能源枯竭在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是不存在的

令我印象深刻的是在 90 年代，當(dāng)時(shí)我正好上大學(xué)，那時(shí)剛剛開(kāi)始可以在大學(xué)宿舍里攢自己的計(jì)算機(jī)，攢自己的網(wǎng)絡(luò)。大家真的需要用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換信息嗎？其實(shí)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有這么強(qiáng)的需求，但是大家都很愿意去連網(wǎng)。其實(shí)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)，是信息或人的個(gè)性的自由化。

能源行業(yè)正處在這樣的一個(gè)啟蒙階段，叫能源自由化的階段。

有一天是不是每個(gè)人在家里就可以攢出一個(gè)能源系統(tǒng)？是不是需要一個(gè)能量路由器？是不是能像計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣即插即用就可以把一個(gè)能源系統(tǒng)搭建起來(lái)？所有這些暢想其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，作為研究人員，我們已經(jīng)開(kāi)始做這項(xiàng)工作了。

“能源+互聯(lián)網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)能源自主可控

首先給大家展現(xiàn)一個(gè)場(chǎng)景，現(xiàn)在給手機(jī)充電的是一個(gè)很小的充電寶，如果這個(gè)充電寶變大一些是不是能給整個(gè)家庭充電？比如家里有一個(gè)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，未來(lái)電動(dòng)汽車普及以后車也可以在家里充電，這本質(zhì)上就形成了一個(gè)能量系統(tǒng)。

有了能量系統(tǒng)我們能在家里做什么？

比如我會(huì)選擇在晚上來(lái)給電動(dòng)汽車充電，因?yàn)橥砩系碾妰r(jià)最便宜。在歐美電力市場(chǎng)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)有峰谷電價(jià)差，在白天用電高峰期電價(jià)比較貴，在晚上用電低谷期甚至有電費(fèi)為負(fù)的情況。所以讓儲(chǔ)能系統(tǒng)晚上吸取低價(jià)電量白天放出電量，這就不用給電網(wǎng)交高價(jià)的電費(fèi)。

我們可以有一個(gè)集中的運(yùn)行控制中心，這個(gè)控制中心甚至可以在手機(jī)上來(lái)操控，這樣的意義就是能源的自主可控，我的能源我做主，如果隔壁家的電源電能不夠還可以賣給他,這些都是能源互聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)給我們的未來(lái)場(chǎng)景。

所以家庭式的能源互聯(lián)網(wǎng)跟我們每個(gè)人息息相關(guān)，如果把類似的場(chǎng)景拓展到更大的園區(qū)場(chǎng)景就會(huì)更加豐富化。

有一種情況叫源網(wǎng)荷協(xié)同，在一個(gè)系統(tǒng)里電源、電網(wǎng)和負(fù)荷協(xié)同工作，如果整個(gè)社區(qū)都跟電網(wǎng)互動(dòng)，就可以把電網(wǎng)的高峰期削減、低谷期填平。我們知道電、能量的基本屬性是發(fā)了多少能源就必須用多少，除非有大規(guī)模的儲(chǔ)能，否則整個(gè)穩(wěn)定性就會(huì)受到影響，所以有一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)荷非常重要。

有了能量系統(tǒng)在園區(qū)里還可以做什么？

比如發(fā)配售一體，目前我們國(guó)家在能源系統(tǒng)上是垂直管理，到了一個(gè)小園區(qū)甚至一個(gè)樓宇，所有不同的能源形式和系統(tǒng)都是獨(dú)自管理，它們之間沒(méi)有更多的協(xié)調(diào)關(guān)系，也沒(méi)有區(qū)域的運(yùn)營(yíng)商。未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)可以從邊緣做起變成區(qū)域的運(yùn)營(yíng)，這樣的運(yùn)營(yíng)實(shí)體有利于區(qū)域能效的提升，甚至解決我們現(xiàn)在遇到的其他問(wèn)題，如節(jié)能、減排、環(huán)保等等。

未來(lái)如果這種分布式的光伏或者風(fēng)能，能夠逐漸地以分布式、互聯(lián)網(wǎng)的形式普及，就可以通過(guò)區(qū)域能源的形式，推出一種自下而上構(gòu)建的能源基礎(chǔ)設(shè)施，以區(qū)域?yàn)橹行膩?lái)運(yùn)營(yíng)的能源形式。

剛講到的兩個(gè)最基本的場(chǎng)景，從家庭到區(qū)域，實(shí)際上未來(lái)可以擴(kuò)展到一個(gè)城市變成一個(gè)自治的能源系統(tǒng)。我們關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的基本理解，實(shí)際上是借鑒了互聯(lián)網(wǎng)的理念，本質(zhì)上就是能量的分發(fā)。

手機(jī)沒(méi)電了？等等我馬上給你轉(zhuǎn)發(fā)一份能量

如果 90 年代是互聯(lián)網(wǎng)啟蒙的階段，那么我們說(shuō)現(xiàn)在是能源系統(tǒng)，尤其是分布式的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)啟蒙的階段。能源和互聯(lián)網(wǎng)類比起來(lái)大家會(huì)看到驚人的相似性，也許未來(lái)十年、二十年能源系統(tǒng)所走的路就跟前二十年互聯(lián)網(wǎng)走的路驚人的相似。

在 2011 年美國(guó)學(xué)者里夫金的《第三次工業(yè)革命》這本書里邊提到，第三次工業(yè)革命的一個(gè)重要標(biāo)志就是能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，他用一句話來(lái)概括：在即將到來(lái)的時(shí)代，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)，讓億萬(wàn)人能夠在自己的家中、辦公室或者工廠里生產(chǎn)可再生能源。

大家在面對(duì)能源問(wèn)題時(shí)會(huì)跟互聯(lián)網(wǎng)類比，在互聯(lián)網(wǎng)上很難想象信息會(huì)枯竭，但在能源領(lǐng)域會(huì)想到能源的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。對(duì)于化石能源有的人說(shuō) 50 年，有的人說(shuō) 100 年就沒(méi)了，相反在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大家唯一擔(dān)心的是信息爆炸。為什么在能源領(lǐng)域我們覺(jué)得有些封閉、遙遠(yuǎn)？而互聯(lián)網(wǎng)會(huì)跟我們離得近、更開(kāi)放？

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)發(fā)一條消息有人看，如果我轉(zhuǎn)發(fā)一份能量有人用，這件事是不是很酷？

實(shí)際上這是能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)起因，能源枯竭的一個(gè)原因是能源生產(chǎn)中沒(méi)有把大家的積極性都發(fā)揮出來(lái),如果每個(gè)人都發(fā)動(dòng)起來(lái)，你也發(fā)電，他也發(fā)電，這樣的能量匯聚起來(lái)是不是就能實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展?

我們發(fā)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中有一些局部的、專用的網(wǎng)絡(luò)，從 90 年代開(kāi)始 Internet 上各種應(yīng)用層出不窮，驚人相似的是現(xiàn)在已經(jīng)有了很多分布式的可再生能源。我們已經(jīng)把這些系統(tǒng)示范性地連接很多能源微網(wǎng)，在一個(gè)小的微網(wǎng)里既有電源也有用戶，這樣的系統(tǒng)連起來(lái)就變成一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)，甚至國(guó)家電網(wǎng)公司也提出了全球能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。

全球各個(gè)國(guó)家的能源系統(tǒng)是不是也能連在一起？這里面想象的空間非常大，因?yàn)檫@兩個(gè)行業(yè)的體量不可同日而語(yǔ)，一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的信息轉(zhuǎn)發(fā)就構(gòu)建出這么大的一個(gè)工業(yè)體系，未來(lái)如果整個(gè)能源系統(tǒng)朝這樣的方向發(fā)展，它的體量也非常巨大。

圖 | 園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景

我們做過(guò)一些小園區(qū)的能源基礎(chǔ)設(shè)施研究，從它的建設(shè)、運(yùn)行到最后運(yùn)營(yíng)，都是上億上十億上百億的體量。所以能源行業(yè)是第一大工業(yè)，它的體量使得大家認(rèn)為如果有這樣的基礎(chǔ)設(shè)施，如果有這么多的商業(yè)的創(chuàng)新模式，可以便捷地轉(zhuǎn)發(fā)能量，還可以有這么多用戶參與進(jìn)來(lái)，它未來(lái)發(fā)展的空間會(huì)很大。

網(wǎng)絡(luò)路由器傳遞信息，而能量路由器分發(fā)能量！

能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要能量路由器。建互聯(lián)網(wǎng)時(shí)有很多路由器在底層分發(fā)信息，未來(lái)是不是也需要一個(gè)基于能量路由器的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)？我們現(xiàn)在就是按照這樣的思路去做研究，能量路由器之間通過(guò)交流或直流電網(wǎng)的技術(shù)連接，形成一個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)后既能保證分布式的能源和用戶運(yùn)營(yíng)的靈活性，又可以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。

對(duì)于能源系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定是最大的前提，不能因?yàn)榛ヂ?lián)而互聯(lián)，而是要更大程度上保障它的可靠性。

實(shí)際上 2004 年英國(guó)的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志就提出了 building the energy internet的設(shè)想， 2003 年在美國(guó)東部地區(qū)爆發(fā)了一次大面積停電，美國(guó)東部三分之一的地區(qū)都停電，那時(shí)候是分布式屋頂光伏剛剛發(fā)展的階段。

它提出來(lái)把能源也按互聯(lián)網(wǎng)的形式建立，因?yàn)楦ヂ?lián)網(wǎng)對(duì)比很少聽(tīng)說(shuō)有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)大面積的崩潰，它是分散式的結(jié)構(gòu)，一個(gè)兩個(gè)路由器壞了對(duì)信息的轉(zhuǎn)發(fā)沒(méi)有影響。那未來(lái)能源是不是也可以由分布式的能源系統(tǒng)互聯(lián)起來(lái)？即便一個(gè)兩個(gè)壞了也不影響整個(gè)能源系統(tǒng)的分發(fā)，所以基于能量路由器的能源互聯(lián)網(wǎng)是有理論支撐和實(shí)際意義的。

圖 | 網(wǎng)絡(luò)路由器典型架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)路由器是怎么來(lái)分發(fā)信息的？最簡(jiǎn)單的核心原理叫存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，信息來(lái)了先用緩存存起來(lái)，然后根據(jù)不同的機(jī)制從特定的端口出去。這和能源可以非常好地對(duì)應(yīng)起來(lái)，把數(shù)據(jù)的緩存變成儲(chǔ)能的系統(tǒng)，能量進(jìn)來(lái)以后先把它存起來(lái)，把決策的機(jī)制變成類似數(shù)據(jù)中心的處理機(jī)制來(lái)決定能量從哪來(lái)到哪去。

整個(gè)架構(gòu)上既有信息的接口、能量的接口，也有更高級(jí)應(yīng)用的接口，這就形成了信息、能量融合的系統(tǒng)。如果未來(lái)要實(shí)現(xiàn)信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化，就不需要單獨(dú)的信息基礎(chǔ)設(shè)施和單獨(dú)的能源基礎(chǔ)設(shè)置，這兩套基礎(chǔ)設(shè)施一體化實(shí)現(xiàn)的效益是最好的。

網(wǎng)絡(luò)之所以能互聯(lián)是因?yàn)橛幸粋€(gè)互聯(lián)信息交換的標(biāo)準(zhǔn)，而這樣的標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)層級(jí)，不同層級(jí)完成不一樣的任務(wù)，比如最著名的網(wǎng)絡(luò)七層結(jié)構(gòu)。能量路由器交換、分發(fā)能量是不是也能用分層來(lái)實(shí)現(xiàn)？我們有物理層來(lái)交換能量?jī)?chǔ)能，建立傳輸層、各種各樣的應(yīng)用層，一旦實(shí)現(xiàn)了分層的目標(biāo)也可以制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖 | 能量路由器分層架構(gòu)

能量路由器還有很多輔助功能，比如電能質(zhì)量功能。在工業(yè)界有些負(fù)荷對(duì)電壓的高低、頻率的快慢非常敏感，在半導(dǎo)體行業(yè)一旦電壓跌落了可能整個(gè)生產(chǎn)線都會(huì)停掉。類似這樣的電能質(zhì)量問(wèn)題還包括諧波、無(wú)功等，但能量分發(fā)出去后就可以控制它的電壓等級(jí)、頻率，可以形成電能質(zhì)量治理效果。

我們平時(shí)看到的網(wǎng)絡(luò)路由器是非常邊緣的一部分，實(shí)際上到了主干網(wǎng)以后有主干的路由器和功能更強(qiáng)的路由器。同樣我們也可以設(shè)計(jì)有更高電壓等級(jí)、更大容量的連接兩個(gè)樓宇、兩個(gè)小區(qū)，甚至連接兩個(gè)不同城市的能量路由器，它們的實(shí)現(xiàn)基于電力電子、儲(chǔ)能、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等。

什么叫電力電子技術(shù)？電子就是我們的手機(jī)、筆記本，電子產(chǎn)品的邏輯非常復(fù)雜但它的電流非常小，因?yàn)樗獋鬟f的僅僅是信息，如果要傳遞能量就要求電壓上萬(wàn)伏、電流上百安，這時(shí)就變成了電力電子這樣的技術(shù)。充電寶是一個(gè)小電池，把一萬(wàn)個(gè)充電寶并聯(lián)串聯(lián)以后就可能變成一個(gè)巨大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，類似這樣的技術(shù)在產(chǎn)業(yè)上也在推進(jìn)，最后會(huì)形成像能源互聯(lián)網(wǎng)、能量路由器這樣的產(chǎn)品。

目前能量路由器的發(fā)展用三句話來(lái)概括：能量路由器工業(yè)樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)我們已經(jīng)完成，需要進(jìn)行的是產(chǎn)業(yè)化的推廣工作，也就是它的規(guī)模、成本、應(yīng)用場(chǎng)景，它是不是被更大多數(shù)的場(chǎng)景所接受？運(yùn)營(yíng)以后是不是能夠從投資回報(bào)率上具有經(jīng)濟(jì)可行性？

圖 | 能量路由器樣機(jī)

這是我們研制的能量路由器的樣機(jī)，既可以作為控制的終端，又可以作為計(jì)量的終端。

能量路由器現(xiàn)階段有可能實(shí)現(xiàn)一些場(chǎng)景，比如家庭能源或園區(qū)能源，把電網(wǎng)、光、儲(chǔ)、充等集成在一起，通過(guò)能量路由器形成集成化的解決方案，包括光伏的逆變器、儲(chǔ)能的雙向變流器、并網(wǎng)的變流器、充電模塊等功能。同時(shí)也可以集成能量管理和電能質(zhì)量管理等功能，在成本上如果具有一定的可行性，尤其是比如電動(dòng)汽車充電電費(fèi)比我們?nèi)粘５碾娰M(fèi)更貴的話，在這樣的經(jīng)濟(jì)可行性下能源互聯(lián)網(wǎng)的能量路由器就可能就有產(chǎn)業(yè)化的意義。

我們?cè)诒本┦锌莆闹С窒?，與京能集團(tuán)合作進(jìn)行了初步嘗試，未來(lái)清華大學(xué)跟北京智中能源互聯(lián)網(wǎng)研究院會(huì)繼續(xù)推動(dòng)相關(guān)工作的開(kāi)展，推動(dòng)它的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行和成本的下降，把這項(xiàng)工作持續(xù)地做下去。

回到能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷：每個(gè)人、每個(gè)家庭、每個(gè)樓宇、每個(gè)園區(qū)、每個(gè)城市不僅僅是能源的消費(fèi)者，在未來(lái)會(huì)成為能源的生產(chǎn)者，跟互聯(lián)網(wǎng)對(duì)比我們也許會(huì)迎來(lái)一個(gè)更加激動(dòng)人心的能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

在這樣的一個(gè)時(shí)代里你的能源你做主，每個(gè)人都能參與到能源的生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)中去，未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)要營(yíng)造一個(gè)綠色、低碳、環(huán)保和智慧的新愿景！