能源勢(shì)動(dòng)：電力行業(yè)的碳中和該如何實(shí)現(xiàn)？

近日全國(guó)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(shí)間線拉長(zhǎng)來(lái)看，近20年，全球變暖、冰川融化、海平面上升等溫室效應(yīng)帶來(lái)的氣候變化正嚴(yán)重影響著我們的生存環(huán)境。隨著世界各國(guó)對(duì)全球氣候變化的逐漸重視，碳達(dá)峰、碳中和等一系列碳排放規(guī)劃逐步落地。

數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)的碳排放中，能源燃燒是中國(guó)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(lái)發(fā)電，數(shù)據(jù)顯示，2019年電力碳排放42.27億噸，占全社會(huì)排放總量的43%。能源系統(tǒng)脫碳是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵，而電力行業(yè)的脫碳是重中之重。

那么問(wèn)題來(lái)了：電力行業(yè)在助益實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑都有哪些？電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型又是如何支持能源系統(tǒng)的碳中和轉(zhuǎn)型之路？

脫碳之路

日常生活中，有無(wú)處不在的電源插頭，插上電源線撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，空調(diào)、冰箱、電腦等電器就開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)；在工廠中，自動(dòng)化的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)也離不開(kāi)電力的支持，小小的開(kāi)關(guān)背后，是龐大精密復(fù)雜的電力系統(tǒng)。

電力行業(yè)背后的電力系統(tǒng)，由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。電力行業(yè)的脫碳之路主要也是圍繞著這些關(guān)鍵的環(huán)節(jié)展開(kāi)。

1.在發(fā)電環(huán)節(jié)，火力發(fā)電是主要的電力來(lái)源。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，以燃煤發(fā)電為主的火力發(fā)電量，占全國(guó)發(fā)電量比例為71.19%。其次是水力發(fā)電，占比達(dá)到16.37%，然后是風(fēng)力發(fā)電、核能。最后是太陽(yáng)能發(fā)電，比重僅為1.92%。存量的火力發(fā)電行業(yè)中，運(yùn)用各類凈煤技術(shù)來(lái)改造火力發(fā)電的燃燒效率減少碳排，比如運(yùn)用AI離線強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化火電廠燃燒系統(tǒng)環(huán)節(jié)，通過(guò)AI技術(shù)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組的燃燒過(guò)程控制優(yōu)化提升機(jī)組燃燒的效率。

除了火電能源供應(yīng)外，風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模不斷增加。西南地區(qū)水力資源豐富，大型水電基地建設(shè)正在有序推進(jìn)。西北則以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為主。如光伏發(fā)電，國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至 2021 年，國(guó)內(nèi)光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá) 305.99GW， 同比增長(zhǎng) 21.86%，太陽(yáng)能發(fā)電在全部電源裝機(jī)規(guī)模中占比為 12.90%，2021年國(guó)內(nèi)新增光伏裝機(jī)規(guī)模 54.88GW，2016-2021 年期間，國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)規(guī)模的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 32.31%，呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

2.在變電環(huán)節(jié)，變電站被譽(yù)為電力系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，起變換、分配、控制、監(jiān)測(cè)電能等作用。變電站在工作階段也會(huì)消耗電能，據(jù)估計(jì)，我國(guó)變壓器的總損耗占發(fā)電量的10%左右。這部分的碳排也不可忽視。變電站會(huì)嵌入一些智能設(shè)備來(lái)感知控制設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，科學(xué)的優(yōu)化運(yùn)營(yíng)策略，提升變電站整體的能效水平，促進(jìn)節(jié)能減排。

3.在輸電配電等環(huán)節(jié)，依賴電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)，保持發(fā)電與負(fù)荷的系統(tǒng)平衡。通過(guò)建設(shè)先進(jìn)智能配電網(wǎng)，提高資源優(yōu)化配置能力。智能電網(wǎng)推進(jìn)已經(jīng)近十年，各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平已經(jīng)占據(jù)前列，數(shù)字化智能化技術(shù)與措施正在推進(jìn)，以推動(dòng)源網(wǎng)荷高效協(xié)同提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，提升電力需求側(cè)響應(yīng)水平。

當(dāng)然，在這些路徑外也有補(bǔ)充的措施，比如解決電網(wǎng)并網(wǎng)過(guò)程中間歇性、波動(dòng)大的安全隱患措施，包含各類的物理、化學(xué)儲(chǔ)能方式，如抽水蓄能、壓縮空氣、電池儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)，以解決清潔能源并網(wǎng)使用的困境，促進(jìn)低碳清潔發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用與智能電網(wǎng)技術(shù)迭代升級(jí)。

數(shù)字技術(shù)在電力行業(yè)的脫碳道路中，與傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)智能化的協(xié)調(diào)或優(yōu)化各環(huán)節(jié)，以驅(qū)動(dòng)電力行業(yè)的碳排之路加速實(shí)現(xiàn)碳中和。電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，典型應(yīng)用是在新型的電網(wǎng)系統(tǒng)中。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的障礙

如果對(duì)電力系統(tǒng)行業(yè)有過(guò)了解的讀者可能知道，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)采取的生產(chǎn)模式是“源隨荷動(dòng)”。什么意思呢？傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)可以根據(jù)用電側(cè)的負(fù)荷來(lái)調(diào)整電源的發(fā)電量，用可控的發(fā)電系統(tǒng)去匹配波動(dòng)幅度不大可測(cè)的用電系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中滾動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

隨著可再生的清潔能源規(guī)模增加，新能源電力并入大電網(wǎng)，將改變這一模式。風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源易受氣候影響，電力的生產(chǎn)具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，而電網(wǎng)中的發(fā)電和負(fù)荷要時(shí)刻保持電力平衡，這也對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。而大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和廣泛應(yīng)用是改善可再生能源發(fā)電間歇性和波動(dòng)性的保障，能夠顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

無(wú)論是適應(yīng)新能源大規(guī)模高比例并網(wǎng)或消納要求，還是支撐儲(chǔ)能等分布式能源設(shè)施廣泛接入，都需要以數(shù)字技術(shù)為電網(wǎng)賦能，以促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)，推動(dòng)新型電網(wǎng)向更加智慧、更加泛在的能源互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)。

新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需要云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代數(shù)字技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化改造，支撐電力系統(tǒng)的綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。不過(guò)數(shù)字技術(shù)在賦能電網(wǎng)智能綠色轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，面臨的阻礙不少。

現(xiàn)階段電力行業(yè)自動(dòng)化程度高、信息化基礎(chǔ)系統(tǒng)完備，因此電力企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型上，更加關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用。新技術(shù)在電網(wǎng)中對(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策的智能系統(tǒng)模型的建立并不成熟；在新能源電力的并網(wǎng)中，數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)預(yù)測(cè)發(fā)電功率并不準(zhǔn)確，電網(wǎng)電壓電流的調(diào)節(jié)能力有限，系統(tǒng)的穩(wěn)定安全無(wú)法完全保障，電網(wǎng)的控制難度大，棄電情形高居不下。

與此同時(shí)，數(shù)字技術(shù)賦能下的電網(wǎng)設(shè)備關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)龐大，大量的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)信息割裂，沒(méi)有統(tǒng)一的管理平臺(tái)將各類信息較好的融合，各類信息在各自的平臺(tái)上處于孤島狀態(tài)，無(wú)法發(fā)揮數(shù)據(jù)的協(xié)同效用。并且這些數(shù)據(jù)關(guān)系著國(guó)民與資源的敏感數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全也提出了較高的要求，構(gòu)筑安全的數(shù)據(jù)防護(hù)體系也成為考驗(yàn)。

電網(wǎng)的數(shù)字化綠色轉(zhuǎn)型處于發(fā)展的初始階段，這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)需要時(shí)間與技術(shù)的迭代磨合，電力行業(yè)的碳中和之路，是能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵部分，這是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，并不會(huì)簡(jiǎn)單到一蹴而就能夠達(dá)成。

不可逆的大勢(shì)與突破

電力行業(yè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型瞄準(zhǔn)的也是電網(wǎng)系統(tǒng)綠改中的核心痛點(diǎn)入手，在電力行業(yè)中，數(shù)字技術(shù)除了在電網(wǎng)系統(tǒng)的各類關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)力外，也有以集成的形態(tài)如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來(lái)提升對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、和應(yīng)用。

目前電力設(shè)備制造商、大數(shù)據(jù)AI技術(shù)服務(wù)商與電力企業(yè)開(kāi)展合作，通過(guò)技術(shù)平臺(tái)接入源、網(wǎng)、荷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析建模，開(kāi)展系統(tǒng)的調(diào)度、管控服務(wù)。一方面通過(guò)支持新能源實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、少人值守、區(qū)域化檢修模式等提高運(yùn)營(yíng)的效率，另一方面則是提高電網(wǎng)系統(tǒng)本身的新能源電力并網(wǎng)效率與整體用電效率，減少能源損耗，支持電力電網(wǎng)能源資源的優(yōu)化配置，促進(jìn)能源綠色生產(chǎn)和消費(fèi)，最終支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

電力企業(yè)的碳中和之路是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的環(huán)節(jié)眾多，電網(wǎng)系統(tǒng)的綠色改革、運(yùn)行控制、安全防護(hù)等變得更加復(fù)雜，隨著常規(guī)火電機(jī)組的有序退網(wǎng)和大規(guī)模新能源電源的并網(wǎng)，電力電子技術(shù)與設(shè)備的投入，帶給整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)較大的波動(dòng)性，雖然改革困難，但電網(wǎng)系統(tǒng)的碳中和之路趨勢(shì)不可逆。

雖然清潔能源會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，但不斷發(fā)展的氫能、儲(chǔ)能、可控核聚變等新技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，并達(dá)到商用化程度，也會(huì)給電力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型帶來(lái)突破。我們?cè)诟黝愋侣勚校倳?huì)看到在新能源汽車中，快充電池、儲(chǔ)能電池屢屢突破的新聞，鋰電池技術(shù)的革新，對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)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(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。不過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到商用仍然需要很長(zhǎng)的一段路需要走，這種不確定性，給其他技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)空間。

無(wú)論是氫能、儲(chǔ)能、還是可控核聚變等技術(shù)，暫時(shí)都不能完全地解決電網(wǎng)系統(tǒng)的問(wèn)題，仍處在探索與發(fā)展的初始階段，面臨的曲折不少。不過(guò)從長(zhǎng)期來(lái)看，碳中和目標(biāo)要求電力系統(tǒng)演化為“零碳電力系統(tǒng)”，電力電網(wǎng)的平衡需借助數(shù)字技術(shù)、新興技術(shù)的突破來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性的深化與改革，也孕育著新一輪的科技革新與機(jī)遇。

不僅僅是意味著踩上了發(fā)展的東風(fēng)，也能夠讓技術(shù)服務(wù)提供商們能夠搶占數(shù)字技術(shù)的高地，提高競(jìng)爭(zhēng)力。如果將這些復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)字能力輻射到其他類似場(chǎng)景的變革中，也會(huì)為更多的行業(yè)帶來(lái)效率的提升，在實(shí)現(xiàn)碳中和的路途中，拓展到更廣闊的行業(yè)中，創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值。

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