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能源转型评述:构建以特高压为骨干网架的坚强智能电网
[ 浏览点击:1 ] [ 发布时间:2018-04-27 ] 字体:[ ] [ 返回 ]

 提炼能源转型问题的要素,强调应重视政策制定者、能源供应者等不同利益相关者行为的影响;梳理能源转型研究的不同目的,即解释(explanation)、预测(prediction)、推演(projection)及优化(optimization)等,研究的要点及面临的挑战;归纳能源转型研究范式的现状与不足;提出基于技术-经济-行为统计学模型-真实人混合交互仿真及反复推演,协调优化转型目标与路径的新范式。其续篇将讨论能源转型研究中的不确定性因素及分析方法。

引言

能源是人类经济与社会发展的基础。人类对能源的开发与利用经历了传统生物质、煤炭、油气时代,气候变化、环境安全、能源枯竭、公民健康等问题使能源的清洁替代成为全球的共识。2015年第21届联合国气候变化大会上达成的《巴黎协定》中,各国同意将全球气温相对于工业化前水平的升幅控制在2℃内,并努力控制在1.5℃内。为了实现2℃的目标,2011—2050年间全球二氧化碳的累计排放量需控制在11000亿t以内,在2050年前全球约82%~88%、49%~52%和33%~35%的煤炭、天然气和石油探明经济可采储量将不得开采[1]。

能源转型的根本任务是构建清洁、低碳的新型能源体系。截至2016年底,全球大部分国家已实施相关的可再生能源(RES)支持政策,至少有176个国家制定了本国的清洁能源发展目标,丹麦、德国等转型积极的国家计划到2050年实现RES占终端能源比例达到100%和60%[2]。中国已经成为全球最大的水能、风能与太阳能利用国,并正在进一步推动能源生产与消费革命,基于自身国情计划在2020年、2030年和2050年分别将一次能源中的非化石能源占比提高到15%、20%和50%[3]。

能源的清洁转型将伴随系统中能量资源的来源(化石能源、RES、核能等一次能源)、能量的载体(煤/油/气等传统燃料、电能、热能等)、能源基础设施(生产、转换、储存、运输、配送、用能等各个环节的设施)、能源市场机制、能源政策、能源供应者与消费者的行为等多种因素的转变。

电能是连接一次能源与终端能源的桥梁,是当前应用最广泛的二次能源。电网在综合能源系统中占据核心地位,是推动能源转型的中心环节。RES的大规模利用离不开电能,电网是在一次能源侧实现清洁替代的关键。以特高压为骨干网架的坚强智能电网将支撑煤炭、RES等能源在广域的快速输送与配置[4-5]。由于电能的高效、便捷、清洁、友好、应用广泛等特点,电力在全球终端能源中的比例从1973年的9.4%增长至2015年的18.5%[6]。未来,电动汽车的发展、电能对煤炭散烧的替代以及工商业等其他领域的电能替代将持续推进全社会的“再电气化”。国际能源署(IEA)预计到2040年前,全球40%的终端能源增长将来自电能[7]。

然而,电力系统与一次能源研究长期缺乏融合。随着化石能源直接输送在运力、环境等方面遭遇的瓶颈[8],风电、光伏等RES发电大规模发展遭遇消纳困境[9],打破一次能源与电力系统研究长期割裂状态的需求更加紧迫。应在电力系统分析中计及化石能源充裕性不足所造成的一次能源阻塞[10];在一次能源清洁转型研究中考虑高比例RES电力系统的基本特性[11]。

文献[12]诠释了在电力系统(powersystem,PS)的研究中逐渐增加对信息系统(cybersystem)、广义物理环境(非电能源系统、非能源系统)、人的行为等社会系统(socialsystem)的考虑,从而依次拓展为智能电网(smartgrid,SG)、信息-物理-能源系统(cyber-physicalsysteminenergy,CPSE)、信息-物理-社会-能源系统(cyber-physical-socialsysteminenergy,CPSSE)的过程。能源转型是一个典型的CPSSE问题,与之相对应的研究不仅涉及与能源技术、气候科学等相关的自然科学领域,还涉及与能源经济、政策机制、人的行为等相关的政治学、经济学等社会科学领域。

各类不同视角、对象系统以及具体内容的研究均可被归为“能源转型”的范畴。例如,电动汽车的发展、煤炭的清洁利用、终端能源结构的长期演化(含电能替代)等。目前,仍没有一个被普遍接受的“能源转型”定义。其中,“一次能源结构的长期演化”是被使用最多的定义[13-14]。限于篇幅,本文将集中讨论上述定义所限定的范围。若无特别说明,后文的“能源转型”均指“一次能源结构的长期演化”。

过去几十年中,能源转型问题得到了广泛的关注与讨论,但该问题的研究现状、面临的挑战等则未得到清晰的梳理。当前,涉及能源转型的综述性文献大多以能源模型或工具为视角,范围涉及能源供应与需求、电力市场、电力系统运行与规划、分布式能源系统等能源领域各个方面的问题,讨论了模型的功能、建模方式等方面的分类与比较,而未专门针对能源转型问题进行深入的探讨[15-20]。文献[21]针对一类综合考虑技术、经济、人的行为的能源转型模型进行了综述,比较了各模型在应用领域、技术-经济细节、参与者异质行为、转型路径动态、模型校正与验证等方面的异同。该文是为数不多的专门针对能源转型模型的综述,但综述的范围较小、讨论重点则仅是模型间的比较。

以本文为首的2篇系列论文将讨论清洁低碳发展背景下的能源转型研究问题。本篇分析能源转型问题的要素;阐述能源转型研究的4类主要目的;归纳能源转型研究范式的现状及不足,建议基于技术-经济-行为统计学模型-真实人混合仿真研究能源转型的新范式,讨论该范式的基本思路、特点、框架模型以及需应对的问题。

 

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