绿色转型：从可再生能源到能源互联网

September 19, 2024

Fanny Hu

发布于2024-09-20

新型能源正在越来越多地出现在我们的生活中。当阳光洒在屋顶上，太阳能电池板悄无声息地开始了能量采集。风所及之处，风力发电机的叶片随之旋转。而当夜幕降临，这些白天积蓄的能量被储存在智能电池中，为城市的灯光、车辆的行驶提供着不间断的动力。

一场能源革命正在悄然到来。可再生能源和储能技术的结合，推动我们走向一个低碳、绿色的未来。随着宽禁带技术（WBG）的崛起和能源互联网的普及，我们正迎来一个前所未有的能源新时代。

那么，当前有哪些可再生能源和储能技术已经广泛使用，融合了前沿技术的能源互联网又将给整个社会能源系统带来什么样的改变？本次，我们和极氪汽车电动动力产品总监Bo Liu深入聊了聊当前可再生能源的发展以及相关的核心技术。

可再生能源及储能技术

目前广泛使用的可再生能源主要包括太阳能、风能和水能：

1. 太阳能。光伏电池板将阳光直接转化为电力，或通过太阳能热电系统利用集中的太阳热能发电。

2. 风能。风力涡轮机将风的动能转化为电力，是陆上和海上风电的主要技术手段。

3. 水能。水力发电站利用水的势能或动能发电，是最成熟的可再生能源之一，广泛应用于大中型水电站和抽水蓄能系统。

Bo Liu表示，除了以上几种比较成熟的可再生能源，其他重要的可再生能源还包括生物质能和潮汐能等，这些可再生能源技术不仅提供了多样化的能源来源，也在推动能源转型和减少化石燃料依赖。

储能技术对可再生能源发展的重要性

随着近年来可再生能源的大规模、快速地发展，储能技术的重要性与日俱增。为什么？

对此，Bo Liu谈到，储能技术诞生的背景是希望能源网络更加稳定、利用率更高。当前，几乎所有可再生能源都存在间歇性和不稳定性的问题，储能技术则可以在发电高峰期储存多余电能，在发电不足时释放电能，从而平衡电力供需。它还能够快速响应电网波动，提供频率调节和电压支撑，增强电网的可靠性和弹性。此外，储能技术的另一重要意义在于其优化调度和能量管理的能力，可将用户需求与可再生能源发电更好地匹配，提升能源利用效率，避免发电与需求不同时的能源浪费。

电化学储能技术成为当下主流

在储能领域，主要有机械储能和电化学储能两大类方式。机械储能主要包括抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能等，因其规模优势和长寿命，过去常用于大规模电网调节和长周期储能任务。而电化学储能技术的灵活和高能量密度的特点，适用于各种规模的储能应用，特别是对便携性和快速响应需求较高的场景。Bo Liu认为，在新能源汽车产业快速发展的背景下，当前前电化学储能的市场占比已超90%，是当下的主流技术。

当前电化学储能技术的主要载体是电池，主要包括锂离子电池、铅酸电池和液流电池。锂离子电池因其高能量密度和长寿命而广泛应用于电动汽车和电网储能；铅酸电池则因成本低廉和技术成熟仍在一些小型储能场景中使用；液流电池适用于大规模储能，容量扩展性强且安全性高，但初始成本较高。

能源转换的关键——WBG技术

WBG技术，即宽禁带技术（Wide Bandgap Technology），是指基于宽禁带半导体材料的电子器件技术。与传统的硅基（Si）材料相比，WBG材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等具有更大的带隙，这赋予它们独特的物理特性，使其在高温、高电压、高频和高功率应用场景中具有显著优势。Bo Liu表示，WBG属于第三代功率半导体。功率半导体在现代电子系统中起着至关重要的作用，其主要功能是管理和控制电能的转换、调节和传输。它们广泛应用于开关电源、逆变器、电动汽车、可再生能源系统等电力电动系统。

功率半导体的发展从20世纪中期的硅材料开始，主要经历了三个阶段。第一代是基于硅材料的器件，如晶闸管（Thyristor）、双极型晶体管（BJT）等，第二代功率半导体以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表，显著提升了高功率和高效率应用的性能。进入21世纪，宽禁带（WBG）材料开始兴起，这些材料具备更高的开关速度、更高的工作温度和更强的耐压能力。如碳化硅和氮化镓等宽禁带材料在电化学储能设备中能够显著提升能量转换效率和系统性能。通过应用于逆变器和充放电控制器，WBG器件减少了能量损耗，增强了储能系统的可靠性和寿命。此外，WBG技术还推动了储能设备的小型化和轻量化，广泛应用于可再生能源系统的储能解决方案中。

图片来自云轴资本，https://caifuhao.eastmoney.com/news/20231117155148241029640

新型能源利用系统：能源互联网

能源互联网是一个将传统电力系统与现代信息通信技术（ICT）相结合的新型能源管理和传输网络。它通过互联网技术实现能源的高效传输、智能调度和共享利用，旨在提高能源利用效率、促进可再生能源的接入，并实现能源的实时、双向交互。能源互联网的核心特点包括：

智能化管理：能源互联网利用智能电表、传感器、物联网（IoT）等技术，实现对能源生产、传输、分配和消费的实时监测和控制。通过大数据分析和人工智能算法，能源互联网能够优化能源流动，降低损耗，提升整体系统的效率。
分布式能源接入：传统电网通常依赖于集中式发电，而能源互联网鼓励分布式能源的广泛接入，如太阳能、风能等可再生能源。这种去中心化的能源生产模式使得电力供应更加灵活和可靠，同时也减少了对化石燃料的依赖。
双向互动：能源互联网的一个显著特点是能源流动的双向性。消费者不仅可以从电网中获取电力，还可以将自己生产的多余能源（例如太阳能）反馈到电网中，实现能源的双向流动。这种互动模式支持了能源共享和交易市场的发展，用户可以在用电高峰期将储存的能源出售给电网，从而实现经济收益。

能源互联网的关键技术

能源互联网依赖于多种互联网技术的协同发展，包括物联网、大数据与人工智能、通信与网络、区块链等关键技术。

其中，智能传感器用于实时监测能源设备的状态、电力流动和环境条件等，为能源管理系统提供数据支持。大数据技术通过分析能源消费数据、天气数据、设备运行数据，能够优化电力调度、预测能源需求。人工智能技术用于预测能源需求和生产、优化能源分配、实现自动化决策和故障预警，提高能源互联网的智能化水平。高速、低延迟的5G网络支持能源互联网系统的实时数据传输和设备控制，边缘计算则用于本地处理数据，减少中心服务器的负荷，提高响应速度。通过区块链技术，用户可以直接进行能源交易，确保交易的透明度和安全性，支持去中心化的能源市场，并基于智能合约技术管理能源交易、分配和结算，减少人为干预和错误。这些技术共同作用，使得能源的生产、传输、分配和消费更加灵活高效，支持了可再生能源的广泛应用以及电网的智能调度。

能源互联网的应用场景

能源互联网被视为未来智能电网的发展方向，能够支持可再生能源的广泛应用，提升电网的稳定性和灵活性，并推动电动汽车、储能技术和智慧城市的发展。能源互联网通过智能化和数字化手段优化能源系统，具体应用领域和场景涵盖了从能源生产、传输到消费的各个环节，主要包括：

智能电网

能源互联网使得电网能够实时监控和调度电力资源，根据需求变化进行智能调度，平衡电力供需，避免电力浪费和停电风险。通过智能电表和能源管理系统可以实现需求侧的管理，用户可以实时了解自己的能源消费情况，调整用电行为和降低用电成本。

分布式能源管理

能源互联网支持太阳能、风能等分布式可再生能源系统的接入，使这些资源可以并入电网或为本地负载供电，提高能源利用效率。在能源互联网中，多个分布式能源系统可以组成微电网或虚拟电厂，通过智能化协调，实现局部能源自给自足，同时可以与主电网互动。

电动汽车和充电基础设施

电动汽车不仅可以通过能源互联网进行充电，还能在电力需求高峰期将车载电池中的能量反馈到电网，作为移动储能单元，帮助平衡电网负荷。同时能源互联网能够优化充电站的布局和调度，根据电价波动和电网负荷情况，智能安排电动汽车的充电时间和功率，减少对电网的冲击。

智慧城市与建筑能源管理

在智慧城市中，建筑的能源管理系统可以通过能源互联网实时监控和优化电力、空调、照明等设备的运行，提高能源利用效率，降低运营成本。通过能源互联网，社区内的用户可以共享本地生产的可再生能源，如太阳能，形成“能源共享社区”，减少对外部电网的依赖。

可再生能源的未来发展

在全球应对气候变化的背景下，实现碳中和与碳达峰目标已成为各国的重要战略，可再生能源在这一过程中扮演着至关重要的角色。2023年，欧盟国家27%的电力由风能、太阳能等可再生能源提供，再次创下了历史新高；美国全年22.7%的电力也由可再生能源提供。而中国2023年总发电装机容量中，可再生能源占比达50.4%。对此，Bo Liu表示，减少化石能源的使用是未来能源领域发展的必然趋势，可再生能源将成为能源系统的核心，推动能源结构的深刻转型。

图片来自于国际能源网

可再生能源的未来发展将呈现出以下几个关键趋势：

1. 成本持续下降。新材料和制造工艺的创新将进一步降低太阳能、风能等使用成本，其他新兴可再生能源技术，如海洋能和氢能等也将在技术突破和商业化应用中逐渐崭露头角，丰富能源组合。

2. 大规模储能广泛应用。为了应对可再生能源的间歇性和波动性，储能技术将在未来十年内实现大规模部署，电池储能技术的成本将显著降低，推动储能系统与可再生能源发电设施的紧密结合。

3. 分布式能源将与能源互联网技术深度融合，推动能源生产和消费模式的转型。通过智能电网和能源管理系统，优化能源的供需平衡，提高能源系统的整体效率和可靠性。

总体来看，可再生能源的发展将得益于持续的技术进步和政策支持。宽禁带技术、新型储能技术、能源互联网等创新将显著提高可再生能源的利用效率和可靠性。同时，各国政府通过制定鼓励清洁能源发展的政策和激励措施，如碳税、绿色电力证书和可再生能源配额制度，将进一步推动可再生能源的广泛应用。