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CHNA-SHANGHACOoPERATIONORGANZATIOTECHNOLDGYCODPERATIONANDDEVELDP零碳智慧能源系统与能源革命管晓宏西安交通大学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3碳排放结构2019全球碳排放结构产5.04%交通工业工业住宅3.36%其他力53.11%减少能源电力系统的碳排放是实现碳达峰、碳中和的关键4能源供应的清洁和绿色化势在必行光伏风力5可再生新能源利用的主要挑战传统能源电力系统结构下，一次能源均转化成电能接入电网，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6解决途径一：能源电力需求端节能减碳75G及未来无线通信系统节能降本的途径解决途径主要挑战>低功耗元器件和设备设计口影响系统性能，进一步>低功耗网络部署和系统设计节能空间有限口通过提高5G主芯片和>通信系统资源优化：关断策略其它高端芯片制程以降优化电源管理：收割能量、可再低功耗受限5G及未来通信系统能耗生能源利用高、不盈利，影响推广应用，降低竞争力口环境热过程复杂、动态时变、非线性等特建立机理与数据结合的优化点，缺乏系统化模型模型，通信业务系统运行与口基站能源系统运行协调优化强耦合口传感器网络成本高，现场算力有限5G及未来无线通信基站的节能优化设备级节能增效口硬件与网络节能设计：新材料应用，芯片、系统、网络提效节能设备级节能增效口硬件与网络节能设计：新材料应用，芯片、系统、网络提效节能口主设备软节能：符号关断、载波关断、通道关断、深度休眠口光伏等可再生新能源设备多载波联合调度整形前整形后载波2载波2口设备级节能，可有效提升设备能效，广泛适用口受设备运行工况影响，节能空间和弹性有限口受其他设备运行影响，影响KPI,且难以发挥最佳效率在能效最高、成本最低的时段给基站建筑体精确蓄冷，平衡主设备释放的热，以满足设备运行环境要求新方法主设备+辅助设备的整体协同优化口数据+机理深度融合，解决复杂动态过程的建模复杂性和可行性难题口状态迁移+数据驱动，解决实际应用面口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特点能耗-电价-流量-环境时空多尺度耦合口系统建模+系统优化，实现整体能效提升口能耗-环境-业务多尺度耦合导致建模复杂性挑战口主设备与辅助设备协同优化导致计算复杂性挑战整体运行优化方法物理结构数据集策略更新C₆m(tG¹-t给)=Q+ha.Sb(ta-tG)t构建动态温度场模型构建强化学习模型热过程的混合整数规划模型构建动态温度场模型构建强化学习模型设备运行约束环境门限约束设备运行约束环境门限约束基策略在线基策略在线近优策略满意策略立即回报前/步Cust-立即回报前/步Cust-to-go怙计实时策略更新5G基站解决建模复杂性权衡效率与精度事件驱动降低通信和算力需求解决建模复杂性权衡效率与精度事件驱动降低通信和算力需求13实际系统测试应用场景天花板温度空调功耗高门分线器BBU电源蓄电池分线器实测基站实地图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)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)节能率杨屋站运行成本(元)后的整站运行成本(元)口可实现12%以上的运行成本节省目标口站点间协同再增加3~5%的节能降本空间站点无优化碳排优化后碳排杨屋解决途径二：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热能电能热能电能e氢氢能与电能并重的能源供需系统电解水电解水加氢站基于氢能的分布式能源系统氢能存储与电网、可再生能源等交互，实氢能存储与电网、可再生能源等交互，实现系统并网/独立运行光伏发电一迹氢能驱动的冷热电联供，氢燃料电池供电，实现多能协同转化和零碳排放开关开关全绿色结构变革，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加站加站氢能供应链的市场化运行和管理以水为载体的热/冷存储，实现需求响应，提高系统能效主要科学问题与挑战e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e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e多能转换关键装备和系统的高能效调控与稳定性e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口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基站和数据中心零碳供能口实现“零碳-经济性”双示范口为零碳园区建设提供解决方案和技术路径口6月20日：能源站建筑主体施工完成口7月05日：设备进场安装口7月20日：联调联试口7月30日：投入试运行创新结构与范式—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—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太阳能光伏浅层浅层地热井地源热泵电解槽电解槽安优能-D外购氢气蓄能水罐氢燃料电池外购氢气蓄能水罐热电联产供热系统—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：燃料电池热电联产系统高效发电供热口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燃料电池热电联产效率90%以上(燃料电池发电仅约40%)口燃料电池与土壤储热、地源热泵高效协同，实现热能极致利用供电太阳能光伏地热井供热安优能-西安文外购氢气外购氢气热电联产供热系统—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)能需求口地温优势与高效地源热泵(性能系数3-6)高效提供热(冷)能口板换利用燃料电池释放热能，提升综合能源利用效率供电太阳能光伏地热井供热外购氢气氢燃料电池外购氢气热电联产供冷系统—地源热泵+地温导热管+储冷水罐短期调节系统特点：极低成本供冷口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，实现热能极致利用供电太阳能光伏地源热泵地热井电解槽供冷地热井电解槽供冷安优能-D外购氢气储氢罐氢燃料电池外购氢气储氢罐氢燃料电池热电联产能源站信息物理融合系统总体架构感知-通信-计算-优化一体化感知-通信-计算-优化一体化设备设备浅层地热井浅层地热井氢能系统能源站调度控制系统结构基于智能感知-弹性通信-自主计算-协同优化的一体化控制结构口热能系统：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口末端空调：人机混合智能决策实现末端空调灵活调节，节能优化且保证人员舒适性口电气系统：联合主从控制、对等控制等多种模式实现直流微电网功率动态分配自动控制暖通系统电力系统末端空调自动控制暖通系统电力系统末端空调应急控制应急控制控制设备控制设备硬件设备控制零碳智慧能源站2022年7月底投入运行零碳5G基站、数据中心联通云联通云榆林云池VERTIV能源站数字孪生系统k社会效益口同传统的电网供电、市政供热的传统供能模式相比：年化总成本降低年化总成本降低口作为世界首个实用化氢赋能零碳智慧能源站，经过夏季制冷和冬季供热的换季工作环境考验口在省运会期间为运动员村无故障零碳供能口疫情封控期间作为隔离酒店，为最多5000人入住零碳供能，运行良好，为抗疫做出重要贡献媒体聚焦总台记者张锐新宇成轩陕西台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人民日报头版报道项目创新链、产业链双链融合成效实现这种零碳排放绿色能源系统的这么一个理念央视新闻联播报道项目零碳排放绿色能源系统理念时任陕西省长赵一德赴项目现场考察央视新闻联播：国际领先、国内首创实用化智慧能源中心陕西新闻联播：世界首个实用化规模化零碳智慧能源中心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1总能源站面积/万m²总铺设光伏面积/万m²可再生能源——空气能风冷热泵：热，制冷、生活热水；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);产业应用场景2:零碳乡村振兴落实2022年中央一号文件，推动零碳乡村振兴发展推进农村光伏、生物质能等清洁能源建设，打造零碳村镇能源系统，提高村民生活质量结合信息技术，发展日光温室等设施信息化建设，实现零碳温室下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推动环境控制智能化技术研发应用33产业应用场景3:零碳数据中心与通信基站GloudLaverReal-timePowerDynamicDemandRusponseResourceSchedullngand发EneeEV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边缘数据中心1DI/DO通信系统通信系统分布式计算tc数据中心能耗和碳排放现状自建可再生自建可再生能源+储能市电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%以上高碳排高碳排数据中心高能耗高碳排高能耗IT设备用电IT设备用电(制冷、供配电等)目前信息通信行业碳排放量占全球碳排放总量的2%以上(制冷、供配电等)低算效低算效服务器、存储、网络低算效我国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》数字经济的重大挑战口5G系统耗能是4G系统的3倍，6G系统耗能是5G系统的10倍应应簇ICT基础设施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光伏热泵供热地热井冷水罐余热供电系统：余