未来的能源系统:去中心化和虚拟发电厂

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技术创新和新趋势可以产生更灵活、更有弹性和更高效的能源网格。 监管机构是否会大胆地释放这些新系统的真正力量。

未来的能源系统:去中心化和虚拟发电厂

在大阪的Dotonburi区散步是一项精力充沛的活动。 彩虹色的莫扎里拉热狗只是其中一个古怪的东西。 在欣赏霓虹灯的同时,我喜欢彩虹色的奶酪。这些生动的灯光激发了Blade Runner电影中的未来城市景观,但直到今天,它们还是由一个基本保持不变的电网供电一百多年。 全世界的网格也是如此。 但是,我们可能处于彻底变革的尖端。城市和当局正在努力解决如何为电动交通、住宅和机器人技术清洁低碳的未来提供动力。 到2025年,数以万亿计的连接设备和相关数据中心可能占全球电力的五分之一。在发展中国家,越来越多的人将首次获得电力供应。 随着收入(和温度)的上升,人们对空调的需求也会增加。 所有这些因素都增加了集体的热情。

根据国家电网的数据,预计到2050年全球年度电力需求将比2017年增加57%。英国2050年高峰时期的需求可能比今天高出42%。能源部门面临的挑战不仅是在脱碳时满足未来的需求,而且还要在此过程中创建更灵活,更有弹性和更高效的系统。除了将氢气作为长期跨部门可再生能源储存的关键解决方案,日本正在通过包括大阪在内的众多项目探索电网的分散化和数字化。

去中心化是一个完整的循环

在20世纪初推出大规模电网之前,电力从本地开始,然后分散开来,在城市中运行着一系列微电网。 工厂和屋苑有自己的独立发电机和布线网络。然后将这些隔离的微网格集成并集中。 较大的“公用事业规模”发电站为整个城市的家庭和企业提供服务,并且由于交流电(AC)的出现,可能会位于距电力使用地方数英里的地方。现在,如果去中心化扎根并推广出去,那么我们可能会展开地更加全面 - 这一次是由可再生能源技术的进步,能源储存和数据的力量带来的,而不是爱迪生和他的灯泡。

分布式能源

去中心化涉及拥有和运营发电和/或存储资产的房主、小社区或企业,主要供自己使用。这些资产,或者说是在该领域众所周知的分布式能源资源(DERs)正在逐年增长,包括:太阳能光伏(PV)面板,风力涡轮机和锂离子电池存储(例如电动汽车,e- 自行车和电动滑板车)。

未来的能源系统:去中心化和虚拟发电厂

[上面的Navigant Research图片显示了全球分布式太阳能PV加上电池存储容量(MW)和供应

去中心化的潜在好处包括:更大的复原力,防止大面积停电; 更灵活地每日使用间歇性可再生能源储存的能源; 更便宜的能源; 和自下而上的脱碳。

与邻居交易能量

去中心化为DER的所有者提供了彼此间对等(P2P)交换剩余能量的可能性,可能使能源公司的传统角色变得多余。 能源公司意识到去中心化带来的威胁,并且正在积极探索他们可以在新范例中提供哪些服务。 消费者现在也可以生产能源,创造一个新的市场主角 - “专业消费者”。关西电力公司(KEPCO)于2018年宣布了两个项目,在日本大阪研究和试点P2P太阳能光伏电力交易。 该试点将使用澳大利亚公司Power Ledger的区块链技术来记录交易。Power Ledger的联合创始人大卫·马丁说:“试验将看到KEPCO在日本大阪市的选定地点分享参与者的数据,这些数据最初可达10个家庭。

“我们正在向KEPCO提供Power Ledger交易平台,以促进和监控参与者之间的能源交易。

“如果我们想要从能源系统中获得根本不同的结果,我们需要采用一种根本不同的方法。”

另一个KEPCO项目将研究经济方面。 该公司在一份声明中解释说:“我们已经开始对确定光伏发电产生的剩余电力价格的实证研究,以及一个能够直接交易的新系统。”KEPCO也不是第一个探索这个领域的人。 由LO3 Energy领导的纽约市布鲁克林微电网于2016年展示了一项基于区块链的P2P太阳能交易。今天签署该计划的居民数量已增至约500家,其中60家运营屋顶太阳能光伏电池和电池存储( 消费者)和其他(消费者)使用当地生产的能源。微电网的能源市场将于今年投入使用,首先是仿真时期,然后真正的资金和能源转手。

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LO3为其微电网项目设计并建造了一个定制的智能电表系统。该系统将电力使用实时传达给基于云的市场软件,并且还允许远程控制太阳能和电池资源。如果P2P能源交易规模扩大,数字化和自动化将是关键。Energy Systems Catapult能源系统架构高级经理Daniel Mee解释说:“我不认为大多数人会在早上起床,决定将下半小时的能源出售给当地的便利店。然后在早餐后,与其他人交换能量。这不切合实际。如果它要大规模起飞,那么它必须是自动化的。“能源系统Catapult是英国政府的能源创新中心,在英国这个领域有很多活动。 EDF能源和伦敦大学学院目前正在伦敦布里克斯顿试行P2P能源交易计划 - 再次使用区块链。 Elmore House的居民将能够通过应用程序选择是否使用太阳能光伏阵列和安装在屋顶上的电池存储来使用或交换能源。

如果P2P能源交易规模扩大,数字化和自动化将是关键

EDF Energy研发部主任Xavier Mamo表示:“布里克斯顿的这个项目旨在展示密集城区的小社区如何以新的变革方式从低碳和本地能源系统中受益。”目前,英国消费者之间相互买卖电力是非法的。然而,监管机构Ofgem允许飞行员偏离监管。对监管的永久性修改有助于进一步开展这项创新。P2P能源交易也变得越来越重要,因为英国政府资助的新型小型太阳能和其他可再生能源设施的上网电价计划已经结束。该计划保证了剩余能源回馈电网的价格,并将在2020年被市场主导的定价机制取代。至关重要的是,只有大型能源供应商才能从家庭购买剩余能源。启用P2P交易可以确保更好的市场运作,帮助可再生能源在这个棘手的过渡阶段进行导航。

将流动视为能量

除家用电池存储外,EV电池看起来也将成为分散式未来的一部分。截至2018年底,全球轻型汽车电动车库存量超过500万辆,到2040年增长到162至5.48亿辆。EV电池可以帮助短期存储多余的能量 - 例如来自间歇性可再生能源 - 并提供必要的电网平衡服务。这些措施包括确保供应完全满足以秒来计的需求,并保持电力频率不变。英国能源公司OVO与日产一起领导全球首个大型车辆到电网(V2G)项目。当需求低时,专门构建的充电器自动为日产Leaf电池供电,并在需求高时将多余的能量输回电网。第一台充电器于2018年12月安装,为1,000户家庭提供资金,参与为期两年的计划。我们很可能会在不久的将来看到包含电动车电池的P2P能源交易项目。

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[中国和世界其他地区的年度电动自行车销售额:2016-2025(资料来源:Navigant Research)

如果电动滑板车,电动自行车和电动公交车的迅速崛起继续下去,它们也可以用作更广泛的移动电网(M2G)系统中的分布式能源资源。目前全世界有2亿辆电动自行车在使用,预计到2050年将增加到20亿辆。全球公交车队的电气化也在进行中,今天有40万辆电动公交车在路上行驶。拥有停靠电动自行车的城市,如里斯本,可以证明在短期内展示这一概念的沃土,以及为电动自行车和电动摩托车车主提供的基于家庭的电网连接。对于无人驾驶的电动滑板车和电动自行车对电网更有用,需要在公共场所中适当充电基础设施的大量增加。然后可以在空闲时连接到电网,而不会影响运行模型。车对网(V2G)可以为移动到网格(M2G)铺平道路。如今,电动汽车停放在96%的时间,为V2G互动提供了充足的机会。然而,预计未来的共享自主电动汽车将停放得更少。因此,无人驾驶汽车的V2G的性质将是不同的,可能更少的电网服务是合适的。顺便提一下,锂离子电池价格的不断下降有助于通过电动汽车和家用电池存储的增长推动分散化。 2010 - 18年平均电池组下降了85%。然而,其他电池技术也引起了兴奋。特斯拉最近完成了对Maxwell Technologies的收购。 Maxwell拥有获得专利的超级电容器电池技术,据称其能量密度比特斯拉目前的产量高出45%。

虚拟电厂

利用数字技术将EV电池和其他分布式能源(包括智能家电)聚合到“虚拟发电厂”(VPP)这一概念近年来已经引起了人们的关注。 VPP也称为虚拟能源系统(VES),可以看作类似于通过移动即服务(MaaS)破坏运输部门的数字平台。物联网技术可以从这些资源中收集数据并远程控制这些资源。然后,算法可以优化当地区域或城市的能源系统,以满足最终客户的需求。特斯拉正在政府的支持下,在南澳大利亚建造世界上最大的虚拟发电厂。该计划涉及50,000个配备太阳能光伏和电池存储的家庭。2018年为第一阶段装备了100套住房,现在又有第二套住房用于第二阶段,然后在2019年开始扩大到50,000套。该倡议旨在降低能源价格并提高电网稳定性。英国和日本政府也热衷于探索VPP。 今年4月,英国政府宣布为4个VPP项目提供1.025亿英镑资金:Energy Superhub Oxford,ReFLEX Orkney,Project Leo(Local Energy Oxfordshire)和Smart Hub SLES(West Sussex)。

特斯拉正在南澳建造世界上最大的虚拟发电厂

同样,日本政府最近批准了KEPCO在大阪的VPP示范项目的额外资金,该项目始于2016年。该项目包括聚合太阳能,家用电池存储和EV电池,以优化能源使用,并帮助保持更广泛电网的电力供应频率不变。大阪火车公司近铁近日委托特斯拉安装42电池存储系统,以便在发生停电时为火车提供电力。它还有助于在高峰时段减少对电网的需求。这种能源也与KEPCO的VPP相连。大阪的霓虹灯和跨越大陆的电气设备看起来处于系统升级的边缘。由于低成本的可再生能源发电和存储技术的出现,越来越快的分散化正在使能源再次成为本地能源。利用数字创新来利用各种分布式能源的集体力量,包括电气化移动资产和P2P市场,可以产生更灵活,更有弹性和更高效的系统。不过需要大胆的监管机构才能充分释放这些破坏性的力量,这些力量可能会让百年历史的能源企业寻找新的角色。

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