能源枯竭？在能源互聯網時代不存在！

能量路由器離我們還遠嗎？

曹軍威

清華大學信息技術研究院研究員、副院長

北京智中能源互聯網研究院首席科學家

曹軍威@演繹inSite演講視頻鏈接：

以下為曹軍威老師演講文字稿：

（根據演講現場整理，基於原意有所刪減，完整版請看視頻）

非常高興有機會跟大家交流有關能源的話題，談到能源大家可能第一反應就是能源好像跟我沒太大關係，家裡用電用氣是接入了能源，但交電費、交煤氣費都是非常被動的過程，所以大家會感覺能源跟日常生活離得非常遙遠。

我是做信息技術研究的，來自清華大學信息技術研究院。令我印象深刻的是在 90 年代，當時我正好上大學，那時剛剛開始可以在大學宿舍裡攢自己的計算機，攢自己的網絡。大家真的需要用計算機網絡交換信息嗎？其實當時並沒有這麽強的需求，但是大家都很願意去連網。其實互聯網的本質，是信息或人的個性的自由化。

能源行業正處在這樣的一個啟蒙階段，叫能源自由化的階段。

有一天是不是每個人在家裡就可以攢出一個能源系統？是不是需要一個能量路由器？是不是能像計算機網絡一樣即插即用就可以把一個能源系統搭建起來？所有這些暢想其實離我們並不遙遠，作為研究人員，我們已經開始做這項工作了。

“能源+互聯網”實現能源自主可控

首先給大家展現一個場景，現在給手機充電的是一個很小的充電寶，如果這個充電寶變大一些是不是能給整個家庭充電？比如家裡有一個屋頂光伏發電系統，未來電動汽車普及以後車也可以在家裡充電，這本質上就形成了一個能量系統。

圖片來源：Pixabay

有了能量系統我們能在家裡做什麽？

比如我會選擇在晚上來給電動汽車充電，因為晚上的電價最便宜。在歐美電力市場比較發達的地區有峰谷電價差，在白天用電高峰期電價比較貴，在晚上用電低谷期甚至有電費為負的情況。所以讓儲能系統晚上吸取低價電量白天放出電量，這就不用給電網交高價的電費。

我們可以有一個集中的運行控制中心，這個控制中心甚至可以在手機上來操控，這樣的意義就是能源的自主可控，我的能源我做主，如果隔壁家的電源電能不夠還可以賣給他,這些都是能源互聯網展現給我們的未來場景。

所以家庭式的能源互聯網跟我們每個人息息相關，如果把類似的場景拓展到更大的園區場景就會更加豐富化。

有一種情況叫源網荷協同，在一個系統裡電源、電網和負荷協同工作，如果整個社區都跟電網互動，就可以把電網的高峰期削減、低谷期填平。我們知道電、能量的基本屬性是發了多少能源就必須用多少，除非有大規模的儲能，否則整個穩定性就會受到影響，所以有一個穩定的負荷非常重要。

有了能量系統在園區裡還可以做什麽？

比如發配售一體，目前我們國家在能源系統上是垂直管理，到了一個小園區甚至一個樓宇，所有不同的能源形式和系統都是獨自管理，它們之間沒有更多的協調關係，也沒有區域的運營商。未來能源互聯網可以從邊緣做起變成區域的運營，這樣的運營實體有利於區域能效的提升，甚至解決我們現在遇到的其他問題，如節能、減排、環保等等。

未來如果這種分布式的光伏或者風能，能夠逐漸地以分布式、互聯網的形式普及，就可以通過區域能源的形式，推出一種自下而上構建的能源基礎設施，以區域為中心來運營的能源形式。

剛講到的兩個最基本的場景，從家庭到區域，實際上未來可以擴展到一個城市變成一個自治的能源系統。我們關於能源互聯網的基本理解，實際上是借鑒了互聯網的理念，本質上就是能量的分發。

手機沒電了？等等我馬上給你轉發一份能量

如果 90 年代是互聯網啟蒙的階段，那麽我們說現在是能源系統，尤其是分布式的能源互聯網系統啟蒙的階段。能源和互聯網類比起來大家會看到驚人的相似性，也許未來十年、二十年能源系統所走的路就跟前二十年互聯網走的路驚人的相似。

在 2011 年美國學者裡夫金的《第三次工業革命》這本書裡邊提到，第三次工業革命的一個重要標誌就是能源互聯網的發展，他用一句話來概括：在即將到來的時代，我們需要創建一個能源互聯網，讓億萬人能夠在自己的家中、辦公室或者工廠裡生產可再生能源。

大家在面對能源問題時會跟互聯網類比，在互聯網上很難想象信息會枯竭，但在能源領域會想到能源的可持續發展問題。對於化石能源有的人說 50 年，有的人說 100 年就沒了，相反在互聯網領域大家唯一擔心的是信息爆炸。為什麽在能源領域我們覺得有些封閉、遙遠？而互聯網會跟我們離得近、更開放？

現在我們轉發一條消息有人看，如果我轉發一份能量有人用，這件事是不是很酷？

實際上這是能源互聯網的一個起因，能源枯竭的一個原因是能源生產中沒有把大家的積極性都發揮出來,如果每個人都發動起來，你也發電，他也發電，這樣的能量匯聚起來是不是就能實現能源的可持續發展?

我們發現在互聯網的發展中有一些局部的、專用的網絡，從 90 年代開始 Internet 上各種應用層出不窮，驚人相似的是現在已經有了很多分布式的可再生能源。我們已經把這些系統示範性地連接很多能源微網，在一個小的微網裡既有電源也有用戶，這樣的系統連起來就變成一個能源互聯網，甚至國家電網公司也提出了全球能源互聯網的概念。

全球各個國家的能源系統是不是也能連在一起？這裡面想象的空間非常大，因為這兩個行業的體量不可同日而語，一個簡簡單單的信息轉發就構建出這麽大的一個工業體系，未來如果整個能源系統朝這樣的方向發展，它的體量也非常巨大。

圖 | 園區能源互聯網場景（來源：曹軍威）

我們做過一些小園區的能源基礎設施研究，從它的建設、運行到最後運營，都是上億上十億上百億的體量。所以能源行業是第一大工業，它的體量使得大家認為如果有這樣的基礎設施，如果有這麽多的商業的創新模式，可以便捷地轉發能量，還可以有這麽多用戶參與進來，它未來發展的空間會很大。

網絡路由器傳遞信息，而能量路由器分發能量！

能源互聯網建設需要能量路由器。建互聯網時有很多路由器在底層分發信息，未來是不是也需要一個基於能量路由器的能源互聯網架構？我們現在就是按照這樣的思路去做研究，能量路由器之間通過交流或直流電網的技術連接，形成一個互聯繫統後既能保證分布式的能源和用戶運營的靈活性，又可以保證整個系統的安全性、穩定性。

對於能源系統安全、可靠、穩定是最大的前提，不能因為互聯而互聯，而是要更大程度上保障它的可靠性。

實際上 2004 年英國的《經濟學人》雜誌就提出了 building the energy internet 的設想， 2003 年在美國東部地區爆發了一次大面積停電，美國東部三分之一的地區都停電，那時候是分布式屋頂光伏剛剛發展的階段。

它提出來把能源也按互聯網的形式建立，因為跟互聯網對比很少聽說有互聯網網絡大面積的崩潰，它是分散式的結構，一個兩個路由器壞了對信息的轉發沒有影響。那未來能源是不是也可以由分布式的能源系統互聯起來？即便一個兩個壞了也不影響整個能源系統的分發，所以基於能量路由器的能源互聯網是有理論支撐和實際意義的。

圖 | 網絡路由器典型架構

網絡路由器是怎麽來分發信息的？最簡單的核心原理叫存儲轉發，信息來了先用緩存存起來，然後根據不同的機制從特定的端口出去。這和能源可以非常好地對應起來，把數據的緩存變成儲能的系統，能量進來以後先把它存起來，把決策的機制變成類似數據中心的處理機制來決定能量從哪來到哪去。

整個架構上既有信息的接口、能量的接口，也有更高級應用的接口，這就形成了信息、能量融合的系統。如果未來要實現信息能源基礎設施一體化，就不需要單獨的信息基礎設施和單獨的能源基礎設置，這兩套基礎設施一體化實現的效益是最好的。

網絡之所以能互聯是因為有一個互聯信息交換的標準，而這樣的標準有多個層級，不同層級完成不一樣的任務，比如最著名的網絡七層結構。能量路由器交換、分發能量是不是也能用分層來實現？我們有物理層來交換能量儲能，建立傳輸層、各種各樣的應用層，一旦實現了分層的目標也可以制定相應的標準。

圖 | 能量路由器分層架構

能量路由器還有很多輔助功能，比如電能質量功能。在工業界有些負荷對電壓的高低、頻率的快慢非常敏感，在半導體行業一旦電壓跌落了可能整個生產線都會停掉。類似這樣的電能質量問題還包括諧波、無功等，但能量分發出去後就可以控制它的電壓等級、頻率，可以形成電能質量治理效果。

我們平時看到的網絡路由器是非常邊緣的一部分，實際上到了主乾網以後有主乾的路由器和功能更強的路由器。同樣我們也可以設計有更高電壓等級、更大容量的連接兩個樓宇、兩個小區，甚至連接兩個不同城市的能量路由器，它們的實現基於電力電子、儲能、嵌入式系統技術等。

什麽叫電力電子技術？電子就是我們的手機、筆電，電子產品的邏輯非常複雜但它的電流非常小，因為它要傳遞的僅僅是信息，如果要傳遞能量就要求電壓上萬伏、電流上百安，這時就變成了電力電子這樣的技術。充電寶是一個小電池，把一萬個充電寶並聯串聯以後就可能變成一個巨大的儲能系統，類似這樣的技術在產業上也在推進，最後會形成像能源互聯網、能量路由器這樣的產品。

目前能量路由器的發展用三句話來概括：能量路由器工業樣機的實現我們已經完成，需要進行的是產業化的推廣工作，也就是它的規模、成本、應用場景，它是不是被更大多數的場景所接受？運營以後是不是能夠從投資回報率上具有經濟可行性？

圖 | 能量路由器樣機（來源：曹軍威）

這是我們研製的能量路由器的樣機，既可以作為控制的終端，又可以作為計量的終端。

能量路由器現階段有可能實現一些場景，比如家庭能源或園區能源，把電網、光、儲、充等集成在一起，通過能量路由器形成集成化的解決方案，包括光伏的逆變器、儲能的雙向變流器、並網的變流器、充電模塊等功能。同時也可以集成能量管理和電能質量管理等功能，在成本上如果具有一定的可行性，尤其是比如電動汽車充電電費比我們日常的電費更貴的話，在這樣的經濟可行性下能源互聯網的能量路由器就可能就有產業化的意義。

我們在北京市科委的支持下，與京能集團合作進行了初步嘗試，未來清華大學跟北京智中能源互聯網研究院會繼續推動相關工作的開展，推動它的產業化運行和成本的下降，把這項工作持續地做下去。

回到能源互聯網的初衷：每個人、每個家庭、每個樓宇、每個園區、每個城市不僅僅是能源的消費者，在未來會成為能源的生產者，跟互聯網對比我們也許會迎來一個更加激動人心的能源互聯網時代。

在這樣的一個時代裡你的能源你做主，每個人都能參與到能源的生產和消費環節中去，未來能源互聯網要營造一個綠色、低碳、環保和智慧的新願景！

謝謝大家！

-End-

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