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★電力規(guī)劃設計總院張晉賓

1 引言

氣候變化及其負面影響是全人類共同面臨的迫切問題，給人類可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）在其《氣候變化2021——物理科學基礎》中指出：全球氣候變化范圍廣泛、速度迅速并不斷加劇。觀測到的許多氣候變化（地表升溫速度加快、水循環(huán)加劇、多年凍土解凍、海平面持續(xù)上升、海洋持續(xù)酸化等）都與人類影響有明顯的聯(lián)系，是幾千年甚至幾十萬年來前所未有的，而一些已經(jīng)開始的變化（如持續(xù)的海平面上升）在數(shù)百到數(shù)千年內(nèi)是不可逆轉(zhuǎn)的。除非立即、迅速和大規(guī)模地減少溫室氣體排放，否則《巴黎協(xié)定》提出的在本世紀末把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在接近1.5°C或2°C的目標將無法實現(xiàn)。

基于推動實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和構建人類命運共同體的責任擔當，中國提出“力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標愿景，并將“雙碳”工作納入經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設的整體布局之中。用30年時間從碳達峰過渡到碳中和，這意味著中國要完成全球最高碳排放強度降幅，用全球歷史上最短的時間（相較全球主要經(jīng)濟體）走完碳達峰到碳中和的進程（如圖1所示），需要開展的將是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革。

（來源：世界銀行、清華-布魯金斯公共政策研究中心）

圖1 主要經(jīng)濟體達成碳中和任務的預期速率對比

能源轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標實現(xiàn)的關鍵，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是重要的賦能工具。通過能源轉(zhuǎn)型與數(shù)字化轉(zhuǎn)型之間的良性互動互濟，會加速推進我國能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向的發(fā)展進程，助力“雙碳”目標務期必成。

2 能源轉(zhuǎn)型體系

2.1 能源轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標的核心

“溫室氣體”是指大氣中吸收并重新發(fā)射由地球表面、大氣和云層所發(fā)射的紅外光譜范圍內(nèi)的特定波長的、輻射的、自然的和人為的氣態(tài)成分。溫室氣體包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF₆）等。“碳達峰”即“碳排放達峰”，是指在某個時間點（段），人為向大氣環(huán)境中排放的二氧化碳（或包括其它主要溫室氣體）量達峰，簡而言之，即指二氧化碳（或包括其它主要溫室氣體）排放量達到歷史最高值。“碳中和”是指在規(guī)定的時間段和規(guī)定的區(qū)域內(nèi)（如某個國家、地區(qū)或組織內(nèi)），以直接或間接方式，人為向大氣環(huán)境中排放的二氧化碳（或包括其它主要溫室氣體）排放量和人為從大氣環(huán)境中去除的二氧化碳（或包括其它主要溫室氣體）去除量相平衡，即做到“碳源”與“碳匯”的平衡。

與美國、日本、歐盟等發(fā)達國家或地區(qū)相比，中國當前已成為全球溫室氣體年排放量（即碳源）最多的國家，工業(yè)革命后全球主要國家或地區(qū)年溫室氣體排放量一覽圖如圖2所示。

（來源：Our World in Data）

圖2 工業(yè)革命后全球主要國家或地區(qū)年溫室氣體排放量一覽圖

2060年前實現(xiàn)碳中和之路面臨著嚴峻挑戰(zhàn)：

（1）時間緊、任務重、難度大。從時間角度而言，歐盟、美國、日本等發(fā)達經(jīng)濟體的碳排放早已自然達峰，其從碳達峰到碳中和的過渡期長達50～70年，而我國僅有30年的時間；從溫室氣體減排量而言，近年我國年碳排放量占全球30%左右，超過美國、歐盟、日本年碳排放量的總和，減排難度可想而知。

（2）發(fā)展與碳排放仍為強耦合關系。發(fā)達國家已完成工業(yè)化，處于后工業(yè)化時代，其經(jīng)濟增長與碳排放為弱耦合關系，而我國尚處于工業(yè)化發(fā)展階段，經(jīng)濟發(fā)展與碳排放仍處于強耦合關系。

（3）能源電力領域控制碳排放任務艱巨。據(jù)統(tǒng)計，我國能源行業(yè)碳排放占比約88%，電力行業(yè)碳排放占比約36%。對于完成我國雙碳戰(zhàn)略任務而言，能源行業(yè)是關鍵，電力行業(yè)是主力軍。

（4）電力系統(tǒng)“雙高”“雙峰”特征日益明顯。隨著能源電力低碳綠色轉(zhuǎn)型的加快，電力系統(tǒng)正快速從常規(guī)電源（如煤電、氣電等）、常規(guī)機電設備向高比例可再生能源、高比例電力電子設備過渡。風電和光伏發(fā)電等新能源自身具有高間歇性、波動性、弱轉(zhuǎn)動慣量等特點，隨著電力系統(tǒng)中風電、光伏等滲透率的提高，極易導致電力系統(tǒng)靈活性和可靠性降低，轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)下降，隨機性調(diào)頻、調(diào)壓能力不足；同時國內(nèi)的用電需求已呈現(xiàn)冬、夏“雙峰”特征，峰谷差不斷擴大。

綜上可見，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標實現(xiàn)的核心和關鍵，構建滿足可靠性、充裕性、韌性等多維需求的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)至關重要。

2.2 能源轉(zhuǎn)型概念、主要目標及關鍵方法

維基百科將“能源轉(zhuǎn)型”（Energy Transition）定義為：能源轉(zhuǎn)型是用低碳能源替代化石燃料的持續(xù)過程。通常而言，能源轉(zhuǎn)型會帶來能源系統(tǒng)在能源供應和能源消費方面的重大結構性變化。國際可再生能源署（IRENA）指出，能源轉(zhuǎn)型是到21世紀后半葉全球能源部門實現(xiàn)從化石能源向零碳能源轉(zhuǎn)型之路，其核心是需要減少與能源相關的二氧化碳排放，以遏制氣候變化。國際能源署（IEA）也指出，全球能源轉(zhuǎn)型應與世界氣候目標相適應，全球能源部門應力爭在2050年實現(xiàn)凈零二氧化碳排放，這是一項艱巨的任務。

中國各關鍵時間節(jié)點的雙碳主要目標如表1所示。其中，“十五五”末，非化石能源消費占比約25%，單位GDP能耗下降65%以上，實現(xiàn)碳達峰；2060年，非化石能源消費占比80%以上，單位GDP能耗達到國際先進水平，實現(xiàn)碳中和。從圖3中可直觀看出我國當前能源供需現(xiàn)狀，2021年我國低碳電力（水電、核電、風電、太陽能電等）和清潔能源（地熱、太陽能熱利用、生物質(zhì)能等）的占比仍較低，要實現(xiàn)雙碳目標下的能源轉(zhuǎn)型，困難非比尋常。

表1 國家碳達峰碳中和主要目標一覽表

（來源：電規(guī)總院《中國能源發(fā)展報告2022》）

圖3 2021年中國能流圖

實現(xiàn)碳達峰碳中和主要節(jié)點目標，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，全面建立清潔低碳、安全高效的能源體系，需遵循“四個革命，一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略（即“推動能源消費革命、能源供給革命、能源技術革命和能源體制革命，全方位加強國際合作，著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系”），在能源轉(zhuǎn)型的關鍵方法上（包括技術和經(jīng)濟）取得實質(zhì)性的全面突破。

能源轉(zhuǎn)型覆蓋電力（包括發(fā)電、儲電、電網(wǎng)、需求側(cè)控制）、熱力（制熱、儲熱）、生物燃料（制取）、氫/氨（制取、儲存、輸送、使用）、合成碳氫化合物燃料（制取）、精煉等多個維度，相關的關鍵方法或技術有：

（1）可再生能源或低碳能源。如通過風力發(fā)電、光伏/光熱發(fā)電、地熱發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、海洋能發(fā)電、水電或核電等高效、大規(guī)模應用，低碳、零碳電源逐漸取代化石燃料電源。用可再生的生物質(zhì)（如生物質(zhì)顆粒、沼氣、生物甲烷、生物乙醇、生物柴油等）代替不可再生的燃料或原料。

（2）能效。國際上通常認為能效是滿足人類需求的第一能源。通過能效提升（如提高建筑保溫性能或廢熱回收利用等）可降低建筑物、工廠或基礎設施的能源強度。

（3）電氣化（電能替代）。大力提高工業(yè)、交通、建筑等用能終端的電氣化水平，如到2060年，將電力占終端能源消費比重由當前25%提升到75%。

（4）氫或其衍生品（如氨）。用綠氫（可再生能源制氫、生物制氫等）或藍氫（化石燃料制氫+碳捕集封存）或綠氨（可再生及無碳制氨）等替代碳密集型燃料或原料，可為鋼鐵、水泥、重型交通等難以電氣化的行業(yè)提供低碳、零碳解決方案。

（5）儲能。儲能是能源轉(zhuǎn)型、新型電力系統(tǒng)構建的“瑞士軍刀”，通過儲能，其一可解決風/光等可再生能源的間歇性、不可調(diào)度性，增加其靈活性；其二可用于平抑電力系統(tǒng)功率波動、負荷削峰填谷、改善電力品質(zhì)；其三是通過性價比、安全性等進一步提升，也可解決電能難以大規(guī)模存儲的難題等。

（6）主要溫室氣體的捕集和儲存或利用。捕集在過程或燃料消耗或泄漏中排放的CO₂、CH₄等主要溫室氣體，或直接從大氣中捕集這些溫室氣體，并加以儲存或利用，以達到溫室氣體的零排放，甚至負排放，如CCS（碳捕集與封存）、CCUS（碳捕集、利用與封存）、BECCS（生物質(zhì)能碳捕集與封存）、DAC（直接空氣碳捕集）等。此外，基于“富煤、貧油、少氣”的化石能源資源稟賦和能源安全的考慮，在我國能源轉(zhuǎn)型進程中不可能因循發(fā)達國家走過的“煤→石油或天然氣”自然轉(zhuǎn)型之路。因而在新型電力系統(tǒng)構建的早期和中期，煤基能源的低碳高效利用（如超臨界二氧化碳循環(huán)煤電技術）仍是保障實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的關鍵所在。

3 數(shù)字化轉(zhuǎn)型體系

3.1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型概念

維基百科將“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”（Digital transformation，DX）定義為：數(shù)字化轉(zhuǎn)型是指組織采用數(shù)字技術，旨在提高效率、創(chuàng)造價值或創(chuàng)新。Gartner將之定義為：數(shù)字化轉(zhuǎn)型是利用數(shù)字技術來改變商業(yè)模式，并提供新的營收和價值創(chuàng)造機會，轉(zhuǎn)向數(shù)字業(yè)務的過程。數(shù)字化轉(zhuǎn)型可指從IT現(xiàn)代化（如云計算）到數(shù)字優(yōu)化，再到新型數(shù)字商業(yè)模式的發(fā)明等任何事物。國際電工委員會（IEC）將之定義為：數(shù)字化轉(zhuǎn)型是考慮到當前和未來的變遷，以戰(zhàn)略和優(yōu)先的方式，充分利用數(shù)字技術及其對社會各方面的加速影響之組合所帶來的變化和機遇，對商業(yè)和組織活動、流程、能力和模式的深刻變革。

3.2 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術及方法

數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術種類繁多（如圖4所示），常見的有機器人過程自動化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算/邊緣計算、IaaS/PaaS/SaaS/EaaS（基礎設施即服務/平臺即服務/軟件即服務/設備即服務）、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡安全、微服務/API、VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）等，此外，新興的有新一代協(xié)作式機器人、生物機器、量子計算、神經(jīng)元計算、生物計算、軟件2.0、Web3.0、低代碼/無代碼平臺、零信任安全等，組織需在需求分析和風險分析的基礎上，選擇一種或多種技術或架構來進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，繼而帶來生產(chǎn)方式，乃至生產(chǎn)力、生產(chǎn)關系及文化等方面的變革。

圖4 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術示例

在工業(yè)中，數(shù)字化轉(zhuǎn)型涉及新一代信息通信技術、運營技術、工程技術、制造技術、管理技術、人工智能技術等多技術的融合應用，需管理系統(tǒng)、人員系統(tǒng)和技術系統(tǒng)三端協(xié)同發(fā)力，企業(yè)才能形成數(shù)字化轉(zhuǎn)型的蝶變：

· 管理系統(tǒng)指管理資源的規(guī)范性結構、過程和系統(tǒng)。可采用如敏捷式、跨專業(yè)的矩陣式團隊，動態(tài)看板和性能管理，數(shù)字轉(zhuǎn)型工具等新的工具和過程。

· 人員系統(tǒng)指單個人員或群體在工作場合感知、思考、行動的方式方法。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，重要的是使人員重新掌握新的數(shù)字技能，建立新的數(shù)字能力，如滿足需求的數(shù)字知識、設計思維法（Design Thinking）、協(xié)同工作方法、敏捷工作方式、質(zhì)量工程、DevOps、數(shù)字驅(qū)動創(chuàng)新等。·技術系統(tǒng)指資產(chǎn)和資源通過組合、優(yōu)化等來創(chuàng)造價值、最大化減小損耗的方式方法。如數(shù)字孿生、數(shù)字主線、動態(tài)過程優(yōu)化、預測性維護和自動工作流等技術和工具。

4 能源轉(zhuǎn)型與數(shù)字化轉(zhuǎn)型間關系

能源轉(zhuǎn)型與數(shù)字化轉(zhuǎn)型屬于互動互濟、水乳交融的關系，一方面能源轉(zhuǎn)型可為數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定綠色動力和可持續(xù)發(fā)展基礎，另一方面數(shù)字化轉(zhuǎn)型又可為能源轉(zhuǎn)型賦能，成為能源轉(zhuǎn)型的加速器。

能源轉(zhuǎn)型攻關重點包括：常規(guī)固碳技術，如DAC（Direct Air Capture）、CCS（Carbon Capture and Storage ）、CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）、BECCS（Bio-energy with Carbon Capture and Storage）等；儲能技術，如長持續(xù)時間儲能、新型儲能（包括下一代儲能電池、新型儲熱）等；氫（氨）能技術，如氫（氨）的高效安全經(jīng)濟制取、儲存、輸送、加充、使用等；生物能源，如固體、液體、氣體生物燃料的高效制取，灰顆粒、黑顆粒等的制備等；可再生能源技術，如深遠海風電、海上綜合能源平臺、高空風能、高空太陽能、海洋能、地熱能等；建筑用能，如熱泵、建能融合、綠色智能建筑等；核能，如小堆、微堆、各類安全高效新堆等；顛覆性技術，如固碳（二氧化碳轉(zhuǎn)巖石、二氧化碳轉(zhuǎn)纖維、二氧化碳轉(zhuǎn)燃料等）、負碳、熱核聚變等。AI（人工智能）、IoT（物聯(lián)網(wǎng)）、大數(shù)據(jù)分析、區(qū)塊鏈及其它新一代信息通信等數(shù)字技術的利用，可賦能能源轉(zhuǎn)型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，加速推進能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向發(fā)展。如數(shù)字技術賦能智慧交通、智能工廠等，可提高能效、減少資源消耗、減少廢品率等。數(shù)字技術賦能于需求側(cè)響應、V2G（車輛到電網(wǎng)）、碳足跡監(jiān)視及溯源等新場景。又如能源區(qū)塊鏈在可再生能源監(jiān)管、能源控制、充電樁共享等方面的應用等。

以新型電力系統(tǒng)構建為例，數(shù)字化轉(zhuǎn)型至少可提供以下解決方案：

（1）發(fā)電側(cè)：基于BIM（建筑信息建模）或數(shù)字孿生+數(shù)字主線的新能源全生命周期解決方案；基于GIS（地理信息系統(tǒng)）+氣象模型和監(jiān)測+AI輔助數(shù)據(jù)分析+風光發(fā)電模型的多時間尺度、高準確度的氣象預測和發(fā)電量預測；基于智能傳感及控制、無人監(jiān)控/巡檢、AI增強先進模式識別、預測性維護等的發(fā)電自治運營；基于數(shù)字孿生、智能感知及控制、儲能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、新型發(fā)電技術的具有高度靈活性、爬坡能力的新型火電；基于新一代電力電子技術、智能感知及控制、儲能等的虛擬慣性、構網(wǎng)型智能逆變器等；基于分布式能源、儲能、V2G、需求側(cè)響應及控制的虛擬電廠等。

（2）輸配電側(cè)：基于新一代信息通信和電力電子、智能感知、智能控制、數(shù)據(jù)分析等的增量配網(wǎng)、智能變電站、主動配電網(wǎng)、分布式智能電網(wǎng)、柔性輸電系統(tǒng)等；基于新一代信息通信、數(shù)字孿生、智能感知/控制（如PMU相量測量裝置）、GIS、電力電子技術等的動態(tài)輸電/配電容量提升、功/頻/電壓控制功能等。

（3）用戶側(cè)：基于新一代信息通信和電力電子、智能感知、智能控制、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、能源區(qū)塊鏈、AI等的綜合能源管理系統(tǒng)（包括用能監(jiān)測、用能分析、用能預測、能效管理、預測性維護等功能）、風光儲充等多能互補一體化解決方案（包括微電網(wǎng)、儲能、充電樁等）、用戶側(cè)儲能解決方案等。

（4）市場及管理：基于新一代信息通信、物聯(lián)網(wǎng)、AI、云/霧/邊計算、機器人過程自動化、能源區(qū)塊鏈等的智能購售電平臺、電力市場交易平臺、碳管理平臺（如碳排放監(jiān)測、碳交易、碳核查、碳認證、碳減排管理等）、綜合能源交易系統(tǒng)（如B2C/C2C電力交易、綠證交易、碳排放交易等）。基于新一代信息通信、物聯(lián)網(wǎng)、AI、BI（商業(yè)智能）、自動化、微服務/API、SaaS/Iaas/Paas/EaaS等的生產(chǎn)營銷一體管控平臺（包括新能源功率預測、資產(chǎn)監(jiān)控、能效/績效管理、智能調(diào)控、預測性維護、決策支持等）。

5 結語

數(shù)字經(jīng)濟正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟結構、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P鍵力量，數(shù)字化轉(zhuǎn)型正是數(shù)字技術和實體經(jīng)濟深度融合的外在具體呈現(xiàn)。能源轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標實現(xiàn)的關鍵，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能能源轉(zhuǎn)型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，加速推進能源結構及相關工業(yè)、民用體系從高碳向低碳、零碳綠色方向發(fā)展，形成先進的“清潔低碳、安全高效”能源新體系，才能為實現(xiàn)“雙碳”目標不斷提供助力，支撐我國高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

作者介紹：

張晉賓 （1967-），男，山西陽城人，正高級工程師，現(xiàn)擔任電力規(guī)劃設計總院副總工程師，主要從事智庫、自動化、信息系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)的設計、咨詢、研究及管理工作。

摘自《自動化博覽》2022年11月刊