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作者:唐凤 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/17 10:08:10
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让得克萨斯的风吹到北卡罗莱纳
新能源系统在变革中重塑

 

缩小后的涡轮电机与软件相连,该软件将允许桑迪亚国家实验室团队模拟各种情况。图片来源:Bret Latter

采用新型环保采暖技术的一家乌克兰体育场

也许很难想象,西得克斯萨的风“吹到了”北卡罗莱纳。

前不久,美国桑迪亚国家实验室研究人员有了一种新工具,可以让他们看看风能是否可以通过分布式能源,有效地为生活在偏远和农村地区的人们提供电力,甚至向远离电网的人们提供电力。

他们安装了一个新风力涡轮机模拟器。该模拟器模拟了位于得克萨斯州拉伯克附近的桑迪亚规模化风电场技术基地的实际风力涡轮机,以便研究风电场在多种天气条件和负荷需求下的行为,以及它们能否被消费者有效利用。

就这样,西得克斯萨的风被复制了下来,“吹到了”北卡罗莱纳,甚至阿拉斯加。

这是新能源技术不断发展的一个缩影,而第一步就是打破常规。

“敲碎”它

与传统的风力发电场将能源输送到与电网相连的输电线路不同,用于分布式能源的风力涡轮机接近甚至直接连接到终端用户。

“目前,大多数风力发电只是通过输电线路发送到数百英里外的用户,可能会遭遇各种各样的中断。”桑迪亚国家实验室研究人员Brian Naughton告诉记者,测试风力涡轮机对不同和变化的风和天气条件的反应,可以帮助确定在家庭、学校和企业附近进行发电的可行性。

桑迪亚国家实验室研究人员Rachid Darbali-Zamora说,“增加风能作为分布式能源,有望解决微电网技术面临的一些重大挑战,并解决不能持续使用传统电网供电地区面临的挑战,比如阿拉斯加的偏远社区或遭受飓风严重破坏的岛屿。”

能源转型对二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和的中国,以及公布《欧洲气候法》草案,决定以立法的形式明确到2050年实现“碳中和”政治目标的欧盟,而言同样重要。

中国国家气候变化专家委员会副主任何建坤指出,全球长期碳中和目标导向,将加剧世界范围经济技术革命性变革,重塑大国竞争格局,也将改变国际经济贸易规则和企业发展业态。

“践行‘30·60’战略,能源是主战场,电力是主力军。这要求我国实现更高水平电气化,支撑煤炭、石油、天然气尽早达峰。电力消费将会持续增长,到2050年,将达到15万亿千瓦时,电能占终端能源的消费比重将提高至50%。”电力规划设计总院副院长徐小东在近日举行的“促进能源技术创新——欧盟与中国的合作机遇”研讨会上提到。

徐小东提到,这就需要推动电网进一步优化,构建新一代电力系统,以适应高比例可再生能源的接入,电网形态将更加多元,大电网、微电网、分布式电网有机互补,新能源一体化开发外送、源网荷储一体化就近利用等模式将成为未来发展重点。

“重塑”它

“加快能源低碳转型需要对现存的能源消费和利用方式进行重塑,这在消费、供给、输送、 存储、市场机制等环节均面临着一定的技术挑战,需要开展技术创新,以提供高效的解决方案。”徐小东说。例如,智慧能源系统不仅可以实现不同能源品种的协调互补和智慧调度,还能大幅提高供能可靠性和能源利用效率。

欧洲沼气协会副会长 Piero Gattoni在研讨会上表示,可再生能源和科技的巧妙结合,对于发展未来能源系统,以及实现2050年碳中和目标至关重要。“智慧组合可再生天然气、电力以及现存天然气网,能使欧洲能源系统最大程度去碳,并且系统完全可再生。”Gattoni告诉《中国科学报》。

例如,意大利的Biogsadoneright系统,是一种可以改善农场经济和环境的耕种方式。农场同时种植主作物和双作物。作物产品一部分走上人们餐桌,一部分变成农场家畜家禽的食物,另一部分进入农场的能源生产系统。

同样,农场动物废弃物也进入厌氧消化池系统,与能源作物和残留物一起生产沼气、生物甲烷、供电和供暖。而沼渣入土滋养农作物。这种耕种方式周而复始,循环往复。

“生物甲烷的生产不是目的,Biogsadoneright系统是支持农场的农业生态转型工具,并帮助实现光合作用的生态集约化和农业生态系统的再碳化。”Gattoni说。

此外,瑞典林雪平大学市场营销学副教授Mikael Ottosson和同事,以沼气市场为例研究了可持续能源市场的发展,发现构建此类市场有特别的障碍:必须不断被塑造和重塑。

携手实现终极目标

“新事物就好比是不受待见的穷亲戚,它们需要证明自己,必须提供至少与现有事物相同的质量。这使得可持续性成为除了价格和质量之外的额外组成部分。”Ottosson说。

正如斯堪尼亚中国战略重心商务发展总监周齐所言:“替代化石燃料,没有唯一的最优解,减少碳排放是终极目标。”

但技术的可靠,永远是新能源系统证明自己的途径之一。而专家指出,要应对全球气候变化、构建新能源体系,深化国际科技合作是必然选择。

随着全球能源转型速度加快,中欧双方能源创新合作不断深化,双边交流日趋活跃,在氢能、储能、电动汽车等新兴能源技术领域,持续加大技术研发与应用合作。

“近年来,中欧双方企业与科研机构在海上风电、太阳能发电、燃料电池、储能等领域开展了大量技术研发合作,设立或联合成立了多个研发机构以开展深度合作。”徐小东说,“下一步,中方对欧合作意向主要包括氢能、智慧能源、综合能源系统、储能、可再生能源、低碳零碳技术等领域。”

例如,智慧能源系统不仅可以实现不同能源品种的协调互补和智慧调度,还能大幅提高供能可靠性和能源利用效率,徐小东提到,目前中国很多城市已将智慧城市建设列入未来发展规划,作为智慧城市的核心组成部分,智慧能源系统在未来将大有可为。因此,中欧双方在5G+智慧能源、数字电网、虚拟电厂、储能云、区块链等方面具备合作潜力。

回到桑迪亚国家实验室,Naughton和同事们可以在实验室里为风力发电测试模拟天气和负载条件,而不是要等到阴天下雨,或大风来袭。研究人员利用该模拟器改进了风力混合分布式能源系统,提高了配电系统和微电网的稳定性、灵活性和安全性。

 
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