隨著全球新一輪能源革命的不斷深化，當(dāng)前以化石能源為主的供能模式將發(fā)生重大變革，能源結(jié)構(gòu)向多元化轉(zhuǎn)型，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)多種能源形式協(xié)同互補(bǔ)利用成為應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的必然選擇。然而，電、熱/冷、氣等不同類(lèi)型供能系統(tǒng)的互聯(lián)存在負(fù)荷需求峰谷交錯(cuò)、設(shè)備能效低下問(wèn)題；太陽(yáng)能、風(fēng)能等波動(dòng)性能源存在并網(wǎng)接入困難、成本過(guò)高和難以控制等特點(diǎn)；能源系統(tǒng)在需求預(yù)測(cè)和能源管理方面技術(shù)發(fā)展不足；大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)尚未發(fā)展至廣泛應(yīng)用階段；能源系統(tǒng)終端用能部門(mén)的耦合尚不成熟。因此，因地制宜、貼近用戶，將多種能源互相補(bǔ)充和梯級(jí)利用，形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)，發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢(shì)和潛能，是緩解能源供需矛盾，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置和能源利用最大化的可靠途徑。
一、美國(guó)推進(jìn)電網(wǎng)現(xiàn)代化，提出核能-可再生能源復(fù)合能源系統(tǒng)新概念
當(dāng)前，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)都制定了符合國(guó)情的多能互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)施舉措。美國(guó)2015年起提出“電網(wǎng)現(xiàn)代化計(jì)劃”并發(fā)布多年期資助計(jì)劃，成立電網(wǎng)現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟，將傳統(tǒng)能源與可再生能源、儲(chǔ)能和智能建筑整合以建立靈活、可靠、安全的現(xiàn)代電網(wǎng)。美國(guó)通過(guò)“太陽(yáng)能攻關(guān)計(jì)劃”（SunShot）及其后續(xù)“SunShot 2030”計(jì)劃，推進(jìn)太陽(yáng)能的電網(wǎng)集成解決方案，2009年至2018年共投入超過(guò)4.2億美元資助相關(guān)項(xiàng)目。另外，美國(guó)還致力于發(fā)展核能-可再生能源復(fù)合能源系統(tǒng)（圖1），2016年制定了核能-可再生能源復(fù)合能源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)此類(lèi)系統(tǒng)的試點(diǎn)示范。
二、歐盟確定2050年愿景及2030年路線圖構(gòu)建未來(lái)綜合能源系統(tǒng)
歐盟2010年成立歐盟能源研究聯(lián)盟（EERA）推進(jìn)“能源系統(tǒng)集成”和“智能電網(wǎng)”相關(guān)研究。在2015年升級(jí)的“戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃”（SET-Plan）中，提出發(fā)展可再生能源并將其集成至歐洲能源網(wǎng)絡(luò)，以及構(gòu)建以能源用戶為中心的歐洲未來(lái)能源系統(tǒng)。在SET-Plan計(jì)劃框架下，歐盟創(chuàng)建了歐洲能源轉(zhuǎn)型智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與創(chuàng)新平臺(tái)（ETIP SENT），于2018年提出了綜合能源系統(tǒng)2050愿景，即建立低碳、安全、可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)高效、以市場(chǎng)為導(dǎo)向的泛歐綜合能源系統(tǒng)，并在2020年陸續(xù)發(fā)布了綜合能源系統(tǒng)2030年路線圖及第一階段（2021-2024年）的實(shí)施計(jì)劃（圖2）。2020年7月，歐盟發(fā)布《能源系統(tǒng)集成戰(zhàn)略》，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以能效為核心的循環(huán)能源系統(tǒng)、擴(kuò)大終端用能電氣化以及在難以電氣化的部門(mén)提倡使用清潔燃料，且將實(shí)施38項(xiàng)行動(dòng)以加速能源系統(tǒng)集成。
圖2歐盟綜合能源系統(tǒng)2050愿景及關(guān)鍵舉措
三、日本倡導(dǎo)以氫能為基礎(chǔ)、通過(guò)發(fā)展智慧社區(qū)構(gòu)建新型綜合能源體系
日本在2016年發(fā)布的《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中提出利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、先進(jìn)傳感和IoT技術(shù)構(gòu)建多種智能能源集成管理系統(tǒng)。同時(shí)，日本高度重視將氫能納入到未來(lái)的綜合能源體系中，提出建立以氫能為基礎(chǔ)的二次能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多維、多元、柔性的能源供需體系。日本政府倡導(dǎo)發(fā)展智能社區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)，在綜合能源系統(tǒng)（電力、燃?xì)?、熱力、可再生能源等）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與建筑、交通、供水、信息的一體化集成，從2010年開(kāi)始在多地推行智能社區(qū)綜合能源系統(tǒng)示范，并在2016年提出“福島系能源社會(huì)”計(jì)劃，通過(guò)在福島推廣可再生能源、構(gòu)建氫能社會(huì)模式、建立智慧社區(qū)以構(gòu)建新型的能源系統(tǒng)（圖3）。
圖3福島新型能源系統(tǒng)構(gòu)想
四、多能互補(bǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展
多能互補(bǔ)系統(tǒng)涉及多種能源形式的有機(jī)耦合和終端用能的優(yōu)化整合，還需在系統(tǒng)管理環(huán)節(jié)確保效率、靈活性和供應(yīng)安全，其關(guān)鍵技術(shù)包括分布式能源、多能混合建模、綜合能量管理系統(tǒng)、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能技術(shù)等。
1、分布式能源是小規(guī)模的能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)，通常會(huì)按照負(fù)荷的特點(diǎn)，注重能源的梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)電、熱（冷）等多種形式供能，能源利用率高、供能靈活、個(gè)性化強(qiáng)，可滿足多重用戶需求，是集中式供能的有力補(bǔ)充。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）是典型的分布式能源系統(tǒng)，近年來(lái)逐漸向多種可再生能源與常規(guī)天然氣聯(lián)供系統(tǒng)相結(jié)合的綜合系統(tǒng)發(fā)展。
2、多能混合建模描述了不同類(lèi)型能源的運(yùn)行和互補(bǔ)轉(zhuǎn)化，確定了能量流分布，是多能互補(bǔ)集成優(yōu)化和其他關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。目前受到廣泛認(rèn)可的多能互補(bǔ)系統(tǒng)通用建模方法是能量樞紐（Energy Hub），許多研究者針對(duì)EH的輸入、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和輸出四個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。
3、綜合能量管理系統(tǒng)是多能互補(bǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，通過(guò)信息流調(diào)控能量流來(lái)保障多能互補(bǔ)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外在多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合能量管理方面的研究尚未形成基礎(chǔ)理論體系，也缺乏成熟的系統(tǒng)應(yīng)用研究。
4、多能互補(bǔ)系統(tǒng)中存在多種形式的能源，因此需要協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诙嘀悄芟到y(tǒng)的分布式協(xié)同控制是實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的重要途徑，需考慮不同能源形式的多時(shí)間和空間尺度的協(xié)同調(diào)度策略。針對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化調(diào)度研究目前尚未形成體系，需要針對(duì)復(fù)雜能源網(wǎng)絡(luò)下的各種能源系統(tǒng)的運(yùn)行及生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行研究，其本質(zhì)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)有約束的規(guī)劃問(wèn)題。
5、儲(chǔ)能技術(shù)是促進(jìn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能等電力儲(chǔ)存以及儲(chǔ)熱技術(shù)等。不同儲(chǔ)能方式各有特點(diǎn)，因此適用于不同場(chǎng)景。抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能通?？捎糜陔娋W(wǎng)的削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器則可用于改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定輸出，儲(chǔ)熱技術(shù)則可解決綜合能源系統(tǒng)中的熱需求和供給的不平衡，平抑需求側(cè)的熱負(fù)荷波動(dòng)。未來(lái)多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，更為廣義的儲(chǔ)能還包括通過(guò)車(chē)輛到電網(wǎng)技術(shù)將電動(dòng)汽車(chē)作為儲(chǔ)能單元，以及通過(guò)新能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，將氫氣作為儲(chǔ)能的介質(zhì)，注入氣網(wǎng)進(jìn)行供熱或通過(guò)燃料電池為交通網(wǎng)絡(luò)提供動(dòng)力，起到消納可再生能源、調(diào)節(jié)供需的作用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、冷/熱網(wǎng)和交通網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡(luò)的耦合。
五、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策建議
我國(guó)以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了碳排放超標(biāo)、顆粒物污染等環(huán)境問(wèn)題，擴(kuò)大清潔能源的開(kāi)發(fā)是目前我國(guó)能源發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向，迫切需要發(fā)展多能互補(bǔ)技術(shù)以改革能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建現(xiàn)代能源體系。因此，我國(guó)政府對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)日益重視，先后出臺(tái)一系列支持政策，啟動(dòng)重大研發(fā)項(xiàng)目開(kāi)展技術(shù)研究，并部署了一批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程和“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項(xiàng)目。
然而，我國(guó)在多能互補(bǔ)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用方面均面臨許多挑戰(zhàn)，在多能互補(bǔ)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、多能流建模、綜合能量管理及協(xié)調(diào)優(yōu)化方面均與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距，在多種類(lèi)型多能互補(bǔ)系統(tǒng)的示范應(yīng)用方面才剛剛起步。因此，需進(jìn)一步從基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)政策、基礎(chǔ)設(shè)施、財(cái)政補(bǔ)貼、國(guó)際交流等方面采取措施，爭(zhēng)取盡快實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用，構(gòu)建智能、可靠、靈活、低碳的現(xiàn)代能源體系。具體建議包括：
（1）注重一體化、智能化的多能互補(bǔ)系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)和區(qū)域多樣化系統(tǒng)方案開(kāi)發(fā)；
（2）政府部門(mén)出臺(tái)多層次支持政策和做好規(guī)劃協(xié)調(diào)，促進(jìn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)展；
（3）技術(shù)研發(fā)上高度關(guān)注信息技術(shù)和能源技術(shù)深度融合的智慧能源技術(shù)；
（4）大力發(fā)展多能互補(bǔ)系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施；
（5）加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，分享成功案例和經(jīng)驗(yàn)。
***********************************************************
本文摘選自《國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2019》“第5章多能互補(bǔ)系統(tǒng)國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析”。
