★電力規劃設計總院張晉賓

1 引言

氣候變化及其負面影響是全人類(lèi)共同面臨的迫切問(wèn)題，給人類(lèi)可持續發(fā)展帶來(lái)嚴峻挑戰。IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )）在其《氣候變化2021——物理科學(xué)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(guān)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、海平面持續上升、海洋持續酸化等）都與人類(lèi)影響有明顯的聯(lián)系，是幾千年甚至幾十萬(wàn)年來(lái)前所未有的，而一些已經(jīng)開(kāi)始的變化（如持續的海平面上升）在數百到數千年內是不可逆轉的。除非立即、迅速和大規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(wú)法實(shí)現。

基于推動(dòng)實(shí)現可持續發(fā)展的內在要求和構建人類(lèi)命運共同體的責任擔當，中國提出“力爭在2030年前實(shí)現碳達峰、2060年前實(shí)現碳中和”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(huì )發(fā)展和生態(tài)文明建設的整體布局之中。用30年時(shí)間從碳達峰過(guò)渡到碳中和，這意味著(zhù)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(shí)間（相較全球主要經(jīng)濟體）走完碳達峰到碳中和的進(jìn)程（如圖1所示），需要開(kāi)展的將是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟社會(huì )系統性變革。

（來(lái)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(wù)的預期速率對比

能源轉型是“雙碳”目標實(shí)現的關(guān)鍵，數字化轉型是重要的賦能工具。通過(guò)能源轉型與數字化轉型之間的良性互動(dòng)互濟，會(huì )加速推進(jìn)我國能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向的發(fā)展進(jìn)程，助力“雙碳”目標務(wù)期必成。

2 能源轉型體系

2.1 能源轉型是“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的特定波長(cháng)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?！疤歼_峰”即“碳排放達峰”，是指在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)（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(jiǎn)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?！疤贾泻汀笔侵冈谝幎ǖ臅r(shí)間段和規定的區域內（如某個(gè)國家、地區或組織內），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年溫室氣體排放量一覽圖如圖2所示。

（來(lái)源：Our World in Data）

圖2 工業(yè)革命后全球主要國家或地區年溫室氣體排放量一覽圖

2060年前實(shí)現碳中和之路面臨著(zhù)嚴峻挑戰：

（1）時(shí)間緊、任務(wù)重、難度大。從時(shí)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(guò)渡期長(cháng)達50～70年，而我國僅有30年的時(shí)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(guò)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(guān)系。發(fā)達國家已完成工業(yè)化，處于后工業(yè)化時(shí)代，其經(jīng)濟增長(cháng)與碳排放為弱耦合關(guān)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(guān)系。

（3）能源電力領(lǐng)域控制碳排放任務(wù)艱巨。據統計，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略任務(wù)而言，能源行業(yè)是關(guān)鍵，電力行業(yè)是主力軍。

（4）電力系統“雙高”“雙峰”特征日益明顯。隨著(zhù)能源電力低碳綠色轉型的加快，電力系統正快速從常規電源（如煤電、氣電等）、常規機電設備向高比例可再生能源、高比例電力電子設備過(guò)渡。風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源自身具有高間歇性、波動(dòng)性、弱轉動(dòng)慣量等特點(diǎn)，隨著(zhù)電力系統中風(fēng)電、光伏等滲透率的提高，極易導致電力系統靈活性和可靠性降低，轉動(dòng)慣量持續下降，隨機性調頻、調壓能力不足；同時(shí)國內的用電需求已呈現冬、夏“雙峰”特征，峰谷差不斷擴大。

綜上可見(jiàn)，能源綠色低碳轉型是“雙碳”目標實(shí)現的核心和關(guān)鍵，構建滿(mǎn)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至關(guān)重要。

2.2 能源轉型概念、主要目標及關(guān)鍵方法

維基百科將“能源轉型”（Energy Transition）定義為：能源轉型是用低碳能源替代化石燃料的持續過(guò)程。通常而言，能源轉型會(huì )帶來(lái)能源系統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，能源轉型是到21世紀后半葉全球能源部門(mén)實(shí)現從化石能源向零碳能源轉型之路，其核心是需要減少與能源相關(guān)的二氧化碳排放，以遏制氣候變化。國際能源署（IEA）也指出，全球能源轉型應與世界氣候目標相適應，全球能源部門(mén)應力爭在2050年實(shí)現凈零二氧化碳排放，這是一項艱巨的任務(wù)。

中國各關(guān)鍵時(shí)間節點(diǎn)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(shí)現碳達峰；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(jìn)水平，實(shí)現碳中和。從圖3中可直觀(guān)看出我國當前能源供需現狀，2021年我國低碳電力（水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能電等）和清潔能源（地熱、太陽(yáng)能熱利用、生物質(zhì)能等）的占比仍較低，要實(shí)現雙碳目標下的能源轉型，困難非比尋常。

表1 國家碳達峰碳中和主要目標一覽表

（來(lái)源：電規總院《中國能源發(fā)展報告2022》）

圖3 2021年中國能流圖

實(shí)現碳達峰碳中和主要節點(diǎn)目標，實(shí)現能源轉型，全面建立清潔低碳、安全高效的能源體系，需遵循“四個(gè)革命，一個(gè)合作”的能源安全新戰略（即“推動(dòng)能源消費革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命和能源體制革命，全方位加強國際合作，著(zhù)力構建清潔低碳、安全高效的能源體系”），在能源轉型的關(guān)鍵方法上（包括技術(shù)和經(jīng)濟）取得實(shí)質(zhì)性的全面突破。

能源轉型覆蓋電力（包括發(fā)電、儲電、電網(wǎng)、需求側控制）、熱力（制熱、儲熱）、生物燃料（制?。?、氫/氨（制取、儲存、輸送、使用）、合成碳氫化合物燃料（制?。?、精煉等多個(gè)維度，相關(guān)的關(guān)鍵方法或技術(shù)有：

（1）可再生能源或低碳能源。如通過(guò)風(fēng)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(mǎn)足人類(lèi)需求的第一能源。通過(guò)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(chǎng)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(wú)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。儲能是能源轉型、新型電力系統構建的“瑞士軍刀”，通過(guò)儲能，其一可解決風(fēng)/光等可再生能源的間歇性、不可調度性，增加其靈活性；其二可用于平抑電力系統功率波動(dòng)、負荷削峰填谷、改善電力品質(zhì)；其三是通過(guò)性?xún)r(jià)比、安全性等進(jìn)一步提升，也可解決電能難以大規模存儲的難題等。

（6）主要溫室氣體的捕集和儲存或利用。捕集在過(guò)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?xún)Υ婊蚶?，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，在我國能源轉型進(jìn)程中不可能因循發(fā)達國家走過(guò)的“煤→石油或天然氣”自然轉型之路。因而在新型電力系統構建的早期和中期，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(shù)）仍是保障實(shí)現碳達峰碳中和目標的關(guān)鍵所在。

3 數字化轉型體系

3.1 數字化轉型概念

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

3.2 數字化轉型技術(shù)及方法

數字化轉型技術(shù)種類(lèi)繁多（如圖4所示），常見(jiàn)的有機器人過(guò)程自動(dòng)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(wù)/平臺即服務(wù)/軟件即服務(wù)/設備即服務(wù)）、數據分析、網(wǎng)絡(luò )安全、微服務(wù)/API、VR/AR（虛擬現實(shí)/增強現實(shí)）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(wú)代碼平臺、零信任安全等，組織需在需求分析和風(fēng)險分析的基礎上，選擇一種或多種技術(shù)或架構來(lái)進(jìn)行數字化轉型，繼而帶來(lái)生產(chǎn)方式，乃至生產(chǎn)力、生產(chǎn)關(guān)系及文化等方面的變革。

圖4 數字化轉型技術(shù)示例

在工業(yè)中，數字化轉型涉及新一代信息通信技術(shù)、運營(yíng)技術(shù)、工程技術(shù)、制造技術(shù)、管理技術(shù)、人工智能技術(shù)等多技術(shù)的融合應用，需管理系統、人員系統和技術(shù)系統三端協(xié)同發(fā)力，企業(yè)才能形成數字化轉型的蝶變：

· 管理系統指管理資源的規范性結構、過(guò)程和系統?？刹捎萌缑艚菔?、跨專(zhuān)業(yè)的矩陣式團隊，動(dòng)態(tài)看板和性能管理，數字轉型工具等新的工具和過(guò)程。

· 人員系統指單個(gè)人員或群體在工作場(chǎng)合感知、思考、行動(dòng)的方式方法。在數字化轉型中，重要的是使人員重新掌握新的數字技能，建立新的數字能力，如滿(mǎn)足需求的數字知識、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、數字驅動(dòng)創(chuàng )新等?！ぜ夹g(shù)系統指資產(chǎn)和資源通過(guò)組合、優(yōu)化等來(lái)創(chuàng )造價(jià)值、最大化減小損耗的方式方法。如數字孿生、數字主線(xiàn)、動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化、預測性維護和自動(dòng)工作流等技術(shù)和工具。

4 能源轉型與數字化轉型間關(guān)系

能源轉型與數字化轉型屬于互動(dòng)互濟、水乳交融的關(guān)系，一方面能源轉型可為數字化轉型奠定綠色動(dòng)力和可持續發(fā)展基礎，另一方面數字化轉型又可為能源轉型賦能，成為能源轉型的加速器。

能源轉型攻關(guān)重點(diǎn)包括：常規固碳技術(shù)，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(shù)，如長(cháng)持續時(shí)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(shù)，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(shù)，如深遠海風(fēng)電、海上綜合能源平臺、高空風(fēng)能、高空太陽(yáng)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(lèi)安全高效新堆等；顛覆性技術(shù)，如固碳（二氧化碳轉巖石、二氧化碳轉纖維、二氧化碳轉燃料等）、負碳、熱核聚變等。AI（人工智能）、IoT（物聯(lián)網(wǎng)）、大數據分析、區塊鏈及其它新一代信息通信等數字技術(shù)的利用，可賦能能源轉型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，加速推進(jìn)能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向發(fā)展。如數字技術(shù)賦能智慧交通、智能工廠(chǎng)等，可提高能效、減少資源消耗、減少廢品率等。數字技術(shù)賦能于需求側響應、V2G（車(chē)輛到電網(wǎng)）、碳足跡監視及溯源等新場(chǎng)景。又如能源區塊鏈在可再生能源監管、能源控制、充電樁共享等方面的應用等。

以新型電力系統構建為例，數字化轉型至少可提供以下解決方案：

（1）發(fā)電側：基于BIM（建筑信息建模）或數字孿生+數字主線(xiàn)的新能源全生命周期解決方案；基于GIS（地理信息系統）+氣象模型和監測+AI輔助數據分析+風(fēng)光發(fā)電模型的多時(shí)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(wú)人監控/巡檢、AI增強先進(jìn)模式識別、預測性維護等的發(fā)電自治運營(yíng)；基于數字孿生、智能感知及控制、儲能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、新型發(fā)電技術(shù)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(shù)、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、需求側響應及控制的虛擬電廠(chǎng)等。

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

（3）用戶(hù)側：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)、能源區塊鏈、AI等的綜合能源管理系統（包括用能監測、用能分析、用能預測、能效管理、預測性維護等功能）、風(fēng)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(hù)側儲能解決方案等。

（4）市場(chǎng)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(guò)程自動(dòng)化、能源區塊鏈等的智能購售電平臺、電力市場(chǎng)交易平臺、碳管理平臺（如碳排放監測、碳交易、碳核查、碳認證、碳減排管理等）、綜合能源交易系統（如B2C/C2C電力交易、綠證交易、碳排放交易等）?；谛乱淮畔⑼ㄐ?、物聯(lián)網(wǎng)、AI、BI（商業(yè)智能）、自動(dòng)化、微服務(wù)/API、SaaS/Iaas/Paas/EaaS等的生產(chǎn)營(yíng)銷(xiāo)一體管控平臺（包括新能源功率預測、資產(chǎn)監控、能效/績(jì)效管理、智能調控、預測性維護、決策支持等）。

5 結語(yǔ)

數字經(jīng)濟正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟結構、改變全球競爭格局的關(guān)鍵力量，數字化轉型正是數字技術(shù)和實(shí)體經(jīng)濟深度融合的外在具體呈現。能源轉型是“雙碳”目標實(shí)現的關(guān)鍵，通過(guò)數字化轉型賦能能源轉型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，加速推進(jìn)能源結構及相關(guān)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(jìn)的“清潔低碳、安全高效”能源新體系，才能為實(shí)現“雙碳”目標不斷提供助力，支撐我國高質(zhì)量可持續發(fā)展。

作者介紹：

張晉賓 （1967-），男，山西陽(yáng)城人，正高級工程師，現擔任電力規劃設計總院副總工程師，主要從事智庫、自動(dòng)化、信息系統、發(fā)電系統的設計、咨詢(xún)、研究及管理工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年11月刊