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零碳分布式能源:电网的资产还是麻烦?

作者:李天娇 编译 来源:中国电力企业管理 发布时间:2021-10-31 浏览:
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毫无疑问,气候变化很大程度上导致了北半球最近出现的空前热浪,洪水和龙卷风。诸如此类的极端气候影响是今年7月23日举行的二十国集团(G20)能源与气候联合部长会议的一个主要议题,这也促使《能源与气候部长级会议联合公报》的发布。《公报》强调了分布式能源在应对气候和能源安全挑战方面的重要性。面对日益频繁的气候灾害,分布式能源可以缓解,抵御气候变化的影响,提高能源系统安全性。

然而,许多电力公用事业仍在努力理解分布式能源融入更广泛能源领域的机制。什么是分布式能源?如何利用分布式能源提高电网可靠性和节省能源成本?分布式能源值得如此大费周章吗?

分布式能源可以生产,存储能源,或者根据能源类型管理其能耗量。“分布式能源资源”一词涵盖了一系列与终端用户密切相关的技术,如能源效率和需求响应解决方案,太阳能光伏组件和电池等。分布式能源有时被更狭义地定义为“节能省电措施”。节能省电措施有些像黑匣子,这些措施只能使电网运营商或公用事业获得较低的透明度。

虽然能源效率和需求响应解决方案并不新鲜,但屋顶太阳能和电动汽车最近在一些国家推动了分布式能源的增长。国际能源署(IEA)估计,2017~2020年,全球分布式太阳能发电增加了1790亿瓦。中国和美国贡献了几乎一半的新增装机容量。电动汽车库存自2017年以来增长了两倍,2020年超过1100万辆。目前近80%的电动汽车在中国和欧洲。预计今后几年这些趋势将在更多国家延续。

分布式能源通过多种方式落实脱碳,特别是支持燃料转换。分布式太阳能可以取代化石燃料发电,电动汽车实现了道路交通动力从石油到电力的规模化转变。随着清洁可再生电力供应规模的增长,电动汽车和其他电气化解决方案可以将其应用扩展到新的行业。根据IEA的净零情景,全球电动汽车销量将增长18倍,从300万辆增至5600万辆。此外,到2030年,大约有6亿台热泵将提供清洁供暖,而太阳能光伏发电量将翻两番以上,到2030年底达到6330亿瓦。

分布式能源的迅速普及

给老旧电网带来了新的挑战

绝大部分按照上世纪电力系统制式建造的电网,往往已经运行了几十年。这些电网承载的电力由大型中央发电机发出,通过输电电网只能沿一个方向向用户输送。电力需求稳定,电价无弹性;电网运营商面临的主要风险是大型发电机和电网故障。这种情况下,了解消费者需求模式的动机有限,因此保障措施只是对电线进行了足够的加固,来应对高峰负荷。

自分布式能源问世以来,电力格局一直在发生变化。越来越多的电力是由与天气有关的多变可再生能源生产的,这就需要增加电力系统的灵活性,确保稳定的电力供应以满足需求。例如,通过储能使太阳能发电满足夜间的电力需求。分布式发电以双向流动的电力对公用事业提出了另一个挑战。如当电力从消费者持有的分布式太阳能发电流向电网时,可能会使电网过载,导致电网拥堵更加频繁。

终端设备的电气化会给电网带来额外负担。大部分能源消费者遵循固定的生活轨迹,比如在晚上的同一时间下班回家。当大量的上班族给他们的电动汽车充电并打开电动热泵时,电力需求就会激增并使电网不堪重负。一项关于纽约电动汽车部署的成本效益分析显示,2017~2030年,除非高峰需求得到平缓并分布在非高峰时段,电动汽车充电可能需要在全州范围内增加约23亿美元的电网升级和发电成本。

所有这些新出现的挑战都应该促使电网运营商积极主动地管理网络并采取节能减电举措。然而,许多运营商缺乏对单个分布式能源的预见性和可控性。电力消耗正变得越来越不稳定,特别是消费者会对动态价格波动作出反应,并在电价较为便宜的时候用电。屋顶光伏和其他可再生能源会为预测消费模式增加额外的复杂性。比如,电网运营商在光伏发电无法满足需求的情况下,制订一定时段的计划较为困难。

数字化可以将分布式能源

转化为有价值的电网资产

开发分布式能源面临的众多挑战源于这样一个事实,即分布式能源在很大程度上是“不可预见的”,也不能被电网运营商控制,这意味着很难将其集成到电网的整体运行中。数字化使问题迎刃而解。智能数字解决方案使分布式能源的所有者能实时监控和管理他们的资源。这可以帮助电网运营商更为密切地监控和干预分布式能源的运行,提高分布式能源对电网的整体价值。数字化尤其强大,因为它可以从单个设备扩展到建筑物,社区,甚至更大区域的任何聚合层次。

并网的电阻热水器可以更好地管理电加热。它们可以快速调整电力负荷,使每日能源消耗与太阳能发电相匹配,并在不对消费者造成任何明显干扰的情况下,在紧急情况下减少高峰需求。智能热泵热水器反应较慢,但可以帮助管理日常的用能需求,并能产生比消耗量多达2.5~3倍的能源(见图1,图2)。

先进的逆变器可以帮助缓解屋顶太阳能发电引起的电网问题。当配备了先进的逆变器,太阳能装置可以调整其发电速率,以减少电网拥堵,并可以在电网轻微扰动的情况下保持在线。当大量太阳能装置同时过早地与电网断开连接时,可能会产生严重后果。2006年,这样的一系列事件导致了欧洲有史以来最大的停电——“11·4”大停电事故,欧洲大陆有1500多万家庭经历了停电。

无需赘言,电池,包括电动汽车的电池,是一种多功能资源。电池可为客户和电网提供多达13项共同收益。家庭电池匹配使消费者能够充分使用屋顶太阳能提供的低成本清洁能源。这些优点使电池储能对于新兴的虚拟电厂项目不可或缺。

网格交互高效建筑集成了一系列的分布式能源,可以优化建筑能源“消耗”,成为对电网有价值的资产。最近的一项研究估计,如果美国大约9000座的公共建筑升级为网格交互式建筑,每年可以为用户带来高达7000万美元的价值。

虚拟电厂可以聚合大范围分散的分布式能源,并为每个网格提供服务。诸如人工智能的先进优化算法,使虚拟电厂能够在保持电网可靠性和满足客户偏好的同时,为分布式能源所有者创造价值。澳大利亚正在开发的世界上最大的虚拟电厂项目,包括5万个太阳能和电池系统。

数字化“孤掌难鸣”

电力系统的各个方面都需要改造

即使配备了数字技术,分布式能源仍然会给电网运营商带来挑战。除非分布式能源所有者受到激励或强制,否则他们几乎没有理由考虑自己的设备对电网的整体影响。补贴和法规可以鼓励分布式能源所有者通过实时校准网格状态的方式,更好地定位和操作他们的设备,实现多赢。

补贴有助于使分布式能源所有者的利益与电网的需求保持一致,提高电网可靠性和分布式能源的经济效益。电价设计可以保证分布式能源的创收依据具体时间和地点获得公平的报酬。监管机构可以促进小型分布式能源的聚集和其对电力批发市场的参与。激励计划还可以促进公用事业公司购买分布式能源,来替代昂贵的电网升级。

法规可以引入最低要求来维护电网的可靠性。数据收集规则可以改善对分布式能源的监督,而不会给其所有者带来沉重的成本负担。例如,当需要向电网减少输送能源时,监管也有助于限制危机的影响。通常有两套不同的规则管理着发电方和消费者。定制的电网互联规则可以助力生产端和消费端优化高度可控电池的使用。

电网运营商需要数字化管理系统来实施补偿方案和执行规则。高级计量基础设施成为首批大规模部署的此类解决方案之一。分布式能源管理系统可以有效地注册和管理分布式能源同时,解决数据隐私和网络安全问题同样至关重要。

需要强调的是,新能源生态系统的复杂性不应损害分布式能源的可持续增长,分布式能源是净零能源转型的主要动力。此外,积极动员处于能源系统转型中心的消费者也是必不可少的。分布式能源的技术,法规和业务模型的持续发展将继续提出新的解决方案和挑战。随着分布式能源的不断发展,国际能源署将继续与世界各国合作,通过推进数字化需求驱动电力网络倡议(3DEN),帮助制定应对该领域多变挑战的最优化,最具创新性的解决方案。

链接

数字化需求驱动电力网络倡议(3DEN)

数字需求驱动电网(Digital Demand-Driven Electricity Networks)是一项为期四年的跨结构倡议,旨在通过政策,监管,技术和投资指导,加快推进电力系统现代化和分布式能源的有效利用。该项目在2019年气候行动峰会的背景下制定,旨在加强全球清洁能源行动,以应对气候变化。

根据3DEN倡议,国际能源署将利用来自整个机构和世界各地的分析,案例研究和经验,开发和传播可行的项目工具和指导。3DEN将与相关组织合作,将不同的利益相关者聚集在一起,促进对话和分享经验,包括国际智能电网行动网络,清洁能源部长会议,任务创新和以用户为中心的能源系统,建筑和社区能源以及节能终端设备技术合作项目。

3DEN倡议的初步涵盖重点包括巴西,哥伦比亚,印度,印度尼西亚,摩洛哥,南非,突尼斯,以及拉丁美洲,非洲和东盟等关键地区。

本文刊载于《中国电力企业管理》2021年09期,作者Doyob Kim系IEA能源效率分析师,Alyssa Fischer系IEA前能源效率政策分析师,编译者系本刊记者

关键字:分布式能源

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