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智能电网:各国抢建新能源基础设施 发展战略不同

行业上下游中国仪表网2012年07月04日 10:54人气:8964

  日前,德意志银行全球市场清洁能源首席分析师高登在北京接受记者采访时表示,“全球清洁能源利用的瓶颈,并不是清洁能源本身的开发,而是存储和输送清洁能源的基础设施———智能电网的技术提升和建设。”
  
  记者在美国、欧洲等采访了解到,随着智能电网时代的到来,世界各国的智能电网建设已经全面启动。在智能电网理念逐步成为业界共识的进程中,政府正成为建设新能源基础设施的主动力量,许多国家都确立了智能电网建设目标、行动路线及投资计划,但鉴于不同地区的监管机制、电网基础设施现状和社会经济发展情况的不同,各地的智能电网发展战略也有所不同。
  
  全球:政府引导智能电网建设
  
  记者在国家权威机构IDCEnergyInsights了解到,据美国和欧盟的预测,2012~2017年期间,全球智能电网基础设施投资规模年均增长比例将达到17.4%,特别是在硬件、软件和服务方面的投资规模将更大。预计至2017年,全球智能电网基础设施的投资规模将达到464亿美元左右,而亚太地区将成为未来5年内投资增速最快的地区,预计其年增长比例将达到33.7%。而综合国际多家权威机构的预测,至2020年,全球智能电网投资将达到2500亿美元。
  
  根据国际能源大会的定义,智能电网(smartpowergrids),就是电网的智能化,也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。
  
  国家发改委能源研究所有关专家告诉记者,智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,具有信息化、自动化、互动化特征,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,覆盖所有电压等级,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代化电网。
  
  据美国新能源协会的丹尼斯介绍,美国经过互联网和3G的发展累计了丰富的进行标准战的经验,已经开始在智能电网标准中抢占先机。美国标准与技术研究院(NIST)提出将分三个阶段建立智能电网标准。美国商务部长骆家辉曾在GridWeek大会上宣布了NIST在第一阶段的最新进展报告。该报告选取了近80项现有标准,用于指导和支撑当前智能电网发展,明确了14个需要优先研究和解决的方面,并特别分析了信息安全方面的标准。
  
  据了解,日本也已经开始抢占用电市场中的技术先机,正在试图将其扩为世界标准。日本东京电力公司、富士集团以及三菱公司联合制定了电动汽车接入电网标准,为电动汽车接入电网打下了良好基础。日本在大型锂离子蓄电池的研发方面技术领先,正在联合美国,将其技术推广为国际标准。
  
  国家电网公司科技部智能电网处处长林弘宇透露,在“十二五”期间国家电网智能化建设将投资2860亿元。2012年将建设17个智能电网综合示范工程,163座充换电站和910台交流充电桩,智能变电站1329座,改造132座,建设26万户电力光纤到户,在26个省级公司推广配电自动化系统建设,建设8个省级智能电网调度技术支持系统,推广应用3700万只智能电能表。
  
  “智能电网建设未来几年将加速发展,全球智能电网建设形势一片利好。从全球看,各国发展智能电网政府不可缺位。”林弘宇表示。
  
  在美国、日本等发达国家,智能电网战略己成为国家重要战略,是在政府统一主导和支持下,集国家以及相关力量来制定和推动的。智能电网战略已经成为他们抢占未来低碳经济制高点的重要战略措施。中国与其他国家在智能电网发展上的“角力”,不仅是一次综合实力和抢占未来低碳经济制高点的较量,也是推动自身经济可持续发展、确保未来能源安全的需要。
  
  记者从欧盟了解到,近年来英国政府积极对智能电网进行政策支持。为落实2009年出台的《英国低碳转型计划》国家战略,2009年12月初,英国政府首次提出要大力推进智能电网的建设,同期发布《智能电网:机遇》报告,并于2010年初出台详细智能电网建设计划。英国煤气电力市场办公室从2010年4月起五年内共动用5亿英镑进行加大规模的实验。英国政府也正在支持一些领域的匹配性发展,其中包括投资3000万英镑的“插入场”框架,支持电动汽车充电基础设施建设。
  
  英国已制定出“2050年智能电网线路图”,并开始加大投资力度,支持智能电网技术的研究和示范。之后的工作将严格按照路线图执行。
  
  在第一阶段(2010年-2020年),英国准备大规模投资以满足近期需要,并建立未来可选方案。近期英国准备扩大现有的基础设施和继续推进试点工程建设,争取早日完善智能电表的部署工作,为以后大规模的研发提供方案和数据支持。
  
  第二阶段(2020-2050),目的是要提供到2050年后各种电力系统选择方案的基本依据。具体内容就是大量发展分布式能源和清洁能源,同时增加智能家居、智能家庭、嵌入式储存和分布发电以及虚拟电池的应用,并通过智能设计和强化电压设计等提高整个电网的自动化、智能化和控制力。
  
  法国政府也同样对智能电网进行政策支持。法国是能源资源相对匮乏的国家,石油和天然气储量有限,煤炭资源已趋于枯竭。鼓励发展可再生能源及智能电网,提高可再生能源在能源消耗总量中的比例,已成为法国政府在制定相关政策时优先考虑的问题。
  
  在德国,很少使用“智能电网”这个名词,而是使用E-Energy,翻译过来就是“信息化能源”。为推进E-Energy的顺利进展,德国联邦政府经济和技术部专门开设了一个网站,用来公布信息化能源的进度,向公众宣传信息化能源建设的益处。
  
  2008年12月以来,德国政府投资1.4亿欧元实施“E-Energy”计划,在6个试点地区开发和测试智能电网的核心要素。2011年,自日本核危机以来,德国毅然加入“弃核”队伍,转向新能源和电动汽车,尤其是后者,今年5月16日据政府消息人士透露,德国政府拟投入10亿欧元补贴,以扶持电动汽车,特别是电池技术的研发。
  
  美国:标准引领智能电网
  
  最近,美国能源部副部长KristinaJohnson在美国无线通信展的研讨会上发表演讲称:“现在有个好消息,那就是美国电网已经成为20世纪首屈一指的创新;但也有个坏消息,那就是它发展的速度实在太慢了。”
  
  Johnson所强调的,也正是奥巴马政府所关注的。现代化的电网建设对美国来讲是头等重要的。智能电网将在帮助消费者省钱的同时,使他们能够监管自己的能源使用情况。智能电网还能使公共事业设备获得实时信息以及时应对电力中断等突发状况。根据有关的报告估计,安装200万只智能电表将为美国的消费者一年内节约数十亿美元。
  
  记者从美国太阳能协会了解到,美国于2004年发布了《国家输电技术路线图》,总结了美国实现电网现代化的主要问题和挑战,并提出相关建议。路线图提出通过五种途径实现国家电网《Grid2030》愿景,包括:设计“Grid2030”体系结构;发展“关键”技术;加速市场接受度;加强电力市场运作;建立更强有力的公共和私营之间的合作关系。路线图还详细介绍了国家电网实现现代化需要开展的一系列活动,但还有一些问题没有涉及到,例如保障这些活动能顺利完成的具体细节、截止日期以及所需要的资源等。这些补充计划还需要电力行业相关单位做进一步思考。
  
  随着2009年美国政府大规模开展智能电网研发和建设,2009年7月,美国能源部公布了《智能电网系统报告》(SmartGridSystemReport),全面检视了美国智能电网发展状况以及发展过程中存在的问题。报告指出,目前美国智能电网发展最大的问题就是费用问题,据统计,美国仅智能电网测量体系就需要投入270亿美元,到2030年美国整个智能电网投入需达到1.5万亿美元。此外,智能电网标准的互操作性以及发展过程中相关政策的变化,也是智能电网发展面临的问题。
  
  目前,美国智能电网相关规划主要有如下几个方面:电力基础设施战略防护系统、GridWise与GridWorks、现代电网计划、《能源自主与安全法案2007》中智能电网规划和经济刺激计划中的智能电网研发计划。
  
  最近,针对美国智能电网建设项目的负面新闻不断增多。例如,建设费用远远超过最初的预算,消费者抱怨家庭内安装了智能电表反而使电费支出增多等。
  
  分析人士表示,如果仅根据这些信息,就认为“美国智能电网项目开展不利”尚为时过早。实际上,如果你能够到当地亲自参观美国智能电网建设项目,从火热的场景与被重视的程度,就可以看出美国希望在能源领域把握如同其在互联网领域那样的“霸权”。美国在互联网领域之所以如此快速发展并掌握主导权,主要是出于政府强有力的扶持、技术的标准化、新成员的纷纷参与加速了市场形成等。实际上,美国智能电网项目建设中,也遵循着相似的规律。
  
  以美国商务部下属的国家标准技术研究院(NIST)为主,美国政府部门研究了智能电网的互操作性与网络安全等各项技术标准。
  
  最近,NIST公布了新一代输电网“智能电网”的标准化框架———明确了75个标准规格、标准和指导方针。其中25个规格和标准是此次公布前确定的。这25项标准包括了智能电表与家用电器可进行双向无线通信的技术ZigBee的智能能源规范(SmartEnergyProfile)。
  
  美国商务部有关官员告诉记者,智能电网建设项目的主力军表面上是电力公司或者地方政府,但实际主导者却是在世界各地拥有分支机构的大型IT企业、在特定领域内拥有核心技术的高科技企业以及非营利组织。这些美国企业或机构无一不拥有强大的全球业务分部。例如,从事IT咨询业务的美国埃森哲公司承担了科罗拉多州博尔德智能电网试点项目“智能电网城市”与荷兰阿姆斯特丹、日本横滨智能城市项目的项目管理,美国IBM公司在世界各地的主要城市提供智能城市咨询与IT服务。
  
  高科技企业方面,最著名的是美国SilverSpringNetworks公司。这家公司为电力公司提供面向智能电网的高级电表架构(AMI)搭建与运行的解决方案。该公司由多个大型高科技企业出资建设,它的执行副总裁兼首席营销官称:“电力公司现在就有必要建设智能电网。”美国加州能源巨头太平洋燃气和电力公司(PG&E)就是该公司的客户。PG&E已经在加州北部部署了大约700万部智能电表。SilverSpringNetworks公司还为加拿大与澳大利亚提供了AMI解决方案。
  
  新成员之中并非仅有IT企业或高科技企业。美国非赢利组织(NPO)最近也展现了在智能电网方面的绝对实力。美国在这一领域中,有很多丝毫不亚于民营企业的规模与业务量的事业型NPO。
  
  欧洲:把海上风电北非太阳能融入电网
  
  “最近,欧盟有关圆桌会议进一步明确要求依靠智能电网技术将大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能电融入欧洲电网,实现可再生能源的跳跃式发展。”欧盟经济和社会委员会官员法尔克告诉记者。
  
  法尔克表示,实现电力供应与需求的互动、协调,最大限度发挥现有电力系统的潜力,实现电力系统效率、可靠性以及电能质量的全面提高,并为用户带来经济效益是欧洲智能电网的基本目标。然而,大量分布式微型发电装置的并网是欧洲智能电网发展遇到的现实问题。
  
  欧洲议会2009年通过了促进可再生能源利用的指令,规定到2020年欧盟地区的可再生能源供应量应达到全部能源供应量的20%。而欧盟15个成员国(EU15)(2004年前欧盟的15个成员国)的可再生能源工业的目标是2020年可再生能源发电量达到总发电量的33%。在一系列能源政策的引导下,欧洲确定了分布式发电的发展方向。与之相适应的研究重点集中在动力与能源转换设备、资源深度利用技术、智能控制和群控优化技术以及综合系统优化技术上。其中,与电网相关的研究主要针对分布式发电系统的电网接入研究,以及解决分布式发电与现有电网设施的兼容、整合和安全运行等问题。
  
  在英国,智能电网的探索方向是可再生能源发电和智能配电。英国能源公司计划建设的8.6GW潮汐发电工程,将成为世界上最大的潮汐发电站,并计划于2020年把利用风力发电获得的电力直接输入城市电网。
  
  但是,可再生能源利用存在一个突出问题,就是目前得到广泛应用的太阳能和风能发电受气象条件影响严重,供应状况稳定性差,气象条件的任何变化都会立即导致发电量变化。在电力需求增加或供应下降时,电网频率有可能发生变化。当大型风电场的风速明显降低,或太阳能电站上空飘过一片云,电网频率可能会下降。若频率下降幅度达到1Hz,应急发电装置必须立即增加供电量;若电网频率下降幅度达到48.8Hz,欧洲电网运行管理中心必须切断部分线路的供电,这意味着一些地区会因此停电。
  
  在英国电网中,典型的电能流向是从北向南,在低压用户端(电压为400V)有一定数量的家庭使用燃气热电联产机组或太阳能光伏发电装置、风力发电装置。虽然原来的输电网仍然存在,但是新建的输电网更多的是互动供电网络。互动住宅供电可以将住宅中剩余的电力逆向输入电网,这是英国电力法中已明确规定的运行方式。因此,电网公司面临着技术上的改进和创新(如需要双向保护等),这种互动供电给电网的稳定控制和调度造成很大困难,不但给电网技术、体系、市场、管理等方面造成影响,而且对传统的供电、发电、输电、配电也是一种挑战。
  
  同时,在用电负荷侧对电网稳定运行的要求进行响应,是近年来智能家电技术发展的新课题。以冰箱为例,冰箱与电网运行管理中心之间可以进行双向信息交换,在电网供需平衡出现异常时,冰箱的控制装置会立即做出响应,根据电网频率的变化幅度以及冰箱内各区域的温度,在完全不耗电或低耗电模式下运行。一般情况下,只要冰箱内相应区域的温度不高于规定范围,压缩机将处于停机状态。不同家电产品的需求响应模式有所不同,目前欧洲家电企业正在积极开发这类产品。
  
  记者从欧盟经济和社会委员会了解到,在欧洲智能电网技术课题中,家用燃气热电联产装置并网技术的发展,将促进燃气热电联产装置的普及。
  
  燃气热电联产装置的并网与太阳能光伏发电装置的并网有相似之处,两者均由电网末端向电网供电。燃气热电联产装置的优点在于,供电时间和功率更易控制。利用智能电网的信息交换功能,使用者可以规定家用热电联产装置向电网供电的时间和供电量。利用智能电网进行协调运行,能够实现双向的实时信息交换,更有利于提高电网的可靠性、电能质量和运行效率。
  
  目前,法国政府鼓励家庭安装微型发电装置,如家用燃气热电联产装置。在利用燃料获得电能的过程中,通常需要先将燃料的化学能转换为热能。按照热力学原理,热能不可能全部转换为电能,发电过程必然产生副产品———热量。热电联产是对发电过程中产生的两种形式的能量———电能和热能均加以有效利用。家用燃气热电联产装置的典型运行方式是,将燃气转换为动力或直接发电,同时回收利用热能。因此,相对于大型发电设备而言,家用燃气热电联产装置的能源利用效率可以提高1倍左右。不过,目前英国家用燃气热电联产装置的安装数量仍然很少,还没有对英国电网运行造成明显影响。
  
  与日本家用燃气热电联产机组主要采用内燃机为原动机的做法不同,欧洲的产品则更多使用外燃发动机为原动机,以斯特林循环为主,少量采用朗肯循环。采用外燃发动机的产品可以使用的燃料种类较多,维护工作量少,不少产品在10年或10年以上的使用期内无需维修。但是,这种产品的热电转换效率较低,通常为15%~20%,结合热利用措施后,一般热利用效率约为80%。2010年,德国大众和LichtbLick能源公司合作生产家用燃气热电联产机组,该产品最突出的特点是采用了先进的烟气冷凝热回收技术,热利用效率高达94%,机组的热电转换效率超过20%。大众公司和LichtbLick能源公司计划的年生产能力为1万台以上。
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