管曉宏院士：綠色分布式智慧能源系統(tǒng)與能源革命

中國(guó)科學(xué)院院士、西安交通大學(xué)教授管曉宏

一、減少電力系統(tǒng)碳排放對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)意義重大

人類社會(huì)主要依賴化石能源的能耗模式已經(jīng)難以維系，習(xí)近平主席2020年在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上的講話，提出的2030碳達(dá)峰、2060碳中和已經(jīng)成為國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，是必須實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

根據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球碳排放結(jié)構(gòu)中，電力、熱力占比達(dá)到42%，中國(guó)達(dá)到53%，所以減少電力系統(tǒng)的碳排放對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和意義重大，能源供應(yīng)的清潔化和綠色化勢(shì)在必行。

傳統(tǒng)能源電力結(jié)構(gòu)從140年前出現(xiàn)，到形成當(dāng)今發(fā)輸配用的電力結(jié)構(gòu)，一次能源基本轉(zhuǎn)換為電能接入電網(wǎng)。到目前為止，人類還沒(méi)有找到直接、大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)存電能技術(shù)，所以全世界的電力系統(tǒng)都是一個(gè)瞬時(shí)功率平衡系統(tǒng)，每一個(gè)瞬時(shí)都要做到能量守恒，這樣就對(duì)可再生能源利用造成根本性的挑戰(zhàn)。

二、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)難以完全消納可再生能源

2020年，四川省組織了“兩院院士四川行”活動(dòng)，四川省省委省政府領(lǐng)導(dǎo)在會(huì)上透露，其省內(nèi)棄水非常嚴(yán)重，折射出我國(guó)整體棄風(fēng)、棄光、棄水問(wèn)題仍然嚴(yán)峻?？稍偕茉词请y以完全消納的，這是由于目前電力系統(tǒng)的根本性結(jié)構(gòu)造成的，所以儲(chǔ)能是可再生能源利用的關(guān)鍵，針對(duì)各種各樣的儲(chǔ)能方式，現(xiàn)在的主流趨勢(shì)是間接儲(chǔ)能，比如抽蓄電站、電池、氫能等，其中氫能特別值得關(guān)注。

在傳統(tǒng)能源電力結(jié)構(gòu)下，水火風(fēng)光電源加上抽水蓄能、蓄電池等傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，以發(fā)輸配用的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，再加上多能終端的供需協(xié)調(diào)優(yōu)化，這就是我們現(xiàn)在進(jìn)行的工作。

在非傳統(tǒng)能源電力結(jié)構(gòu)設(shè)想中，傳統(tǒng)的電源+分布式可再生能源+氫能燃料電池，多能源的儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱+儲(chǔ)氫，分布式+集中式的供需協(xié)調(diào)優(yōu)化，氫能供應(yīng)鏈的優(yōu)化，這就是非傳統(tǒng)的模式，特別值得我們關(guān)注。

在傳統(tǒng)電力結(jié)構(gòu)下應(yīng)該怎么做？水火風(fēng)光互補(bǔ)、源荷互補(bǔ)抵消不確定性是目前的主要方法，水電、抽蓄、風(fēng)電和太陽(yáng)能的互補(bǔ)是重點(diǎn)。特別是西北地區(qū)水火風(fēng)光資源充足，黃河中上游的階梯水電與河西走廊、酒泉風(fēng)電基地的可再生能源互補(bǔ)。

這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上非常復(fù)雜，而數(shù)學(xué)問(wèn)題看似不復(fù)雜，但關(guān)鍵在于系統(tǒng)安全：電網(wǎng)系統(tǒng)有幾千條線路，乘以一周的調(diào)度，以及數(shù)十萬(wàn)、上百萬(wàn)個(gè)決策約束，幾萬(wàn)個(gè)決策變量，在此情況下要保證每條線路上的電網(wǎng)安全，是任何一個(gè)軟件、系統(tǒng)都計(jì)算不了的。

前面提到的酒泉風(fēng)電基地和黃河上游的水電基地，二者配合等于存儲(chǔ)了不確定的風(fēng)能，但可能受到巨量系統(tǒng)安全約束和未知安全瓶頸的限制。

因此大部分系統(tǒng)都有設(shè)計(jì)冗余，那么能否不求解就知道存在哪些約束冗余？根據(jù)我們的計(jì)算，以判定安全約束冗余的解析充分條件為前提，不求解就能解析判定系統(tǒng)安全性，發(fā)現(xiàn)很多含數(shù)千傳輸線的實(shí)際系統(tǒng)，只有幾十條線路的安全約束可能張緊，大大簡(jiǎn)化、優(yōu)化問(wèn)題，解決了公認(rèn)難題，并很容易發(fā)現(xiàn)安全瓶頸，對(duì)能源電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度和規(guī)劃意義重大。

以西北電網(wǎng)為例，酒泉到金昌段750千伏顯然是一個(gè)安全瓶頸。當(dāng)酒泉的風(fēng)電和黃河中上游的水電相配合時(shí)，電網(wǎng)是不支撐的，所以國(guó)家在七、八年前開(kāi)始修建哈密-酒泉的第二輸電通道。當(dāng)時(shí)的疑問(wèn)是第二輸電通道建立以后安全瓶頸能否消除，我們把第二輸電通道加上以后，事先計(jì)算得出酒泉段的安全瓶頸成功消除。酒泉風(fēng)電和黃河水電打包配合時(shí)，750千伏輸電線路不再?gòu)埦o，所以第二輸電通道是絕對(duì)有必要的，目前國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始計(jì)劃修建第三輸電通道。

三、氫能的制備和利用受到極大關(guān)注

非傳統(tǒng)的分布式能源電力結(jié)構(gòu)更值得我們關(guān)注，雖然目前仍然處于研究和試驗(yàn)階段，規(guī)模有限，但是氫能的制備和利用受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。

1.氫元素資源豐富，獲取方式簡(jiǎn)便

宇宙中、地球上的氫元素非常豐富，主要存在于水中，但水分子化學(xué)鍵非常穩(wěn)固，必須要用能量才能打開(kāi)，所以要采用電解水和光催化的方式制氫。

因?yàn)闅淠芫哂星鍧崱⒖稍偕?、能量密度高等?yōu)點(diǎn)，被廣泛視為21世紀(jì)終極常規(guī)清潔能源，它可以成為和電能并重且互補(bǔ)的二次能源，服務(wù)于社會(huì)生活的方方面面。

2.氫能的制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)正處于技術(shù)革命的前沿

氫能的制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)正處于技術(shù)革命的前沿。有三方面值得關(guān)注：

一是光催化制氫，太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)利用高效的光催化反應(yīng)器、光解水制氫催化劑，直接將太陽(yáng)能和水通過(guò)光化學(xué)、光生物分解制成氫，進(jìn)行收集。

利用電解水或者光催化，就可以通過(guò)水制取氫，制取方式簡(jiǎn)便。近中期工業(yè)化路徑有：直接太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱化學(xué)分解水和生物質(zhì)制氫。中遠(yuǎn)期工業(yè)化路徑有：直接太陽(yáng)能光化學(xué)與光生物分解水制氫。

二是常溫常壓下的儲(chǔ)氫技術(shù)，利用現(xiàn)有的石化燃料基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)富氫溶液的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、銷(xiāo)售、添加，另外還涉及市場(chǎng)化機(jī)制建設(shè)。

常溫常壓儲(chǔ)氫是正在突破的技術(shù)之一，其中有機(jī)液態(tài)的化學(xué)溶液，特別值得關(guān)注。氫和有機(jī)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其溶液本身是不自燃的，常溫常壓下就可以儲(chǔ)存，通過(guò)現(xiàn)有的石油化工基礎(chǔ)設(shè)施，如油罐車(chē)、管道就可以運(yùn)輸，然后利用氫能燃料電池可以在發(fā)電的同時(shí)放出熱能，這個(gè)過(guò)程是個(gè)零污染、零碳排放的可再生綠色循環(huán)。

三是電堆，即氫燃料電池，高轉(zhuǎn)化效率、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低制造成本的新一代燃料電池堆，是全世界方興未艾的研究領(lǐng)域。

這些技術(shù)革命實(shí)現(xiàn)以后，氫能就可以逐步形成和電能并重的能源供應(yīng)系統(tǒng)。通過(guò)傳統(tǒng)的發(fā)輸配用結(jié)構(gòu)，電解水、光催化制取氫以后，可以將富氫溶液運(yùn)輸?shù)饺剂想姵?，通過(guò)逆變發(fā)電，既可以接入電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行也可以離網(wǎng)運(yùn)行。

3、基于氫能的分布式能源系統(tǒng)是全綠色的結(jié)構(gòu)變革

在基于氫能的分布式能源系統(tǒng)中，氫能驅(qū)動(dòng)冷熱電聯(lián)動(dòng)，氫燃料電池供電可以實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同轉(zhuǎn)化、近零碳排放。另外，以水為載體可以直接實(shí)現(xiàn)冷熱存儲(chǔ)，避免了電能的中間轉(zhuǎn)換，提高了用能效率。

氫能供應(yīng)鏈需要進(jìn)一步市場(chǎng)化，初始階段無(wú)論是制氫、運(yùn)氫，都需要市場(chǎng)化的運(yùn)行和管理。氫能的存儲(chǔ)，電網(wǎng)、可再生能源交互，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)或者離網(wǎng)運(yùn)行，是一個(gè)全綠色的結(jié)構(gòu)性變革，能夠解決儲(chǔ)能、可再生能源消納、能源電力市場(chǎng)化等重大的挑戰(zhàn)。

目前主要面臨的科學(xué)問(wèn)題有氫電二次能源的轉(zhuǎn)換、安全運(yùn)行、多能互補(bǔ)、智能設(shè)計(jì)等；另外，市場(chǎng)的設(shè)計(jì)和博弈分析同樣重要，合理的市場(chǎng)設(shè)計(jì)與建設(shè)，這些將為含氫能的新結(jié)構(gòu)能源供需系統(tǒng)帶來(lái)革命性的變化。

為了構(gòu)建含氫能的新結(jié)構(gòu)能源供需系統(tǒng)，世界上很多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研究制氫、儲(chǔ)氫，我們的研究主要集中在高效運(yùn)行的分布式、集中式+分布式的供需協(xié)調(diào)、氫能+電網(wǎng)的供應(yīng)鏈優(yōu)化等方面。

基于以上原理，2020年8月底，我們?cè)谖靼步煌ù髮W(xué)創(chuàng)新港校區(qū)建成了首個(gè)氫能零碳智慧能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，利用儲(chǔ)氫、氫能燃料電池、冷-熱水儲(chǔ)罐，以多能互補(bǔ)運(yùn)行方式，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了完全離網(wǎng)供能運(yùn)行，全負(fù)荷運(yùn)行4.5小時(shí)，常規(guī)負(fù)荷下可以維持7-8小時(shí)。目前正在陜西榆林市科創(chuàng)新城建設(shè)首個(gè)氫能零碳智慧園區(qū)，為2022年陜西省運(yùn)動(dòng)會(huì)的10萬(wàn)平米運(yùn)動(dòng)員村公寓和酒店零碳供能，預(yù)計(jì)2022年春季投入實(shí)際使用。

四、能源電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈延伸事關(guān)氫能的社會(huì)綠色能源開(kāi)發(fā)、高效的轉(zhuǎn)化利用，實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)一體化高效發(fā)展。

綜合而言，能源電力系統(tǒng)綠色化并實(shí)現(xiàn)供需整體優(yōu)化控制與決策勢(shì)在必行。氫能制備和儲(chǔ)運(yùn)的新技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)全綠色的結(jié)構(gòu)變革，構(gòu)建全自治或獨(dú)立的分布式能源系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)?；跉淠艽笠?guī)模利用的分布式零碳智慧能源系統(tǒng)，將可能深度改變能源構(gòu)成，以綠色、分布、市場(chǎng)為標(biāo)志的能源革命即將到來(lái)。

（內(nèi)容根據(jù)第十七屆中國(guó)分布式能源國(guó)際論壇發(fā)言整理，整理人：張磊）

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