零碳智慧能源系统与能源革命

THENALOUCY CINU SESATBATARN DRGONBATEN PISALN 中国·克拉玛依China-Karamay -上海合作组织零碳智慧能源系统与能源革命 居合作中心管晓宏 西安交通大学 全球能源和环境危机迫在眉睫 中国-上海合作组织大数机人类社会主要依赖化石能源的能耗模式难以为继！ 习近平主席代表中国政府庄严宣告 大数据合作中织大数据合作中心二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。要树立创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，抓住新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇。 一习近平，金第七十五届联合国大会一般性论2020年9月22日 碳排放结构 中国-上海合作组织大数减少能源电力系统的碳排放是实现碳达峰、作碳中和的关键 能源供应的清洁和绿色化势在必行 抽水蓄能 可再生新能源利用的主要挑战 传统能源电力系统结构下，一次能源均转化成电能接入电网由于尚无直接的大规模、经济储电能技术，电力系统必须满足实时供需平衡，对高不确定可再生能源的利用造成根本性挑战 海合作组织高比例可再生新能源接入电网面临巨大挑战 中国-上海合作组织大数据合作中心解决途径一： 中国-上海合作组织大数据合作组织大数据合能源电力需求端节能减碳 5G及未来无线通信系统节能降本的途径 主要挑战 解决途径 口低功耗站点通信设备和系统设计低功耗元器件和设备设计低功耗网络部署和系统设计口低功耗站点通信设备和系统运行通信系统资源优化：关断策略优化电源管理：收割能量、可再生能源利用 口影响系统性能，进一步节能空间有限通过提高5G主芯片和其它高端芯片制程以降低功耗受限 5G及未来通信系统能耗高、不盈利，影响推广应用，降低竞争力 环境热过程复杂、动态时变、非线性等特点，缺乏系统化模型主设备与空调等能源系统的运行决策存在强耦合传感器网络成本高，口现场算力有限11 建立机理与数据结合的优化模型，通信业务系统运行与基站能源系统运行协调优化 5G及未来无线通信基站的节能优化 特点设备级节能，可有效提 传统方法 升设备能效，广泛适用受设备运行工况影响，节能空间和弹性有限受其他设备运行影响影响KPI，且难以发挥最佳效率 设备级节能增效硬件与网络节能设计：新材料应用，芯 片、系统、网络提效节能主设备软节能：符号关断、载波关断、通道关断、深度休眠口光伏等可再生新能源设备 新方法主设备+辅助设备的整体协同优化 特点口系统建模+系统优化，实 现整体能效提升口能耗-环境-业务多尺度耦合导致建模复杂性挑战口主设备与辅助设备协同优化导致计算复杂性挑战 数据+机理深度融合，解决复杂动态过程的建模复杂性和可行性难题状态迁移+数据驱动，解决实际应用面临的“小样本”和“冷启动”难题数据机理双驱动的强化学习决策方法可在算力和数据有限情况获得高质量解 整体运行优化方法 实际系统测试应用场景 实测基站 各站点能耗和用电成本实测结果 口CRAN站点效果好于DRAN站点口可实现12%以上的运行成本节省目标口站点间协同再增加3~5%的节能降本空间口获得经济效益的同时能够显著降低碳排放 典型的学科交叉解决方案：暖通工程的技术途径，系统工程的精确建模和控制优化方法，融合电力系统的分时电价和需求响应机制，解决5G与未来无线通信系统节能降本重大问题，有望实现总体节能降本15~20%16 中国-上海合作组织大数据合作中解决途径二： 中国-上海合作组织大数据合作中心中国-上海合作组织大数每合作组织大数分布式绿能供需平衡实现零碳供能 氢能制备和利用受到极大关注 零污染物排放零碳排放水水再生循环储存绿色能源有机液态 氢能与电能并重的能源供需系统 基于氢能的分布式能源系统 氢能驱动的冷热电联供氢燃料电池供电，实现多能协同转化和零碳排放 氢能存储与电网、可再生能源等交互，实现系统并网/独立运行 作组织大数据合据合作中心全绿色结构变革，能够解决储能、可再生新能源消纳、能源电力市场化等重大挑战氢能市场 以水为载体的热/冷存储，实现需求响应，提高系统能效 主要科学问题与挑战 信息流和氢-电一次能源及多种能源流网络间的时空多尺度作中心耦合、动态转换关系的机理和数据模型、智能性设计 优化理论与方法合作中心 多能转换关键装备和系统的高能效调控与稳定性 α包含氢能供需链的多能互补协调规划，分布式能源系统市场中国的设计与博奔分析 -上海合作组数据合作中心作组织国家自然科学基金重大项目“含氢多能源供需系统协同运行的基础理论与关键技术”（2022.1-2026.12） 陕西榆林零碳智慧能源站示范项目 口6月20日：能源站建筑主体施工完成据合作中心口7月05日：设备进场安装口7月20日：联调联试口7月30日：投入试运行 口2022年7月建成零碳智慧能源站，为省运会运动员村（12万平米）联通5G基站和数作中心据中心零碳供能口实现“零碳-经济性”双示范口为零碳园区建设提供解决方案和技术路径 创新结构与范式一氢能+多能源优化零碳+经济效益 首个零碳分布式多能源站据合作中心首个零碳5G基站口首个零碳数据中心 教据合作中中国能源站主体、制氢储氢和燃料电池系统、光伏发电系统、水介质储冷储热系统、浅层地热井合作中心群等组成 氢能实现零碳中国-上海合作多能优化获益大数据合作中心市场复制推广 供电系统一光伏供电与制氢+氢燃料电池供电+外购氢 系统特点：光伏、氢能燃料电池发电、电网备用无缝连接 光伏与氢能发电协同运行，优势互补，提升系统可靠性与经济性 柔性互联装置并列运行，保证系统灵活性与稳定性 供热系统一地源热泵+浅层地热井季节储热+储热水罐短期调节 系统特点：燃料电池热电联产系统高效发电供热 太阳能低成本自主制氢+榆林氢能产业链的廉价工业副氢口燃料电池热电联产效率90%以上（燃料电池发电仅约40%）燃料电池与土囊储热、地源热泵高效协同，实现热能极致利用 供热系统一地源热泵+浅层地热井季节储热+储热水罐短期调节 系统特点：燃料电池-地源热泵-浅层地理管协同提供侧热（冷）能需求二 地温优势与高效地源热泵（性能系数3-6）高效提供热（冷）能 口板换利用燃料电池释放热能，提升综合能源利用效率 地理管冬季土取热、夏季和过渡季土壤储热，协同优化供热 供共冷系统地源热泵+地温导热管+储冷水罐短期调节 系统特点：极低成本供冷 口太阳能低成本自主制氢+榆林氢能产业链的廉价工业副氢 地温基本与年平均气温相同，与地源热泵初级水温一致 燃料电池与土壤储热、地源热泵高效协同，实现热能极致利用 能源站信息物理融合系统总体架构 能源站调度控制系统结构 基于智能感知-弹性通信-自主计算-协同优化的一体化控制结构 作中心热能系统：日前调度与实时优化结合的运行优化方法应对多工控复杂运行模式未端空调：人机混合智能决策实现未端空调灵活调节，节能优化且保证人员舒适性电气系统：联合主从控制、对等控制等多种模式实现直流微电网功率动态分配 零碳智慧能源站2022年7月底投入运行 零碳5G基站、数据中心 能源站数字李生系统 社会效益 口同传统的电网供电、市政供热的传统供能模式相比 组织大数据合作中心相当于植树48万棵 年减少二氧化碳排放8640吨 年化总成本降低40% 大数据合作中心口作为世界首个实用化氢赋能零碳智慧能源站经过夏季制冷和冬季供热的换季工作环境考验口在省运会期间为运动员村无故障零碳供能口疫情封控期间作为隔离酒店，／为最多5000人入住零碳供能，运行良好，为抗疫做出重要贡献 媒体聚焦 央视新闻联播报道项目氢-水循环分布式能源供需系统平台 人民日报头版报道项目创新链、产业链双链融合成效 产业应用场景1：：零碳工业与生活园区 发挥地区资源和能源优势，面向国家双碳目标和绿色能源天上革命需求，打造零碳科创新城，赋能科技创新，提升氢能市场活力，推动氢能产业发展 产业应用场景2：零碳乡村振兴 落实2022年中央一号文件，推动零碳乡村振兴发展 推进农村光伏、生物质能等清洁能源建设，打造零碳村镇能源系统，提高村民生活质量 零碳数据中心与通信基站产业应用场景3： 算力网一通信网一能源网“三网合一能够为未来分布式数据中心和超高速通信站点作中心提供零碳能源 数据中心能耗和碳排放现状 高能耗 改据合作中目前数据中心年使用电力超过200TWh，预计2030年其耗电量将占全球能耗6%以上 高碳排 目前信息通信行业碳排放量占全球碳排放总量的2%以上 低算效 大数据台数据来源：《信息基础设施能耗分析及现状与趋势》Jones, Nicola."How to stop data centers from gobbling up"Nature 561.7722 (2018): 163-167 数字经济的重大挑战 5G系统耗能是4G系统的3倍，6G系统耗能是5G系统的10倍高耗能数据中心大量建设 中国-上海合作组织大数据合作中心ICT基础设施能源需求增加与碳排放增加脱钩 规模化经济型零碳数据中心结构 远端冷源：热泵+地热井+余热回收 中国北方2-5万千瓦零碳数据中心总体方案（年均气温13°C以下） 双碳目标路线图的思考 口存在既降低碳排放又降低用能成本的技术途径吗？ 组织大数据合作中心榆林氢赋能零碳智慧能源中心的实践表明：能够！ 中国-上海合作口数据和通信中心的能源需求增加与碳排放增加脱钩可行吗？ 榆林氢赋能零碳智慧能源中心的实践表明：可行！ 每合作组口存在脱离政府补贴、依靠市场机制降低碳排放之路吗？ 榆林氢赋能零碳智慧能源中心的实践表明：存在！ 结论 能源电力系统绿色化势在必行，经济储能技术是利用可再生新能源的关键，也是为未来算力系统和通信系统提供绿色能源的基础 氢能赋能的供电、多能储能、转换和互补的控制优化，能够实现局域能量平衡,中保证系统经济性，构建市场可复制的分布式零碳能源系统 基于氢能大规模利用的分布式零碳智慧能源系统，将可能深度改变能源结构，为未来分布式数据中心、高速通信站点提供零碳能源，实现以绿色、分布、市场为标志的能源革命 中国-上海合作组织大数据合作中心THANKS