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時代變了!以風電、光伏和水電為首的新能源已經崛起

放大字體 縮小字體 發布日期:2021-08-15 17:19:45   來源:新能源網  編輯:全球新能源網  瀏覽次數:76
核心提示:2021年08月15日關于時代變了!以風電、光伏和水電為首的新能源已經崛起的最新消息:F1方程式賽車想必很多人都知道,但了解FE電動方程式世界錦標賽的,卻要少得多。正如其名,Formula-E的賽車并不使用內燃機,而是純電驅動。FE與F1有個很大的不同點賽車車體統一
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F1方程式賽車想必很多人都知道,但了解FE電動方程式世界錦標賽的,卻要少得多。

正如其名,Formula-E的賽車并不使用內燃機,而是純電驅動。FE與F1有個很大的不同點賽車車體統一設計,而且搭載的電池性能與規格相同。拋開車手的技術水平不談,由于車輛技術規格差距小,電動方程式賽車比賽的關鍵問題該怎樣用一樣多的電,跑完有限的距離,并跑出更快的速度。

這個周六,FE第七賽季最后一站柏林分站的比賽就要打響。目前力壓奔馳、寶馬、奧迪、保時捷等一批頂尖廠商車隊、領跑積分榜的是一支有著中國背景的非廠商車隊——遠景維珍車隊。

它成為領頭羊的秘訣,就是“算命”算得準。當然這是一句玩笑話,這支車隊真正的強大之處,在于其搭載了先進的氣象預測與能源管理技術。

舉例來說,溫度、濕度以及降雨是與新能源車能耗相關度比較高的幾個因素。過高的環境溫度會造成電池過熱的風險;降雨則會改變行駛條件,影響電池的充放電。正因為如此,FE比賽中因為策略不當導致電量耗盡,甚至提前退賽的場景比比皆是。

基于在時間和空間維度精準度都更高的氣象預測數據,車隊可以根據實際情況提前制定能量管理策略,或是在賽事中實時調整駕駛技術,更合理地管理與釋放電池能量。

而在這樣一套先進的算法背后,可再生能源領域數字化應用的產業升級正在悄然發生。

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時代變了

也許幾年前還有人會心存疑慮,但現如今幾乎沒人可以否認,以風光水為首的新能源已經崛起。

中電聯數據顯示,截至2020年底,全國全口徑發電裝機容量達22億千瓦,同比增長9.5%。而作為新能源代表的水電(含抽水蓄能)、風電(并網)以及光電(并網),在同期的裝機容量分別為3.7億千瓦/2.8億千瓦/2.5億千瓦,同比增速分別為3.4%/34.6%/24.1%;在全部裝機容量中的占比則分別是16.82%/12.79%/11.52%,總計已達41.13%??梢源_定的說,如今的可再生能源,已經成為我國電力系統的支柱,僅次于火電(占比超過49%)。

這一成績的背后,是新能源發電設備裝機量的迅速增長。國家能源局數據顯示,2020年我國電源新增裝機容量為19807萬千瓦,其中風電7167萬千瓦,太陽能發電4820萬千瓦,較2019年新增裝機量的同比增速分別為178%/80%。[1]

隨著技術的日趨成熟,產業逐漸規?;?,新能源曾經被人詬病的昂貴成本也得到了極大改善。

國際可再生能源署(International Renewable Energy Agency,IRENA)發布的報告顯示,過去十年間(2010-2020年),全球規模以上光伏電站的平均發電成本,已經從0.381美元/kW·h下降到了0.057美元/kW·h,降幅達85%;陸上風電的平均發電成本則下降了56%,從0.089美元/kW·h降至0.039美元/kW·h;應用相對受限,裝機量也僅有陸上風電二十分之一的海上風電,也取得了降本48%的成績。[2]

更進一步,伴隨著我國“3060雙碳目標”的提出,“碳中和”已是我國能源產業最頂層的戰略方針。在這樣的風向之下,新能源迎來了確定性很強的行業紅利期國家扶持政策頻出,利好頻傳,同時在資本市場也獲得了非常廣泛的關注。

但別忙著慶祝,這可再生能源想大發展,還有不少問題需要解決。

2

年輕的產業,亟待解決的問題

可再生能源很好,而且風光水電所涉及的理念與技術也不算新,但作為一個成體系的產業,它還年輕。

而年輕,可是有代價的。

作為技術最成熟,也是裝機量最大的風光水三種可再生能源,還在為“靠天吃飯”這個根本問題頭疼。

以風電為例,比較反直覺的一點是,風電并不是“有風就行”。風速太低時,葉片轉速過慢無法有效帶動發電機組;風速太高時,又會出于保護設備以及安全問題暫停機組的運作。除此之外,即使當前風速處于“可利用區間”時,風速的高低也對機組最終發電能力影響重大,輸出功率忽高忽低,導致電網在過去很長一段時間都對于風電接入十分“抗拒”。

而光電雖說確實是“有光就行”,但光照強度同樣對最終的輸出功率有著影響,發電量不穩定,一遇到陰雨天氣發電能力就直線下降的缺陷同樣存在。同時“有光就行”也意味著“沒光真不行”光電設備并不具備24小時持續運轉的能力,一旦入夜就會立刻停擺,畢竟夜里可以有風,但真的沒太陽。雖說光熱技術路線在嘗試以其他的方式利用太陽能,然而也受限于技術門檻和成本問題得不到大規模應用。

水電相對而言是三者中最為穩定可控的,即使如此,也會受到枯水期和汛期等水文條件變化的影響。

同時,對于傳統熱電站來說,一般選擇靠近電力負荷區,具有交通運輸方便、地質條件好等特點的地點即可建廠。

然而對于新能源場站來說,更看重資源本身。從能源獲取方式看,火電站的燃料是運輸而來,只要運輸線不出問題就源源不絕,而且在任何地方燒起來都一樣;可對大多數可再生能源來說,能源是從自然界獲取的,有沒有,多還是寡,均是客觀現實,如果能源本身缺乏,那其他條件再好也無法建廠。

這就導致新能源電廠的選址需要追逐風光水資源富集的地區,而這些地區卻往往不是現成的消納區。

陸上風電裝機集中在西北地區[3]

另以光伏為例,我國太陽能資源主要集中在西北地區,但負荷區卻集中在東南沿海。雖然近幾年海上風電加速發展,東南沿海開發新能源的底氣越來越足, 但如何解決可再生能源生產與消納的地理不均衡,還是一個長期問題。

除了“看天吃飯”之外,可再生能源發電的另一個問題是“碎片化”的存在方式。

當前全球的供電系統,仍然是以大機組、大電網、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統。但部分基于可再生能源的發電機組,特別是風電與光伏,則往往以分布式的方式存在。

與傳統大型發電設備不同,風光最大的特征是,每一臺完整的設備都具有獨立發電的能力,這有利于發電系統的小型化。畢竟屋頂能安光伏板,可不能裝個火電站。

現實中,這些散碎并彼此獨立的發電設備構成了一個個“微電網”,疊加風光發電固有的不確定性,極大的復雜化了電力系統的供需關系。沒有人能很準確的說出,一棟大樓什么時候需要供電,什么時候有能力向外輸電,而且這些小型發電系統由于各種原因,每個子系統輸送的電力可能是不均等的,也給電網帶來了相當高的壓力。

這一點在風電上更加明顯。受客觀因素影響,一個風電站集群,在同一時間每臺設備的發電量都有可能是不一樣的,這使得整個供電系統的復雜程度呈指數級上升。

即使是水電這一在大多數人印象中,通常屬于大型電站的發電系統,同樣受困于分布式帶來的輸電困境。目前我國的西南地區,由于水資源相對富集,修建了大量小型水電站。但這些水電站由于發電成本高等一系列原因,競爭力其實很弱,再加上缺乏統籌,導致了巨大的浪費問題。

更進一步,由于用電本身是一個動態過程,如何根據下游用電負荷調整發電量,即使集中式供電系統都還沒有特別完美的解決方案,對于調峰能力本來就很弱的分布式電站來說更是難上加難。

這些問題堆積起來,都阻礙可再生能源大規模的并網使用。

3

新能源需要一個“操作系統”

為了應對包括輸出功率不穩定,消納難,長距離輸送難等問題,目前行業內普遍的解決方案是接入儲能系統、多種發電設施混用等。簡單來說,就是硬件設施的問題,用硬件手段解決。

那么,有沒有一種方法,能讓行業建立一套更加智能的系統,統籌規劃散落各處的儲能設備、發電設備以及用電需求,以軟件的方式,解決硬件問題?

有。

目前在全球范圍內,以柔性電力負荷、虛擬電廠(virtual power plant)、智慧電網等解決方案為代表,試圖為崛起于第二次工業革命的電力系統,注入來自互聯網時代的數字技術,使這一古老的領域獲得一次全面的產業升級。

還記得開頭提到的遠景維珍車隊么?車隊的擁有者——遠景科技集團(下稱“遠景”)就是一家深耕可再生能源與數字能源賽道多年的企業。

公司旗下的遠景智能(Envision Digital)開發的軟件,正是遠景維珍車隊的幕后英雄,它成功完成天氣預測、電池管理等關鍵任務。

2015年,遠景智能推出一款名為EnOS(Envision OS)的智能物聯操作系統,到今天已連接管理了全球超過300GW的能源資產和超過1億個智能終端機器設備,涵蓋了風光發電、儲能、動力電池、智能電網、智能樓宇與園區等多個領域。

簡單來說,EnOS之于能源系統,就類似安卓之于智能手機。

電力系統本身是個非常復雜的結構,包括發電端、儲能、輸送、用電等多個環節,且每個環節內部也呈現高度分化的形態。在這樣一種復雜環境下,若沒有一個通用的底層框架,會導致每個環節的參與者各行其是,最終就是“車不同軌,書不同文”,各類控制軟件混雜在一起呈現高度碎片化——恰如新能源發電本身。

而這也正是EnOS要解決的。

EnOS架構的最底層是物理設備連接層,目前已經有超過3000 種設備模型接入,如暖通、風機、空調等;往上一層是數據服務層,接入的數據在這里匯合,并完成清洗與分析,海量的公共數據也會匯集在這一層;第三層是針對不同場景的各類應用服務;最上層則負責提供跨領域、跨應用的解決方案。

如此一來,四層結構便讓物理世界在數字世界實現了連接互動。

EnOS最根本的意義,在于構建了一套開放的生態系統,將不同環節中的不同參與者接入同一個平臺,使數據可以無障礙地流通,真正發揮協同效應,賦予電網智能,實現整個系統的動態連接與平衡。

4

系統有了,怎么用?

當然僅有一個操作系統是不夠的,還需要具體到實際應用,才能凸現它的價值——就像一部嶄新的智能手機,你總需要下載一些應用,才能滿足你的日常需求。

在EnOS上,遠景智能開發了主要面向可再生能源電力、碳管理以及城市數字基礎設施三大場景的應用與解決方案。

正如我們在上文所說,天氣是決定可再生能源電力系統發電能力最核心的要素,若能更精確地預測氣象條件,進而更好地預估接下來發電系統整體的電力輸出,無疑能在一定程度上解決并網或是棄電等問題。

遠景智能開發的基于AIoT技術的高精度數值氣象預測方案,正是為此而存在的。這套系統正是我們開篇所說的,遠景維珍車隊取得積分榜第一的最大功臣,也是整個電力管理系統最底層的輸入之一。通過接入全球七大氣象中心數據,疊加更先進的智能算法,系統可以實現諸如為水電預測降雨量,或預測風力、光照條件等,為風光發電提供必要的數據支持。它甚至可以提供極端天氣預警,輔助農業生產活動。

當然光有氣象數據還不夠,還要知曉這些氣象數據作用在發電系統之上的結果。通過遠景的另一款軟件“孔明”,收集分析公開的和EnOS接入的超過10萬臺風機與光伏組件實時觀測數據,每6個小時就為發電企業提供場站1公里x1公里范圍內,未來0-72小時的短期風光氣象預測,以及一個月到一年的短期氣候預測,從而協助站場制定更合理的運營方案,最大化經濟效益。

除了供給端的升級,遠景智能的智能物聯技術同樣尋求對需求端進行改造。

遠景智能的主要目標,是以智能物聯操作系統為基礎,協同管理包括分布式光伏、動力電池以及充電樁、樓宇暖通空調和電梯、工業園區、碼頭和機場等關鍵設施,形成全新的智能數字網絡。依托大數據,精確預測“源網荷儲”的基本情況,先行調整輸出功率,調配儲能與用電單元,平衡電網的同時,提供調峰調頻,需求側響應等電網輔助服務。

在2020年9月遠景科技集團CEO張雷的一次演講中提到[4],早在2018年,遠景 EnOS 就中標了新加坡“智慧國度”物聯網開發平臺(DECADA),而遠景智能也正與新加坡國際港務集團(PSA)合作,為PSA定制了能效管理、微網控制、虛擬電廠(VPP)、電力交易、綠證交易五大應用,將港口內的分布式光伏設備、儲能以及用電設備統一交由虛擬電力中心管理(這也是虛擬電廠的基本模式),將分布式能源與柔性負荷單元聚合,實現發電端與負荷端的協同運作。

而在歐洲新能源大國德國,遠景智能同樣在進行一場實驗,打通車輛和電網間的“互動”。

遠景智能在德國的V2G(車輛到電網)試點項目中,通過將電動車作為一個小型單元與電網直接建立連接,可實現電力從電網流向車輛,也能夠讓車主反向向電網輸送汽車中的能源。如此一來,過去僅僅是用電單元的電動車,就成為了一個柔性復合單元——發電量高時,它是一個儲能消納單元,而當電網缺電時,車就成了可供調用的備用能源。

這樣解決了飛速增長的電動車保有量對電力系統的沖擊,是對新能源車價值的進一步開發,也提高了可再生能源的利用率,可謂雙贏。

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用軟件解題碳中和

中國的碳達峰和碳中和時間表發布后,除了關心碳中和概念股,企業、城市到個人,都要開始做一道碳中和的“數學題”。

作為一家新能源領域的公司,遠景也設立了明確的碳中和目標在今年4月22日“世界地球日”,遠景宣布要在2022年實現運營碳中和,在2028年實現全供應鏈碳中和。[5]

同樣在地球日當天,遠景發布了一個基于EnOS的碳管理應用,并取名“方舟”,它可以為企業快速完成耗能設備的碳排采集和計算,實現實時精準的碳排放量統計。

不同于物理上可視(煤炭、油氣等)或者技術上容易監測(電力)的能源管理,從碳排放到碳中和計算長期以來都是一片技術空白。

除了計算碳排放,遠景方舟還能幫企業“找綠電”——企業可以選擇分布式光伏發電、風電項目投資、綠電采購等解決方案,直通交易市場采購碳匯、CCER等,并依靠區塊鏈技術查看每個綠證/碳證的“前世今生”,確保數據的可靠性。

簡單地說,遠景不僅要自己實現碳中和、提供軟硬件推動能源行業碳中和,還要幫助其它公司走向碳中和。

在ESG(Environment、Social Responsibility、Corporate Governance;環境、社會和公司治理)重要性日益提升,甚至滬深交易所已著手規劃時間表,要求企業盡快在財報中遞交ESG內容的當下,高透明度的碳管理需求無疑非常真實,且是一個巨大的潛在市場。

回頭看看,電動方程式賽車設立的初衷是希望借助賽車這項運動,加速推動全球汽車產業走向清潔能源,它代表著未來汽車工業的發展方向。但試想如果沒有從電力的源頭上加速讓風電光伏替代煤炭,那么越多的電動汽車或許將帶來更多排放——碳中和背負著構建人類命運共同體的使命,也將是一個復雜的系統工程。

要贏得同氣候變化的比賽,需要更多像遠景這樣的先鋒。

References

[1] 國家能源局,2020年全社會用電量同比增長3.1%

[2] IRENA, RENEWABLE POWER GENERATION COSTS IN 2020

[3] 中電聯,2020年全國電力版圖

[4] 遠景CEO張雷綜合智慧能源的未來是“基于能源,超越能源”

[5] 最大膽的碳中和目標出爐!遠景宣布明年實現自身碳中和

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關鍵詞: 可再生能源 風電 新能源 碳中和

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