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探索电网低碳化发展的三大路径 ——施耐德电气发布白皮书:《无六氟化硫(SF6-free)结合数字技术,助力建设低碳高效电网》

随着化石能源的持续消耗,2019年全球大气二氧化碳浓度达到数百万年来最高水平,且升幅远远高于过去10年的平均水平。因此,采取更有力度的行动以应对气候变化已经刻不容缓。

目前,包括中国“3060目标”在内,全球已有数十个国家和地区提出了“零碳”或“碳中和”的气候目标,电力基础设施和高耗电行业作为电力低碳化的关键行业面临来自外部和内部的强大压力。2021年国家电网的新年贺词中,突出强调“坚持绿色发展”,推进数字化转型,加快推动电网向能源互联网升级,为清洁能源发展、满足多样化用能需求、提高能源效率提供支撑与服务。

由此可见,如何以可持续和气候友好的方式满足不断增长的电力需求,是目前电力行业低碳化转型过程中面临的一个关键挑战。作为能源管理和自动化领域的专家,施耐德电气在推动全球电网低碳化发展方面持续探索,并结合全球实践探索,发布白皮书:《无六氟化硫(SF6-free)结合数字技术,助力建设低碳高效电网》,白皮书指出:停止使用不可再生能源发电、提高现有电网和大型电力用户的效率、减少对 SF6 温室气体的依赖,推动无六氟化硫( SF6-free)技术在电气设备中的应用是电力行业低碳化转型的三个主要方向。

电力系统亟待改进,低碳化势在必行

全球范围内的电气化趋势日益显著,这更加凸显了电力行业低碳化的必要性。有数据指出,从现在到 2050 年,全球总电力需求预计将增长 62%。

全球电网和大型电力用户贡献了相当大的排放量,低碳化是他们义不容辞的责任。根据国际能源署 (IEA)的数据,去年全球能源相关的二氧化碳排放量上升了 1.7%,达 33.1Gt,创历史新高。虽然所有化石燃料的排放量都增加了,但近三分之二的排放量增长来自电力部门。

低碳化不仅需要电网和发电企业的减排,还与电力的高效输送和使用密切相关。这意味着大型电力用户(如石油和天然气、食品饮料、水泥制造、数据中心等高耗电行业)必须在提高电力系统效率、减少碳足迹方面发挥重要作用。

电网低碳化的三大路径

一、电网必须整合更多的可再生资源

电力低碳化的一个重要方面就是整合更多的可再生能源发电。全球可再生能源发电的渗透率越来越高,这为绿色电网的发展带来了利好消息。2019 年,风能和太阳能发电量增长了 15% (270 Twh),发电量占全球发电量的 8%,与 2013 年的 3% 相比有所增加。但是,将环境友好型可再生能源和其他类型的分布式能源资源(DER,如电动汽车和电池储能)整合到现有电网中也带来了巨大的技术挑战。例如,DER 的集成使配电系统的运营高度复杂化。可再生能源 DER 具有不稳定性,会对电能质量和系统可靠性产生负面影响。为妥善管理 DER 渗透率提高带来的更多复杂性,电力系统需要更加科学完善的规划和运营机制,而这就必须借助互联互通的数字化设备。

此外,公共和私营电网在整合可再生能源技术的进程中,还需适应新的消费者画像——消费者正在从被动消费电力转变为既消费也生产电力。随着电池储能、电动汽车和光伏 (PV) 发电的不断普及,所谓的“产消者”将变得更加普遍。数字化将助力打造主动化和自动化程度更高的电网,赋予电网更大的柔性,以适应新出现的产消者的需求。

二、能效提升有助于实现电网低碳化

低碳化不仅需要电网和发电企业的减排,还与电力的高效输送和使用密切相关。现有的电力网络很容易出现效率低下的情况,提高能源效率的巨大压力将持续存在。电力公司面临的压力尤为巨大,因为发电和配电方面的任何变动都会造成连锁效应,对电力公司和消费者的节能努力产生影响。

欧盟已承诺通过实施欧洲绿色新政,到 2050 年实现碳中和。绿色新政中包含了清洁能源一揽子计划。这个一揽子计划于 2019 年获得通过,为能源转型指明了方向。计划包括两项针对电网能效的立法,强调了输电网和配电网的节能潜力,并引入了旨在提高电网能效的若干规定。在监管驱动下,电网运营商和大型电力用户正面临着减少电网损耗、提高效率、实现雄心勃勃的能源目标的压力。

显然,提高电网的效率已成当务之急,而这也有助于实现低碳化,因为电力输送和使用的效率越高,需要生产的电力就越少。

三、推动无六氟化硫( SF6-free)技术在电气设备中的应用

SF6 的开关设备在中压开关设备中占据关键地位。例如,目前欧盟 28 国估计有 1500 万台中压开关设备在运行,其中有 1000 万台使用 SF6。据弗劳恩霍夫能源经济和能源系统技术研究所估计,这些设备共含有 8600 吨 SF6 气体,如若全部被释放到大气中,将相当于排放了 1.96 亿吨二氧化碳。而随着电网扩容,将有更多中压开关设备被安装,弗劳恩霍夫研究所的预测模型显示,保守情形下,从现在到 2050 年,欧洲电网扩容将使开关设备总量增加 42%,这无疑进一步加剧了气候风险。

无六氟化硫(SF6-free)结合数字技术,助力实现低碳高效电网

数字化设备(包括无六氟化硫(SF6-free)设备)是提高发电、配电和用电效率并实现低碳化的起点。数字化设备及其收集和传输的信息为实现一系列技术、运营、环境和经济效益打开了大门。

首先,互联互通的数字化设备助力集成更多可再生能源。分布式可再生能源的大量引入,使电网变得越来越难以管理。其原因在于,许多配电网的物联化程度较低或只实现了部分物联化,特别是在中/低压变电站的下游。对老式变电站中的中压设备进行监测,需要采用复杂的、侵入性的方法,成本很高。因此,要想获得准确、实时的电压测量结果,就需要部署新的解决方案和传感器,从而最大程度降低全球电网的长期成本。为应对这一挑战,可以部署一些新的数字化解决方案。例如:

 新一代远程终端单元 (RTU) 允许用户远程控制中/低压变电站,并精确测量中压和低压电压,以实现电压水平优化,并进行减载和削峰管理。
 新的智能传感器可以很容易地安装在全新和现有开关设备上,并且可以连接到云端。利用它们便可以进行预测性维护和寿命终止管理,这是降低全球电网长期成本的关键。
 进行电压测量的另一种方法是利用虚拟传感器。它们能够根据其他更易测得的、成本也更低的测量数据来估计或模拟中压电压。

其次,互联互通的数字化设备助力提高效率。借助提高能效的数字技术,配电网络运营商现在可以改善其网络。例如,更精确和高度互联的传感器、执行器和高级配电管理系统等互联技术可以释放数据的力量,助力打造更加绿色的电力系统。

例如高级配电管理系统 (ADMS),可以根据实时网络拓扑、网络测量数据、中/低压变电站负荷曲线以及客户消费信息,确定常开点的最佳位置。当系统操作人员计划打开或关闭隔离开关时,ADMS 会模拟该操作对供电可靠性、损耗和电压管理的影响。算法根据负荷曲线、天气预报,来自感测器、智能电表的实时数据,以及开关操作次数,计算每小时、每月、每季或每年的最佳配置。据了解,欧洲一家大型电力公司每季重新配置电网后,全年均可获得约 4% 的稳定收益。
第三,减少对六氟化硫(SF6)温室气体的依赖
Oko-Recherche 的一份简报称:“近年来, 无六氟化硫(SF6-free) 中压开关设备技术取得了长足进步。”事实上,大型电气设备制造商已开始提供各种环境友好型开关设备,这些设备使用全球变暖前能值为零的绝缘和断流介质。各地在政策上的支持也很显著,SF6 是《京都议定书》(1997年) 中列出的六种温室气体之一,目前已有 191 个国家签署了该议定书。此外,欧盟在 2006 年制定了氟化气体条例,旨在减少预期之外的 SF6 排放量。

施耐德电气基于多年潜心研究,提出“干燥空气是最佳的六氟化硫替代气体”,并推出全新无六氟化硫(SF6-free)中压开关柜系列,使用干燥空气作为绝缘气体,彻底消除了六氟化硫温室气体的排放,走出了实现真正绿色电网的关键一步。

目前,向无六氟化硫(SF6-free)未来过渡的进程已经开始,技术、用户和利益相关者都已经做好准备。通过从现有电网中逐步去除这种危害巨大的温室气体,可以将电力这种最高效的能源形式对气候变化的影响降至最低。在中国,施耐德电气将积极推动无六氟化硫与数字化技术的结合,双管齐下,提高电网效率、促进电网低碳化,才能进一步加快实现绿色电网,从而实现整个社会的可持续发展。

关于施耐德电气
施耐德电气的宗旨,是赋能所有人对能源和资源的最大化利用,推动人类进步与可持续的共同发展。我们称之为Life Is On。
我们的使命是成为您实现高效和可持续发展的数字化伙伴。
我们推动数字化转型,服务于家居、楼宇、数据中心、基础设施和工业市场。我们通过集成世界领先的工艺和能源管理技术,从终端到云的互联互通产品、控制、软件和服务,贯穿业务全生命周期,实现整合的企业级管理。
我们是一家拥有本土化优势的全球企业,致力于推动开放的技术及合作伙伴生态圈,积极践行有意义、包容和赋能的共同价值观。
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