負(fù)瓦特：被忽視的“第五大能源”

在中國，每發(fā)一度電大約需要300-400克煤炭，排放870克左右二氧化碳。即使采用像太陽能這樣的清潔能源，每度電也將排放13-19克二氧化碳，這些都是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的來源。在人類不斷尋找新型清潔能源的同時(shí)，另一個(gè)高效清潔的能源卻一直被忽視，那就是被稱為“負(fù)瓦特”(Negawatt)的“第五大能源”，在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速的前提下，通過節(jié)電手段節(jié)省的用電量相當(dāng)于少建造幾十座發(fā)電廠。其中對(duì)用電方(需求側(cè))進(jìn)行管理的自動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)(ADR，AutomatedDemandResponse)則堪稱“負(fù)瓦特”的制造工廠。 “負(fù)瓦特”這一概念早在1989年由洛基山環(huán)境研究所(RockyMountainInstitute)環(huán)境學(xué)家和能效專家洛溫斯(AmoryLovins)提出。其核心思想是，在自然資源有限的情況下，采取節(jié)能措施而節(jié)約下的一瓦電力可以另作他用，這是最為廉價(jià)、清潔的能源方案。 聯(lián)合國2010年《可持續(xù)發(fā)展能源前景》報(bào)告指出，節(jié)能增效比減排溫室氣體最低廉方案的成本還要低2/3。這使得“負(fù)瓦特”的概念成為現(xiàn)今制定全球能源計(jì)劃和政策的核心。 負(fù)瓦特的技術(shù)支撐 作為二氧化碳最大的排放來源之一，電力的生產(chǎn)與供應(yīng)，尤其是火電一直是空氣污染治理的重點(diǎn)。通常而言，用電量與經(jīng)濟(jì)增長保持同步，這也意味著經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)必有空氣污染相伴隨。但是據(jù)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志報(bào)道，2014年工業(yè)化國家的用電量比2013年減少0.9%，甚至比2007年的用電量還微有下降，但是經(jīng)濟(jì)卻增長了6.3%。 這一成就在很大程度上歸功于對(duì)電力需求側(cè)的管理，一方面政府通過價(jià)格來引導(dǎo)用戶用電，另一方面則大力實(shí)施節(jié)能減排技術(shù)，比如在建筑物中采用更為先進(jìn)的制冷/制熱系統(tǒng)，普及LED燈等等，但是單純的價(jià)格控制和產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新還不足以達(dá)到高效用電的目標(biāo)。 以往由于用戶端分布廣泛且用電不均，隨機(jī)性強(qiáng)，管理難度大，造成供電量與用電量常常不匹配，用電高峰集中時(shí)電力供應(yīng)嚴(yán)重不足，而低谷時(shí)卻浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著物聯(lián)與互聯(lián)技術(shù)的成熟，人們發(fā)現(xiàn)終端用戶的行為在智能網(wǎng)絡(luò)的管理下可以變得規(guī)范有序，一旦優(yōu)化，甚至可以創(chuàng)造出比產(chǎn)品節(jié)能更多的“負(fù)瓦特”。 2001年，美國電力科學(xué)研究院(EPRI)提出智能電網(wǎng)項(xiàng)目研究，借助于物聯(lián)與互聯(lián)技術(shù)，架設(shè)一張從能源開發(fā)到終端用戶管理的數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)。有了這張智能網(wǎng)絡(luò)，人們能夠?qū)崿F(xiàn)供電側(cè)與需求側(cè)的電力協(xié)同，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的實(shí)時(shí)互動(dòng)，并且通過智能化的互動(dòng)管理，調(diào)動(dòng)用戶參與優(yōu)化需求側(cè)的電力使用，平滑波峰與峰谷的電力需求，減少不必要的電廠建設(shè)。這一技術(shù)稱為自動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)。 據(jù)中國電力科學(xué)院預(yù)測(cè)，一旦大規(guī)模應(yīng)用ADR技術(shù)，中國可以顯著減少供電不足情況的發(fā)生，并每年節(jié)省1%-1.2%的用電量，到2020年之前能夠節(jié)省相當(dāng)于40座100萬千瓦電廠的發(fā)電量，相當(dāng)于一年減少1.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤消耗(一座100萬千瓦電廠基本相當(dāng)于一個(gè)大型核反應(yīng)堆)。“負(fù)瓦特”實(shí)際創(chuàng)造出眾多的“虛擬電廠”，在應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、節(jié)能減排上有著巨大的前景。 為此，繼2006年歐盟推出《歐盟智能電網(wǎng)技術(shù)框架》，2009年，美國奧巴馬政府將智能電網(wǎng)提高至國家戰(zhàn)略層面之后，中國也于2009年提出建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，并且于2011年在天津泰達(dá)工業(yè)園區(qū)展開電力需求側(cè)管理項(xiàng)目試點(diǎn)工作，在泰達(dá)項(xiàng)目取得成功后，又逐漸在北京、蘇州、唐山、佛山市開展電力需求側(cè)管理城市綜合試點(diǎn)，在上海市開展需求側(cè)響應(yīng)試點(diǎn)工作。2015年，發(fā)改委和財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于完善電力應(yīng)急機(jī)制做好電力需求側(cè)管理城市綜合試點(diǎn)工作的通知》，要求各有關(guān)單位要在前期試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突出特色，建立長效機(jī)制，更好發(fā)揮試點(diǎn)的引領(lǐng)示范作用。 ADR運(yùn)行原理 如果說智能電網(wǎng)如同人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，那么供應(yīng)側(cè)管理和需求側(cè)管理好比這張網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)開關(guān)，通過分布在各個(gè)神經(jīng)節(jié)點(diǎn)上的傳感器預(yù)見用電的波峰波谷，給出優(yōu)化運(yùn)營的建議，還可以進(jìn)行快速故障隔離、避免大面積停電的發(fā)生。又由于這張神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有交互性，用戶可以從智能電表或是手機(jī)軟件中獲知整個(gè)城市的用電情況，自行根據(jù)不同時(shí)段的電力定價(jià)規(guī)劃用電，主動(dòng)參與到電力需求的調(diào)節(jié)中來。 但是，電力需求側(cè)響應(yīng)管理并非只是用戶一方的事，需要通過電網(wǎng)企業(yè)、能源服務(wù)企業(yè)、電力用戶等幾方協(xié)力才能完成。 對(duì)用戶而言，它可以降低電力消耗，降低企業(yè)營運(yùn)成本，提高產(chǎn)品競爭力;對(duì)政府而言，可以合理配置電力資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展;對(duì)電網(wǎng)公司而言，可以減少高峰時(shí)段電力負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的壓力，保證電網(wǎng)安全，減少和延緩電網(wǎng)建設(shè)的投資;對(duì)社會(huì)而言，可以減少能源消耗與污染物排放。其最終目標(biāo)是在滿足同樣用電功能的同時(shí)減少電力消耗和電力需求。 技術(shù)優(yōu)勢(shì) ADR技術(shù)具有兩個(gè)鮮明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一是敏捷性。首先，ADR將電網(wǎng)公司高峰的反應(yīng)時(shí)間從分鐘級(jí)降為秒級(jí)。以往電網(wǎng)公司需要通過人工的方式提前一天或幾天通知企業(yè)斷電，但到斷電日時(shí)，往往電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷與預(yù)測(cè)有偏差。 其次，可以隨時(shí)調(diào)整參與需求側(cè)響應(yīng)的用戶數(shù)量。隨著智能電表以及用電信息采集系統(tǒng)的大量普及，電網(wǎng)公司能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視用戶的負(fù)荷信息，隨時(shí)調(diào)整需求側(cè)響應(yīng)策略，比如增加或減少參與需求側(cè)響應(yīng)的用戶。 三是用戶可自行定制節(jié)能預(yù)案。電網(wǎng)公司和用戶之間的雙向信息通信系統(tǒng)提高了需求側(cè)響應(yīng)的執(zhí)行效率，減少估算誤差，用戶也可快速可靠地在高峰段減少用電量。 第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是利于管理和運(yùn)行分布式發(fā)電。試想，在未來的城市中，人們使用的電源不僅有火電，還有風(fēng)電、太陽能電。與火電、核電的穩(wěn)定性相比，風(fēng)電和太陽能電源的隨機(jī)性和波動(dòng)性巨大，屬于“靠天吃飯”的能源。但是ADR提供了一種低成本的平衡大規(guī)模間歇性可再生能源的技術(shù)，可以將每家每戶家用太陽能設(shè)備中多出的電源，作為備用發(fā)電資源參與到電網(wǎng)的交易市場(chǎng)中。這些不同來源的清潔能源可以自行定價(jià)，用戶端也可根據(jù)能源的來源和定價(jià)做出合理的用電選擇。對(duì)此，美國科羅拉多州波爾德(Boulder)市已于2008年建成全美第一個(gè)智能電網(wǎng)城市。 中國實(shí)踐 據(jù)美國能源信息局預(yù)計(jì)，到2040年，中國的能源使用量將達(dá)到美國的兩倍，但是單位GDP能耗卻相當(dāng)于世界平均水平的2.5倍。 中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷也帶來巨大的挑戰(zhàn)。電力峰谷差逐年加大，平均在30%左右，部分地區(qū)達(dá)到40%。峰谷差的增大造成高峰時(shí)電力短缺，而低谷時(shí)電力設(shè)施能力過剩，單靠建電廠、建輸配電網(wǎng)絡(luò)的方法已經(jīng)無法持續(xù)。2008年，中國政府著手對(duì)電力需求側(cè)管理進(jìn)行政策指導(dǎo)，通過高效、先進(jìn)的電網(wǎng)系統(tǒng)的主動(dòng)管理來緩解電荒的挑戰(zhàn)。 2011年，國家電網(wǎng)電力科學(xué)在天津泰達(dá)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)針對(duì)部分建筑實(shí)施ADR技術(shù).這是中國首個(gè)圍繞建筑用電需求側(cè)管理而開展的智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目及可行性研究，意在讓需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)進(jìn)行無縫對(duì)接，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行成本。除了自動(dòng)需求響應(yīng)的功能，ADR也可以搭配能源效率系統(tǒng)。雖然能效和需求響應(yīng)計(jì)劃的目標(biāo)略有不同(分別為減少總消耗量與減少用電高峰負(fù)荷)，但是，如果將兩者相結(jié)合，往往能產(chǎn)生更好的效果。管理者可以通過智能手機(jī)、平板電腦或是主控室的屏幕實(shí)時(shí)看到用電狀況，一目了然。 試點(diǎn)的成果顯而易見，試點(diǎn)工業(yè)場(chǎng)地的電力負(fù)荷隨著生產(chǎn)計(jì)劃的變化而相應(yīng)減少，整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)負(fù)荷減少了7.7%。未進(jìn)行滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，該場(chǎng)地的需求側(cè)響應(yīng)能力提高30%以上。兩座商業(yè)樓宇提供了更加穩(wěn)定和一致的負(fù)荷卸載響應(yīng)，卸載負(fù)荷15%至20%。 天津泰達(dá)試點(diǎn)的成果超出了各方預(yù)期，人們看到中國已經(jīng)具備了推廣和使用ADR這一重大技術(shù)的條件。有了智能監(jiān)控系統(tǒng)、云計(jì)算、需求側(cè)響應(yīng)軟件和交互式控制等技術(shù)，可以做到降低營運(yùn)成本、減少空氣污染，企業(yè)亦可以針對(duì)設(shè)施量身定制節(jié)能策略，以便在公用事業(yè)單位需要時(shí)自動(dòng)采取節(jié)能措施。 目前，北京、蘇州、唐山、佛山等都成為了試點(diǎn)城市，上海也正式啟動(dòng)了30座樓宇的試點(diǎn)項(xiàng)目，這些嘗試為中國2020年全面建成強(qiáng)大的智能電網(wǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。