打造智慧城市所面临的能源问题
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发布于2025-11-20
智慧城市向去碳化的转型不仅仅是为了实现净零碳排放目标，更在于实现能源的智慧使用。作为数据驱动的系统，智慧城市依赖传感器所采集的信息来指导决策过程。
例如，德克萨斯州奥斯汀市投资建设了智慧电网基础设施，希望它能根据实时需求动态地输送和分配能源。[1]这种智慧能源模式的关键在于公用事业客户，他们可以通过使用应用程序监控和管理自己的能源使用情况，从而发挥积极作用。
提升能源效率已迫在眉睫。在移民潮与人口增长的双重压力下，城市中心正面临前所未有的负荷。根据世界银行的数据，到2050年，全球将有70%的人口居住在城市。[2]与此同时，极端天气事件的频发进一步加剧了能源系统的脆弱性，导致供应中断，进而在恶劣条件下引发关键能源需求。为应对这一日益严峻的挑战，城市亟需构建智慧能源系统。本文将探讨智慧能源系统如何为应对城市日益增长的电力需求带来希望，并深入分析部署此类基础设施所面临的挑战。
借助智慧能源系统提升效率
智慧能源系统如何提升效率？通过持续监控，这些系统能够从被动响应转变为主动调节。能源分配是分散的、双向的，这意味着包括微电网在内的多个电网都会向分布式能源系统供电。与此同时，电网也支持可再生能源（如来自住宅太阳能电池板或风力发电场的电力）反向馈入系统。此类系统的输入和输出都很复杂，并以数据为基础，其中大部分数据来自物联网 (IoT) 传感器。尽管这种复杂性带来了诸多挑战，但只要配备合适的策略和工具，这些挑战都可以迎刃而解。
智慧城市建设的多维挑战
尽管智慧能源系统被视为应对城市人口快速增长的潜在解决方案，但要实现这一目标，仍需克服诸多障碍。除了技术层面的瓶颈外，最大的挑战之一可能在于政府是否具备足够的公共意愿来推动相关法规的制定，并为这些可能需要多年才能落地的基础设施项目提供持续的资金支持。在技术方面，智慧城市面临着诸多问题，包括新的能源消耗和发电模式、传统基础设施的局限性以及网络安全漏洞。
新的能源消费和发电模式
传统的能源供应模式是能源从中央发电机流向配电系统，再流向住宅和商业单位，而智慧城市则利用分布式能源系统进行更有效的管理。传统电网在设计上无法处理太阳能发电场等来源的电力输入。现在的电网不仅要处理多样化的电力来源，还要适应这种电力供应的双向流动。
先进的电网管理系统需要处理来自传感器等多种来源的实时数据，以动态调整供需关系。小型本地微电网可减轻主电网的压力，并将能源有效地输送到主要区域。
传统基础设施和网络安全问题
当数以百万计的物联网设备连接至智慧电表或其他终端设备，并进一步接入电网时，任何一个薄弱环节都可能危及关键的公共基础设施，甚至导致整个城市系统瘫痪。在使用传统基础设施时，网络安全问题尤为严峻，尤其是在信息技术系统与运营技术系统融合（即IT/OT融合）的过程中。
持续的网络监控、加密通信和零信任政策有助于保护智慧能源基础设施。城市可选择将检测管理和响应服务外包给网络安全专家，并定期进行 "消防演习"，以确保安全协议的完整性。
确保无中断服务
不幸的是，网络漏洞并不是导致电网瘫痪的唯一途径。极端天气事件日益频繁，可能导致电网长时间瘫痪，持续数小时甚至数天。此外，实时依赖可再生能源也可能存在一定风险，因为太阳能和风能发电要依赖特定的天气条件。与此同时，改用电动汽车 (EV) 也会加剧电网负荷，尤其是在大量用户选择在下班高峰时段集中为车辆充电的情况下。此外，随着气候变暖，空调使用量的增加也会给电网带来压力。
这些因素加在一起，有可能导致服务中断，增加停电的几率。尤其是在大量用户选择在下班高峰时段集中为车辆充电的情况下。
一种可行的解决方案是，使用电池组作为储能解决方案，在可再生能源产能下降时进行调度使用。通过这种方式，可以鼓励消费者在非高峰时段使用能源，从而帮助降低负荷。
人工智能 (AI) 在分析大量数据以及预测消费者和电网行为方面发挥着重要作用。借助这些预测能力，智慧城市能够从被动响应转变为主动管理，从而更有效地应对能源挑战。许多初创企业和公司正致力于解决智慧城市能源交付的各类问题。例如，总部位于英国的Octopus Energy公司使用先进的AI技术优化能源从发电厂到用户的分配过程[3]，其智慧电网平台通过平衡负载确保能源高效输送。为了构建完整的智慧基础设施，Octopus Energy安装了智慧电表、电动汽车充电桩和热泵。与此同时，总部位于蒙特利尔的 BrainBox AI公司则利用AI优化暖通空调技术，让建筑更加智慧和环保。[4]
以智慧能源共绘绿色未来
城市中心面临着各种能源挑战：极端天气和人口增长导致的需求增加，以及数据中心业务的扩展。虽然智慧城市电力管理因其错综复杂而看似令人生畏，但通过技术创新与精心设计的政策框架相结合，这一切都可以得到有效管理。