并不影响最终产品质量的 。在挖掘这方面的潜力上，比利时的首创公司 REstore 在冶金、造纸、化工等许多工业领域已经获 得了上百家客户 。REstore 的商业模式从对每个客户的用电特征举行剖析最先，据此量身定制电力调理计划，好比在哪些时间段可以镌汰多大比例的用电量 。当这些工业企业在电网发电端供应缺乏时(如新能源发电量较低时)，便会在REstore 信息系统的指挥下，调低响应的用电负荷 。而当电网发电端供应过大时，则开足用电负荷 。在整个历程中，REstore 不收取任何用度，只通过加入电网稳固控制[也就是前文 提到的电力平衡(Balancing)市场生意]，从客户获得的特殊收益中抽取一定比例的佣金 。对电网来说，自动加入电网稳固控制的用电企业越多，需要准备的备用发电能力就越少，响应的整体发电本钱也会随之降低 �？梢运�，REstore 塑造了一个多赢的名堂 。

第三个手艺偏向是通过储能装备在新能源发电量大的时间贮存电力，在发电量小的时间输出电力 。这是赔偿新能源不稳固性最有用的方法，随着新能源发电份额的一直上升，大规模储能将不可或缺 。

2017 年 2 月 15 日，澳大利亚南澳地区爆发的大停电事故，部分缘故原由就是新能源发电量低于预期，同时电网又缺乏足够的储备发电能力，而这已经是南澳地区在几个月内爆发的第三起大停电事故了 。针对这一挑战，特斯拉首创人埃隆˙马斯克在社交媒体推特(Twitter)上果真宣称，他们有能力在100 天的时间内装置100 兆瓦时(Mwh)的电池储能装备，从而完全解决南澳地区的电网稳固性问题，并许诺若是不可在100 天内完成，将免费提供所有电池储能装备 。这个听上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亚官方的起劲回应，并最终促成了澳大利亚总理马尔科姆˙特恩布尔(Malcolm Turnbull)和马斯克的碰面 。马斯克的底气来自2017 年 1 月在美国加州完工的特斯拉电池储能项目，它用3 个月时间建成了可以为15 000 个家庭提供数小时电能的电能存储装备 。加州阳光充分，白天的光伏发电富足，甚至经常凌驾需求，但到了晚上仍需要用古板的燃气发电来增补电力供应 。2015 年加州爆发的燃气走漏事故，一直增强的环保要求，以及即将关停核电站的妄想，都促使政府不得不追求另外的解决计划，而电池储能可以很好地知足这一需求，即可以将白天富余的太阳能电力存储起来以便夜间使用 。

除了大规模集中使用的场景，电池储能手艺现在也泛起了以家庭电池储能为焦点，综合了家庭光伏发电和家庭智能能源管理的商业模式 。由于新能源发电的疏散性，漫衍式的家庭储能是未来很是有希望的解决计划 。将这种模式带入公众视野的仍然是特斯拉公司，它于 2015 年宣布了家庭电池能量墙(Powerwall Home Battery) 。不过，这个领域现在的现实领跑者是德国的首创公司Sonnen，它占有了全球家庭光伏储能市场快要1/4 的份额，并于2016 年乐成获得了包括中国远景能源加入的新一轮融资 。Sonnen 首先以解决家庭屋顶光伏应用对储能的需求为切入点：由于光伏发电的岑岭是白天，而家庭的用电岑岭却在晚上，因此发电和用电岑岭之间保存错位，纵然将白天的电力出售给电网，晚上再由电网供电，也仍然要支付由电网本钱导致的出售价钱低于买入价钱的价差 。而通过家庭储能则可以将白天的光伏电力存储起来留待晚上使用，这样就能显著降低家庭的电费支出 。

在此基础上，Sonnen 还在它的储能系统上进一步集成了家庭智能能源管理系统，现在它最多可与三台家庭用电系统(如洗衣机、烘干机等)相毗连，在有富余光伏电力的情形下，会首先启动这些装备举行事情，从而在一定水平上降低对储能电池容量的需求 。

另一方面，Sonnen 公司的储能系统还可以将富余的贮存能力用于为电网提供稳固控制服务，从而获得进一步的收益 。针对没有光伏发电装备的家庭，Sonnen 公司提供了“Sonnen 社区”(Sonnen community) 的商业模式，通过装置Sonnen 的储能系统，用户可以获 得长达10 年的每年2 000 度的免用度电额度，凌驾这个额度之后，用户还可享受优惠电价，这样节约下来的电费就远远凌驾了购置储能系统的本钱 。一方面，这使得用户可以拥有更多的存储能力，另一方面，这些用户的用电需求又使得连入Sonnen 储能系统的光伏发电单位的富余电力有了新的变现渠道，由于跳过了中心环节，不管是发电端照旧用电端，都可以获得更好的电价 。现在，Sonnen 公司正在将这一模式进一步推广到风能和生物质能领域 。

关于电网来说，Sonnen 的储能系统一方面减轻了家庭光伏发电和家庭用电错位所带来的调峰压力，另一方面还可以将富余的存储能力“打包”成一个大的蓄能池，可以有用地赔偿新能源发电的不稳固性 。未来，这一商业模式还可以扩展到现在正在如火如荼生长的电动汽车行业 。

在储能应用这一全新的维度上，相关于古板燃油汽车，电动汽车具有倾覆性的优势 。关于家用车来说，着实全天大部分时间都处于非事情状态 。在这些时间里，连入电网的电动汽车电池就有可能作为电网的储能部件，加入电网控制，所获得的收益可以在很洪流平上摊薄电动汽车的电池本钱 。

为了充分掘客电动汽车的储能功效，首先需要升级电动汽车的充电系统 。现在，大部分的电动汽车只有单向的充电功效，因此也只能提供单向的储能能力，即通过智能充电软件控制电动汽车，在电网负荷较小时(如夜间)举行充电 。这一领域未来的生长偏向是进一步刷新电动汽车的充电和电池系统，使电力能够实现双向流动，从而更好地施展其作为电网储能元件的作用 。日本三菱公司已率先推出带有充放电功效的电动汽车，德国宝马公司也在起劲测试相关手艺与产品 。

其次，我们还需要思量对疏散的电动汽车举行协调控制的问题 。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息手艺的解决计划可以很是利便地扩展到这一领域中 。未来，只要用户输入一个出行妄想，电动汽车的智能管理系统就可以自动天生一个最优的充放电程序，在包管电动汽车运行所需电量的条件下，将剩余的存储能力连入“虚拟电厂”，从而为用户获得最大收益 。

另一方面，电动汽车的电池作为储能部件的寿命，甚至远远大于它为电动汽车事情的寿命，由于电网储能对电池性能的要求远远低于电动汽车，因此当电动汽车的电池容量衰减到一定水平时，虽然无法知足电动汽车续航里程的要求，但可以继续为电网储能服务 。现在，德国汽车行业的领军企业宝马公司和博世公司就正在德国汉堡合作建设一个新型储能项目，它被命名为“电动汽车电池的第二生命”，这个项目以从宝马牌电动汽车上退役的电池为基础，重新设计并组合成一个 26 米长、6 米宽的储能大电池，未来它将为德国北部一直增添的风能发电份额提供电网调理服务 。这同时也意味着，通过对退役电动汽车电池的再使用，可以进一步降低电动汽车的整体本钱 。

电池储能手艺虽然有很是多的优点，但由于其较高的本钱以及能量衰减率，主要适用于短期电力调峰的应用场景，并且需要和其他储能手艺相配合 。现在，天下各国都在争相研究种种针对差别地理、情形条件的储能手艺 。

首先是以抽水蓄能为代表的大型储能电站，它是历史最悠久的储能手艺，其优点是能够大规模、长时间地贮存电力，弱点是对情形资源的要求较高 。为了顺应快速增添的储能需求，德国政府正在想方想法地提高抽水蓄能能力，其中一个很有创意的计划是对老工业区已经放弃的煤矿的重新使用 。由于矿井经常有数百米深且面积很大的地下空间，经由刷新，可以在电力富余时将水从矿井底部抽到地面，在电力缺乏时将水回流到矿井底部并同时爆发电能 。

在海优势能蓬勃生长的大配景下，德国的弗朗霍夫研究所(Fraunhofe Institute for Production Technology)正在开发深水储能手艺， 它的基来源理是将一个大型蓄能装置沉入约莫200 米深的海底，使用海优势力发电所爆发的电能将水从蓄能装置中抽出，在需要输出电能时，让水在海底重大压力的推动下，重新进入蓄能装置并发电 。现在，研究职员已完成了对模子样机(体积缩小比例为1∶10)的测试，由于未来海优势能将为欧洲提供相当份额的能源供应，深水储能装置将有很好的应用远景 。

在陆优势能的应用场景中，蓄水储能也可以和风能举行深度融合 。德国正在建设一个新型陆优势场，它将风机的基础部分直接设计成了一个几十米高的蓄水库，而风机的主体结构则建设在这个蓄水库上面 。与一样平常的风机基础相比，这相当于将风机抬高了几十米 。在一样平常情形下，由于风速与高度呈正比，因此这会在很洪流平上增添风机的发电量，而这部分特另外收益未来可以抵销修建蓄水库的本钱 。多个风机的蓄水库之间还可以相互毗连，配合组成一个与风场细密团结的蓄水储能系统，从而有用地平衡风力发电的不确定性 。

其他的大规模储能计划尚有压缩空气、电解水形成氢气等 。由于现在没有哪一种储能手艺可以“一家通吃”，因此未来的储能系统也一定是由数目众多，地理上很是疏散，内部机理也各不相同的储能单位组成，它们适用的场景和响应的本钱保存很大的差别，这就需要一套很是完善的信息系统对各个储能单位举行协调控制，以施展它们的最大效能 。

能源系统的重构将带来基于信息手艺的新商业模式

随着新能源份额的一直提升，能源系统未来将逐渐被重构 。未来的能源系统将主要由疏散的发电单位、疏散的用电单位以及疏散的储能单位组成，统一个节点还可能具有多重角色 。好比，一个装有家庭光伏发电装备和电池储能装备(或电动汽车)的家庭，就同时具备发电、用电和储能的所有角色功效 。这与当初互联网将公共从简单的信息吸收者，变为兼具提倡者与吸收者的双重角色很是像 。未来，这样的新型能源节点将为信息手艺的普遍应用和大宗新商业模式的涌现提供很是肥美的土壤 。

好比，如日中天的区块链手艺未来就很有可能改变古板的电力生意模式 。未来电网的生意首先将由单向变为双向，好比前面提到的装有家庭光伏发电装备或其他储能装备的家庭，它们既是能源的消耗者，也是能源的生产者或电网服务的提供者 。其次，电网生意主体的数目将空前增添，每个家庭，甚至每台联入电网的电动汽车都将是一个生意主体 。这些生意主体的规模都很小，并且很疏散，甚至是可移动的 。另一方面，就像前面提到的，电网需要在每一时刻都维持动态平衡，统一度电或统一容量的储能服务在差别的时间和所在，其价值是纷歧样的，因此若是凭证古板的生意方法，将会爆发很大的生意本钱，这是大宗小规模的生意主体所无法遭受的 。而区块链作为一种去中心化的生意手段，未来将很有希望为能源互联网提供基础生意服务 。

在这一偏向上，美国首创公司TransActiveGrid (交互式电网) 于 2016 年推出了基于区块链手艺的小我私家电力生意平台，它使得用户可以很是利便地将多余的屋顶光伏电力卖给周围的邻人，而无须跟每位买家签署条款啰嗦的条约 。德国能源巨头Innogy 公司团结首创的物联网平台企业Slock.it 推出了基于区块链的电动汽车充电服务 “Blockge”，用户无须与电力公司签署任何供电条约，只需下载一个手机应用程序，并完成用户验证，即可在Innogy 广布欧洲的充电桩上举行充电，电价由后台程序自动凭证其时与外地的电网负荷情形实时确定 。由于接纳了区块链手艺，整个充电和电价优化历程是完全可追溯和可盘问的，因此极大地降低了信任本钱 。这一模式可以很是利便地扩展到分属各国差别电力公司的充电桩上，甚至是私人电动桩上 。在德国，私人充电装置的数目是公用充电桩的10 倍，Blockge 的升级版将这些资源也纳入服务规模，只要在私人充电装置上装置一个嵌有信息网络芯片的插头，就可以很是利便地接入Blockge 的服务网络，这一模式将进一步增进电动汽车的快速普及 。

能源信息清静不可或缺

在将种种信息手艺引入能源领域的同时，信息清静问题也日渐成为能源行业的重大课题 。由于能源是一样平常生涯的必需品，它对清静的要求也响应是最高的 。在已往相当长的时间里，各人对能源信息清静的讨论还仅仅停留在理论阶段，直到2015 年 12 月 23 日 。其时，乌克兰的电力信息系统受到恶意攻击，黑客使用软件误差侵入电力系统控制程序，切断了近20 万户住民家中的电力供应，一连长达数小时之久，这关于正在严冬中苦熬的乌克兰住民来说无异于一场灾难 。这样的恶性攻击在2016 年再次上演，攻击工具依然是乌克兰，黑客再次乐成地侵 入电网输电控制系统，只是这次攻击所爆发的影响比2015 年的要小一些 。

在接连泛起重大事故之后，能源信息系统的清静问题获得了很是普遍的关注 。古板电力系统的设计充分思量了种种随机爆发的自然灾难(如台风)的影响，却对系统性的恶意攻击缺乏足够的对抗力 。为应对可能的危急，北美电力稳固组织(NERC)已制订了响应的行业规则，提出了对电力信息系统清静掩护的详细要求，并组织了对电力系统的模拟攻击，以验证清静品级 。但现在，这些掩护步伐只思量了大型主干输电网络和装备，关于毗连千家万户的小型配电网络和装备并不适用，而2015 年针对乌克兰的攻击事务恰恰爆发在跟各人生涯细密相关的小型配电网络领域 。未来，种种新能源发电装备将导致电网结构越发疏散，使电力信息清静管理越发难题，但关于信息清静手艺来说，这同样意味着辽阔的市场空间 。未来，每家每户都可能需要装置能源系统软件防火墙，就像现在的家用电脑防火墙一样 。

结语

以上提到的信息手艺解决计划和商业模式只是未来能源厘革大风口的冰山一角，新能源生长的先驱德国正在如火如荼地执行着它的能源转型妄想，希望把现在新能源占能源生产总量30% 的份额进一步提 升到2030 年的50%，以及2050 年的80% 。中国的“十三五”妄想也将 目的设定为，到2020年将新能源装机容量提升到35% 。而信息手艺将会在未来的能源系统中施展基础性作用，将可展望且可控的漫衍式新能源与可即时响应的工业和家庭用电、储能单位相串联，着实就是在现在的电力网络上加了一层信息网 。这两张网之间的智能交互就组成了能源互联网，它将使得未来构建以新能源为主体的清洁能源系统成为可能 。




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