能源互联网关键设备与支撑技术

能源互联网的关键设备和支撑技术文劲宇思构（SGO）课题组华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室@hust.edu.cn汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的基本框架3.能源互联网的关键设备4.能源互联网的支撑技术5.一些思考210.TheEnergyInternet:WhenITMeetsET弗里德曼的能源互联网第十章能源互联网：IT与ET相会作者：托马斯•弗里德曼2008，美国310TheEnergyInternet:WhenITMeetsET过去一百多年以来，电力系统局限在从发电机到客户屋子外面的电表之间，然而随着智能电网（SmartGrid）技术的发展，将从发电机延伸到用户的屋顶（太阳能电池板），也延伸到所有的智能电器，能源网络可以直接建置在客户的住宅、办公室和汽车里。可以看出，此处所憧憬的能源互联网其实就是以往狭义的智能电网，其本质是在信息技术（IT,InformationTechnology）和能源技术（ET,EnergyTechnology，更确切地说应该是电网技术）的高度融合基础上，通过电网与用户互动，实现移峰填谷，减少备用电源，提高能源效率，实现可再生能源的大规模利用。弗里德曼的能源互联网（续）4“新信息技术与新能源技术相结合将直接推动第三次工业革命的发生，能源互联网将是其主要技术形式“——杰里米•里夫金，2011，美国数亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源，并在“能源互联网”上与大家分享，这就好像现在我们在网上发布、分享消息一样。能源民主化。里夫金的能源互联网5第三次工业革命的五大支柱：1.向可再生能源转型；2.将每一大洲的建筑物转化为微型发电厂，以便就地收集可再生能源（主要是太阳能）；3.在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其它储能技术，以存储间歇式能源；4.利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络，这一共享网络的工作原理类似于互联网（成千上万的建筑物能够就地生产出少量的能源，这些能源多余的部分既可以被电网回收，也可以被各大洲之间通过联网而共享）；5.将运输工具转向插电式以及燃料电池动力车，这种电动车所需要的电可以通过洲与洲之间共享的电网平台进行买卖。里夫金的能源互联网（续）6主要特征以可再生能源为主要一次能源支持大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入基于互联网技术实现广域能源共享支持交通系统的电气化能源互联网是第三次工业革命五大支柱的基础，它是能够将上述成千上万个小型电厂产生的电力汇集并输送的网络。可以看出，这里所谈的能源互联网仍然是狭义的智能电网，只是更加强调可再生能源、分布式发电和电气化交通。里夫金的能源互联网（续）7全球能源互联网（Global Energy Internet）：“以特高压电网为骨干网架（通道），以输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网”。刘振亚的全球能源互联网欧洲正在建设中的超级电网（SuperGrid）也属于上述智能电网型的能源互联网。8Clark W. Gelings: A Globe Spanning Supergrid.IEEE Spectrum, August 2015格林斯的全球泛在超级电网9GlobalPower&EnergyInternet：1.不同能源系统能源（主要是电，其次是气）的范围（全国、跨国、洲际、全球）互联；2.不同能源系统（电、气、热网）间的有效互联；3.不同能源系统（电、气、热网）与储能系统的有效集成；4.不同能源系统（电、气）与交通系统的有效集成与高度互动；5.不同能源系统（电、气、热网）在用户端的高度互联及与能源网的高度互动；6.不同能源系统（电、气、热网）与信息流、金融市场流、能源市场流之间的高度协同与互动。张小平的全球电力能源互联网10汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的基本框架3.能源互联网的关键设备4.能源互联网的支撑技术5.一些思考11新一代能源系统定义：各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接连接的以电网为主干的网络化物理系统。（能源互联网的基础设施）主要特征：a.实现可再生能源优先、因地制宜的多元能源结构b.集中分布并举、相互协同的可靠能源生产和供应模式c.各类能源综合利用，供需互动、节约高效的用能方式d.面向全社会的平台性、商业性和用户服务性。摘自：周孝信、程时杰、吴青华、鲁宗相、荆朝霞、文劲宇：“新一代能源系统基础科学问题和关键技术”重点专项建议12能源互联网的基本框架电网交通热/冷气网生物质CO213能源互联网的关键设备与技术需求关键设备分类能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储支撑技术分类规划运行市场能源互联网具有多样的设备技术需求，涉及各个能源产业，它的发展将能够为各个能源产业注入新的活力。14汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的基本框架3.能源互联网的关键设备能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储15能量的捕获形式与转换设备一次能源转换形式主要设备化石能源电能热能常规发电直接燃烧风能电能风力发电机太阳能电能热能太阳能发电太阳能热水器水能电能水力发电机核能电能核电机组潮汐能电能潮汐发电地热能电能热能汽轮机供热管网生物质能电能化学能燃料电池生物制气………………16CCS（Carbon Capture and Storage）：将大型发电厂产生的CO2捕获和储存，以避免其进入大气层CO2既是减排的重要目标，又是能量的载体，在能源互联网中需要重点考虑其回收和再利用CCS本身需要再次消耗能源CO2的捕获、储存与转换17CO2的捕获、储存与转换CO2封存甲烷化18汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的驱动力和基本框架3.能源互联网的关键设备能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储19能量的传输关键设备电网天然气管网热/冷网交通网20Grid 2030：美国超级电网？1.LocalDistribution,Mini-andMicro-Grid欣欣向荣2.Backbone,RegionalInterconnection停滞不前？21欧洲互联电网欧洲的5个同步电网及其功率交换示意图22DCgrid为骨干网DCgrid的关键设备是目前研究的热点Super Grid：欧洲能源互联网？第三章伪进步的制动器-超级电网：沙漠科技和北海项目，新的自大狂（优先权冲突：超级电网概念的政治误用，目的是打击分布式发电）23天然气管网及相关设备天然气输送相关设备：输送管道设备加气站相关设备储气库及对应压缩天然气设备脱硫、脱水设备……压力：（输：MPa级，配：kPa级）流量：（输：20-30m/s，配：10m/s）美国天然气管网及输气示意图（2008）24天然气管网中的“气流方程“TransientflowequationsMomentumequationMaterialbalanceequationFlowandgasstatesvarywithbothtimeandspace.2sin02apgtxd()0tx25汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的驱动力和基本框架3.能源互联网的关键设备能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储26能量的分配与使用关键设备电力负荷天然气用户热/冷用户电气化交通工具电力的分配与使用主动配电网Micro grid可调度负荷智能楼宇，智能电器……27汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的驱动力和基本框架3.能源互联网的关键设备能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储28不同能源网络之间的接口设备电-气（P2G）气-电（CCHP）电-交通（电动汽车）……29P2G：Power-to-Gas30应当考虑综合利用能源并避免能量重复转化，从而减少损失。P2G对电网和天然气管网的影响（可调度负荷、天然气管道接纳H2能力等）欧洲的P2G示范工程31冷热电联产CCHPCCHP：Combined Cooling Heating and Power以燃气为能源，通过对其产生的热水和高温废气的利用，提高综合能效通常由发电机组、制冷装置、热交换装置组成可与太阳能结合实现分布式热电联产32能源总利用率可达80%燃烧天然气发电做功后的高温烟气可经热泵变为高品质热源供工业使用余热可以通过余热回收利用设备（余热锅炉）向用户供暖驱动吸收式制冷机制冷或驱动除湿设备更低温度供生活热水或排放CCHP的能量梯级利用33特斯拉（TESLA）电动汽车像操控ipad一样简单开放所有专利用互联网思维制造汽车0~100km：3.9s；最高：209km/h最高续航里程：502km充电时间：国内普通家用充电（220V/16A）每小时充电可行驶20km；tesla专用连接器（220V/80A）每小时充电可行驶100km电池寿命：适合每晚充电，可随时充电；电池8年免费更换服务电费：高配充满电耗85度电，可行驶5000km，每公里费用不足0.1元。特斯拉：不仅仅是电动汽车，互联网汽车？像今天手机一样的未来能源互联网终端？34汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的驱动力和基本框架3.能源互联网的关键设备能量的捕获与转换能量的传输能量的分配和使用不同能源网络之间的接口能量的存储35储电361.显热储热：使用材料的温升储热。土壤、地下蓄水层、砖石、水泥及氧化锂与三氧化二铝等混合高温烧结成型的显热储热材料。2.潜热储热：利用相变材料储热能，这个过程中材料的温度是恒定的。低温：六水氯化钙、三水醋酸钙、有机醇，主要用于废热回收和空调；高温：混合盐类，金属及合金，用于太阳能热能发电、航空航天。3.热化学储热：使用化学上的可逆反应储热，正反应放热，逆反应吸热。多利用金属氢化物和氨化物的可逆化学反应，通过热能与化学热的转换储热，在受热和受冷时发生可逆反应，分别对外吸热或放热；典型的化学储热体系有氧化钙与水、氧化镁与水、十水硫酸等。储热37地上储气库地下储气库主要采用储气库，其相关设备技术主要是建库及其运行管理和维护技术：气库类型（枯竭油气/盐穴）及其对应的工艺、稳定性密封性分析等技术垫底技术及提高有效储量和生产技术地面系统自动化控制，传感技术储气38相对于电而言，在传输网层面上，气、热系统中的大规模储能是比较成熟的技术，因此可以与电能存储实现互补（德国：抽蓄/40GWh，气网/200,000GWh）虽然能量能够在天然气管网中大规模存储，但单纯的利用其系统柔性作为储能，需要考虑能量转化的损耗P2G储能需要考虑管道承受氢气腐蚀的能力、天然气调度问题及混合燃料燃烧特性变化等问题能源网络互联有利于电能存储39汇报提纲1.能源互联网or 智能电网？2.能源网络互联的驱动力和基本框架3.能源互联网的关键设备4.能源互联网的支撑技术（1）规划（2）运行（3）市场40多能源系统联合规划现状目前涉及多能源系统的联合规划已有30多款软件可供选择，适合不同的能源系统组合、考虑不同的地理范围等，但较少考虑网络传输的约束支持热力、电力系统（含储能）的联合能源规划，能量平衡时间尺度可从年到小时进行考虑，在北欧、德国、中国有实际应用支持热力（含制冷）、电力、交通、工业系统的联合能源规划，模拟时间尺度为小时，除能量平衡外可分析CO2排放量，在欧洲应用较多支持热力、可再生电力能源、储能的运行模拟及经济性评估，模拟时间尺度为小时，不考虑传输容量约束