能源互聯(lián)網(wǎng)充滿想象空間 能源系統(tǒng)的重構(gòu)方案分析

信息技術(shù)將會在未來的能源體系中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，將可預(yù)測且可控的分布式新能源與可即時(shí)響應(yīng)的工業(yè)和家庭用電、儲能單元相串聯(lián)，其實(shí)就是在目前的電力網(wǎng)絡(luò)上加了一層信息網(wǎng)。這兩張網(wǎng)之間的智能交互就構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)，它將使得未來構(gòu)建以新能源為主體的清潔能源體系成為可能。

在物聯(lián)網(wǎng)概念已被炒得火熱的今天，大家似乎很少提到一個(gè)已經(jīng)存在了上百年，并且已經(jīng)深深嵌入城市和家庭每個(gè)角落的大網(wǎng)——電網(wǎng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不僅將所有的發(fā)電及用電設(shè)備連接起來，還須保證發(fā)電量和用電量時(shí)刻保持平衡。這就意味著，像打開一盞燈這樣的一個(gè)簡單動作，也可能引發(fā)千里之外電網(wǎng)發(fā)電端的一次微小調(diào)整。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之所以讓大家覺得很遙遠(yuǎn)，是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，它都是單向的：我們只是電力的純消費(fèi)者，電網(wǎng)與人們的聯(lián)系好像只有每月的電費(fèi)賬單，而電網(wǎng)背后的復(fù)雜運(yùn)行機(jī)制和普通消費(fèi)者并沒有直接聯(lián)系。而這一切即將被蓬勃發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)以及隨之而來的能源行業(yè)的變革所打破。

新能源和傳統(tǒng)能源相比，除了大家已經(jīng)熟知的綠色無污染的優(yōu)點(diǎn)外，還具備另外兩大特征：分散性和不穩(wěn)定性。在新能源的發(fā)展先驅(qū)地德國，隨處可見的屋頂光伏發(fā)電設(shè)備和分散在田間路旁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所輸出的電力，就像無數(shù)的涓涓細(xì)流一樣匯入廣闊的電網(wǎng)。2016 年，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源發(fā)電在德國電力的生產(chǎn)比例已經(jīng)超過 30%。

與傳統(tǒng)能源主要被大型發(fā)電集團(tuán)控制不同，德國大部分的新能源發(fā)電設(shè)備都屬于個(gè)人或小業(yè)主。對于電網(wǎng)來說，這一變化所帶來的影響是革命性的。前面已經(jīng)提到，為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定，發(fā)電量和用電量必須保持平衡。過去，這種平衡主要是通過調(diào)節(jié)發(fā)電端的發(fā)電量來實(shí)現(xiàn)的，而當(dāng)分散在全國各個(gè)角落且不可控的新能源發(fā)電所占的比例越來越高的時(shí)候，這一調(diào)節(jié)方式就越來越難以為繼了。

2016 年 5 月 8 日，德國出現(xiàn)了歷史性的一刻，在幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，德國的新能源發(fā)電總量（主要是風(fēng)能和太陽能）居然達(dá)到接近其用電總量95% 的高峰，這就意味著，整個(gè)德國在這幾個(gè)小時(shí)里幾乎全由風(fēng)能和太陽能驅(qū)動！

當(dāng)然，這一現(xiàn)象具有一定的偶然性：首先是天氣的完美配合，即德國北部（風(fēng)電集中）的強(qiáng)勁風(fēng)力和德國南部（太陽能集中）的充沛陽光同時(shí)出現(xiàn)；其次，當(dāng)天是一個(gè)周日，德國的整體用電量相比工作日來說有所降低。而對于整個(gè)能源市場來說，這一偶然事件所引發(fā)的連鎖反應(yīng)卻幾乎顛覆了整個(gè)市場結(jié)構(gòu)，即電價(jià)由正常的3 歐分 / 千瓦時(shí) 跌至最低 –32 歐分 / 千瓦時(shí)，這就意味著在這幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，用電居然還可以賺錢！

導(dǎo)致這一不可思議的現(xiàn)象發(fā)生的原因是：在德國，雖然能源的交易已經(jīng)全面市場化，但由于德國能源法保障可再生能源必須全額上網(wǎng)，因此新能源的發(fā)電量越大，留給其他傳統(tǒng)能源的份額就越小。電作為商品的特殊性就在于其生產(chǎn)和消費(fèi)必須即時(shí)進(jìn)行，存儲的代價(jià)極大。而傳統(tǒng)能源由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，發(fā)電量有一個(gè)最低極限值，所以當(dāng)傳統(tǒng)能源的發(fā)電份額被新能源擠到低于其最低發(fā)電量時(shí)，就必須通過補(bǔ)貼的方式，將多余的發(fā)電量賣出去，以免威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定，這才造就了這一“負(fù)電價(jià)”現(xiàn)象。

能源行業(yè)的變革需要信息技術(shù)的支撐

從上面這個(gè)德國電力市場負(fù)電價(jià)的例子可以看出，雖然從全年來看，新能源發(fā)電量只占發(fā)電總量的1/3，但由于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在某些時(shí)間點(diǎn)，新能源的發(fā)電量將可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平均水平，這將給電網(wǎng)和電力市場帶來巨大沖擊。如果不能解決這一問題，新能源的進(jìn)一步發(fā)展將受到極大的限制，而這正是信息技術(shù)可以大顯身手的痛點(diǎn)。

首先是解決由新能源的分散性所帶來的發(fā)電量的不可控問題。正如叫車軟件滴滴打車將在路上盲目“掃街”的出租車司機(jī)有序地組織起來一樣，利用信息技術(shù)同樣可以將分散的新能源發(fā)電單元協(xié)調(diào)組織起來，形成一個(gè)大型的虛擬電場。這一領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)了很多初創(chuàng)公司，代表企業(yè)是德國的Next Kraftwerke 公司，其目前已經(jīng)接入4000 多個(gè) 新能源發(fā)電單元，總體發(fā)電功率已經(jīng)達(dá)到2.7 吉瓦（GW），相當(dāng)于一個(gè)大型火電站的發(fā)電能力。它的運(yùn)行模式是在每個(gè)發(fā)電單元安裝一個(gè) 叫作“NextBox”（下一個(gè)盒子）的通信和控制組件，Next Box 通過一 個(gè)專門的加密GPRS（通用分組無線服務(wù)）信道與中央服務(wù)器相連，一方面將發(fā)電單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到中央服務(wù)器，另一方面接收服務(wù)器的控制指令，這樣就可以對電網(wǎng)以及電力市場進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。它的商業(yè)模式是：一方面可以將小型發(fā)電單元打包成大型發(fā)電廠，從而直接進(jìn)入電力市場進(jìn)行交易，獲得更高的電價(jià)；另一方面可以利用自己的快速響應(yīng)能力，為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)，從而獲得進(jìn)一步的收益。

其次是解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題，基本可以分為三個(gè)技術(shù)方向。第一個(gè)方向是運(yùn)用信息技術(shù)對新能源的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測，從而通過電力市場機(jī)制提前對未來新能源的發(fā)電量做出相應(yīng)反應(yīng)，避免電網(wǎng)出現(xiàn)大的波動。歐洲電力市場根據(jù)交易與實(shí)際電力交付的時(shí)差可分為遠(yuǎn)期（Future）市場、日前（Day-ahead）市場、日間（Intra-day）市場 以及平衡（Balancing）市場。遠(yuǎn)期市場可以交易未來數(shù)月甚至數(shù)年的電力，日前市場是在實(shí)際電力交付前一天進(jìn)行交易，日間市場則是在當(dāng)天提前數(shù)小時(shí)進(jìn)行交易，而平衡市場是為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定以 15 分鐘為單位進(jìn)行的交易。

針對歐洲電力市場的要求，法國初創(chuàng)公司Steadysun根據(jù)不同的預(yù)測周期和精度為太陽能發(fā)電量預(yù)測提供了一個(gè)三級系統(tǒng)，它們分別是： SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye。第一級系統(tǒng)SteadyMet 主要基于氣象模型和太陽能發(fā)電單元的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并綜合運(yùn)用智能學(xué)習(xí)算法，提供未來幾天的太陽能發(fā)電量預(yù)測，主要可用于日前市場交易。第二級系統(tǒng)SteadySat 在此基礎(chǔ)上加入了每小時(shí)更新1~4 次的實(shí)時(shí)衛(wèi)星圖片信息，從而能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測太陽能發(fā)電單元被云層遮蓋的程度，可以提供對最多6 小時(shí)后的太陽能發(fā)電量的更精確預(yù)測，主要可用于日間市場交易，并及時(shí)對第一級系統(tǒng)的預(yù)測誤差進(jìn)行修正，從而減少損失。第三級系統(tǒng)SteadyEye 則可以提供對未來15 分鐘發(fā)電量的精確預(yù)測，它通過在太陽能發(fā)電單元附近加裝一個(gè)觀察云層運(yùn)動的攝像頭，捕捉云層的運(yùn)動軌跡，再通過對云層運(yùn)動的物理建模，實(shí)現(xiàn)對云層遮蓋非常精確的預(yù)測，主要用于實(shí)時(shí)電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。

在風(fēng)能發(fā)電量預(yù)測方面，比較有特色的是德國的初創(chuàng)公司Enercast，它開發(fā)了基于云端智能算法的發(fā)電量預(yù)測服務(wù)。預(yù)測算法可以分為兩個(gè)部分。第一部分是對氣象參數(shù)的預(yù)測。由于影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的氣象參數(shù)非常多，如風(fēng)速、風(fēng)向、空氣密度、濕度、氣壓等，為了綜合各氣象模型和氣象信息，Enercast 推出了 ensemble engine（集成引擎），它將各種不同的氣象信息和模型融合起來，并根據(jù)特定風(fēng)電場的歷史觀測數(shù)據(jù)，通過自學(xué)習(xí)算法來設(shè)定它們的權(quán)重，從而獲得最優(yōu)的預(yù)測效果。第二部分是基于氣象參數(shù)的發(fā)電量預(yù)測。對于風(fēng)能發(fā)電來說，不僅是眾多的氣象參數(shù)，甚至周圍的地形和附近的其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)都會對發(fā)電量產(chǎn)生不同程度的影響，因此用傳統(tǒng)的物理建模預(yù)測方法很難進(jìn)行精確預(yù)測。Enercast 公司推出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測算法，它首先使用歷史數(shù)據(jù)（包含氣象參數(shù)和特定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量），對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后再由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于第一部分的氣象參數(shù)預(yù)測得到發(fā)電量預(yù)測，并且在運(yùn)行過程中持續(xù)地將實(shí)測數(shù)據(jù)反饋回神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行迭代訓(xùn)練，從而不斷提升預(yù)測精度以及持續(xù)跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身運(yùn)行狀態(tài)的變化。

對于前面提到的像NextKraftwerke 公司這樣的虛擬電廠運(yùn)營商來說，由于電力交易需要提前進(jìn)行，新能源發(fā)電量的預(yù)測服務(wù)是不可或缺的。甚至對于傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)來說，新能源發(fā)電量的預(yù)測服務(wù)也越來越重要——它不僅可以避免前文提到的負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)，而且根據(jù)預(yù)測，如果未來幾天的電價(jià)由于新能源電力的大量涌入而降到成本以下，那么傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)就可以提前適當(dāng)減少發(fā)電量以避免虧損。

第二個(gè)技術(shù)方向是通過用電端的主動調(diào)整來適應(yīng)新能源的不確定性。在工業(yè)用電方面，有很多工業(yè)流程是可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整對電力的使用而并不影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的。在挖掘這方面的潛力上，比利時(shí)的初創(chuàng)公司 REstore 在冶金、造紙、化工等很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)獲 得了上百家客戶。REstore 的商業(yè)模式從對每個(gè)客戶的用電特性進(jìn)行分析開始，據(jù)此量身定制電力調(diào)節(jié)方案，比如在哪些時(shí)間段可以減少多大比例的用電量。當(dāng)這些工業(yè)企業(yè)在電網(wǎng)發(fā)電端供應(yīng)不足時(shí)（如新能源發(fā)電量較低時(shí)），便會在REstore 信息系統(tǒng)的指揮下，調(diào)低相應(yīng)的用電負(fù)荷。而當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電端供應(yīng)過大時(shí)，則開足用電負(fù)荷。在整個(gè)過程中，REstore 不收取任何費(fèi)用，只通過參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制［也就是前文 提到的電力平衡（Balancing）市場交易］，從客戶獲得的額外收益中抽取一定比例的傭金。對電網(wǎng)來說，主動參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制的用電企業(yè)越多，需要準(zhǔn)備的備用發(fā)電能力就越少，相應(yīng)的整體發(fā)電成本也會隨之降低?？梢哉f，REstore 塑造了一個(gè)多贏的格局。

第三個(gè)技術(shù)方向是通過儲能設(shè)備在新能源發(fā)電量大的時(shí)候儲存電力，在發(fā)電量小的時(shí)候輸出電力。這是補(bǔ)償新能源不穩(wěn)定性最有效的方式，隨著新能源發(fā)電份額的不斷上升，大規(guī)模儲能將不可或缺。

2017 年 2 月 15 日，澳大利亞南澳地區(qū)發(fā)生的大停電事故，部分原因就是新能源發(fā)電量低于預(yù)期，同時(shí)電網(wǎng)又缺乏足夠的儲備發(fā)電能力，而這已經(jīng)是南澳地區(qū)在幾個(gè)月內(nèi)發(fā)生的第三起大停電事故了。針對這一挑戰(zhàn)，特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克在社交媒體推特（Twitter）上公開宣稱，他們有能力在100 天的時(shí)間內(nèi)安裝100 兆瓦時(shí)（Mwh）的電池儲能設(shè)備，從而完全解決南澳地區(qū)的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，并許諾如果不能在100 天內(nèi)完成，將免費(fèi)提供所有電池儲能設(shè)備。這個(gè)聽上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亞官方的積極回應(yīng)，并最終促成了澳大利亞總理馬爾科姆·特恩布爾（Malcolm Turnbull）和馬斯克的會面。馬斯克的底氣來自2017 年 1 月在美國加州落成的特斯拉電池儲能項(xiàng)目，它用3 個(gè)月時(shí)間建成了可以為15 000 個(gè)家庭提供數(shù)小時(shí)電能的電能存儲設(shè)備。加州陽光充沛，白天的光伏發(fā)電充足，甚至常常超過需求，但到了晚上仍需要用傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電來補(bǔ)充電力供應(yīng)。2015 年加州發(fā)生的燃?xì)庑孤┦鹿?，不斷加?qiáng)的環(huán)保要求，以及即將關(guān)停核電站的計(jì)劃，都促使政府不得不尋求另外的解決方案，而電池儲能可以很好地滿足這一需求，即可以將白天富余的太陽能電力存儲起來以便夜間使用。

除了大規(guī)模集中使用的場景，電池儲能技術(shù)目前也出現(xiàn)了以家庭電池儲能為核心，綜合了家庭光伏發(fā)電和家庭智能能源管理的商業(yè)模式。由于新能源發(fā)電的分散性，分布式的家庭儲能是未來非常有希望的解決方案。將這種模式帶入公眾視野的仍然是特斯拉公司，它于 2015 年發(fā)布了家庭電池能量墻（Powerwall Home Battery）。不過，這個(gè)領(lǐng)域目前的實(shí)際領(lǐng)跑者是德國的初創(chuàng)公司Sonnen，它占據(jù)了全球家庭光伏儲能市場將近1/4 的份額，并于2016 年成功獲得了包含中國遠(yuǎn)景能源參與的新一輪融資。Sonnen 首先以解決家庭屋頂光伏應(yīng)用對儲能的需求為切入點(diǎn)：由于光伏發(fā)電的高峰是白天，而家庭的用電高峰卻在晚上，因此發(fā)電和用電高峰之間存在錯(cuò)位，即使將白天的電力出售給電網(wǎng)，晚上再由電網(wǎng)供電，也仍然要支付由電網(wǎng)成本導(dǎo)致的出售價(jià)格低于買入價(jià)格的價(jià)差。而通過家庭儲能則可以將白天的光伏電力存儲起來留待晚上使用，這樣就能顯著降低家庭的電費(fèi)支出。

在此基礎(chǔ)上，Sonnen 還在它的儲能系統(tǒng)上進(jìn)一步集成了家庭智能能源管理系統(tǒng)，目前它最多可與三臺家庭用電系統(tǒng)（如洗衣機(jī)、烘干機(jī)等）相連接，在有富余光伏電力的情況下，會首先啟動這些設(shè)備進(jìn)行工作，從而在一定程度上降低對儲能電池容量的需求。

另一方面，Sonnen 公司的儲能系統(tǒng)還可以將富余的儲存能力用于為電網(wǎng)提供穩(wěn)定控制服務(wù)，從而獲得進(jìn)一步的收益。針對沒有光伏發(fā)電設(shè)備的家庭，Sonnen 公司提供了“Sonnen 社區(qū)”（Sonnen community） 的商業(yè)模式，通過安裝Sonnen 的儲能系統(tǒng)，用戶可以獲 得長達(dá)10 年的每年2 000 度的免費(fèi)用電額度，超出這個(gè)額度之后，用戶還可享受優(yōu)惠電價(jià)，這樣節(jié)省下來的電費(fèi)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了購買儲能系統(tǒng)的成本。一方面，這使得用戶可以擁有更多的存儲能力，另一方面，這些用戶的用電需求又使得連入Sonnen 儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電單元的富余電力有了新的變現(xiàn)渠道，由于跳過了中間環(huán)節(jié)，不管是發(fā)電端還是用電端，都可以獲得更好的電價(jià)。目前，Sonnen 公司正在將這一模式進(jìn)一步推廣到風(fēng)能和生物質(zhì)能領(lǐng)域。

對于電網(wǎng)來說，Sonnen 的儲能系統(tǒng)一方面減輕了家庭光伏發(fā)電和家庭用電錯(cuò)位所帶來的調(diào)峰壓力，另一方面還可以將富余的存儲能力“打包”成一個(gè)大的蓄能池，可以有效地補(bǔ)償新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性。未來，這一商業(yè)模式還可以擴(kuò)展到目前正在如火如荼發(fā)展的電動汽車行業(yè)。

在儲能應(yīng)用這一全新的維度上，相對于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車具有顛覆性的優(yōu)勢。對于家用車來說，其實(shí)全天大部分時(shí)間都處于非工作狀態(tài)。在這些時(shí)間里，連入電網(wǎng)的電動汽車電池就有可能作為電網(wǎng)的儲能部件，參與電網(wǎng)控制，所獲得的收益可以在很大程度上攤薄電動汽車的電池成本。

為了充分發(fā)掘電動汽車的儲能功能，首先需要升級電動汽車的充電系統(tǒng)。目前，大部分的電動汽車只有單向的充電功能，因此也只能提供單向的儲能能力，即通過智能充電軟件控制電動汽車，在電網(wǎng)負(fù)荷較小時(shí)（如夜間）進(jìn)行充電。這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向是進(jìn)一步改進(jìn)電動汽車的充電和電池系統(tǒng)，使電力能夠?qū)崿F(xiàn)雙向流動，從而更好地發(fā)揮其作為電網(wǎng)儲能元件的作用。日本三菱公司已率先推出帶有充放電功能的電動汽車，德國寶馬公司也在積極測試相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品。

其次，我們還需要考慮對分散的電動汽車進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的問題。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息技術(shù)的解決方案可以非常方便地?cái)U(kuò)展到這一領(lǐng)域中。未來，只要用戶輸入一個(gè)出行計(jì)劃，電動汽車的智能管理系統(tǒng)就可以自動生成一個(gè)最優(yōu)的充放電程序，在保證電動汽車運(yùn)行所需電量的前提下，將剩余的存儲能力連入“虛擬電廠”，從而為用戶獲得最大收益。

另一方面，電動汽車的電池作為儲能部件的壽命，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它為電動汽車工作的壽命，由于電網(wǎng)儲能對電池性能的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動汽車，因此當(dāng)電動汽車的電池容量衰減到一定程度時(shí)，雖然無法滿足電動汽車?yán)m(xù)航里程的要求，但可以繼續(xù)為電網(wǎng)儲能服務(wù)。目前，德國汽車行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)寶馬公司和博世公司就正在德國漢堡合作建設(shè)一個(gè)新型儲能項(xiàng)目，它被命名為“電動汽車電池的第二生命”，這個(gè)項(xiàng)目以從寶馬牌電動汽車上退役的電池為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)并組合成一個(gè) 26 米長、6 米寬的儲能大電池，未來它將為德國北部不斷增加的風(fēng)能發(fā)電份額提供電網(wǎng)調(diào)節(jié)服務(wù)。這同時(shí)也意味著，通過對退役電動汽車電池的再利用，可以進(jìn)一步降低電動汽車的整體成本。

電池儲能技術(shù)雖然有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但由于其較高的成本以及能量衰減率，主要適用于短期電力調(diào)峰的應(yīng)用場景，并且需要和其他儲能技術(shù)相配合。目前，世界各國都在爭相研究各種針對不同地理、環(huán)境條件的儲能技術(shù)。

首先是以抽水蓄能為代表的大型儲能電站，它是歷史最悠久的儲能技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠大規(guī)模、長時(shí)間地儲存電力，缺點(diǎn)是對環(huán)境資源的要求較高。為了適應(yīng)快速增長的儲能需求，德國政府正在想方設(shè)法地提高抽水蓄能能力，其中一個(gè)很有創(chuàng)意的方案是對老工業(yè)區(qū)已經(jīng)廢棄的煤礦的重新利用。由于礦井常常有數(shù)百米深且面積很大的地下空間，經(jīng)過改造，可以在電力富余時(shí)將水從礦井底部抽到地面，在電力不足時(shí)將水回流到礦井底部并同時(shí)產(chǎn)生電能。

在海上風(fēng)能蓬勃發(fā)展的大背景下，德國的弗朗霍夫研究所（Fraunhofe Institute for Production Technology）正在開發(fā)深水儲能技術(shù)， 它的基本原理是將一個(gè)大型蓄能裝置沉入大約200 米深的海底，利用海上風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能將水從蓄能裝置中抽出，在需要輸出電能時(shí)，讓水在海底巨大壓力的推動下，重新進(jìn)入蓄能裝置并發(fā)電。目前，研究人員已完成了對模型樣機(jī)（體積縮小比例為1∶10）的測試，由于未來海上風(fēng)能將為歐洲提供相當(dāng)份額的能源供應(yīng)，深水儲能裝置將有很好的應(yīng)用前景。

在陸上風(fēng)能的應(yīng)用場景中，蓄水儲能也可以和風(fēng)能進(jìn)行深度融合。德國正在建設(shè)一個(gè)新型陸上風(fēng)場，它將風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)部分直接設(shè)計(jì)成了一個(gè)幾十米高的蓄水庫，而風(fēng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)則建立在這個(gè)蓄水庫上面。與一般的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相比，這相當(dāng)于將風(fēng)機(jī)抬高了幾十米。在一般情況下，由于風(fēng)速與高度呈正比，因此這會在很大程度上增加風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，而這部分額外的收益將來可以抵銷修建蓄水庫的成本。多個(gè)風(fēng)機(jī)的蓄水庫之間還可以互相連接，共同構(gòu)成一個(gè)與風(fēng)場緊密結(jié)合的蓄水儲能系統(tǒng)，從而有效地平衡風(fēng)力發(fā)電的不確定性。

其他的大規(guī)模儲能方案還有壓縮空氣、電解水形成氫氣等。由于現(xiàn)在沒有哪一種儲能技術(shù)可以“一家通吃”，因此未來的儲能系統(tǒng)也必然是由數(shù)量眾多，地理上非常分散，內(nèi)部機(jī)理也各不相同的儲能單元構(gòu)成，它們適用的場景和相應(yīng)的成本存在很大的差異，這就需要一套非常完善的信息系統(tǒng)對各個(gè)儲能單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以發(fā)揮它們的最大效能。

能源系統(tǒng)的重構(gòu)將帶來

基于信息技術(shù)的新商業(yè)模式

隨著新能源份額的不斷提升，能源系統(tǒng)未來將逐漸被重構(gòu)。未來的能源系統(tǒng)將主要由分散的發(fā)電單元、分散的用電單元以及分散的儲能單元構(gòu)成，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)還可能具有多重角色。比如，一個(gè)裝有家庭光伏發(fā)電設(shè)備和電池儲能設(shè)備（或電動汽車）的家庭，就同時(shí)具備發(fā)電、用電和儲能的所有角色功能。這與當(dāng)初互聯(lián)網(wǎng)將大眾從單一的信息接收者，變?yōu)榧婢甙l(fā)起者與接收者的雙重角色非常像。未來，這樣的新型能源節(jié)點(diǎn)將為信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用和大量新商業(yè)模式的涌現(xiàn)提供非常肥沃的土壤。

比如，方興未艾的區(qū)塊鏈技術(shù)未來就很有可能改變傳統(tǒng)的電力交易模式。未來電網(wǎng)的交易首先將由單向變?yōu)殡p向，比如前面提到的裝有家庭光伏發(fā)電設(shè)備或其他儲能設(shè)備的家庭，它們既是能源的消費(fèi)者，也是能源的生產(chǎn)者或電網(wǎng)服務(wù)的提供者。其次，電網(wǎng)交易主體的數(shù)量將空前增加，每個(gè)家庭，甚至每臺聯(lián)入電網(wǎng)的電動汽車都將是一個(gè)交易主體。這些交易主體的規(guī)模都很小，而且很分散，甚至是可移動的。另一方面，就像前面提到的，電網(wǎng)需要在每一時(shí)刻都維持動態(tài)平衡，同一度電或同一容量的儲能服務(wù)在不同的時(shí)間和地點(diǎn)，其價(jià)值是不一樣的，因此如果按照傳統(tǒng)的交易方式，將會產(chǎn)生很大的交易成本，這是大量小規(guī)模的交易主體所無法承受的。而區(qū)塊鏈作為一種去中心化的交易手段，未來將很有希望為能源互聯(lián)網(wǎng)提供基礎(chǔ)交易服務(wù)。

在這一方向上，美國初創(chuàng)公司TransActiveGrid （交互式電網(wǎng)） 于 2016 年推出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的個(gè)人電力交易平臺，它使得用戶可以非常方便地將多余的屋頂光伏電力賣給周圍的鄰居，而無須跟每位買家簽訂條款煩瑣的合同。德國能源巨頭Innogy 公司聯(lián)合初創(chuàng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺企業(yè)Slock.it 推出了基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電服務(wù) “Blockcharge”，用戶無須與電力公司簽訂任何供電合同，只需下載一個(gè)手機(jī)應(yīng)用程序，并完成用戶驗(yàn)證，即可在Innogy 廣布?xì)W洲的充電樁上進(jìn)行充電，電價(jià)由后臺程序自動根據(jù)當(dāng)時(shí)與當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)負(fù)荷情況實(shí)時(shí)確定。由于采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，整個(gè)充電和電價(jià)優(yōu)化過程是完全可追溯和可查詢的，因此極大地降低了信任成本。這一模式可以非常方便地?cái)U(kuò)展到分屬各國不同電力公司的充電樁上，甚至是私人電動樁上。在德國，私人充電裝置的數(shù)量是公用充電樁的10 倍，Blockcharge 的升級版將這些資源也納入服務(wù)范圍，只要在私人充電裝置上安裝一個(gè)嵌有信息收集芯片的插頭，就可以非常方便地接入Blockcharge 的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，這一模式將進(jìn)一步促進(jìn)電動汽車的快速普及。

能源信息安全不可或缺

在將各種信息技術(shù)引入能源領(lǐng)域的同時(shí)，信息安全問題也日漸成為能源行業(yè)的重大課題。由于能源是日常生活的必需品，它對安全的要求也相應(yīng)是最高的。在過去相當(dāng)長的時(shí)間里，大家對能源信息安全的討論還僅僅停留在理論階段，直到2015 年 12 月 23 日。當(dāng)時(shí)，烏克蘭的電力信息系統(tǒng)受到惡意攻擊，黑客利用軟件漏洞侵入電力系統(tǒng)控制程序，切斷了近20 萬戶居民家中的電力供應(yīng)，持續(xù)長達(dá)數(shù)小時(shí)之久，這對于正在嚴(yán)冬中苦熬的烏克蘭居民來說無異于一場災(zāi)難。這樣的惡性攻擊在2016 年再次上演，攻擊對象依然是烏克蘭，黑客再次成功地侵 入電網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)，只是這次攻擊所產(chǎn)生的影響比2015 年的要小一些。

在接連出現(xiàn)重大事故之后，能源信息系統(tǒng)的安全問題得到了非常廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了各種隨機(jī)發(fā)生的自然災(zāi)害（如臺風(fēng)）的影響，卻對系統(tǒng)性的惡意攻擊缺乏足夠的抵抗力。為應(yīng)對可能的危機(jī)，北美電力穩(wěn)定組織（NERC）已制定了相應(yīng)的行業(yè)法規(guī)，提出了對電力信息系統(tǒng)安全保護(hù)的具體要求，并組織了對電力系統(tǒng)的模擬攻擊，以驗(yàn)證安全等級。但目前，這些保護(hù)措施只考慮了大型骨干輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，對于連接千家萬戶的小型配電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備并不適用，而2015 年針對烏克蘭的攻擊事件恰恰發(fā)生在跟大家生活緊密相關(guān)的小型配電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。未來，各種新能源發(fā)電設(shè)備將導(dǎo)致電網(wǎng)布局更加分散，使電力信息安全管理更加困難，但對于信息安全技術(shù)來說，這同樣意味著廣闊的市場空間。未來，每家每戶都可能需要安裝能源系統(tǒng)軟件防火墻，就像現(xiàn)在的家用電腦防火墻一樣。

結(jié)語

以上提到的信息技術(shù)解決方案和商業(yè)模式只是未來能源變革大風(fēng)口的冰山一角，新能源發(fā)展的先驅(qū)德國正在如火如荼地執(zhí)行著它的能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃，希望把目前新能源占能源生產(chǎn)總量30% 的份額進(jìn)一步提 升到2030 年的50%，以及2050 年的80%。中國的“十三五”規(guī)劃也將 目標(biāo)設(shè)定為，到2020年將新能源裝機(jī)容量提升到35%。而信息技術(shù)將會在未來的能源體系中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，將可預(yù)測且可控的分布式新能源與可即時(shí)響應(yīng)的工業(yè)和家庭用電、儲能單元相串聯(lián)，其實(shí)就是在目前的電力網(wǎng)絡(luò)上加了一層信息網(wǎng)。這兩張網(wǎng)之間的智能交互就構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)，它將使得未來構(gòu)建以新能源為主體的清潔能源體系成為可能。