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能源勢動：電力行業的碳中和該如何實現？

作者：中能電力發布時間：2022-07-06 10:18:59 瀏覽：4642

近日全國各地暴雨、高溫、冰雹、洪澇等異常氣象頻繁在不同地域上演。時間線拉長來看，近20年，全球變暖、冰川融化、海平面上升等溫室效應帶來的氣候變化正嚴重影響著我們的生存環境。隨著世界各國對全球氣候變化的逐漸重視，碳達峰、碳中和等一系列碳排放規劃逐步落地。
數據顯示，在我國的碳排放中，能源燃燒是中國主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的88%左右。而能源燃燒的用途主要是用來發電，數據顯示，2019年電力碳排放42.27億噸，占全社會排放總量的43%。能源系統脫碳是實現碳中和目標的關鍵，而電力行業的脫碳是重中之重。
那么問題來了：電力行業在助益實現碳中和的路徑都有哪些？電力行業的數字化轉型又是如何支持能源系統的碳中和轉型之路？
脫碳之路
日常生活中，有無處不在的電源插頭，插上電源線撥動開關，空調、冰箱、電腦等電器就開始運轉；在工廠中，自動化的機器運轉也離不開電力的支持，小小的開關背后，是龐大精密復雜的電力系統。
電力行業背后的電力系統，由發電、變電、輸電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。電力行業的脫碳之路主要也是圍繞著這些關鍵的環節展開.
1.在發電環節，火力發電是主要的電力來源。據國家統計局數據顯示，以燃煤發電為主的火力發電量，占全國發電量比例為71.19%。其次是水力發電，占比達到16.37%，然后是風力發電、核能。最后是太陽能發電，比重僅為1.92%。存量的火力發電行業中，運用各類凈煤技術來改造火力發電的燃燒效率減少碳排，比如運用AI離線強化學習技術，用數據驅動優化火電廠燃燒系統環節，通過AI技術對火力發電機組的燃燒過程控制優化提升機組燃燒的效率。
除了火電能源供應外，風電、光伏發電規模不斷增加。西南地區水力資源豐富，大型水電基地建設正在有序推進。西北則以風力發電、光伏發電為主。如光伏發電，國家能源局數據顯示，截至 2021 年，國內光伏累計裝機規模達 305.99GW，同比增長 21.86%，太陽能發電在全部電源裝機規模中占比為 12.90%，2021年國內新增光伏裝機規模 54.88GW，2016-2021 年期間，國內光伏裝機規模的年復合增長率為 32.31%，呈快速增長態勢。
2.在變電環節，變電站被譽為電力系統的神經中樞，起變換、分配、控制、監測電能等作用。變電站在工作階段也會消耗電能，據估計，我國變壓器的總損耗占發電量的10%左右。這部分的碳排也不可忽視。變電站會嵌入一些智能設備來感知控制設備運行的狀態，科學優化運營策略，提升變電站整體的能效水平，促進節能減排。
3.在輸電配電等環節，依賴電網的調度系統，保持發電與負荷的系統平衡。通過建設先進智能配電網，提高資源優化配置能力。智能電網推進已經近十年，各環節的自動化水平已經占據前列，數字化智能化技術與措施正在推進，以推動源網荷高效協同提高系統調節能力，提升電力需求側響應水平。
當然，在這些路徑外也有補充的措施，比如解決電網并網過程中間歇性、波動大的安全隱患措施，包含各類的物理、化學儲能方式，如抽水蓄能、壓縮空氣、電池儲能等儲能技術，以解決清潔能源并網使用的困境，促進低碳清潔發電技術廣泛應用與智能電網技術迭代升級。
數字技術在電力行業的脫碳道路中，與傳統的電力電子技術相結合，通過智能化的協調或優化各環節，以驅動電力行業的碳排之路加速實現碳中和。電力行業的數字化轉型，典型應用是在新型的電網系統中。
數字化轉型的障礙
如果對電力系統行業有過了解的讀者可能知道，傳統電力系統采取的生產模式是“源隨荷動”。什么意思呢？傳統的電力系統可以根據用電側的負荷來調整電源的發電量，用可控的發電系統去匹配波動幅度不大可測的用電系統，在運行過程中滾動調節，從而實現電力系統安全可靠運行。
隨著可再生的清潔能源規模增加，新能源電力并入大電網，將改變這一模式。風能、太陽能等新能源易受氣候影響，電力的生產具有隨機性和波動性，而電網中的發電和負荷要時刻保持電力平衡，這也對電網的安全穩定性提出了挑戰。而大規模儲能技術的研發和廣泛應用是改善可再生能源發電間歇性和波動性的保障，能夠顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，是推動能源結構轉變的關鍵。
無論是適應新能源大規模高比例并網或消納要求，還是支撐儲能等分布式能源設施廣泛接入，都需要以數字技術為電網賦能，以促進源網荷儲協調互動，推動新型電網向更加智慧、更加泛在的能源互聯網升級。
新型電力系統電網的數字化轉型，需要云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代數字技術對傳統電網進行數字化改造，支撐電力系統的綠色經濟轉型。不過數字技術在賦能電網智能綠色轉型的過程中，面臨的阻礙不少。
現階段電力行業自動化程度高、信息化基礎系統完備，因此電力企業在數字化轉型上，更加關注物聯網、大數據、人工智能等新技術的應用。新技術在電網中對于數據驅動決策的智能系統模型的建立并不成熟；在新能源電力的并網中，數字技術驅動的電網預測發電功率并不準確，電網電壓電流的調節能力有限，系統的穩定安全無法完全保障，電網的控制難度大，棄電情形高居不下。
與此同時，數字技術賦能下的電網設備關聯的數據龐大，大量的生產經營數據信息割裂，沒有統一的管理平臺將各類信息較好地融合，各類信息在各自的平臺上處于孤島狀態，無法發揮數據的協同效用。并且這些數據關系著國民與資源的敏感數據，對網絡安全也提出了較高的要求，構筑安全的數據防護體系也成為考驗。
電網的數字化綠色轉型處于發展的初始階段，這些問題與挑戰需要時間與技術的迭代磨合，電力行業的碳中和之路，是能源系統結構調整的關鍵部分，這是個復雜的系統問題，并不會簡單到一蹴而就能夠達成。
不可逆的大勢與突破
電力行業數字化的轉型瞄準的也是電網系統綠改中的核心痛點入手，在電力行業中，數字技術除了在電網系統的各類關鍵環節發力外，也有以集成的形態如工業互聯網平臺來提升對數據的采集、分析、和應用。
目前電力設備制造商、大數據AI技術服務商與電力企業開展合作，通過技術平臺接入源、網、荷實時數據，利用AI、物聯網、大數據分析建模，開展系統的調度、管控服務。一方面通過支持新能源實現無人值班、少人值守、區域化檢修模式等提高運營的效率，另一方面則是提高電網系統本身的新能源電力并網效率與整體用電效率，減少能源損耗，支持電力電網能源資源的優化配置，促進能源綠色生產和消費，最終支撐“雙碳”目標實現。
電力企業的碳中和之路是個復雜的系統工程，涉及的環節眾多，電網系統的綠色改革、運行控制、安全防護等變得更加復雜，隨著常規火電機組的有序退網和大規模新能源電源的并網，電力電子技術與設備的投入，帶給整個電網系統較大的波動性，雖然改革困難，但電網系統的碳中和之路趨勢不可逆。
雖然清潔能源會帶來挑戰，但不斷發展的氫能、儲能、可控核聚變等新技術有可能實現技術突破，并達到商用化程度，也會給電力結構的轉型帶來突破。我們在各類新聞中，總會看到在新能源汽車中，快充電池、儲能電池屢屢突破的新聞，鋰電池技術的革新，對電力系統帶來顛覆性的革新，將很大程度上解決超高比例新能源接入給電力系統帶來的挑戰。不過儲能技術從實驗室到商用仍然需要很長的一段路需要走，這種不確定性，給其他技術的發展帶來空間。
無論是氫能、儲能、還是可控核聚變等技術，暫時都不能完全地解決電網系統的問題，仍處在探索與發展的初始階段，面臨的曲折不少。不過從長期來看，碳中和目標要求電力系統演化為“零碳電力系統”，電力電網的平衡需借助數字技術、新興技術的突破來實現，結構性的深化與改革，也孕育著新一輪的科技革新與機遇。

不僅僅是意味著踩上了發展的東風，也能夠讓技術服務提供商們能夠搶占數字技術的高地，提高競爭力。如果將這些復雜系統中的數字能力輻射到其他類似場景的變革中，也會為更多的行業帶來效率的提升，在實現碳中和的路途中，拓展到更廣闊的行業中，創造更大的社會價值。

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