能源行业的变革需要信息技术支撑
发布日期：2018/6/13
在物联网概念已被炒得火热的今天，大家似乎很少提到一个已经存在了上百年，并且已经深深嵌入城市和家庭每个角落的大网——电网。这个网络不仅将所有的发电及用电设备连接起来，还须保证发电量和用电量时刻保持平衡。这就意味着，像打开一盏灯这样的一个简单动作，也可能引发千里之外电网发电端的一次微小调整。
这个网络之所以让大家觉得很遥远，是因为在大多数情况下，它都是单向的：我们只是电力的纯消费者，电网与人们的联系好像只有每月的电费账单，而电网背后的复杂运行机制和普通消费者并没有直接联系。而这一切即将被蓬勃发展的新能源产业以及随之而来的能源行业的变革所打破。
新能源和传统能源相比，除了大家已经熟知的绿色无污染的优点外，还具备另外两大特征：分散性和不稳定性。在新能源的发展先驱地德国，随处可见的屋顶光伏发电设备和分散在田间路旁的风力发电机所输出的电力，就像无数的涓涓细流一样汇入广阔的电网。2016年，以风能和太阳能为代表的新能源发电在德国电力的生产比例已经超过30%。
与传统能源主要被大型发电集团控制不同，德国大部分的新能源发电设备都属于个人或小业主。对于电网来说，这一变化所带来的影响是革命性的。前面已经提到，为了维持电网的稳定，发电量和用电量必须保持平衡。过去，这种平衡主要是通过调节发电端的发电量来实现的，而当分散在全国各个角落且不可控的新能源发电所占的比例越来越高的时候，这一调节方式就越来越难以为继了。
2016年5月8日，德国出现了历史性的一刻，在几个小时的时间里，德国的新能源发电总量(主要是风能和太阳能)居然达到接近其用电总量95%的高峰，这就意味着，整个德国在这几个小时里几乎全由风能和太阳能驱动!
当然，这一现象具有一定的偶然性：首先是天气的完美配合，即德国北部(风电集中)的强劲风力和德国南部(太阳能集中)的充沛阳光同时出现;其次，当天是一个周日，德国的整体用电量相比工作日来说有所降低。而对于整个能源市场来说，这一偶然事件所引发的连锁反应却几乎颠覆了整个市场结构，即电价由正常的3欧分/千瓦时跌至最低–32欧分/千瓦时，这就意味着在这几个小时内，用电居然还可以赚钱!
导致这一不可思议的现象发生的原因是：在德国，虽然能源的交易已经全面市场化，但由于德国能源法保障可再生能源必须全额上网，因此新能源的发电量越大，留给其他传统能源的份额就越小。电作为商品的特殊性就在于其生产和消费必须即时进行，存储的代价极大。而传统能源由于设备运转的需求，发电量有一个最低极限值，所以当传统能源的发电份额被新能源挤到低于其最低发电量时，就必须通过补贴的方式，将多余的发电量卖出去，以免威胁电网的稳定，这才造就了这一“负电价”现象。
能源行业的变革需要信息技术的支撑
从上面这个德国电力市场负电价的例子可以看出，虽然从全年来看，新能源发电量只占发电总量的1/3，但由于新能源发电的不稳定性，在某些时间点，新能源的发电量将可能远远超出平均水平，这将给电网和电力市场带来巨大冲击。如果不能解决这一问题，新能源的进一步发展将受到极大的限制，而这正是信息技术可以大显身手的痛点。
首先是解决由新能源的分散性所带来的发电量的不可控问题。正如叫车软件滴滴打车将在路上盲目“扫街”的出租车司机有序地组织起来一样，利用信息技术同样可以将分散的新能源发电单元协调组织起来，形成一个大型的虚拟电场。这一领域已经涌现了很多初创公司，代表企业是德国的NextKraftwerke公司，其目前已经接入4000多个新能源发电单元，总体发电功率已经达到2.7吉瓦(GW)，相当于一个大型火电站的发电能力。它的运行模式是在每个发电单元安装一个叫作“NextBox”(下一个盒子)的通信和控制组件，NextBox通过一个专门的加密GPRS(通用分组无线服务)信道与中央服务器相连，一方面将发电单元的实时数据传送到中央服务器，另一方面接收服务器的控制指令，这样就可以对电网以及电力市场进行实时响应。它的商业模式是：一方面可以将小型发电单元打包成大型发电厂，从而直接进入电力市场进行交易，获得更高的电价;另一方面可以利用自己的快速响应能力，为电网提供调峰服务，从而获得进一步的收益。
其次是解决新能源发电不稳定的问题，基本可以分为三个技术方向。第一个方向是运用信息技术对新能源的发电量进行预测，从而通过电力市场机制提前对未来新能源的发电量做出相应反应，避免电网出现大的波动。欧洲电力市场根据交易与实际电力交付的时差可分为远期(Future)市场、日前(Day-ahead)市场、日间(Intra-day)市场以及平衡(Balancing)市场。远期市场可以交易未来数月甚至数年的电力，日前市场是在实际电力交付前一天进行交易，日间市场则是在当天提前数小时进行交易，而平衡市场是为了维持电网的稳定以15分钟为单位进行的交易。
针对欧洲电力市场的要求，法国初创公司Steadysun根据不同的预测周期和精度为太阳能发电量预测提供了一个三级系统，它们分别是：SteadyMet、SteadySat和SteadyEye。第一级系统SteadyMet主要基于气象模型和太阳能发电单元的历史运行数据，并综合运用智能学习算法，提供未来几天的太阳能发电量预测，主要可用于日前市场交易。第二级系统SteadySat在此基础上加入了每小时更新1~4次的实时卫星图片信息，从而能够比较准确地预测太阳能发电单元被云层遮盖的程度，可以提供对最多6小时后的太阳能发电量的更精确预测，主要可用于日间市场交易，并及时对第一级系统的预测误差进行修正，从而减少损失。第三级系统SteadyEye则可以提供对未来15分钟发电量的精确预测，它通过在太阳能发电单元附近加装一个观察云层运动的摄像头，捕捉云层的运动轨迹，再通过对云层运动的物理建模，实现对云层遮盖非常精确的预测，主要用于实时电网的稳定控制。
在风能发电量预测方面，比较有特色的是德国的初创公司Ener，它开发了基于云端智能算法的发电量预测服务。预测算法可以分为两个部分。第一部分是对气象参数的预测。由于影响风力发电机发电量的气象参数非常多，如风速、风向、空气密度、湿度、气压等，为了综合各气象模型和气象信息，Ener推出了ensembleengine(集成引擎)，它将各种不同的气象信息和模型融合起来，并根据特定风电场的历史观测数据，通过自学习算法来设定它们的权重，从而获得最优的预测效果。第二部分是基于气象参数的发电量预测。对于风能发电来说，不仅是众多的气象参数，甚至周围的地形和附近的其他风力发电机都会对发电量产生不同程度的影响，因此用传统的物理建模预测方法很难进行精确预测。Ener公司推出了基于人工神经网络的风力发电量预测算法，它首先使用历史数据(包含气象参数和特定风力发电机的发电量)，对人工神经网络进行训练，然后再由人工神经网络基于第一部分的气象参数预测得到发电量预测，并且在运行过程中持续地将实测数据反馈回神经网络以进行迭代训练，从而不断提升预测精度以及持续跟踪风力发电机本身运行状态的变化。
对于前面提到的像NextKraftwerke公司这样的虚拟电厂运营商来说，由于电力交易需要提前进行，新能源发电量的预测服务是不可或缺的。甚至对于传统能源发电企业来说，新能源发电量的预测服务也越来越重要——它不仅可以避免前文提到的负电价的出现，而且根据预测，如果未来几天的电价由于新能源电力的大量涌入而降到成本以下，那么传统能源发电企业就可以提前适当减少发电量以避免亏损。
第二个技术方向是通过用电端的主动调整来适应新能源的不确定性。在工业用电方面，有很多工业流程是可以在一定范围内灵活调整对电力的使用而并不影响最终产品质量的。在挖掘这方面的潜力上，比利时的初创公司REstore在冶金、造纸、化工等很多工业领域已经获得了上百家客户。REstore的商业模式从对每个客户的用电特性进行分析开始，据此量身定制电力调节方案，比如在哪些时间段可以减少多大比例的用电量。当这些工业企业在电网发电端供应不足时(如新能源发电量较低时)，便会在REstore信息系统的指挥下，调低相应的用电负荷。而当电网发电端供应过大时，则开足用电负荷。在整个过程中，REstore不收取任何费用，只通过参与电网稳定控制[也就是前文提到的电力平衡(Balancing)市场交易]，从客户获得的额外收益中抽取一定比例的佣金。对电网来说，主动参与电网稳定控制的用电企业越多，需要准备的备用发电能力就越少，相应的整体发电成本也会随之降低。可以说，REstore塑造了一个多赢的格局。
第三个技术方向是通过储能设备在新能源发电量大的时候储存电力，在发电量小的时候输出电力。这是补偿新能源不稳定性最有效的方式，随着新能源发电份额的不断上升，大规模储能将不可或缺。
2017年2月15日，澳大利亚南澳地区发生的大停电事故，部分原因就是新能源发电量低于预期，同时电网又缺乏足够的储备发电能力，而这已经是南澳地区在几个月内发生的第三起大停电事故了。针对这一挑战，特斯拉创始人埃隆˙马斯克在社交媒体推特(Twitter)上公开宣称，他们有能力在100天的时间内安装100兆瓦时(Mwh)的电池储能设备，从而完全解决南澳地区的电网稳定性问题，并许诺如果不能在100天内完成，将免费提供所有电池储能设备。这个听上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亚官方的积极回应，并最终促成了澳大利亚总理马尔科姆˙特恩布尔(MalcolmTurnbull)和马斯克的会面。马斯克的底气来自2017年1月在美国加州落成的特斯拉电池储能项目，它用3个月时间建成了可以为15000个家庭提供数小时电能的电能存储设备。加州阳光充沛，白天的光伏发电充足，甚至常常超过需求，但到了晚上仍需要用传统的燃气发电来补充电力供应。2015年加州发生的燃气泄漏事故，不断加强的环保要求，以及即将关停核电站的计划，都促使政府不得不寻求另外的解决方案，而电池储能可以很好地满足这一需求，即可以将白天富余的太阳能电力存储起来以便夜间使用。
除了大规模集中使用的场景，电池储能技术目前也出现了以家庭电池储能为核心，综合了家庭光伏发电和家庭智能能源管理的商业模式。由于新能源发电的分散性，分布式的家庭储能是未来非常有希望的解决方案。将这种模式带入公众视野的仍然是特斯拉公司，它于2015年发布了家庭电池能量墙(PowerwallHomeBattery)。不过，这个领域目前的实际领跑者是德国的初创公司Sonnen，它占据了全球家庭光伏储能市场将近1/4的份额，并于2016年成功获得了包含中国远景能源参与的新一轮融资。Sonnen首先以解决家庭屋顶光伏应用对储能的需求为切入点：由于光伏发电的高峰是白天，而家庭的用电高峰却在晚上，因此发电和用电高峰之间存在错位，即使将白天的电力出售给电网，晚上再由电网供电，也仍然要支付由电网成本导致的出售价格低于买入价格的价差。而通过家庭储能则可以将白天的光伏电力存储起来留待晚上使用，这样就能显著降低家庭的电费支出。
在此基础上，Sonnen还在它的储能系统上进一步集成了家庭智能能源管理系统，目前它最多可与三台家庭用电系统(如洗衣机、烘干机等)相连接，在有富余光伏电力的情况下，会首先启动这些设备进行工作，从而在一定程度上降低对储能电池容量的需求。
另一方面，Sonnen公司的储能系统还可以将富余的储存能力用于为电网提供稳定控制服务，从而获得进一步的收益。针对没有光伏发电设备的家庭，Sonnen公司提供了“Sonnen社区”(Sonnencommunity)的商业模式，通过安装Sonnen的储能系统，用户可以获得长达10年的每年2000度的免费用电额度，超出这个额度之后，用户还可享受优惠电价，这样节省下来的电费就远远超过了购买储能系统的成本。一方面，这使得用户可以拥有更多的存储能力，另一方面，这些用户的用电需求又使得连入Sonnen储能系统的光伏发电单元的富余电力有了新的变现渠道，由于跳过了中间环节，不管是发电端还是用电端，都可以获得更好的电价。目前，Sonnen公司正在将这一模式进一步推广到风能和生物质能领域。
对于电网来说，Sonnen的储能系统一方面减轻了家庭光伏发电和家庭用电错位所带来的调峰压力，另一方面还可以将富余的存储能力“打包”成一个大的蓄能池，可以有效地补偿新能源发电的不稳定性。未来，这一商业模式还可以扩展到目前正在如火如荼发展的电动汽车行业。、
在储能应用这一全新的维度上，相对于传统燃油汽车，电动汽车具有颠覆性的优势。对于家用车来说，其实全天大部分时间都处于非工作状态。在这些时间里，连入电网的电动汽车电池就有可能作为电网的储能部件，参与电网控制，所获得的收益可以在很大程度上摊薄电动汽车的电池成本。
为了充分发掘电动汽车的储能功能，首先需要升级电动汽车的充电系统。目前，大部分的电动汽车只有单向的充电功能，因此也只能提供单向的储能能力，即通过智能充电软件控制电动汽车，在电网负荷较小时(如夜间)进行充电。这一领域未来的发展方向是进一步改进电动汽车的充电和电池系统，使电力能够实现双向流动，从而更好地发挥其作为电网储能元件的作用。日本三菱公司已率先推出带有充放电功能的电动汽车，德国宝马公司也在积极测试相关技术与产品。
其次，我们还需要考虑对分散的电动汽车进行协调控制的问题。前面提到的NextKraftwerke公司和Sonnen公司的基于信息技术的解决方案可以非常方便地扩展到这一领域中。未来，只要用户输入一个出行计划，电动汽车的智能管理系统就可以自动生成一个最优的充放电程序，在保证电动汽车运行所需电量的前提下，将剩余的存储能力连入“虚拟电厂”，从而为用户获得最大收益。
另一方面，电动汽车的电池作为储能部件的寿命，甚至远远大于它为电动汽车工作的寿命，由于电网储能对电池性能的要求远远低于电动汽车，因此当电动汽车的电池容量衰减到一定程度时，虽然无法满足电动汽车续航里程的要求，但可以继续为电网储能服务。目前，德国汽车行业的领军企业宝马公司和博世公司就正在德国汉堡合作建设一个新型储能项目，它被命名为“电动汽车电池的第二生命”，这个项目以从宝马牌电动汽车上退役的电池为基础，重新设计并组合成一个26米长、6米宽的储能大电池，未来它将为德国北部不断增加的风能发电份额提供电网调节服务。这同时也意味着，通过对退役电动汽车电池的再利用，可以进一步降低电动汽车的整体成本。
电池储能技术虽然有非常多的优点，但由于其较高的成本以及能量衰减率，主要适用于短期电力调峰的应用场景，并且需要和其他储能技术相配合。目前，世界各国都在争相研究各种针对不同地理、环境条件的储能技术。
首先是以抽水蓄能为代表的大型储能电站，它是历史最悠久的储能技术，其优点是能够大规模、长时间地储存电力，缺点是对环境资源的要求较高。为了适应快速增长的储能需求，德国政府正在想方设法地提高抽水蓄能能力，其中一个很有创意的方案是对老工业区已经废弃的煤矿的重新利用。由于矿井常常有数百米深且面积很大的地下空间，经过改造，可以在电力富余时将水从矿井底部抽到地面，在电力不足时将水回流到矿井底部并同时产生电能。
在海上风能蓬勃发展的大背景下，德国的弗朗霍夫研究所(FraunhofeInstituteforProductionTechnology)正在开发深水储能技术，它的基本原理是将一个大型蓄能装置沉入大约200米深的海底，利用海上风力发电所产生的电能将水从蓄能装置中抽出，在需要输出电能时，让水在海底巨大压力的推动下，重新进入蓄能装置并发电。目前，研究人员已完成了对模型样机(体积缩小比例为1∶10)的测试，由于未来海上风能将为欧洲提供相当份额的能源供应，深水储能装置将有很好的应用前景。
在陆上风能的应用场景中，蓄水储能也可以和风能进行深度融合。德国正在建设一个新型陆上风场，它将风机的基础部分直接设计成了一个几十米高的蓄水库，而风机的主体结构则建立在这个蓄水库上面。与一般的风机基础相比，这相当于将风机抬高了几十米。在一般情况下，由于风速与高度呈正比，因此这会在很大程度上增加风机的发电量，而这部分额外的收益将来可以抵销修建蓄水库的成本。多个风机的蓄水库之间还可以互相连接，共同构成一个与风场紧密结合的蓄水储能系统，从而有效地平衡风力发电的不确定性。
其他的大规模储能方案还有压缩空气、电解水形成氢气等。由于现在没有哪一种储能技术可以“一家通吃”，因此未来的储能系统也必然是由数量众多，地理上非常分散，内部机理也各不相同的储能单元构成，它们适用的场景和相应的成本存在很大的差异，这就需要一套非常完善的信息系统对各个储能单元进行协调控制，以发挥它们的最大效能。
能源系统的重构将带来基于信息技术的新商业模式
随着新能源份额的不断提升，能源系统未来将逐渐被重构。未来的能源系统将主要由分散的发电单元、分散的用电单元以及分散的储能单元构成，同一个节点还可能具有多重角色。比如，一个装有家庭光伏发电设备和电池储能设备(或电动汽车)的家庭，就同时具备发电、用电和储能的所有角色功能。这与当初互联网将大众从单一的信息接收者，变为兼具发起者与接收者的双重角色非常像。未来，这样的新型能源节点将为信息技术的广泛应用和大量新商业模式的涌现提供非常肥沃的土壤。
比如，方兴未艾的区块链技术未来就很有可能改变传统的电力交易模式。未来电网的交易首先将由单向变为双向，比如前面提到的装有家庭光伏发电设备或其他储能设备的家庭，它们既是能源的消费者，也是能源的生产者或电网服务的提供者。其次，电网交易主体的数量将空前增加，每个家庭，甚至每台联入电网的电动汽车都将是一个交易主体。这些交易主体的规模都很小，而且很分散，甚至是可移动的。另一方面，就像前面提到的，电网需要在每一时刻都维持动态平衡，同一度电或同一容量的储能服务在不同的时间和地点，其价值是不一样的，因此如果按照传统的交易方式，将会产生很大的交易成本，这是大量小规模的交易主体所无法承受的。而区块链作为一种去中心化的交易手段，未来将很有希望为能源互联网提供基础交易服务。
在这一方向上，美国初创公司TransActiveGrid(交互式电网)于2016年推出了基于区块链技术的个人电力交易平台，它使得用户可以非常方便地将多余的屋顶光伏电力卖给周围的邻居，而无须跟每位买家签订条款烦琐的合同。德国能源巨头Innogy公司联合初创的物联网平台企业Slock.it推出了基于区块链的电动汽车充电服务“Blockge”，用户无须与电力公司签订任何供电合同，只需下载一个手机应用程序，并完成用户验证，即可在Innogy广布欧洲的充电桩上进行充电，电价由后台程序自动根据当时与当地的电网负荷情况实时确定。由于采用了区块链技术，整个充电和电价优化过程是完全可追溯和可查询的，因此极大地降低了信任成本。这一模式可以非常方便地扩展到分属各国不同电力公司的充电桩上，甚至是私人电动桩上。在德国，私人充电装置的数量是公用充电桩的10倍，Blockge的升级版将这些资源也纳入服务范围，只要在私人充电装置上安装一个嵌有信息收集芯片的插头，就可以非常方便地接入Blockge的服务网络，这一模式将进一步促进电动汽车的快速普及。
能源信息安全不可或缺
在将各种信息技术引入能源领域的同时，信息安全问题也日渐成为能源行业的重大课题。由于能源是日常生活的必需品，它对安全的要求也相应是最高的。在过去相当长的时间里，大家对能源信息安全的讨论还仅仅停留在理论阶段，直到2015年12月23日。当时，乌克兰的电力信息系统受到恶意攻击，黑客利用软件漏洞侵入电力系统控制程序，切断了近20万户居民家中的电力供应，持续长达数小时之久，这对于正在严冬中苦熬的乌克兰居民来说无异于一场灾难。这样的恶性攻击在2016年再次上演，攻击对象依然是乌克兰，黑客再次成功地侵入电网输电控制系统，只是这次攻击所产生的影响比2015年的要小一些。
在接连出现重大事故之后，能源信息系统的安全问题得到了非常广泛的关注。传统电力系统的设计充分考虑了各种随机发生的自然灾害(如台风)的影响，却对系统性的恶意攻击缺乏足够的抵抗力。为应对可能的危机，北美电力稳定组织(NERC)已制定了相应的行业法规，提出了对电力信息系统安全保护的具体要求，并组织了对电力系统的模拟攻击，以验证安全等级。但目前，这些保护措施只考虑了大型骨干输电网络和设备，对于连接千家万户的小型配电网络和设备并不适用，而2015年针对乌克兰的攻击事件恰恰发生在跟大家生活紧密相关的小型配电网络领域。未来，各种新能源发电设备将导致电网布局更加分散，使电力信息安全管理更加困难，但对于信息安全技术来说，这同样意味着广阔的市场空间。未来，每家每户都可能需要安装能源系统软件防火墙，就像现在的家用电脑防火墙一样。
结语
以上提到的信息技术解决方案和商业模式只是未来能源变革大风口的冰山一角，新能源发展的先驱德国正在如火如荼地执行着它的能源转型计划，希望把目前新能源占能源生产总量30%的份额进一步提升到2030年的50%，以及2050年的80%。中国的“十三五”规划也将目标设定为，到2020年将新能源装机容量提升到35%。而信息技术将会在未来的能源体系中发挥基础性作用，将可预测且可控的分布式新能源与可即时响应的工业和家庭用电、储能单元相串联，其实就是在目前的电力网络上加了一层信息网。这两张网之间的智能交互就构成了能源互联网，它将使得未来构建以新能源为主体的清洁能源体系成为可能。
来源：科技前哨
