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能源数字化趋势及前沿应用

作者:admin     阅览次数:1009      发布时间:2019-06-21     [返回上一页]

  近年来,移动互联网、大数据、云计算、物联网等数字信息技术得到迅猛发展,全球经济社会正在形成新的发展图景,世界各国和企业纷纷开启数字化转型之路。当前互联网数字化技术浪潮下,数字经济作为新生业态正在深刻改变着人们的生产和生活方式,成为经济社会发展的新动力。华为发布的《2018全球联接指数(GCI)报告》预测,到2025年,全球数字经济规模将达23万亿美元,这相比2017年12.9万亿美元的规模,增长接近一倍。

  数字化技术日益融入能源产业,重大创新不断涌现。国际范围看,能源数字化已初显光芒,将重塑能源发展业态。能源数字化是数字经济的重要组成部分,也是趋势,国际能源企业和互联网科技企业密切合作,提前布局。本文围绕区块链、大数据与人工智能、物联网等技术方向,选取了30余个国外典型能源企业的相关技术应用案例,以反映近几年国际上数字化技术在能源生产、输送、交易、消费及监管等环节的应用进展和方向,为国内能源数字化发展提供借鉴。

  一、区块链技术应用

  随着比特币的出现,区块链(blockchain)技术开始被人们知晓。区块链技术作为一种新的数据库技术,可增加能源互联网中多利益主体的相互信任,其去中心化、公开、透明等特性与能源互联网的理念相符,并且在能源领域获得了越来越多的关注。区块链在能源领域的应用,目前主要集中在分布式能源系统、能源交易平台建设、电动汽车充电、碳追踪、智能设备连接和能源生产来源证书等方面。

  从全球角度来看,目前世界上较为成型的能源区块链项目主要集中在欧美国家和澳大利亚。大观点研究公司(Grand View research)预计,到2024年,全球区块链科技市场规模预计将达到75.9亿美元。根据行业调研机构GTM Research最新发布的《2018能源领域区块链发展》报告,能源已经成为区块链技术应用最为广泛的领域之一。报告显示,在其统计调查范围内,已经有122家区块链初创公司活跃在能源领域,其中有54家公司是2017年成立的。GTM Research的统计显示,仅2017年一年,就有超过9亿美元的风险投资进入能源行业的区块链应用领域。而截至目前,全球范围内仅在电力行业内就有超过70个区块链相关示范项目正在部署或是规划之中。

  (一)促进分布式能源直接交易

  分布式被视为区块链技术在能源中最具前景的应用方向。现有的集中式多级管理能源系统不仅复杂,而且消耗资金。而区块链技术可以将能源生产商和能源消费者(首先是电力生产商和电力消费者)直接联系起来,从而简化各方的相互关系和相互影响。预计在这种新型的能源系统中,小型分布式电源(通常是指可再生能源的分布式电源)生产的电力将直接通过微电网供应给终端电力用户。利用区块链技术,发电量和用电量将通过智能电表计量,交易业务和支付业务将通过智能合同的控制以数字货币的形式实现。如此一来,电力公司或代理商将无需参与其中。能源大宗商品交易和分布式能源电力交易(P2P交易)是目前区块链在能源行业的主要应用场景,尤其是对于分布式光伏发电,由于其电压等级较低无法远距离传输,通过区块链可以实现用户和发电者之间的点对点交易。

  案例1:LO3 Energy搭建居民P2P电力交易微网

  2016年4月美国能源公司LO3 Energy与西门子数字电网以及比特币开发公司Consensus Systems合作,建立了布鲁克林微电网——基于区块链系统的可交互电网平台TransActive Grid。该项目是全球第一个基于区块链技术的能源市场。这个微网项目实现了社区间居民的点对点电力交易,允许用户通过智能电表实时获得发电、用电量等相关数据,并通过区块链向他人购买或销售电力能源。用户可以不需要通过公共的电力公司或中央电网就能完成电力能源交易。用户通过手机APP在自家智能电表区块链节点上发布相应智能合约,基于合约规则,通过西门子提供的电网设备控制相应的链路连接,实现能源交易和能源供给。为了提高整个系统的效率,该平台不仅要对生成的和存储的能量进行管理,而且还要处理消费者的灵活性选择。

  案例2:Power Ledger构建太阳能发电余电上网交易系统

  Power Ledger成立于澳大利亚的珀斯,由澳大利亚的区块链软件公司Ledger Assets创立。Power Ledger使用基于区块链的软件构建一个P2P的太阳能发电余电上网交易系统。不同于比特币采用的POw(工作量证明)机制,Power Ledger采用的是POS(权益证明)机制,区块链由Ledger Assets公司开发,名为Ecochain。该区块链技术的应用使得在电能产生时系统就能确定电能的所有者,然后通过一系列交易协议完成电能所有者和消费者之间的交易,住户可以直接将余电卖给其他住户,出售价格也高于直接出售给电力公司的价格,电能的生产者获得了更大的收益,电能的消费者也获得了更低的用电成本。

  Power Ledger计划通过P2P电力交易业务模式及其软件获得营业收入。Power Ledger于2017年上半年在珀斯市区推出覆盖80个家庭的正式版交易系统,这是历史上首个投入使用的P2P电力交易系统。

  Power Ledger目前已经进行了三次电力交易实验,但总体上还处于示范阶段,交易系统的稳定性尚未得到认证。同时,未来大规模推广时可能遇到的技术问题将成倍出现,Power Ledger的技术团队将面临极大的挑战。

  (二)优化能源大宗商品交易流程

  能源产品交易可以作为信息打包成为区块,区块内的电力、油气交易基于共同市场机制完成。数字化贯穿整个能源价值链,越来越多大型能源公司和大宗商品交易商纷纷进军区块链领域。以石油交易为例,石油交易长期以来主要通过生产商、供应商、承包商、分包商、炼油商和零售商进行,追踪原油的实时转移基本无法实现。引入区块链技术不仅能够帮助企业实现前所未有的效率,同时降低交易成本和风险。

  案例1:VAKT能源贸易

  2017年,BP、壳牌和挪威国家石油公司(Equinor)等大型石油公司已与大型银行和贸易公司联合推出了一个基于区块链的能源大宗商品交易平台VAKT。该平台打破了油气公司和大宗商品交易商长久以来的“纸质”交易模式,进而转向更透明、更便捷、更便宜的“电子”模式。美国第二大石油公司雪佛龙、法国石油巨头道达尔以及印度信实工业集团也宣布加入VAKT。这是VAKT自2018年11月底投入使用以来迎来的首批客户,也是引入的新一批战略投资股东。VAKT顺利投入使用后,创始股东公司随即利用该平台进行了北海原油交易。

  据了解,VAKT通过有效利用区块链技术优势,能够简化传统对账业务流程,消除纸质文件,继而提高整个贸易生命周期效率,并创造更多全新的贸易融资机会。VAKT的目标是在2019年将业务扩展到美国原油管道和欧洲西北部的成品油驳船,旨在逐步实现支持所有实际交易能源市场的目标。

  案例2:BP、壳牌等石油巨头开发油气交易平台

  2017年11月,BP、壳牌和挪威国家石油公司宣布,将联合开发一个基于区块链的实时能源交易平台,并称之为是石油和天然气市场中的“第一个企业级”区块链解决方案。目前该平台已经启动,旨在帮助贸易公司用智能合约取代纸质文件,通过自动化流程帮助企业降低成本,减少错误并提高交易后流程的效率。

  2018年9月,壳牌、BP、挪威国家石油公司和银行业巨头花旗银行推出新的区块链平台komgo SA,以促进石油和天然气交易。该平台以区块链技术为基础,开发者预计交易操作能够在数分钟内得到执行。

  同时,该平台还能提高商品交易的透明度,降低诈骗的风险。原油及其他商品供应链的众多参与者无需互相发送大量文件以确认每一个交易步骤。相反,交易者能够使用数字信用证,从而更快地完成交易的执行。komgo SA首个操作是北海的原油运输。2019年初,通过平台的交易将会拓展至新领域,金属和农业产品供应合同将得到落实。此后,平台的适用范围将不断扩大。

  (三)便利电动汽车充电与共享

  在绿色、低碳、节能交通的背景下,越来越多的购车消费者选择电动汽车。但目前在电动汽车的即时充电应用场景中,面临着多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等问题。区块链在解决这些问题上提供了技术方案。将其用于充电站运营平台,有利于改善电动汽车充电的不便之处,对充电基础设施进行有效管理,强化安保系统,促进共享电池和共享能量的共同作用。

  案例1:德国Innogy共享充电桩

  德国能源巨头Innogy和物联网平台企业Slock.it合作推出基于区块链的电动汽车点对点充电项目。用户无需与电力公司签订任何供电合同,只需在智能手机上安装Share&Charge APP,并完成用户验证,即可在Innogy广布欧洲的充电桩上进行充电,电价由后台程序自动根据当时与当地的电网负荷情况实时确定。由于采用了区块链技术,整个充电和电价优化过程是完全可追溯和可查询的,因此极大地降低了信任成本。需要充电时,从APP中找到附近可用的充电站,按照智能合约中的价格付款给充电站主人。不过,这种收费方式目前还没有得到普及,即使在德国,以太坊钱包只是一部分人的选择。

  案例2:JuiceNet软件平台P2P充电模式

  eMotorWerks发布了双向JuiceNet软件平台。JuiceNet是一个由市场主导的物联网平台,该平台组织了电动汽车充电站的分布式网络,结合了共享和充电两大特点,允许充电站用户在其他电动车司机使用时收取费用。该合作伙伴关系标志着在北美地区启用第一个基于区块链技术的P2P充电网络。通过合作,使用者可以在地图上查看可用充电桩的地点,还可以进行评论打分。调查显示,在美国有大约一半的电动汽车车主都会在家里安装家用充电器,而这就可以带来额外30万套充电设备(目前美国的电动汽车保有量为70万辆)。eMotorWerks创始人Val Miftakhov指出,家庭安装充电设备要比公共场所成本低很多。家用充电设备安装成本在600~1000美元之间,如果想要在公共场所安装,最少也需要1万美元。

  案例3:电动汽车创造区块链电子钱包

  2016年,瑞士银行、德国电力公司莱茵集团(RWE)与汽车技术公司采埃孚(ZF)合作,为电动汽车创造区块链电子钱包,令车主可以在电力收费、停车收费、甚至高速公路收费时都能自动完成身份验证和支付过程。应用区块链电子钱包可以使用户身份信息得到认证。当车主不需用车时,将其租出,通过电子形式就车的使用达成协议,再将协议编码成智能条约,用车完成后,自动向用车人收取费用,完成对车主的支付。无人驾驶电动汽车共享服务的车主和用户间的结算、交易信息将同时更新,这将最大程度地降低从租车到付费的交易成本,而这一切操作都没有第三方参与。

  (四)促进智能设备连接和智能化调控

  通过区块链技术,可以实现智能化调控,智能设备与互联网信息可以由区块链连接在一起。当前,部分地区现有电力设施存在安全隐患和电能浪费,尤其一些偏远地区停电是常事。利用区块链智能合约搭建新的电网成为可行的解决方案,目前一些初创企业正在尝试和应用这一技术,如美国LO3公司开发的基于微电网、邻居间在区块链上的电能交易系统。此外,区块链技术还能够使公司建立一个生产者的等级制度并使能源分配过程自动化,如追踪可再生能源,该技术通过消除中间商帮助行业提高透明度,降低运营成本。

  案例1:Filament“龙头”试验

  美国公司Filament在澳洲实施区块链技术和电力网状网络的结合,用点对点物联网来保证电力安全,同时充分利用了现有网状网络闲置的容量。美国公司Filament在澳大利亚偏远地区的电线杆上进行所谓的“龙头”(taps)试验,这些“龙头”可以在10英里之内直接通讯,因为电线杆的间距一般大约是200英尺,故障电线杆上的动作探测器会通知200英尺外的电线杆。假设这个探测器存在故障,会按顺序通知10英里内的其他电线杆,然后通过120英里内最近的回程网络与公司通讯。客户可以将手机、平板或计算机直接连接到设备,这个“龙头”包含了很多传感器——温度、湿度、光和声音,客户可以用这些传感器长期监测和分析电网状况。他们可以获取相关数据信息,并通过授权将数据通过区块链传输给其他用户——政府、广播员、电线杆制造商、环保部门。

  案例2:韩国电力改善能源基础设施

  2018年11月,韩国最大的电力公用事业公司韩国电力公司(KEPCO)宣布,他们正在利用区块链技术开发名为“未来微电网”的微电网项目。公司新的“KEPCO Open MG”框架将创建一个“开放能源社区”,通过现有微电网技术的元素与区块链相结合来改善能源基础设施,特别是当地的氢能经济。该公司早期微电网主要包括小型光伏、风力涡轮机和储能系统,在提供稳定电力方面面临障碍。而KEPCO的开放式微电网将利用“额外的燃料电池”作为电源,以提高能源的自立性和效率,并且不会排放温室气体。

  案例3:Iberdrola利用区块链跟踪可再生能源

  西班牙可再生能源巨头伊维尔德罗拉(Iberdrola)正在利用区块链技术追踪可再生能源,第一次试验项目是与Kutxa银行合作完成的,测试很成功。在试点期间,Iberdrola的技术平台监控了可再生能源从两个风电厂和一家发电厂输送到位于巴斯克地区和南部城市科尔多瓦的银行办公室的过程。该公司使用了能源网络基金会的一个开源区块链平台,旨在在试点项目中满足能源部门的监管、运营和市场需求。

  Iberdrola认为区块链将对能源产地证书的签发流程作出贡献,该证书能够使客户了解所使用能源的来源。这一去中心化的解决方案无需中间商,可以帮助能源产业增加透明度,同时削减运营开支。上面提到的试点可以改进石化产品的认证过程,提高产品的安全认证质量,此举每年可节省高达40万欧元的成本。

  (五)支持气候行动 改进碳排放交易

  对于气候行动,通过区块链能够改进碳排放权交易、促进清洁能源交易,如跟踪和报告减少温室气体排放和避免重复计算、开发点对点的可再生能源交易平台等。在全球气候金融创新领域,消费者可以用代表一定数量的能源生产的代币或可交易的数字资产相互购买、销售或交换可再生能源。区块链技术还可以加强气候融资流动,如帮助发展众筹和P2P金融交易,以支持气候行动,同时确保融资以透明的方式分配给项目。

  ●案例:Poseidon 消费者利用区块链支持气候行动

  波塞冬基金会(Poseidon Foundation)在伦敦推出全球首个零售平台,能够让消费者改变自身的碳足迹。Poseidon的平台使用区块链技术,将碳市场整合到销售点交易中,让零售商及其客户在买卖日用品的同时,有机会为全球森林保护项目提供支持,继而为针对气候变化的行动提供支持。该零售平台于2018年5月1日推出,已在美国冰淇淋巨头BEN&JERRY'S位于伦敦沃德街的新设的冰淇淋店开展试运行,试点非常成功,到目前为止已经保护了4000多棵树。Poseidon的Stellar区块链网络将碳积分分解为微交易,微交易可以附加到BEN&JERRY'S在伦敦Soho商店的每一勺冰淇淋里,BEN&JERRY'S和客户因而可以在销售点了解每次购买的碳排放量,而且可以提供实时弥补碳排放量影响的机会。另外,Poseidon还与利物浦市议会有合作,参与建设基于区块链的碳信用体系(Cardbon Creidts System),目的是要在2020年时弥补该城市110%的碳排放量。

  二、大数据与人工智能技术应用

  近几年,人工智能AI技术应用于生产、生活的各个场景,人工智能+家居、人工智能+医疗、人工智能+教育等随处可见。而智能化离不开大数据的支撑,在“大数据时代”,数据将成为最有价值的资源。能源行业未来的发展主要在于优化和预测,人工智能在能源领域可以进行需求管理,通过对大量消费数据进行学习,了解消费者的习惯、价值观、动机和个性,预测消费行为,制定更有效的策略。对于能源企业来说,人工智能基于海量大数据分析可以为行业提供有价值的技术、经验和指导信息,大幅度提高能源效率和降低成本,从根本上提升行业竞争力。

  (一)石油勘探开发领域

  人工智能是传统能源行业的重要技术领域,石油勘探开发自然也受到了这一波新技术革命浪潮的影响。通过使用由人工智能支持的传感器以及物联网实时处理收集数据和系统控制,可以降低现场作业的运营成本。一旦人工智能在石油领域应用成熟,将解禁地球上大量在过去无法开采的油气田。一些开采成本较高的油气田,也有望因此实现开采成本的大幅下降。

  国际石油巨头们早已进军人工智能领域。例如,法国石油巨头道达尔公司与科技巨头谷歌和微软洽谈,开发能源领域的定制人工智能,探索复杂的算法如何应用于石油和天然气领域。BP利用人工智能技术寻找新能源,已经购买了为太空探索开发的人工智能技术来寻找更多的资源。美国最大的独立石油生产商Pioneer Natural Resources利用人工智能提高钻探油井的成功率。意大利石油和天然气公司埃尼(Eni)通过运营新的超级计算机来提高地震成像和地质建模的准确性。

  (二)智能电网领域

  电网的能量来源通常有很多,除了传统的发电以外,还有来自风能、太阳能等可再生能源的能量供应,这使得运营电网系统的过程变得更加复杂。借助人工智能技术实现智能电网的升级版,使电网具有更高级、更深层的人工智能,通过对大规模数据集进行分析,促使这个多源收集的过程更加稳定和高效。未来,人工智能将成为智能电网的大脑,通过接入数以百万计的传感器数据,可对电力进行实时分配、分析和决策,使能源分配与使用效率实现最大化。

  案例1:西门子“主动网络管理”

  智能电网能够在同一时间更好地管理不同类型的能源。西门子公司发布了一个软件包来操作网络,即所谓的“主动网络管理”(ANM,active network management)。ANM的原理是通过跟踪电网如何与不同能量负载相互作用,来调整其可调节的部件,从而达到提高效率的目的。虽然这之前是手动调整的,但当新的能源生产者(比如太阳能发电厂)开始工作时,或者新的能源消耗者开始接入网格时,ANM会对电网做出相应调整。因此,ANM也为电动汽车利用智能电网进行充电奠定了基础。

  案例2:英国电力系统的预测模型

  2017年3月,被谷歌收购的人工智能公司DeepMind与英国国家电网联合宣布,他们计划将DeepMind的人工智能技术添加到英国的电力系统中。该项目将处理天气预报、互联网搜索等海量信息,以开发需求激增的预测模型。

  案例3:Grid Edge电力管理软件服务

  英国Grid Edge公司提供基于云计算的电力管理软件服务。该公司利用人工智能技术对能源配置进行预测和优化,将控制权交还给电力使用者。具体的方法是,Grid Edge操作一个VPN,通过它来连接和分析用户所在建筑的能源消耗数据,利用这些信息,Grid Edge与连接的电网进行通信,并制定相应的调度策略。这些策略的目的是节约能源、避免超载。

  案例4:美国能源部利用人工智能改善电网稳定性

  2017年9月,美国能源部向斯坦福大学的SLAC研究人员颁发了一项研究奖,奖励他们利用人工智能技术改善电网的稳定性。通过用过去的数据来对电力波动和电网薄弱环节进行编程,新的智能电网将自动对重大事件做出快速而准确的反应。

  (三)故障监测

  2017年11月,印度北部的一座燃煤电厂发生爆炸,原因是煤气管道堵塞导致锅炉爆炸。导致事故的原因是没有对设备进行经常性的检查,而且世界上许多地方都没有严格的监管规定,因此设备故障是很常见的。使用人工智能和传感器去监测每一个设备的运营情况,结合以往机器出现的故障数据,可以更好地分析和决定应该在何时更换零部件,从而节约成本。目前,许多创业公司正在试图将这项服务提供给能源行业。

  案例1:美国通用电气GE智能检测业务

  美国通用电气公司GE成立了人工智能公司,致力于利用数据分析、机器人和人工智能技术为油气、运输和能源行业等提供先进的检测服务。目前,GE公司已经开始了对用于炼油厂、工厂、铁路以及其他工业设施检测的自主无人机和机器人“爬虫”的检测工作。在测试中,无人机和机器人能够在偏远或危险设施周围和内部移动,同时拍摄腐蚀环境或获取温度、振动等读数,这些数据将通过计算机算法和人工智能进行分析。GE表示计划降低公司每年在检查方面的费用,公司每年花费在全球各地的检查费用高达400亿美元。

  案例2:Tachyus预测故障  优化运营计划

  硅谷数据供应商Tachyus开发了一个平台,收集来自传感器的数据,并将其与地震活动、钻井日志、地核、完井设计、生产数据和维护记录中的数据进行整合。结合物理模型和机器学习,该平台可以预测机械设施故障并确定最佳运营计划,在促进生产的同时大幅降低成本消耗。

  案例3:SparkCognition预测关键设施何时故障

  2017年12月,美国能源部授予SparkCognition公司一个奖项,以鼓励其利用人工智能提高燃煤电厂的发电量。该公司将解析学、传感器和操作中产生的数据相结合,来预测关键的基础设施何时会崩溃。

  案例4:AES公司利用人工智能加强生产与经营安全

  2017年9月,美国能源巨头AES电力公司宣布了进军人工智能的计划,将其作为提高公司的警觉性、效率和保护公司财产的手段,主要针对的是他们的太阳能电站和电网系统。

  (四)预测和管理

  人工智能在能源领域可以进行能源流的预测和管理,通过建立预测模型,收集大量有关天气、环境、大气条件以及新能源电站和电网运行情况的数据,解决能源流的预测和管理问题,确保供需始终处于均衡状态,以便实时匹配空间和时间的需求变化。比如太阳能和风能等可再生能源对天气状况有非常高的依赖度,因此,有效的天气预报是可再生能源生产中不可或缺的重要部分。

  案例1:BP“里程”人工智能系统

  在纽约和芝加哥的加油站,BP开始配置使用名为“里程”的人工智能系统的加油泵,来提升消费者的互动体验。在加油的同时,“里程”会问候消费者,提供小娱乐,提供折扣优惠,并将消费者连接到社交平台。除了了解消费者的消费模式外,这种互动智能技术还可以改变消费者对传统加油站的观念,吸引他们进行二次消费。而在电力市场,消费者会在电网产生数据流。目前有些供应商已经开始安装智能电表,实时收集数据流,这不仅有助于预测网络负载,还可以预测消费习惯。

  案例2:IBM“深雷”产品

  IBM计划推出一款名为“深雷”的新产品,以提供0.2~1.2英里范围内的精确天气预报,该技术整合了数十种预测模型,收集了大量有关天气、环境、大气条件以及太阳能电站和电网运行情况的数据源。

  IBM还在可再生能源预测领域进行了广泛的合作研究,有超过200个项目使用其太阳能和风能预测技术,并与美国能源部合作,利用人工智能来优化清洁能源应用。IBM声称其人工智能天气模型比坊间的太阳能和风能预测模型还要精确。

  案例3:Stem雅典娜项目

  位于加利福尼亚州的Stem公司开发了代号为雅典娜(Athena)的项目。项目利用人工智能绘制出能源的使用情况,并允许客户跟踪能源价格的波动,从而更有效地使用被储存的能源。Stem已经从包括美国能源部、GE Ventures和新加坡主权财富基金淡马锡控股在内的多家投资者那里融到了超过3700万美元的资金。Stem开发的AI平台Athena可以为企业提供实时的自动化能源优化管理服务。该系统每秒钟都会获取太阳能发电厂和电网负载数据,并根据电费、天气预报等各种外部数据,分析未来电价的变化走向,进行电力的发送或存储,使企业储能价值最大化。据公司称,尽管该系统投入会增加企业20%的成本,但其智能储能解决方案可以节省企业高达30%的能源成本。

  案例4:Nnergix能源预测平台

  西班牙初创公司Nnergix成立于2013年,利用天气数据和机器学习技术进行能源预测。公司开发的Sentinel Weather平台可以访问全球的天气历史数据和天气预报数据,通过机器学习技术预测天气变化对可再生能源产能的影响,可以预测每小时的发电量,从而提升电厂发电效率,并降低运营成本。目前,公司客户已覆盖20多个国家,已累计融资72万欧元。

  案例5:Alphabet's Nest智能恒温器

  美国Alphabet智能家居子公司Nest开发的一款智能恒温器能够通过自动适应用户行为,达到减少能源耗费的目的。智能恒温器在被安装到用户家里之后就开始学习居住者的生活习惯,并相应地调整温度。Nest表示,该公司的技术已经为用户节省了10%~12%的取暖费。

  案例6:Google Sunroof(谷歌天窗)

  谷歌发布了一个名为Sunroof的工具,来计算太阳能对美国家庭的影响。该项目采用了若干因素来计算使用太阳能能够节省下来的资金,这些因素包括天气数据、电费、3D建模和阴影计算。

  (五)生产运营和能耗管理

  云计算、数字平台、机器人和算法分析的人工智能技术在能源行业中的应用大大改善了能源行业的建设、运行、管理等水平,包括提升企业的用能管理效率,促进电厂实现生产运营管理的智能化等。

  案例1:谷歌DeepMind优化改进能源管理

  2017年10月,Google公布消息称,资料中心耗电指标PUE值达到1.11的高效率。Google利用机器学习来管理数据中心,让冷却设备耗电减少了40%。公司自2016年起便开始结合AI技术,开发自家资料中心专用的推荐系统,改善Google资料中心的能源效率。公司AI技术的运作原理是:每隔5分钟,该系统通过当地资料中心内部布建的感测器捞取运作资料,并且汇入神经网络中,预测未来维运工作对能源消耗带来的影响。评估多种可能组合后,系统会拣选出最佳解决方案。该方案既符合安全限制,同时又能满足最小耗能的条件。接着本地资料中心冷却系统便自动套用AI设计出的新规则,调整冷却系统的运作。

  案例2:Raycatch利用AI优化电厂运营

  以色列初创公司Raycatch成立于2015年,用人工智能技术进行太阳能发电厂的管理与运营。公司推出了基于AI的诊断和优化解决方案,可获取并分析太阳能发电厂所有的生产数据,并对日常管理进行优化和指导。公司目前在全球范围内管理着约1吉瓦的光伏项目,覆盖35000个逆变器和400万块控制面板,客户包括Enlight、ARAVA POWER、EDF、通用电气等大型公司。2018年11月,公司获得BayWa re Energy Ventures和DSM Venturing领投的430万美元B轮融资,目前已累计融资730万美元。

  (六)优化能源项目开发

  在可再生能源系统的设计、能源设备和项目开发的过程中,人工智能正在发挥越来越重要的作用。

  案例1:Energsoft利用AI进行储能设备研发

  美国西雅图初创公司Energsoft成立于2018年,公司推出的基于AI驱动的SaaS平台为制造和使用储能设备的公司提供先进的可视化和分析工具。公司的使命是创新并帮助发现能够以低成本生产和储存可再生能源和清洁能源的新材料。该AI平台可追踪并分析数千个电池、超级电容器和储能系统,覆盖从早期研发到现场管理等全流程,可帮助用户找出工业设计的问题,例如材料选择或制造过程,可以降低开发成本,并缩短产品上市的周期。目前公司已筹集17万美元的融资。

  案例2:HST Solar利用AI优化能源项目设计

  美国初创公司HST Solar专注于太阳能电厂的设计、开发和工程服务。通过该公司的平台,用户输入基本信息,例如站点位置和有关要安装的设备详细信息等,随后公司的AI算法将对这些数据进行分析,给出太阳能电厂每个部分的建设方案,并可细化到每个太阳能电池板的特定方向和倾斜角度,以实现能量转化的最大化,同时最大限度地减少强风等其他因素的影响。据公司称,与人类工程师设计的系统相比,AI设计的太阳能发电场可以将可再生能源的生产成本降低10%~20%。

  三、物联网技术应用

  物联网(IoT)是21世纪的重大创新,是实体消费产品连接到网络,并开始通过传感器和致动器的装置相互沟通。物联网已经对能源行业产生了影响,其影响力还将继续增长。通过对智能电网的投资和对物联网的充分利用,我们将能够充分利用太阳能和风能等可再生能源技术,创造更加美好的未来。当前物联网在能源行业的应用主要集中在智能电网、智能家居、智慧建筑、智慧能源环保等方面。

  (一)提高能效

  能源效率在很大程度上取决于能源使用高峰时间。对于工业企业来说,效率尤为重要,因为更低的成本生产更多的产品,意味着更高的利润。利用物联网技术能够使个人和企业的能源使用量大幅降低,通过传感器可以监控照明、温度、能源使用情况等数据,并通过智能算法处理数据从而实现实时管理。

  案例1:E.ON建物联网平台

  日前,德国意昂集团E.ON与美国Sight Machine公司建立了合作伙伴关系,创建物联网平台以提高生产效率,例如,通过软件预测电力需求或控制家用电器。Sight Machine开发的系统使用人工智能、机器学习和高级分析来帮助解决质量和生产力方面的关键挑战。双方表示,这意味着来自工业和商业领域的客户可以智能化地提高单台机器和整个工厂的效率,从而节省能源成本。意昂集团将在自有的Optimum平台上推广该技术,通过将原始数据转化为可操作的信息,客户可以更直观地查看能源流并识别潜在的改进方案。

  案例2:施耐德电气EcoStruxure能效管理

  2016年,施耐德电气推出了面向楼宇、数据中心、工业和电网四大终端市场的EcoStruxure能效管理架构和平台。基于该平台,工业企业可以提前维护设备,减少计划外停机,酒店、医院和机场等楼宇管理者可以查询所有场所的运行情况以提高能源使用效率。施耐德最新发布EcoStruxure for Building 2018,通过开放式端到端IP架构,可实现物联网设备的快速连接,且更易于收集数据,并加快调试和变更速度;利用楼宇管理系统可无缝连接建筑内部与第三方系统和设备,集中控制并强化协作。此外,EcoStruxure for Building 2018基于云架构和大数据分析服务的集团级能源管理平台,为用户提供能源信息的存储和展示、指标智能预测、能效诊断和专家顾问服务,助力企业挖掘节能潜力并达成能效目标。

  (二)智能家居和智能能源管理系统

  随着人们生活水平不断提高和科技发展,家庭智能化已经成为一种全新的发展趋势。在智能家居中融入物联网技术可促使家居也具有智慧功能,这些高科技家庭自动化系统自备感应功能实现人对家居的实时控制,在数字化屏幕上清晰显示节能方案、账单等信息。在德国,越来越多的家庭开始安装智能家居系统。2015年安装智能家居系统的家庭还不到100万,预计到2020年将有550万家庭安装。智能照明系统目前最为普遍,诸如BSH、LG、GE等制造商都将自己的产品接入到互联网平台上。

  案例1:德国意昂E.ON家庭能源管理系统

  德国意昂集团E.ON和美国巨头微软合作,为家用电子设备生产数字仪表板,这些家用电子设备包括从加热系统到太阳能电池板、电池存储系统再到电动汽车的各种产品。家庭能源管理系统将在今年推向市场,到时会成为大型德国公用事业公司提供的一系列产品中的亮点。欧洲市场每年对家庭管理系统的需求是4万个,未来3年内可能会增长到至少20万个。另外,意昂集团已经与能源管理公司Tado和智能家居公司Nuki等合作,为客户提供恒温器和电子门锁等智能产品。

  案例2:德国初创公司Sonnen家庭电池能量墙

  目前,德国初创公司Sonnen已成为家庭电池能量墙(Powerwall Home Battery)领域的领跑者,其产品规模占据了全球家庭光伏储能市场将近四分之一的份额。Sonnen首先以解决家庭屋顶光伏应用对储能的需求为切入点。由于光伏发电的高峰是白天,而家庭的用电高峰却在晚上,因此发电和用电高峰之间存在错位,即使将白天的电力出售给电网,晚上再由电网供电,也仍然要支付由电网成本导致的出售价格低于买入价格的价差。而通过家庭储能则可以将白天的光伏电力存储起来留待晚上使用,这样就能显著降低家庭的电费支出。此外,Sonnen在家庭储能系统基础上进一步集成了家庭智能能源管理系统,最多可与三个家庭用电系统(如洗衣机、烘干机等)相连接,当存在富余光伏电量时,该家庭智能能源管理系统启动并运转,在一定程度上降低了对储能电池容量的需求。

  (三)智能电表

  智能电表是物联网流行的应用之一,可以实现远程抄表、监测,提升利用效率,减少能源损耗等。智能电表在智能电网发展和未来能源管理方面具有重要作用。

  案例:东京电力公司(TEPCO)智能电表应用

  TEPCO委托瑞士电表厂商Landis+Gyr架设的智能电网已是目前全世界规模最大的公用事业物联网工程,这项电网工程预定于2020年完工。负责架设东京电力公司智能电网工程的Landis+Gyr目前已完成1000万套智能电表与装置的安装。当电网部署完成后,将涵盖超过2700万套电表以及其他物联网装置。这套电网系统使用了Landis+Gyr的IPv6多重技术网络,并透过RFMesh、G3PLC以及蜂巢式网络通讯技术所提供的Wi-SUN联机,连接公用事业及消费者装置。目前东京电力公司智能电网每天可传输5.13亿笔读取数据,并且还在朝13亿笔的目标迈进,而这所有的信息都会通过Landis+Gyr的前端(head-end)系统以及电网数据管理解决方案进行处理。

  四、其他数字化技术应用案例

  案例1:RegModHarz项目

  2008年,德国联邦经济和技术部启动了“E-Energy”计划,目标是建立一个能基本实现自我调控的智能化电力系统,而信息和通信技术是实现此目的的关键。由“E-Energy”计划支持的位于德国中北部哈茨山脉的可再生能源示范项目——RegModHarz项目,就是将新能源最大化利用的典型案例。项目中的虚拟电厂与分散式电源进行通讯连接。与原有的传统大型发电场不同的是,由于新能源系统数据变化较快,安全、稳定性高的传输技术非常必要。所以在此项目中制定了统一的数据传输标准,使得虚拟电厂对于数据变化能够快速反应。在考虑发电端的同时,虚拟电厂还关注用电侧的反应。在哈茨地区的案例中,家庭用户安装的能源管理系统被称为“双向能源管理系统”(BEMI)。资料显示,用户安装的能源管理系统每15分钟储存用户用电数据,记录用户每天的用电习惯,并将这些数据通过网络传输到虚拟电厂的数据库中。同时,BEMI系统还可以在电价发生变动时,通过无线控制来调控用电时间和用电量。

  案例2:NextKraftwerke虚拟电厂

  在解决由新能源的分散性所带来的发电量不可控的问题上,利用信息技术可以将分散的新能源发电单元协调组织起来,形成一个大型的虚拟电场。德国初创公司NextKraftwerke目前已经接入4000多个新能源发电单元,总体发电功率已经达到2.7吉瓦,相当于几个核电站。其运行模式是在每个发电单元上安装一个叫作“NextBox”的通信和控制组件,Next Box通过一个专门的加密GPRS(通用分组无线服务)信道与中央服务器相连,一方面将发电单元的实时数据传送到中央服务器,另一方面接收服务器的控制指令,这样就可以对电网以及电力市场进行实时响应。

  案例3:enera区域电力交易

  enera示范项目位于德国下萨克森州的西北部,那里富产风电,所以该示范项目将电力系统灵活化作为自己的攻坚任务,以便使区域内的风力资源得到最大程度利用。该示范项目将风电设备、储能设施以及居民家庭和工商业电力用户连接在一个区域性虚拟发电厂中,为区域内的能源产品提供了一个数字市场平台。智能电表和电网中的约1000个电子节点准确地记录了电力消耗的时间、地点和数量,相关的技术实施将根据这些数据信息自动采取响应措施。灵活的工业企业安装了相应的调控技术,可根据绿色电力的供求情况来调控工厂的生产;灵活的峰谷电价鼓励消费者尽量错峰用电,例如在风力较大的时候为电动车充电等。该示范项目还将建立一个智能家用App系统,让电力消费者合理避峰,通过太阳能储存装置或夜间储能采暖装置等手段节省电费。该示范项目共有63个合作伙伴,资助资金为5200万欧元。

  五、结语

  国际上能源数字化在多种场景下的前沿应用充分表明,数字化技术与能源产业相互渗透、深度融合,能源数字化应用越来越广泛,改变着能源生产、输送、交易、消费和组织管理等模式。步伐超前的国际能源企业正顺应能源数字化革命的大势,积极关注、研究和利用大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等新技术,并将这些技术进行组合应用于不同的场景,驱动自身转型升级和可持续发展。

  从应用的细分领域看,目前数字化技术在油气勘探开发领域应用和创新较多,中间贸易环节的应用正在起步,在下游环节的应用有限;在电力领域电网侧应用相对多,厂站侧应用相对尚少。随着分布式能源的发展,用数字技术连接、智能管理分布式能源生产和消费单元,并促进交易的应用将日益广泛。

  在国内,能源业界也已普遍高度关注能源数字化,在油气勘探开发、智能电网、智慧电厂、电动汽车车联网以及原油贸易等领域有不同程度地应用,并着手相关战略布局,但总体上尚在探索阶段,缺乏良好商业示范。能源企业需要更加积极地拥抱数字化,认真吸收国外前沿应用经验,结合自身发展阶段、市场定位、比较优势等特点,找到适宜的数字化路径选择和着力重点。同时,能源主管部门需要提前研究数字化对制度设计、体制机制和监管等方面的可能影响,努力用新技术手段破解一些政策制定和监管中的困局,并有效推动国内能源数字化的进程和发展方向。

 

  来源:能源研究俱乐部  





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