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助力“双碳”,电网企业用“科技创新”作答 移峰

助力“双碳”,电网企业用“科技创新”作答

2020年,我国提出碳达峰、碳中和目标,对能源电力行业加快实现低碳转型和绿色发展提出了新的要求。今年上半年,国家电网公司落实党中央部署,发布央企首个碳达峰、碳中和行动方案。

为实现“双碳”目标,国家电网有限公司各单位综合施策,加快科技创新的步伐,他们都做了点啥,有哪些科技创新成果?

推动碳排放量精准计量

今年5月,国网江苏电力自主研发的国内首个电力行业碳排放精准计量系统——江苏省火电行业碳排放量化监测与评估系统正式上线,实现了对火电行业二氧化碳排放的“精准画像”。

该系统覆盖了火电机组碳的生产、排放的全过程,通过实时传感装置与后台数据分析,系统解决了传统碳排放计量方法“排放因子法”可能出现的不及时问题,减少人为干扰因素,将碳排放监测时间维度由年缩短至秒级,监测对象由一家发电企业细化至单台机组,碳排放计量精度提升约6%。

目前,国网江苏电力已在8家发电企业11台发电机组开展系统应用试点,预计2022年实现对江苏主力火电机组全覆盖。同时该公司也在探索该系统在其他高耗能、高排放行业的应用,建设全省碳排放大数据平台,实现对社会各行业碳排放的精准计量。

南瑞集团成立了碳管理技术及系统研发专项团队,基于能源的信息物理社会系统(CPSSE)框架,贯通碳与能源电力之间的信息流、业务流、行为流及碳原子流的联系,重点攻克跨领域信息感知与采集、多源异构数据融合分析与知识提取、碳排/碳汇建模仿真与协同优化等关键技术,开发了一套具备在线监测及分析、量化评估及预警、态势推演及决策支撑等应用功能的全域、全景、全链、全时的碳管理系统,为政府、能源电力行业及控排企业提供碳达峰、碳中和路径优化的决策支撑。南瑞集团首套碳管理系统(CMS)已在地方电网投入使用。

四川电力信通公司构建智慧能源大脑,实现碳足迹监测追踪,以“横向互核,纵向推演”的模式汇聚整合各类数据资源,结合专家系统、特征工程等建模方法,构建“能电碳模型”及“电碳监测指数模型”,利用动态排放系数,实现“能电碳”数据的多维度转换与分析,精确掌握电碳结构演变态势,实时追踪行业、企业、个人的碳排放行为。

同时,该公司孵化云储能综合运营,尝试多模态减碳:基于智慧能源大脑,分析监测区域内用户的用电需求,结合四川清洁能源储能情况,采用供能就近原则,有指导性地构建以储能资源为点、储能服务为面的多场景云储能运营平台,实现丰水期储能、枯水期供能的分布式云储能运营管理,提升清洁能源占比,降低碳排放。

上海电科院建设了上海供电碳排放(主要包括发电环节碳排放、输配电环节碳排放)监测平台。该平台的建立旨在引导企业开展节能改造,为上海能源清洁转型、绿色低碳发展提供数据支持。平台根据国家颁布的碳核算标准,以行业级、企业级电力消费数据为基础,融合应用中国碳核算数据库能源消耗数据,设置了上海“能源流图”“碳足迹”“企业碳排热力图”等功能,实现对上海发电和电网企业的碳排放总量、单位供电碳排放强度的测算及动态监测与分析。

通过该平台,发电企业可以看到所属电厂的碳排放数据,若存有富余的碳排放权,也可转移到全国碳排放权交易市场上开展交易。电网企业可以看到所属设备的线损碳排放情况,通过提升运维水平间接减少碳排放。

四川电科院对接政府应用服务需求,结合威远县打造西部首个碳中和工业示范县的需求,研发了“威远县碳中和大数据平台”。平台构建了监测碳排放、决策碳减排、感知新发展三大核心场景。

监测碳排放场景搭载基于电力大数据的企业碳排放预测模型,实现工业、学校、医院、酒店等碳排放的每日动态预测;创新引入卫星遥感,首次实现了碳卫星监测的区域碳排放浓度与地面企业碳排放预测的融合应用,定位热点网络,识别高排放源。

决策碳减排主要针对重点排放点提出降碳决策建议,量化减碳潜力,为政府、企业的降碳决策提供支撑。

感知新发展场景融入了产业动能转换、商业景气指数、乡村发展活力、污染防控形势等的监测分析板块,为区域迈向碳达峰、碳中和的演进态势提供动态数据支撑。

山东威海供电公司在荣成市寻山街道爱伦湾海洋牧场原有设施基础上,以低碳智慧用电为出发点,运用综合能源相关技术,融合分布式光伏、高效热泵、分布式储能、智能感知控制等多种元素,建成山东省首个“智慧低碳、多能互补”的海洋牧场乡村振兴示范区。该项目实施后,微藻玻璃大棚项目由春秋两季生产变为四季生产,实现对温度、水质等在线集中实时监测,降低生产用能成本25%,增加产量15%,年减少二氧化碳排放100吨以上,不仅助力园区自身零碳排放,还可为社会贡献碳减排指标。

8月20日,中国(上海)自由贸易试验区临港新片区电网动态碳排因子在调控大厅实时跳动,显示为0.6322吨/兆瓦时。为了更真实精准地体现电网供电的含碳量,为公众提供可信数据,用实时变化的电网动态碳排放因子来引导用户的用电行为,今年7月底,上海浦东供电公司自主研发的“地区电网双碳调度平台”顺利上线运行。平台以电网实时潮流为基础,实现电网碳排放因子动态实时计算、电力碳排热力地理分布、电网降损减碳智能决策、清洁能源消纳风险预控、重点用户降碳实时计量等五大创新功能。

国网福建省电力有限公司、厦门供电公司联合国网英大碳资产管理公司在国内首家发布电碳生态地图,通过电力大数据融合链接煤、油、气、热等其他各类能源消费数据,实现电量看区域、行业、企业碳排放的全景、动态展现,服务政府决策施策和社会用能转型。

今年5月以来,三家公司打通“电-碳-能”数据链条,以规上企业为对象绘制电碳生态地图,包括区域碳排放热力图、各行业碳电强度分析图、同行业各企业碳电强度分析图、企业与行业碳电强度对比图等四张图,目前已覆盖厦门地区1836家工业企业。

大力发展新能源

2020年6月,国网安徽电力开工建设六安兆瓦级氢能综合利用站科技示范工程,开辟了氢能利用在国内电网领域应用先河。工程采用电解水制氢为氢燃料电池提供氢源,建设1兆瓦氢能电站,用于电网调峰或移峰填谷,该工程预计2021年年底建成投运。

该工程在源端采用无法消纳的光伏、风电等新能源制氢,实现清洁电力到清洁气体能源的大规模存储;在终端通过实施加氢与氢燃料电池发电系统,将氢气应用于热电联供、备用电源加气站、化工合成等多个场合。

通过工程示范,国网安徽电力收集大功率氢燃料电站运行数据,进一步加强电力系统与氢能产业耦合;将电力生产过程富余热量梯级利用,搭建小型示范区,探索零排放的分布式电源稳定发电模式和能源综合利用方式;研究分布式氢燃料电站利用峰谷电价差盈利商业模式,为氢电耦合大规模产业化推广打好基础。

河北保定供电公司攻关含有分布式新能源接入的有源配电网关键技术问题,通过PMU(电力系统同步相量测量)装置达到配电网数据的实时分钟级监测,解决了有源配电网“盲调”问题,实现了有源配电网监测手段由宏观到微观、稳态到暂态的跨越式突破,这在河北省尚属首次。PMU装置可以迅速判断配网线路各类故障,准确定位故障区域,实现故障状态下微秒级录波,清晰还原故障情况。自从应用有源配电网PMU测量装置后,故障处置平均用时从之前的3小时下降为1.5小时,效率提升。

氢电综合利用是解决新能源消纳难题的重要途径。目前,电制氢存在成本高、发展滞后等问题,清洁能源能够降低制氢成本、解决氢能运输难题。辽宁电科院首次提出构建“制-用”一体氢电综合利用生态链发展新模式,用氢电建设分布式电制氢储氢系统,通过电网传输实现清洁能源与氢能间的高效转换。目前,辽宁电科院于实验室搭建氢电综合利用系统性能检测平台,对电解水制氢装置在温度、电压、频率等条件变化时的特性进行总结,验证了电解水制氢装置的功率调节速度和孤岛运行稳定性,并开展并网制氢、光伏孤岛制氢、直流制氢相关技术路线探索,拓展了清洁能源高效利用途径,为“双碳”目标下的大规模清洁能源发展及氢能的推广奠定了技术基础。

聚焦解决储能难题

今年以来,国网江苏经研院围绕“双碳”目标与新型电力系统建设,攻坚大规模储能电站安防难题,基于电化学储能变电站特点,构建规模化磷酸铁锂电池储能电站消防安全技术标准体系和典型设计,形成渐进式三级安全防护方案,发布《磷酸铁锂电池储能电站消防技术与工程应用》专著,相关成果获得国家电网公司科学技术一等奖;上线国内首套综合能源规划设计运行一体化仿真平台,初步实现实现冷、热、电联合仿真;打造能源互联网规划与决策实验室,形成模型驱动、数据贯通、跨专业协同、功能丰富的工具平台,开展能源转型路径、电网功能形态、电网安全水平和效率效益评价等研究,量化能源政策和市场机制的成效。

国内首套综合能源规划设计运行一体化仿真平台运行界面

山东莱芜供电公司口镇综能储能电站是全国首个利用电网退运电池建成的独立储能电站。该站利用3542只修复后的电网退运电池作为储能单元,分组置于三个独立电池舱,经逆变器升压后并网。该站创新采用组串式储能变流器,实现各电池簇支路独立高效运行,并开发利用储能电站退运电池管理系统,保障储能电站退运电池稳定运行。

电网退运电池的修复利用,实现“化废为利、变害为宝”,减少了铅酸蓄电池及再生铅循环,降低铅类组分对环境造成的污染。同时,采用修复后的退运电池作为储能单元,与购买全新蓄电池相比,能够节省储能电站建设成本的三分之一以上,解决因蓄电池成本高昂制约储能电站建设推广的难题。

口镇综能储能电站航拍图。

科研攻关多方发力

国网华东分部探索启动大受端新型电力系统和区域“双碳”电力发展路径两个前瞻性方向预研究;深化区域电网中长期调峰资源需求研究,工作思路和方法在国网系统推广;协同开展海上风电柔直并网技术研究,编制海上风电并网服务指南等规范性文件,推进如东柔直机电暂态仿真建模工作;搭建完成“双碳”实时监控电子沙盘,实时推演含碳、零碳电量占比,监控碳排放、碳减排数据,展示华东地区“双碳”发展趋势;开展“红馆绿电”交易,为嘉兴红色场馆提供平价绿色电力,实现场馆用电“全程绿电、零碳排放”;2021年上半年消纳网内新能源同比增长38%,消纳区内区外清洁电量达到全网用电量的25%,消纳率持续保持100%。

国网北京电力突出首都特色,制订了《新型电力系统科技攻关计划》,抓准新型电力系统的攻关方向,强化科技试点应用的示范引领,为全面服务构建新型电力系统提供强大科技支撑;实施重大项目揭榜挂帅,启动首批16项新型电力系统专项科技攻关项目,助力提升首都高比例外受新能源电力消纳能力、首都智能高弹性配电网建设运行水平、首都终端电能占比及能效水平;发挥重点实验室平台作用,联合领军企业、顶尖高校和科研院所开展重大项目攻关;建成投运国家重点研发计划项目“低碳冬奥”延庆发充储放示范工程;主导建设、独立开发的海淀城市大脑智慧能源版块上线“电力+双碳”子版块。打造“网上电网”房山综合示范区碳排放全景监测平台。

北京房山供电公司员工通过“网上电网”电碳生态地图查看电力消费碳排情况。

国网陕西电力研发输变电工程水土保持在线监测系统,满足电网环保全过程管理,全链条监测、诊断、预警需求,杜绝环保颠覆性意见、提前规避违法跨越等重大环境风险,该成果已在陕西놀0千伏青海-河南、1000千伏榆横-潍坊陕西段近20项超特高压重点工程中得到应用;研发新型环保绝缘气体合成制备技术,打破国外技术壁垒,研制相关10千伏充气式变压器。该气体绝缘性能媲美六氟化硫、温室效应不到六氟化硫的1%,在实现电气设备中六氟化硫气体的减量化和替代化方面具有广阔前景,具有显著的减碳效益。

感谢:许馨妍 王祎 卢媛迪 王海涛 郑言蹊 杜洋 孙佳丽 刘中华 吕正 庄颖芳 疏雅慧 王树欢 王祎菲 肖人杰张栋 毕翠莉 黄艳蓓 杜敏 陈维

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