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★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共同面臨的迫切問題，給人類可持續發展帶來嚴峻挑戰。IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）在其《氣候變化2021——物理科學基礎》中指出：全球氣候變化范圍廣泛、速度迅速并不斷加劇。觀測到的許多氣候變化（地表升溫速度加快、水循環加劇、多年凍土解凍、海平面持續上升、海洋持續酸化等）都與人類影響有明顯的聯系，是幾千年甚至幾十萬年來前所未有的，而一些已經開始的變化（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《巴黎協定》提出的在本世紀末把全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在接近1.5°C或2°C的目標將無法實現。

基于推動實現可持續發展的內在要求和構建人類命運共同體的責任擔當，中國提出“力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標愿景，并將“雙碳”工作納入經濟社會發展和生態文明建設的整體布局之中。用30年時間從碳達峰過渡到碳中和，這意味著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間（相較全球主要經濟體）走完碳達峰到碳中和的進程（如圖1所示），需要開展的將是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。

（來源：世界銀行、清華-布魯金斯公共政策研究中心）

圖1 主要經濟體達成碳中和任務的預期速率對比

能源轉型是“雙碳”目標實現的關鍵，數字化轉型是重要的賦能工具。通過能源轉型與數字化轉型之間的良性互動互濟，會加速推進我國能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向的發展進程，助力“雙碳”目標務期必成。

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射由地球表面、大氣和云層所發射的紅外光譜范圍內的特定波長的、輻射的、自然的和人為的氣態成分。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。“碳達峰”即“碳排放達峰”，是指在某個時間點（段），人為向大氣環境中排放的二氧化碳（或包括其它主要溫室氣體）量達峰，簡而言之，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。“碳中和”是指在規定的時間段和規定的區域內（如某個國家、地區或組織內），以直接或間接方式，人為向大氣環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。

（來源：Our World in Data）

圖2 工業革命后全球主要國家或地區年溫室氣體排放量一覽圖

2060年前實現碳中和之路面臨著嚴峻挑戰：

（1）時間緊、任務重、難度大。從時間角度而言，歐盟、美國、日本等發達經濟體的碳排放早已自然達峰，其從碳達峰到碳中和的過渡期長達50～70年，而我國僅有30年的時間；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，超過美國、歐盟、日本年碳排放量的總和，減排難度可想而知。

（2）發展與碳排放仍為強耦合關系。發達國家已完成工業化，處于后工業化時代，其經濟增長與碳排放為弱耦合關系，而我國尚處于工業化發展階段，經濟發展與碳排放仍處于強耦合關系。

（3）能源電力領域控制碳排放任務艱巨。據統計，我國能源行業碳排放占比約88%，電力行業碳排放占比約36%。對于完成我國雙碳戰略任務而言，能源行業是關鍵，電力行業是主力軍。

（4）電力系統“雙高”“雙峰”特征日益明顯。隨著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渡。風電和光伏發電等新能源自身具有高間歇性、波動性、弱轉動慣量等特點，隨著電力系統中風電、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，轉動慣量持續下降，隨機性調頻、調壓能力不足；同時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，能源綠色低碳轉型是“雙碳”目標實現的核心和關鍵，構建滿足可靠性、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重要。

2.2 能源轉型概念、主要目標及關鍵方法

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程。通常而言，能源轉型會帶來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實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，全球能源部門應力爭在2050年實現凈零二氧化碳排放，這是一項艱巨的任務。

中國各關鍵時間節點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能耗達到國際先進水平，實現碳中和。從圖3中可直觀看出我國當前能源供需現狀，2021年我國低碳電力（水電、核電、風電、太陽能電等）和清潔能源（地熱、太陽能熱利用、生物質能等）的占比仍較低，要實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

（來源：電規總院《中國能源發展報告2022》）

圖3 2021年中國能流圖

實現碳達峰碳中和主要節點目標，實現能源轉型，全面建立清潔低碳、安全高效的能源體系，需遵循“四個革命，一個合作”的能源安全新戰略（即“推動能源消費革命、能源供給革命、能源技術革命和能源體制革命，全方位加強國際合作，著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系”），在能源轉型的關鍵方法上（包括技術和經濟）取得實質性的全面突破。

能源轉型覆蓋電力（包括發電、儲電、電網、需求側控制）、熱力（制熱、儲熱）、生物燃料（制取）、氫/氨（制取、儲存、輸送、使用）、合成碳氫化合物燃料（制取）、精煉等多個維度，相關的關鍵方法或技術有：

（1）可再生能源或低碳能源。如通過風力發電、光伏/光熱發電、地熱發電、生物質能發電、海洋能發電、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（如生物質顆粒、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足人類需求的第一能源。通過能效提升（如提高建筑保溫性能或廢熱回收利用等）可降低建筑物、工廠或基礎設施的能源強度。

（3）電氣化（電能替代）。大力提高工業、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”，通過儲能，其一可解決風/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、負荷削峰填谷、改善電力品質；其三是通過性價比、安全性等進一步提升，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，并加以儲存或利用，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，在我國能源轉型進程中不可能因循發達國家走過的“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煤電技術）仍是保障實現碳達峰碳中和目標的關鍵所在。

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，旨在提高效率、創造價值或創新。Gartner將之定義為：數字化轉型是利用數字技術來改變商業模式，并提供新的營收和價值創造機會，轉向數字業務的過程。數字化轉型可指從IT現代化（如云計算）到數字優化，再到新型數字商業模式的發明等任何事物。國際電工委員會（IEC）將之定義為：數字化轉型是考慮到當前和未來的變遷，以戰略和優先的方式，充分利用數字技術及其對社會各方面的加速影響之組合所帶來的變化和機遇，對商業和組織活動、流程、能力和模式的深刻變革。

3.2 數字化轉型技術及方法

數字化轉型技術種類繁多（如圖4所示），常見的有機器人過程自動化、物聯網、人工智能、云計算/邊緣計算、IaaS/PaaS/SaaS/EaaS（基礎設施即服務/平臺即服務/軟件即服務/設備即服務）、數據分析、網絡安全、微服務/API、VR/AR（虛擬現實/增強現實）等，此外，新興的有新一代協作式機器人、生物機器、量子計算、神經元計算、生物計算、軟件2.0、Web3.0、低代碼/無代碼平臺、零信任安全等，組織需在需求分析和風險分析的基礎上，選擇一種或多種技術或架構來進行數字化轉型，繼而帶來生產方式，乃至生產力、生產關系及文化等方面的變革。

圖4 數字化轉型技術示例

在工業中，數字化轉型涉及新一代信息通信技術、運營技術、工程技術、制造技術、管理技術、人工智能技術等多技術的融合應用，需管理系統、人員系統和技術系統三端協同發力，企業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、過程和系統。可采用如敏捷式、跨專業的矩陣式團隊，動態看板和性能管理，數字轉型工具等新的工具和過程。

· 人員系統指單個人員或群體在工作場合感知、思考、行動的方式方法。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，如滿足需求的數字知識、設計思維法（Design Thinking）、協同工作方法、敏捷工作方式、質量工程、DevOps、數字驅動創新等。·技術系統指資產和資源通過組合、優化等來創造價值、最大化減小損耗的方式方法。如數字孿生、數字主線、動態過程優化、預測性維護和自動工作流等技術和工具。

4 能源轉型與數字化轉型間關系

能源轉型與數字化轉型屬于互動互濟、水乳交融的關系，一方面能源轉型可為數字化轉型奠定綠色動力和可持續發展基礎，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。

能源轉型攻關重點包括：常規固碳技術，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，如長持續時間儲能、新型儲能（包括下一代儲能電池、新型儲熱）等；氫（氨）能技術，如氫（氨）的高效安全經濟制取、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，如深遠海風電、海上綜合能源平臺、高空風能、高空太陽能、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、各類安全高效新堆等；顛覆性技術，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（物聯網）、大數據分析、區塊鏈及其它新一代信息通信等數字技術的利用，可賦能能源轉型升級，催生新產業新業態新模式，加速推進能源體系從高碳向低碳、零碳綠色方向發展。如數字技術賦能智慧交通、智能工廠等，可提高能效、減少資源消耗、減少廢品率等。數字技術賦能于需求側響應、V2G（車輛到電網）、碳足跡監視及溯源等新場景。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）發電側：基于BIM（建筑信息建模）或數字孿生+數字主線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+風光發電模型的多時間尺度、高準確度的氣象預測和發電量預測；基于智能傳感及控制、無人監控/巡檢、AI增強先進模式識別、預測性維護等的發電自治運營；基于數字孿生、智能感知及控制、儲能、工業物聯網、新型發電技術的具有高度靈活性、爬坡能力的新型火電；基于新一代電力電子技術、智能感知及控制、儲能等的虛擬慣性、構網型智能逆變器等；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、智能變電站、主動配電網、分布式智能電網、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、電力電子技術等的動態輸電/配電容量提升、功/頻/電壓控制功能等。

（3）用戶側：基于新一代信息通信和電力電子、智能感知、智能控制、工業物聯網、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）、風光儲充等多能互補一體化解決方案（包括微電網、儲能、充電樁等）、用戶側儲能解決方案等。

（4）市場及管理：基于新一代信息通信、物聯網、AI、云/霧/邊計算、機器人過程自動化、能源區塊鏈等的智能購售電平臺、電力市場交易平臺、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）。基于新一代信息通信、物聯網、AI、BI（商業智能）、自動化、微服務/API、SaaS/Iaas/Paas/EaaS等的生產營銷一體管控平臺（包括新能源功率預測、資產監控、能效/績效管理、智能調控、預測性維護、決策支持等）。

5 結語

數字經濟正在成為重組全球要素資源、重塑全球經濟結構、改變全球競爭格局的關鍵力量，數字化轉型正是數字技術和實體經濟深度融合的外在具體呈現。能源轉型是“雙碳”目標實現的關鍵，通過數字化轉型賦能能源轉型升級，催生新產業新業態新模式，加速推進能源結構及相關工業、民用體系從高碳向低碳、零碳綠色方向發展，形成先進的“清潔低碳、安全高效”能源新體系，才能為實現“雙碳”目標不斷提供助力，支撐我國高質量可持續發展。

作者介紹：

張晉賓 （1967-），男，山西陽城人，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、自動化、信息系統、發電系統的設計、咨詢、研究及管理工作。

摘自《自動化博覽》2022年11月刊