西安交通大學(xué)管曉宏：零碳智慧能源系統(tǒng)與能源革命

中國-上海合作組織全球能源和環(huán)境危機(jī)迫在眉睫人類社會主要依賴化石能源的能耗模式難以為繼!2習(xí)近平主席代表中國政府莊嚴(yán)宣告"中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！獦淞?chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史性機(jī)遇。”—習(xí)近平，第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論2020年9月22日2019全球碳排放結(jié)構(gòu)住宅5.86%其他其他能源生2019全球碳排放結(jié)構(gòu)住宅5.86%其他其他能源生力41.84%2019我國碳排放結(jié)構(gòu)2019我國碳排放結(jié)構(gòu)產(chǎn)3.53%數(shù)據(jù)源：國際能源署減少能源電力系統(tǒng)的碳排放是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵 能源供應(yīng)的清潔和綠色化勢在必行6可再生新能源利用的主要挑戰(zhàn)由于尚無直接的大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)儲電能技術(shù)，電力系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)供需平衡，對高不確定可再生能源的利用造成根本性挑戰(zhàn)高比例可再生新能源接入電網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)能源電力需求端節(jié)能減碳5G及未來無線通信系統(tǒng)節(jié)能降本的途徑主要挑戰(zhàn)解決途徑主要挑戰(zhàn)高、不盈利，影響推廣模型，通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行與通過提高5G主芯片和其它高端芯片制程以降低功耗受限強(qiáng)耦合5G及未來無線通信基站的節(jié)能優(yōu)化硬件與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能設(shè)計(jì)：新材料應(yīng)用，芯載波2多載波聯(lián)合調(diào)度載波2設(shè)備級節(jié)能，可有效提升設(shè)備能效，廣泛適用受設(shè)備運(yùn)行工況影響，受其他設(shè)備運(yùn)行影響，影響KPI,且難以發(fā)揮系統(tǒng)建模+系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)系統(tǒng)建模+系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)能耗-環(huán)境-業(yè)務(wù)多尺度耦主設(shè)備與輔助設(shè)備協(xié)同優(yōu)能耗-電價(jià)-流量-環(huán)境時(shí)空多尺度耦合能耗-電價(jià)-流量-環(huán)境時(shí)空多尺度耦合□數(shù)據(jù)機(jī)理雙驅(qū)動的強(qiáng)化學(xué)習(xí)決策方法，可在算力和數(shù)據(jù)有限情況獲得高質(zhì)量解樣數(shù)據(jù)k構(gòu)建強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型整體運(yùn)行優(yōu)化方法構(gòu)建動態(tài)溫度場模型k6Cm.(c-t)=2mS(-f)r+0+0模型更新i-1G(-)-hms(6-6)熱過程的混合整數(shù)規(guī)劃模型5G基站實(shí)時(shí)策略更新傳感器解決建模復(fù)雜性解決建模復(fù)雜性事件驅(qū)動權(quán)衡效率與精度降低通信和算力需求13和小樣本難題實(shí)際系統(tǒng)測試應(yīng)用場景東莞弗里堡基站高BBU分線器電源m內(nèi)壁溫度(多點(diǎn)位) 實(shí)地圖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合保溫板磚混結(jié)構(gòu)彩鋼板機(jī)房形狀長方形L形長方形機(jī)房面積5.7m31.2m17.5m2機(jī)房位置室外民房內(nèi)室外典型的學(xué)科交叉解決方案：暖通工程的技術(shù)途典型的學(xué)科交叉解決方案：暖通工程的技術(shù)途徑，系統(tǒng)工程的精確建模和控制優(yōu)化方法，融合電力系統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)和需求響應(yīng)機(jī)制，解決5G與未來無線通信系統(tǒng)節(jié)能降本重大問題，有望實(shí)現(xiàn)總體節(jié)能降本15~20%站點(diǎn)行成本(元)優(yōu)化后整站運(yùn)行成本(元)成本節(jié)約率無優(yōu)化整站用電量(kWh)優(yōu)化后整站用電量(kWh)節(jié)能率楊屋□CRAN站點(diǎn)效果好于DRAN站點(diǎn)只加入相變材料的整站運(yùn)行成本(元)成本節(jié)約率加入相變材料且整體優(yōu)化后的整站運(yùn)行成本(元)成本節(jié)約率口可實(shí)現(xiàn)12%以上的運(yùn)行成本節(jié)省目標(biāo)站點(diǎn)碳減排比楊屋分布式綠能供需平衡實(shí)現(xiàn)零碳供能氫能制備和利用受到極大關(guān)注電能熱能水氫氫能與電能并重的能源供需系統(tǒng)儲氫罐燃料電池基于氫能的分布式能源系統(tǒng)全綠色結(jié)構(gòu)變革，能夠解決儲能、可再生新能源消納、能源電力市場化等重大挑戰(zhàn)運(yùn)行和管理運(yùn)行和管理主要科學(xué)問題與挑戰(zhàn)信息流和氫-電二次能源及多種能源流網(wǎng)絡(luò)間的時(shí)空多尺度耦合、動態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的機(jī)理和數(shù)據(jù)模型、智能性設(shè)計(jì)多能耦合信息物理融合能源系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的控制優(yōu)化理論與方法多能轉(zhuǎn)換關(guān)鍵裝備和系統(tǒng)的高能效調(diào)控與穩(wěn)定性包含氫能供需鏈的多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃，分布式能源系統(tǒng)市場的設(shè)計(jì)與博弈分析國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“含氫多能源供需系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”(2022.1-2026.12)陜西榆林零碳智慧能源站示范項(xiàng)目2022年7月建成零碳智慧能源站，為省運(yùn)會運(yùn)動員村(12萬平米)、聯(lián)通5G基站和數(shù)6月20日：能源站建筑主體施工完成□7月05日：設(shè)備進(jìn)場安裝□7月30日：投入試運(yùn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與范式一氫能+多能源優(yōu)化→零碳+經(jīng)濟(jì)效益口首個(gè)零碳分布式多能源站口首個(gè)零碳5G基站口首個(gè)零碳數(shù)據(jù)中心能源站主體、制氫儲氫和燃料電池系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、水介質(zhì)儲冷儲熱系統(tǒng)、淺層地?zé)峋旱冉M成供電系統(tǒng)一光伏供電與制氫+氫燃料電池供電+外購氫系統(tǒng)特點(diǎn)：光伏、氫能燃料電池發(fā)電、電網(wǎng)備用無縫連接供電淺層供熱系統(tǒng)特點(diǎn)：燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)高效發(fā)電供熱口、燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)效率90%以上(燃料電池發(fā)電僅約40%)淺層供熱系統(tǒng)—地源熱泵+淺層地?zé)峋竟?jié)儲熱+儲熱水罐短期調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)：燃料電池-地源熱泵-淺層地埋管協(xié)同提供側(cè)熱(冷)能需求板換利用燃料電池釋放熱能，提升綜合能源利用效率淺層地?zé)峋跆柲艿统杀咀灾髦茪?榆林氫能產(chǎn)業(yè)鏈的廉價(jià)工業(yè)副氫口、地溫基本與年平均氣溫相同，與地源熱泵初級水溫一致口燃料電池與土壤儲熱、地源熱泵高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)熱能極致利用淺層能源站信息物理融合系統(tǒng)總體架構(gòu)源儲協(xié)同智能性設(shè)計(jì)與多能協(xié)同氫能系統(tǒng)氫能系統(tǒng)暖通系統(tǒng)電氣系統(tǒng)自動控制能源站調(diào)度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動控制口熱能系統(tǒng)：日前調(diào)度與實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)合的運(yùn)行優(yōu)化方法應(yīng)對多工控復(fù)雜運(yùn)行模式優(yōu)化調(diào)度策略應(yīng)急控制設(shè)備元件硬件設(shè)備控制零碳智慧能源站2022年7月底投入運(yùn)行聯(lián)通云聯(lián)通云聯(lián)通云榆麻云池8非4冬天熱利用數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)熱系e能源站數(shù)字孿生系統(tǒng)社會效益同傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電、市政供熱的傳統(tǒng)供能模式相比：央視新聞聯(lián)播報(bào)道項(xiàng)目央視新聞聯(lián)播報(bào)道項(xiàng)目氫-水循環(huán)分布式能源供需系統(tǒng)平臺零碳排放綠色能源系統(tǒng)理念國際領(lǐng)先、國內(nèi)首創(chuàng)實(shí)用化智慧能源中心暢通對接機(jī)制促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化陜西加強(qiáng)創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合推進(jìn)城市更新居民住得舒心李克強(qiáng)出席第16屆東亞峰會人民日報(bào)頭版報(bào)道項(xiàng)目創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈雙鏈融合成效時(shí)任陜西省長趙一德赴項(xiàng)目現(xiàn)場考察零碳智慧能源中心31產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景1:零碳工業(yè)與生活園區(qū)發(fā)揮地區(qū)資源和能源優(yōu)勢，面向國家雙碳目標(biāo)和綠色能源天上革命需求，打造零碳科創(chuàng)新城，賦能科技創(chuàng)新，提升氫能市場活力，推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展可再生能源——太陽能光熱……生活熱水、供暖、制冷、蓄能；可再生能源——空氣能風(fēng)冷熱泵——制熱，制冷、生活熱水；蒸發(fā)泠卻—蒸發(fā)式冷水，蒸發(fā)式冷卻；生物質(zhì)能——秸稈、枯枝爛葉等?？稍偕茉础?zé)崮軠\層—水、地源熱泵(蓄熱體);深層——地?zé)峁崤c發(fā)電等。合計(jì)總能源站面積/萬m2總鋪設(shè)光伏面積/萬m2(各片區(qū)屋頂光伏)推動環(huán)境控制智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景2:零碳鄉(xiāng)村振興推動環(huán)境控制智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用落實(shí)2022年中央一號文件，推動零碳鄉(xiāng)村振興發(fā)展結(jié)合信息技術(shù)，發(fā)展日光溫室等設(shè)施信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)零碳溫室推進(jìn)農(nóng)村光伏、生物質(zhì)能等清潔能源建設(shè)，打結(jié)合信息技術(shù)，發(fā)展日光溫室等設(shè)施信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)零碳溫室造零碳村鎮(zhèn)能源系統(tǒng)，提高村民生活質(zhì)量零碳鄉(xiāng)村能源系統(tǒng)促進(jìn)信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)融合應(yīng)用探索建立碳匯產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制邊云協(xié)同的新結(jié)構(gòu)零碳數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景3:零碳數(shù)據(jù)中心與通信基站邊云協(xié)同的新結(jié)構(gòu)零碳數(shù)據(jù)中心算力網(wǎng)-通信網(wǎng)-能源網(wǎng)“三網(wǎng)合一”,能夠?yàn)槲磥矸植际綌?shù)據(jù)中心和超高速通信站點(diǎn)提供零碳能源!邊緣數(shù)據(jù)中心1通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放現(xiàn)狀低算效高碳排高能耗目前數(shù)據(jù)中心年使用電力超過200TWh,預(yù)計(jì)2030年其耗電量將占全球能耗6%以上目前信息通信行業(yè)碳排放量占全球碳排放總量的低算效我國60%以上的數(shù)據(jù)中心的算效以及資源使用的效率低下，與智能運(yùn)維相差甚遠(yuǎn)數(shù)據(jù)來源：《信息基礎(chǔ)設(shè)施能耗分析及現(xiàn)狀與趨勢》應(yīng)對策略5G應(yīng)對策略5G系統(tǒng)耗能是4G系統(tǒng)的3倍，6G系統(tǒng)耗能是5G系統(tǒng)的10倍高耗能數(shù)據(jù)中心大量建設(shè)能源需求大幅增加直接影響雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)ICT基礎(chǔ)設(shè)施能源需求增加與碳排放增加脫鉤規(guī)?；?jīng)濟(jì)型零碳數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)供熱供熱地?zé)岵⑶灏矁?yōu)能-西數(shù)地?zé)峋袊狈?-5萬千瓦零碳數(shù)據(jù)中心總體方案(年均氣溫13℃以下)地?zé)峋植际诫妷?、電能質(zhì)量協(xié)同補(bǔ)償裝置□水冷直冷，制冷效率提升60%熱供能至少降低約20%熱泵+水冷，降低PUE雙碳目標(biāo)路線圖的思考□存在既降低碳排放又降低用能成本的技術(shù)途徑嗎?榆林氫賦能零碳智慧能源中心的實(shí)踐表明：能夠!口數(shù)據(jù)和通信中心的能源需求增加與碳排放增加脫鉤可行嗎?榆林氫賦能零碳智慧能源中心的實(shí)踐表明：可行!□存在脫離政府補(bǔ)貼、依靠市場機(jī)制降低碳排放之路嗎