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(guī)劃逐步落地。
數(shù)據(jù)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(fā)電，數(shù)據(jù)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(tǒng)脫碳是實現(xiàn)碳中和目標的關鍵，而電力行業(yè)的脫碳是重中之重。
那么問題來了：電力行業(yè)在助益實現(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，有無處不在的電源插頭，插上電源線撥動開關，空調(diào)、冰箱、電腦等電器就開始運轉(zhuǎn)；在工廠中，自動化的機器運轉(zhuǎn)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(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)與消費系統(tǒng)。電力行業(yè)的脫碳之路主要也是圍繞著這些關鍵的環(huán)節(jié)展開。
1.在發(fā)電環(huán)節(jié)，火力發(fā)電是主要的電力來源。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，以燃煤發(fā)電為主的火力發(fā)電量，占全國發(fā)電量比例為71.19%。其次是水力發(fā)電，占比達到16.37%，然后是風力發(fā)電、核能。最后是太陽能發(fā)電，比重僅為1.92%。存量的火力發(fā)電行業(yè)中，運用各類凈煤技術來改造火力發(fā)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(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化火電廠燃燒系統(tǒng)環(huán)節(jié)，通過AI技術對火力發(fā)電機組的燃燒過程控制優(yōu)化提升機組燃燒的效率。
除了火電能源供應外，風電、光伏發(fā)電規(guī)模不斷增加。西南地區(qū)水力資源豐富，大型水電基地建設正在有序推進。西北則以風力發(fā)電、光伏發(fā)電為主。如光伏發(fā)電，國家能源局數(shù)據(jù)顯示，截至2021年，國內(nèi)光伏累計裝機規(guī)模達305.99GW，同比增長21.86%，太陽能發(fā)電在全部電源裝機規(guī)模中占比為12.90%，2021年國內(nèi)新增光伏裝機規(guī)模54.88GW，2016-2021年期間，國內(nèi)光伏裝機規(guī)模的年復合增長率為32.31%，呈快速增長態(tài)勢。
2.在變電環(huán)節(jié)，變電站被譽為電力系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，起變換、分配、控制、監(jiān)測電能等作用。變電站在工作階段也會消耗電能，據(jù)估計，我國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。變電站會嵌入一些智能設備來感知控制設備運行的狀態(tài)，科學的優(yōu)化運營策略，提升變電站整體的能效水平，促進節(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)電與負荷的系統(tǒng)平衡。通過建設先進智能配電網(wǎng)，提高資源優(yōu)化配置能力。智能電網(wǎng)推進已經(jīng)近十年，各環(huán)節(jié)的自動化水平已經(jīng)占據(jù)前列，數(shù)字化智能化技術與措施正在推進，以推動源網(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)響應水平。
當然，在這些路徑外也有補充的措施，比如解決電網(wǎng)并網(wǎng)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(wǎng)使用的困境，促進低碳清潔發(fā)電技術廣泛應用與智能電網(wǎng)技術迭代升級。
數(shù)字技術在電力行業(yè)的脫碳道路中，與傳統(tǒng)的電力電子技術相結合，通過智能化的協(xié)調(diào)或優(yōu)化各環(huán)節(jié)，以驅(qū)動電力行業(yè)的碳排之路加速實現(xiàn)碳中和。電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，典型應用是在新型的電網(wǎng)系統(tǒng)中。
數(shù)字化轉(zhuǎn)型的障礙
如果對電力系統(tǒng)行業(yè)有過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”。什么意思呢？傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)可以根據(jù)用電側(cè)的負荷來調(diào)整電源的發(fā)電量，用可控的發(fā)電系統(tǒng)去匹配波動幅度不大可測的用電系統(tǒng)，在運行過程中滾動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全可靠運行。
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。風能、太陽能等新能源易受氣候影響，電力的生產(chǎn)具有隨機性和波動性，而電網(wǎng)中的發(fā)電和負荷要時刻保持電力平衡，這也對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。而大規(guī)模儲能技術的研發(fā)和廣泛應用是改善可再生能源發(fā)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(zhuǎn)變的關鍵。
無論是適應新能源大規(guī)模高比例并網(wǎng)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(shù)字技術為電網(wǎng)賦能，以促進源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動，推動新型電網(wǎng)向更加智慧、更加泛在的能源互聯(lián)網(wǎng)升級。
新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需要云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代數(shù)字技術對傳統(tǒng)電網(wǎng)進行數(shù)字化改造，支撐電力系統(tǒng)的綠色經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。不過數(shù)字技術在賦能電網(wǎng)智能綠色轉(zhuǎn)型的過程中，面臨的阻礙不少。
現(xiàn)階段電力行業(yè)自動化程度高、信息化基礎系統(tǒng)完備，因此電力企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型上，更加關注物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的應用。新技術在電網(wǎng)中對于數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的智能系統(tǒng)模型的建立并不成熟；在新能源電力的并網(wǎng)中，數(shù)字技術驅(qū)動的電網(wǎng)預測發(fā)電功率并不準確，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，數(shù)字技術賦能下的電網(wǎng)設備關聯(lián)的數(shù)據(jù)龐大，大量的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)信息割裂，沒有統(tǒng)一的管理平臺將各類信息較好的融合，各類信息在各自的平臺上處于孤島狀態(tài)，無法發(fā)揮數(shù)據(jù)的協(xié)同效用。并且這些數(shù)據(jù)關系著國民與資源的敏感數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡安全也提出了較高的要求，構筑安全的數(shù)據(jù)防護體系也成為考驗。
電網(wǎng)的數(shù)字化綠色轉(zhuǎn)型處于發(fā)展的初始階段，這些問題與挑戰(zhàn)需要時間與技術的迭代磨合，電力行業(yè)的碳中和之路，是能源系統(tǒng)結構調(diào)整的關鍵部分，這是個復雜的系統(tǒng)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(yè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型瞄準的也是電網(wǎng)系統(tǒng)綠改中的核心痛點入手，在電力行業(yè)中，數(shù)字技術除了在電網(wǎng)系統(tǒng)的各類關鍵環(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)平臺來提升對數(shù)據(jù)的采集、分析、和應用。
目前電力設備制造商、大數(shù)據(jù)AI技術服務商與電力企業(yè)開展合作，通過技術平臺接入源、網(wǎng)、荷實時數(shù)據(jù)，利用AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析建模，開展系統(tǒng)的調(diào)度、管控服務。一方面通過支持新能源實現(xiàn)無人值班、少人值守、區(qū)域化檢修模式等提高運營的效率，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，促進能源綠色生產(chǎn)和消費，最終支撐“雙碳”目標實現(xiàn)。
電力企業(yè)的碳中和之路是個復雜的系統(tǒng)工程，涉及的環(huán)節(jié)眾多，電網(wǎng)系統(tǒng)的綠色改革、運行控制、安全防護等變得更加復雜，隨著常規(guī)火電機組的有序退網(wǎng)和大規(guī)模新能源電源的并網(wǎng)，電力電子技術與設備的投入，帶給整個電網(wǎng)系統(tǒng)較大的波動性，雖然改革困難，但電網(wǎng)系統(tǒng)的碳中和之路趨勢不可逆。
雖然清潔能源會帶來挑戰(zhàn)，但不斷發(fā)展的氫能、儲能、可控核聚變等新技術有可能實現(xiàn)技術突破，并達到商用化程度，也會給電力結構的轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)。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(fā)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(wǎng)系統(tǒng)的問題，仍處在探索與發(fā)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(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、新興技術的突破來實現(xiàn)，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(fā)展的東風，也能夠讓技術服務提供商們能夠搶占數(shù)字技術的高地，提高競爭力。如果將這些復雜系統(tǒng)中的數(shù)字能力輻射到其他類似場景的變革中，也會為更多的行業(yè)帶來效率的提升，在實現(xiàn)碳中和的路途中，拓展到更廣闊的行業(yè)中，創(chuàng)造更大的社會價值。
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