面向碳中和的智慧能源系统

零碳能源系统wangxiaonan@2023年5月4日2007-2011清华大学化学工程系，学士(化学工程与工业生物工程)2011-2015美国加州大学戴维斯分校化工与材料系，博士(化工自动化)-2014年在CAISO实习2015-2017英国伦敦帝国理工学院化工系，硕士生导师(未来能源)2017-2021新加坡国立大学，博士生导师，助理教授，名誉副教授2021-至今清华大学化学工程系，副教授，特别研究员，博士生导师2023美国化学学会可持续化学与工程讲席奖赋能碳中和SCl学术论文学术专著高被引论文未来化工学者2能源、材料和先进制造系统的高度复杂性和不确定性亟待解决，多尺度系统集成的人工智能和优化控制方法可实现效率、经济和环境最优未来智能研发·未来智能研发·集成物理信息系统的工业4.0·先进化工材料开发与生产...智慧能源智慧能源·清洁、低碳、经济的综合能源系统·能效提高，实时优化，决策支持·绿色能源、储能系统、氢能经济..·双碳目标关键技术和实现路径·非线性，强耦合，参数时变的复杂系统优化双碳目标人工冒能应用实践画3采取负排放技术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年前实现碳中必由之路必由之路低碳技术零碳技术低碳燃料绿色低碳化学品光伏材料电池材料负碳技术碳捕集材料CO₂低碳技术零碳技术低碳燃料绿色低碳化学品光伏材料电池材料负碳技术碳捕集材料CO₂转化催化剂制造突破能源效率能源行业是最大的温室气体排放源，约占全球排放量的73%(主要归因于能源需求的持续增长和对化石燃料的高度依赖)systemtoalow-carbon,renewable,andsustainableenergThlssshonnfortheyear2016globalghttps//Anw.ucsusaorg/resources/6Ju个个公个个个个T^△个个金金合企个个个^金合M^个企个企金SooM个~个个企个合金个个企个个m企个金金企金Deo~rSuurC22-24%可再生能源2030年前非化石燃料欧洲2030年前美国un◎bat.https://energymitedu/research/uture-of-energy-storage/7期望期望→软件定义世界(SDx)技术成熟度曲线技术成熟度曲线截至2017年7月期望膨胀期泡沫破裂低谷期●5-10年期望膨胀期泡沫破裂低谷期●5-10年生产成熟期稳步爬升恢复期▲超过10年到达生产成熟期需要的年限：○不到2年O_loThoroucalColoul9智能技术助力减碳赋能碳中和智能技术助力减碳赋能碳中和人工智能和数字技术助力化工和能源系统低碳可持续发展减少碳排放减少碳排放节约成本降低投入信息物理融合的生产制造系统通过使用数字技术，可采集、计算海量数据，通过物联网和数字孪生等平台，实现成本和碳排放降Indenwildi,Oliver*,ChuanZhang*,XiaonanWang,andMarkus综合新能源系统：解决可持续能源发展和气候变化问题的核心能源架构：多能互补+需求侧响应+能源互联计算策略：复杂建模+数据驱动+多级优化电电热电解池燃料电池风能氯气存储存储[1]XiaonanWang,AhmetPalazoglu,andNaelH.EI-Farra°,ApplledEnergy143(2015)储能系统技术选型决策支持工具：>以经济，环境和技术标准为优化目标的多目标a·建立了储能系统数据库a决策决策H理定功率nn碳捕提及回收氢能经济绿色醉类生产储能系统技术选型决策支持工具：prpntensrgprpntensrg··uobt技术匹配度0A2A3A4A5Wang,X.(2016).Computers&Chernica能源系统和微电网管理：小规模试点网络小规模试点网络智服城市能源曹理平台智服城市能源曹理平台用e用e1LY.Yang.W.H,P.Chen,C[2IPark,M.,WangZ,L,L,&WangX(2023).Muti-objectiveblildingenergysystemo2030实现CO₂排放达峰，2060实现碳中和(气候中和)通过缩减或补偿温室气体(包括二氧化碳、甲烷等)的排放，消除气候压力。—0DP—Terrllorlalfnlss自2006年以来，中国一直是全球最大完全转向"绿色能源"CrudeollHaturalOan●Aa碳中和碳中和零碳 Source:/china-greenhouse-ga低碳发展-综合能源化工低碳发展-综合能源化工·利于长距离输送·增加碳捕集和碳使用部门间协同部门间协同State-ofthe-art使用化石燃料的化工厂空气分离N₂碳捕获与储存可再生能源燃烧废气甲酸、氮直接使用化石燃料电网传输电解水电力Li.Yinan,SongLan,MortenRyberg.JavierPérez-Ramirez,and低碳发展-综合能源化工低碳发展-综合能源化工N₂制氨约80%的水力资源、90%的风力资源和80%的太阳能源-水-食物-废弃物-气候变化的耦合复杂体系能源-水-食物-废弃物-气候变化的耦合复杂体系能源-水-食物-废弃物-气候变化：复杂系统后后发展规划决策支持智慧城市基础设施technology52,5(2018):3257-3266.废弃物气候变化K能源-水-食物-废弃物-气候变化的耦合复杂体系能源-水-食物-废弃物-气候变化的耦合复杂体系ass[同]ass[同]flPVwndidieselbanery-RODforfor设计风能生物炭产品重幢储能运营电能800负碳排放的混合新能源系统31(2021):100669.Li,ZhiyiYao,SimingYouXiaonanWang*Appllod澳洲农业能源废弃物管理东南亚区域优化[1]Wang,Xiaonan*,KoenH.vanDam,CharalamposRembrandtHEMKoppelaaEngineering124(201Passmore,andXiaonanintollgantLbborataryoulomintollgantLbborataryoulom6n适数据、模型、理论、软件分子、装备、过程、平台——科学范式模型计算+自动化实验新范式传统模式成本高新范式传统模式成本高数据驱动试错归纳+长周期精准预测+短周期化学材料快速化学材料快速25特征工程(模型输入)适适模型选择性生产(化能JliL,KaizhuoLim,HaitaoYang.ZekunRen,ShreyaaRaghavan.Po-YenChen,TonioBuo健康情况储能技术分子尺度