西安交通大学管晓宏：零碳智慧能源系统与能源革命

中国-上海合作组织全球能源和环境危机迫在眉睫人类社会主要依赖化石能源的能耗模式难以为继!2习近平主席代表中国政府庄严宣告"中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，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。”—习近平，第七十五届联合国大会一般性辩论2020年9月22日2019全球碳排放结构住宅5.86%其他其他能源生2019全球碳排放结构住宅5.86%其他其他能源生力41.84%2019我国碳排放结构2019我国碳排放结构产3.53%数据源：国际能源署减少能源电力系统的碳排放是实现碳达峰、碳中和的关键 能源供应的清洁和绿色化势在必行6可再生新能源利用的主要挑战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高比例可再生新能源接入电网面临巨大挑战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主要挑战高、不盈利，影响推广模型，通信业务系统运行与通过提高5G主芯片和其它高端芯片制程以降低功耗受限强耦合5G及未来无线通信基站的节能优化硬件与网络节能设计：新材料应用，芯载波2多载波联合调度载波2设备级节能，可有效提升设备能效，广泛适用受设备运行工况影响，受其他设备运行影响，影响KPI,且难以发挥系统建模+系统优化，实系统建模+系统优化，实能耗-环境-业务多尺度耦主设备与辅助设备协同优能耗-电价-流量-环境时空多尺度耦合能耗-电价-流量-环境时空多尺度耦合□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样数据k构建强化学习模型整体运行优化方法构建动态温度场模型k6Cm.(c-t)=2mS(-f)r+0+0模型更新i-1G(-)-hms(6-6)热过程的混合整数规划模型5G基站实时策略更新传感器解决建模复杂性解决建模复杂性事件驱动权衡效率与精度降低通信和算力需求13和小样本难题实际系统测试应用场景东莞弗里堡基站高BBU分线器电源m内壁温度(多点位) 实地图网络架构机房围护结构复合保温板砖混结构彩钢板机房形状长方形L形长方形机房面积5.7m31.2m17.5m²机房位置室外民房内室外典型的学科交叉解决方案：暖通工程的技术途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%站点行成本(元)优化后整站运行成本(元)成本节约率无优化整站用电量(kWh)优化后整站用电量(kWh)节能率杨屋□CRAN站点效果好于DRAN站点只加入相变材料的整站运行成本(元)成本节约率加入相变材料且整体优化后的整站运行成本(元)成本节约率口可实现12%以上的运行成本节省目标站点碳减排比杨屋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电能热能水氢氢能与电能并重的能源供需系统储氢罐燃料电池基于氢能的分布式能源系统全绿色结构变革，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运行和管理运行和管理主要科学问题与挑战信息流和氢-电二次能源及多种能源流网络间的时空多尺度耦合、动态转换关系的机理和数据模型、智能性设计多能耦合信息物理融合能源系统安全经济设计和运行的控制优化理论与方法多能转换关键装备和系统的高能效调控与稳定性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的设计与博弈分析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6月20日：能源站建筑主体施工完成□7月05日：设备进场安装□7月30日：投入试运行创新结构与范式一氢能+多能源优化→零碳+经济效益口首个零碳分布式多能源站口首个零碳5G基站口首个零碳数据中心能源站主体、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、浅层地热井群等组成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、电网备用无缝连接供电浅层供热系统特点：燃料电池热电联产系统高效发电供热口、燃料电池热电联产效率90%以上(燃料电池发电仅约40%)浅层供热系统—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-浅层地埋管协同提供侧热(冷)能需求板换利用燃料电池释放热能，提升综合能源利用效率浅层地热井□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、地温基本与年平均气温相同，与地源热泵初级水温一致口燃料电池与土壤储热、地源热泵高效协同，实现热能极致利用浅层能源站信息物理融合系统总体架构源储协同智能性设计与多能协同氢能系统氢能系统暖通系统电气系统自动控制能源站调度控制系统结构自动控制口热能系统：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优化调度策略应急控制设备元件硬件设备控制零碳智慧能源站2022年7月底投入运行联通云联通云联通云榆麻云池8非4冬天热利用数据中心供冷系统热系e能源站数字孪生系统社会效益同传统的电网供电、市政供热的传统供能模式相比：央视新闻联播报道项目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零碳排放绿色能源系统理念国际领先、国内首创实用化智慧能源中心畅通对接机制促进成果转化陕西加强创新链产业链融合推进城市更新居民住得舒心李克强出席第16届东亚峰会人民日报头版报道项目创新链、产业链双链融合成效时任陕西省长赵一德赴项目现场考察零碳智慧能源中心31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，推动氢能产业发展可再生能源——太阳能光热……生活热水、供暖、制冷、蓄能；可再生能源——空气能风冷热泵——制热，制冷、生活热水；蒸发泠却—蒸发式冷水，蒸发式冷却；生物质能——秸秆、枯枝烂叶等。可再生能源——地热能浅层—水、地源热泵(蓄热体);深层——地热供热与发电等。合计总能源站面积/万m²总铺设光伏面积/万m²(各片区屋顶光伏)推动环境控制智能化技术研发应用产业应用场景2:零碳乡村振兴推动环境控制智能化技术研发应用落实2022年中央一号文件，推动零碳乡村振兴发展结合信息技术，发展日光温室等设施信息化建设，实现零碳温室推进农村光伏、生物质能等清洁能源建设，打结合信息技术，发展日光温室等设施信息化建设，实现零碳温室造零碳村镇能源系统，提高村民生活质量零碳乡村能源系统促进信息技术与农业生产融合应用探索建立碳汇产品价值实现机制边云协同的新结构零碳数据中心产业应用场景3:零碳数据中心与通信基站边云协同的新结构零碳数据中心算力网-通信网-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提供零碳能源!边缘数据中心1通信系统数据中心能耗和碳排放现状低算效高碳排高能耗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%以上目前信息通信行业碳排放量占全球碳排放总量的低算效我国60%以上的数据中心的算效以及资源使用的效率低下，与智能运维相差甚远数据来源：《信息基础设施能耗分析及现状与趋势》应对策略5G应对策略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能源需求大幅增加直接影响双碳目标实现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供热供热地热并清安优能-西数地热井中国北方2-5万千瓦零碳数据中心总体方案(年均气温13℃以下)地热井分布式电压、电能质量协同补偿装置□水冷直冷，制冷效率提升60%热供能至少降低约20%热泵+水冷，降低PUE双碳目标路线图的思考□存在既降低碳排放又降低用能成本的技术途径吗?榆林氢赋能零碳智慧能源中心的实践表明：能够!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!□存在脱离政府补贴、依靠市场机制降低碳排放之路吗