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薛禹胜:可再生能源的不确定性为能源安全带来挑战

来源:中金在线    发布时间:2014-11-25 15:40:32 

中国工程院院士、国网电力科学院研究员名誉院长薛禹胜
金融界网站讯 第六届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会于2014年11月6至8日在江苏无锡隆重举行,本届展会以“新能源、新城镇、新生活”为主题。金融界网站全程图文直播。

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  中国工程院院士、国网电力科学院研究员名誉院长薛禹胜进行主题演讲,以下是文字实录:

  薛禹胜:各位早上好,非常容幸在这里交流一下关于能源互联网的一点看法。

  我们知道能源是社会发展的重要物质基础,可靠的电力供应则是现代文明的重要支持。如果电能在终端能源中的占比增加1个点,能源强度将降低3.7个百分点。可以看得出来能源安全是离不开能源的安全,离不开电网的安全。所以电网是支撑电力传输和电力市场的物理平台。

  我们知道一次能源在各种发电厂转化成电能以后,电能再变成二次电能最终到终端的各种能源。这个过程当中我们要保证电力系统能承受可信的扰动崩溃的能力,电力系统在扰动后仍保持供需平衡的能力。

  在这个电力系统和电力市场以及参与者之间,需要一个决策支持系统。基于这样一个思维,国网电科院开发了国际上唯一的WARMAP体系,它广泛应用在中国省级以上的电网当中,就是80%以上的省级以上的电网是这个防御体系保护,这样使得中国电网安全预警和安全方面引领了世界。

  但是目前这样一个研究工作是在电力流设定的边界条件,边界条件是我们给定的情况之下进行研究的,所以它并没有考虑到一次能源对这个设定边界条件的影响,它也没有考虑到用电模式改变以后,它对于电力流的影响。所以我们中间研究了安全性,但并没有考虑到实际情况底下,我们面对着能源的环境当中的变化。

  那么为了保证真正的能源安全,我们是需要研究整个电力流, 用能源流代替单纯电力流的研究。另外我们还要研究资金流和信息流,来支撑这样一个能源和资金的正常运作。

  此外为了保证环境的安全,我们还是要研究能源生产和能源消费对于环境的影响,也就是我们要求研究能源整个环节当中的每一个环节对环境排放的影响。

  实际上我们以前研究的是中间物理的电力系统,但是它是和周边所有环境这些箭头互相联系当中,是我们给定的条件之下,来保证电力系统的安全。但是外部的这些连接都是在改变的,并且随着社会的发展,随着经济的发展,这些变化都有很大的影响。这些影响如果不把它考虑在能源安全,电力安全的话,后者的目的将是很难保证的。

  在周边边上每一个故障最后都会引起物理电力的故障,所以我们必须要综合考虑一次能源、二次能源及终端能源的生产与消费。

  那我们来看一下电力系统和一次能源之间的关系,在各种能源当中,有一些能源目前为止化石类能源是作为发电当中主要的一次能源。但是这个情况刚才几位专家也讲了,它不但受到自然资源的约束,并且受到环境的约束,所以在未来化石类能源最终将被可再生能源代替。但是天然系、水能、核能、太阳能是不能直接转化,主要的还是通过可再生能源变成电能以后才能被大多数的终端设备所使用,所以这里可以看到,电能在终端能源中作用是非常非常大的,如果没有电大量在终端代替其他化石能源,可再生能源使用是不太现实的。

  所以我们要保证大能源的充裕性,我们可以看到不可再生的能源除了供应一些没有办法被电能替代的终端需求的时候,主要是作为发电的燃料,它通过发电和配电工给电流符合的需求,供给可能被电能所替代的终端的需求。

  但是化石类能源耗尽以后,太阳能量只能够通过可再生能源来支撑人类的发展。那么我们原来的不可再生能源是可再生能源在亿万年长期的历史变迁过程当中自然转换成不可再生能源的,但是在这个短暂时间当中,一二百年当中,人类就把亿万年自然界发展过程当中积累起来的财富都全部消耗完了,所以自然转换现在已经不可能了。如果我们规模性的转换,把可再生能源再转成油、转成煤,当然这也是非常需要的,因为它还是有一部分的终端使用,最终也没有办法用可再生能源直接来供给,用电能来供给的。但是它大部分风能、光、水能可以提供发电的使用,而上面的回路就可以替代化石类能源当中来发电的这么一个过程。这个过程当然是非常重要,因为它对我们最终能够用清洁能源,保证社会的福利,人的健康生活以及社会文明程度的增长非常的重要。

  但是上面这个回路当中,可再生能源当中业带来了一些挑战,很重要的挑战之一,就是它的不确定性。因为可再生能源是有一个非常强的不确定性,比如他本身是一个波动,风是或大或小,并且有间歇性特征,比如突然有一个很大的风速直接降到没有风速,在几分钟之内,那么在这样一个能源供应之下,我们叫它是不太可控的能源。那么要使得不太可控的能源占比不大,可以通过化石类能源起到备用作用,但是当可再生能源占到50%、80%,那个时候突然没有风了,太阳被挡住了,那个时候我们系统当中怎么来保证用户的可靠用电呢?如果这个问题不能够很好的发展,当然我们也有没有办法来保证可再生能源的替代了。

  可以看到一次能源当中,这是化石类的能源。二次能源经过人的转换以后,它主要包括热能、氢、电,这三者之间可以互相转换,将来技术的发展,它们之间的转换会更加有效。

  当然也有储能的支撑,这个是终端能源,所以能源主要分成了一次、二次、终端这三个层次。终端能源除了电之外,热能、机械能、马达使用的电能,包括大量IT行业当中使用的电能,最终我们是希望能够把一次能源满足于终端能源的需求。

  目前为止,绝大部分能源是这么一个流向,但是随着核能的加入,当然它可以替代其他的化石类能源,但是核能从某种意义上来讲,它仍然是化石类能源。在真正清洁核聚变可以使用化之前,人类使用核能还是一把双刃剑。最终我们希望是这样一个可再生的能源,可再生能源替代,最终我们还是希望它能够替代到前面三个化石类的能源。

  为了要保证一次能源之间的转换,它和一次资源和二次能源之间的转换,以及一次能源之间的转换都是以后我们要解决人类能源流当中所需要研究的课题。

  那么大规模间歇性可再生能源入网对电力充裕性的挑战。主要反应在以下几个方面。

  第一,间歇性电能的占比将持续增加。

  第二,电源侧的预测误差大大超过负荷侧。

  第三,风电突变时刻难以准确预报。

  第四,瞬时及旋转备用的调度问题突出。

  第五,影响到可再生能源发电的初衷。

  所以对于在大规模可再生能源接入以后,怎么样保证二次能源和终端能源的安全,这也是一个非常严重的挑战。

  这一点我个人感觉到还没有被很多人所真正的认识到,因为现在注意力还是集中在电源端和用户模式上面,但是这些问题将来也会成为一个重大的问题。

  除了讲的一次能源端以外,终端需侧用典方式也会对物理电力系统产生问题很大很大。我们讲过终端代替化石能源这是一个不可逆转的趋势,并且它对于环境的安全等等都是至关重要的,那么在这个当中主要使用的就是电动汽车。

  电动汽车在这个框架当中的研究,还没有框架式的设计来很好的进行全方位的研究。实际上我们可以看到到目前为止,包括我们政府讲的计划,实际上推动还是大大的滞后于实际的计划。原因就在于,这么一个领域当中,它是人的参与和人的行为影响到行业发展是一个重大的因素。

  我们现在知道,物理系统当中来做决策,都是建立于数学模型的仿真,它可以在数学模型上优化方案再需实施,如果有人参与的研究对象,目前为止,包括学术界很难提出一个很好的研究方法,能够把我们没有办法用数学模型表达的人的博弈,特别是非理性的博弈,能够有效的考虑在我们的决策上面。所以在管理上面和社会学上面,实际上我们是远远落后于物理上这个研究的工作,

  怎么样使技术上,物理上行之有效的仿真和灵敏性优化的思维,能够引用到社会学上面这是我们一定要面临的问题,特别是要解决人的博弈行为放在里面,所以这是我们设计研究的框架,我们在这上面进行了近十年的研究工作,也开始在国际上发表一些研究的结果。

  其他还想谈一下制约物理电力系统当中另外一个重要因素,也是这个大会所关注的,就是排放的污染。这两者之间的关系也是一个双向的关系。

  我们可以看到电力系统和生态环境当中,电力系统是通过排放影响生态环境,而生态环境又通过灾害来惩罚人类。

  我们可以具体看一下,人类的活动产生了污染物,这个污染物使得自然界的生态可修复加重了它的负载。电力系统作为人类活动当中主要的部分,它的排放同样使得自然界的生态破坏掉,如果这个平衡被颠覆的时候,那么自然界就会有更多的灾害发生,而自然界的灾害最终会引起电力系统当中停电的风险。

  那么为了使得这样一个环节,能够在我们的可控范围之内,除了政策上以外,我们还是应该在科学的水准上去研究这个问题。怎么样能够达到它的可控性,这也是我们需要要求的。

  比如人类活动可以通过生态工程来改善自然界的生态,同时电力系统当中在排放的同时,我们通过市场的机制来约束这样一个排放。另外我们通过监管来保证它能够达到我们减排的作用。我们以前只是说定性的去讲它,只是用语言程度上去描述问题,以及想一些办法,但对于为这么一个精细化的研究,或者说在大规模的可再生能源的发展以及大规模人类活动的情况之下,一定需要有定量的分析,需要我们在社会学当中,在人类行为学当中找到新的研究的方法,这个是我们现在正在进行研究的。

  我们希望在电力系统当我国当中,对排放的管理怎么样从主动排放来克服自然界对于电力系统,通过电力系统的停电对人类的惩罚。

  那么这样我们就需要考虑到数学模型,要考虑到人类不同角色的参与者,人类的行为,在不同的环境,在不同的场景之下,它是理性和非理性的博弈,怎么样影响决策的结果和最终物理系统的运行,这是很大的一个挑战,这个上面我们也是做了很长时间的研究工作。

  刚才讲的是电力系统对生态环境当中的影响,反过来生态环境当中怎么通过灾害影响到电力系统呢?我们现在做得工作也就回复到开始我所讲的,我们原来的停电防御系统是局限在电力系统内部,但是我们需要把防御战线提前到外部系统当中去,如果我们对自然灾害的预警和决策能够提前到它的源头,那就给我们的停电防御留出更长的预警时间,这就相当于导弹防御系统希望把我们的雷达监测收到敌对国最近的地方是一样的道理。如果要保证电力安全,一定要把我们的研究范围扩大到自然灾害引起机理的演化过程当中,如果我们这个研究向前推进,那么能源可靠性也就越能够保证。比如说雷电预警现在已经在我们江西省防御体系当中运行了四年,得到了很好的效果。

  下面谈一下通讯系统和保护系统,也就是和IT之间的联系。这当中,上面蓝颜色是指经典模型当中的电力系统和下面静电概念中的信息系统。这两个领域是隔离开研究,它们之间互相的影响,特别是风险的交叉和放大在这个图上用红颜色表示的,实际上现在都是空白点。但如果我们不很好的研究这些空白点,我们是很难保证电力和信息安全融合的这么一个电力系统,所以这也是我们所需要研究的一个重要内容。

  此外对于电力经济的市场监管也是非常重要的,那么这些多参与者的博弈行为,通过他们的博弈影响到工况不确定性,和影响到电价不确定性,来影响到电力系统的安全,这就需要实验经济学方法来进行,这个我们也进行了大量的研究工作。

  总的来看,我们已经达到的目的不足以保证今后的能源安全,而为了保证今后的能源安全,我们还是需要有这样一个顶层的设计。美国、欧洲、日本对能源领域的顶层设计,在这些顶层设计当中提到了一个新的动向就是关于能源互联网,这是欧盟提出来,美国进行的一些研究,另外德国也提出了其研究计划。

  到底能源互联网是什么?这个事情我个人感觉到还是需要有一个讨论。接下来是我自己的观点,作为一家之词,我想来表达一下我对这个问题的看法。

  能源互联网,字面上的说法是把IT当中互联网这个词用到能源上来讲。但是现在很多文章或者网络上面比较牵强的,我认为比较牵强的把互联网的一些概念照搬到能源网上面来,当然这不利于我们真正去研究能源互联网的。

  我想Internet本身是支持信息刘德计算机技术,而能源流服从的物理规律与信息流不同。能源互联不能简单套用Internet的概念,而是在支撑层面上的深度融合,实现能源流的全面监控及优化。

  我心目当中的能源互联网就是我刚才所讲到的,为了保证作为能源的核心是电力、电网。为了保证电力的安全,你要去研究它的方方面面,它的上游,它的下游,它的一次能源和终端电源,它的可再生能源对于化石类能源的替代,对我们电力安全的影响。

  我们用典模式的改变怎么来改变电力系统的安全性和它的充裕性,所以能源互联网是由物理系统构建成的能源网,但是互联从信息的角度上来讲,没有信息的支撑,那么对现代化的系统来讲都是空谈,所以我们不能够简单的讲能源互联网是把internet的模式套用到能源上面来讲。

  能源互联网的要素,第一,分布式的储能及一次能源转换技术。第二,互联网技术。第三,电动汽车及各种智能用电模式。

  能源互联网的特点,我们讲的能源网到底和智能电网有什么区别?我网上查了一下,所谓讲的能源网的这些特点,在原来智能电网当中都讲过了,所以我个人感觉一定要搞清楚提这个词到底目的是什么?而是要提到原来概念当中没有覆盖上,并且没有办法简单的扩展以后,覆盖的那些概念,我们需要用一个新的名词来代替它,所以我个人感觉到真正要解决的是当可再生能源占到80%,甚至占到100%,到那个时候的电力系统和电网怎么去支撑这个环境,这是我们以前在讨论智能电网上所没有正视的问题。也许需要从能源顶层设计当中很好的把它考虑起来。

  人类可持续发展有赖于不但是能源,还依赖于经济和环境安全,所以要保证人类的可持续发展,一定要保证方方面面的安全,而这些安全彼此之间是影响着你不可能单独的,孤立去研究某一个方面,而应该把它看成是全局的问题来研究。

  对我们来讲,就是应该以电力为主的全方位的能源安全,它有赖于可再生能源,甚至到某一天,人类可能要使用80%以上都是可再生能源。一旦风没有了,你怎么办?我们怎么样优化储能来做好备用,这应该是用大能源观点下的一个能源互联网的观点来对待这个问题,谢谢大家。

  陆昕卉:非常谢谢薛院士专业的讲解C,到此为止,本届主论坛第二单元主题演讲部分暂时告一段落,接下来是午餐时间。下午一点半,主题演讲环节继续。

  请受邀参加"环特全球合作伙伴午餐答谢宴"的嘉宾持邀请函前往酒店一楼梅花厅用餐,其他嘉宾请根据证件类别用餐提示,前往展览馆餐饮区就餐。我们下午见!


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