以互联网思维破解传统石油石化行业发展难题

国际金属加工网 2017年08月09日

当今的世界能源体系构建在以石油、天然气等化石能源的基础之上。油气资源集中在中东沙特、伊朗,美洲委内瑞拉、美国,以及俄罗斯等主要的几个能源供应国手中。这些国家在国际能源供应中具有较大的话语权,对众多能源消费国的能源安全和经济发展造成一定的威胁。随着新兴经济体的崛起,全球能源消费重心加速向中国、印度等非经合组织经济体转移,现有的能源供应体系在产油国的操控和地缘政治的动荡中,严重制约了新兴经济体乃至世界的经济增长和稳定。

另外,化石能源消费的快速增长,由此导致的温室效应极大威胁到人类的未来。世界能源消费结构向可再生能源发展是人类可持续发展的必由之路。在物联网、云计算,可再生能源技术等新兴技术的发展带动下,能源网络将与信息网络高度融合,将形成能源互联网这一新的能源供应体系。这一体系将化解化石能源体系带来的种种经济和环境问题。因此,能源互联网已成为我国能源行业发展的重大战略。

将全球的电力网络变为能源共享网络

杰里米?里夫在《第三次工业革命》中首先提出:通过互联网技术与可再生能源相融合,将全球的电力网络变为能源共享网络,形成能源互联网。结合国内外对能源互联网的解释,我们认为能源互联网是第三次工业革命的代表性产物,是可再生能源借助先进的信息和通信技术,以分布式能源的方式融合到现有能源体系,构建成的去中心化的柔性网络化能源供应与消费系统。

能源互联网最大的特点是大量接入可再生能源。能源互联网通过储能设施、能量管理系统等先进技术,克服风、光等可再生能源受天气和时间影响带来的随机性和波动性问题。

能源互联网是由数量众多的分布式能源应用单元相互联结而成。由大量分布式能源构成的能源互联网在拓扑结构上完全不同于现在的集中式供能系统。在分布式为主的能源互联网系统中,能源供应具有更大的柔性和开放性,能源网络具有更强的自愈能力。

能源互联网的关键技术

支持能源互联网发展的基础性技术支撑包括可再生能源、分布式能源设施、储能系统、基于互联网的电网、电动汽车等。这五项基础性技术相互联系,共同发挥作用,在发展能源互联网中必须同时存在。

能源互联网利用可再生能源的方式主要是发电和热能利用。主要的一次可再生能源包括太阳能、风能、水力、地热、海洋能及生物质等。适合于能源互联网应用的可再生能源有太阳能、风能、地热和生物质。

太阳能发电是当前发展最快的可再生能源技术之一。当前太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电。光热发电是通过集热装置将太阳能收集起来通过热能转化发电,光伏发电是利用光伏电池板将太阳能直接转化为电能。太阳能资源分布广泛,适合于靠近消费者布置,是能源互联网应用的最佳可再生能源。目前,太阳能发电应用主要以光伏发电为主,已经广泛应用于分布式能源项目,应用于屋顶、建筑外墙、农业大棚等。太阳能发电目前主要存在的问题是发电波动性太大,成本较高。随着储能技术和材料制造技术的快速提高,这两个问题将会较快解决。

风力发电也是近年发展极为快速的可再生能源利用领域。世界范围内风力资源充足,目前主要的风力发电应用为陆上风力发电和海上风力发电。风力涡轮发电机组的规模也较为灵活,从50千瓦以下规模到5兆瓦的机组都已经实现了商业化。其中,50千瓦风力涡轮机组适合于能源互联网的分布式风电应用。风力发电的地点较为灵活,日发电时间也较长,但是其随机性和波动性更大,难以预测,需要相应的储能设施配合。

可供利用的地热分布较广。对于我国来说有利于发电的高温地热资源主要分布在滇、藏、川西和台湾。华北、松辽和苏北等地区低温地热较为丰富。若考虑利用热泵技术,可利用的地热就更为广泛。其中,地源热泵可以布置在用户周围,夏季可以给建筑供冷,冬季可以给建筑供热,尤为适用于能源互联网的应用。

生物质能的利用技术较多,主要有气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。在能源互联网的应用下主要应用包括生物质气化,转化为合成气再进行发电,或者生物质发酵转化为甲烷,再通过锅炉燃烧产生蒸汽和电力。

分布式能源通常是布置在用户所在地,耦合连接到区域电力系统的发电设施,包含可再生能源系统、热电联产系统、工业能量回收利用系统,并具有需求侧管理功能。分布式能源已成功实现商业化利用,并且是综合效率最高的一种利用方式,能效可达80%以上,且输配电损耗显著降低,能有效降低电网崩溃的几率,提高供电可靠性。分布式能源技术主要包括往微型燃气轮机、工业燃气轮机、热电联产系统、光伏、风力涡轮系统、燃料电池等。其中燃料电池的发电效率将可能达到80%,是未来最具有发展价值的技术。这些技术将和智能控制与优化技术、综合系统优化技术等集成起来,一起成为能源互联网的核心技术。

储能系统是能源互联网中可再生能源大规模接入分布式发电系统必不可少的组成部分。随着储能技术的发展,必将推动可再生能源发电的普及应用,提高能源互联网的灵活性和稳定性,提高电力设备运行效率、降低供电成本,有助于需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷。在推动可再生能源发电普及应用方面,储能系统能够平滑可再生能源发电功率输出波动,提高可调度性,降低可再生能源发电对电力系统的冲击力度,提高跟踪计划出力的能力。可再生能源克服发电的随机性和间歇性缺点,就能大幅度提高可再生能源设备的使用率。目前的储能技术主要分为机械储能、电化学储能、储热、化学储能(氢储能)等几类。在众多储能技术中,电化学储能技术进步最快,在电力系统中的应用快速增长。电化学储能具有使用方便、环境污染少,不受地域限制,在能量转换上不受卡诺循环限制、转化效率高、比能量和比功率高等优点。以锂离子电池、钠硫电池、液流电池为主导的电化学储能技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得了重大突破,极具产业化应用前景。

能源互联网四大发展趋势

目前,我国能源互联网发展处于初级阶段,分布式能源、微网、储能、智能电网、电动汽车等产业方兴未艾,既处于快速发展时期,又面临着较大的技术、经济障碍。能源互联网未来发展趋势主要有以下几个特征。

天然气分布式能源快速发展。分布式能源供应是能源互联网的一个主要特点。目前最广泛利用的分布式能源供应方式是天然气分布式。分布式能源是现在综合能源利用效率最高的能源转化方式,能效可达90%以上,且输配电损耗低,供电可靠性高。天然气分布式在我国开始于1998年。随着我国天然气分布式能源相关鼓励政策的出台,内燃机、余热锅炉、溴化锂制冷机等装备技术的提高,以及电网接入技术的成熟,天然气分布式能源发展逐渐加快。2015年天然气分布式能源在我国开始加速发展,共建成127个项目,装机1405.5兆瓦。预计到2020年,我国规模以上城市均使用分布式能源系统,装机容量达到4000~5000万千瓦。我国天然气分布式能源发展有进一步加速的趋势。到2020年,我国燃气轮机将实现自主研制及应用,系统集成能力也得到大幅度提升。由于天然气分布式调峰能力强,运行稳定,与太阳能光伏、太阳能光热、地源热泵等互补的分布式能源系统将得到大力发展。

光伏发电快速渗透到分布式能源。太阳能发电是能源互联网应用的最佳可再生能源。目前,太阳能发电应用主要以光伏发电为主,已经广泛应用于屋顶、建筑外墙、农业大棚等分布式能源项目。太阳能发电目前主要存在的问题是发电波动性大,成本较高。随着储能技术和材料制造技术的水平快速提升,这两个问题将会较快解决。由于太阳能光伏发电技术进步迅速,成本下降迅速。照此发展趋势,2020年,资源较好地区的光伏发电就可平价上网。中国从2010年开始加大对可再生能源的投资和补贴,大力的政策支持使中国成为太阳能发电增长最快的国家。2015年我国已为装机容量世界第一的国家。在最新的“十三五”能源规划中,分布式光伏成为国家未来几年扶持的重点。结合天然气分布式能源的发展看,两者优势的互相结合将形成我国分布式能源的新特征。

能源大数据应用兴起。2017年3月5日政府工作报告中,李克强总理提到:“推动‘互联网+’深入发展、促进数字经济加快成长,让企业广泛受益、群众普遍受惠”。这是“数字经济”第一次被公开写入政府工作报告中,是我国把数字经济作为现在以及未来发展战略重点的重要表现。能源互联网是数字经济发展的重要方向之一。能源互联网中的各节点每时每刻都在产生海量数据,这些大数据通过数据集成、数据挖掘和业务应用将为人们带来巨大的价值,能源互联网大数据将成为重要资产。我国能源互联网大数据应用已经初具规模,部分电网企业、电气制造服务商、软件商都纷纷基于大数据智能化应用开发出产品和服务。未来在数字经济的发展下,能源互联网大数据应用会逐渐丰富起来,为能源供应商/贸易商、设施运营商、用户等带来巨大的商业价值。

纯电动汽车快速融入能源互联网。全球汽车行业的发展方向已经开始转向电动汽车。我国新能源汽车产业也进入快速发展阶段,已经成为世界上最大的新能源汽车市场。中国汽车工业协会数据显示,2015年我国市场新能源汽车销量达到33万辆,2016年超过50万辆。随着电动汽车技术的不断发展,尤其是锂离子电池成本下降,石墨烯电池将大幅缩短充电时间和提高电动汽车行驶半径,解决了制约行业发展最大的瓶颈。同时,充电桩、充电站的建设将在今后几年遍布城市和社区。能源互联网的开放性支持电动汽车即插即拔,电动汽车作为储能装置支持能源互联网提高可再生能源渗透率。电动汽车的普及应用将意味着纯电动汽车融入能源互联网。

减轻对化石能源的依赖

由于能源互联网的发展,人们减轻了对化石能源的依赖。一方面,能源互联网的发展更多地利用了可再生能源。同时,能源互联网带来更加高度的电气化,包括汽车、采暖等方面的需求都更多依赖电力。特别是在汽车领域,2017年上海车展已经体现出未来汽车朝着电动化、智能化方向发展。传统的交通燃料市场必然会受到较大影响。另一方面,传统集中式能源利用能源模式下,消耗大量的能源用于一次能源的运输。而在能源互联网体系下,能源就地利用减少了化石能源的消耗。

能源互联网的技术进步离不开新材料的支持。未来第三代光伏技术、风力发电技术、石墨烯相关储能技术、电动汽车制造材料等的发展都是极具潜力的石化材料新兴市场。


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