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清華大學|信息學院|國家實驗室|English Version

能源互聯網技術挑戰與機遇——訪清華大學信息技術研究院研究員曹軍威

  • 能源互聯網技術挑戰與機遇
    ——訪清華大學信息技術研究院研究員曹軍威
    來源:科技日報 2012-12-19 高艷鵬

      ■人物介紹

      曹軍威 博士,清華大學信息技術研究院研究員、院務委員會副主任,清華信息科學與技術國家實驗室(籌)公共平臺與技術部主任。1991年至1998年,清華大學自動化系本科、碩士畢業;2001年英國華威(Warwick)大學計算機博士畢業;2002年至2006年先后在德國NEC歐洲實驗室和美國MIT/LIGO實驗室任研究科學家(Research Scientist);2006年回清華工作至今,主要從事分布式計算技術及其在能源電力等領域的應用研究。

      美國著名經濟學家杰里米?里夫金的第三次工業革命和能源互聯網的提法最近在社會上引起廣泛關注。杰里米?里夫金認為:“在即將到來的時代,我們將需要創建一個能源互聯網,讓億萬人能夠在自己的家中、辦公室里和工廠里生產綠色可再生能源。多余的能源則可以與他人分享,就像我們現在在網絡上分享信息一樣?!彼€提出,“互聯網技術和可再生能源將結合起來所構成的能源互聯網,將是實現能源分布式供應的一種有效模式?!敝袊幱诠I化、信息化和城鎮化的關鍵階段,能源將是未來發展的主要制約因素,能源的可持續發展是需要迫切解決的問題。但能源互聯網真的能夠徹底解決能源可持續發展的問題嗎?從技術發展的角度能源互聯網的實現離我們還有多遠?帶著這些問題,筆者走訪了清華大學信息技術研究院研究員曹軍威博士,他的科研團隊近年來在能源電力和信息技術的交叉領域進行了深入研究。我們有幸和大家一起分享一下他的心得與體會。

      筆者:里夫金在《第三次工業革命》一書中提出了互聯網通信技術與能源體系交匯的設想,描述了“人人發電、人人用電”的能源互聯的理想場景,您和您的團隊長期從事能源電力和信息技術的交叉領域研究,如何看待這個問題呢?

      曹軍威:正如里夫金自己曾經提到的那樣,他作為經濟學家,能源互聯網的提出更多的是來源于經濟學或者哲學層面上的深入思考,并沒有提出與之相應的技術體系與實現,而這恰恰是我們作為研究和技術人員的工作重點。能源是人類生存發展的重要物質基礎,但從世界范圍來看,能源可持續發展的問題始終沒有得到根本解決?;诂F有的能源基礎設施,可再生能源資源在傳輸和利用等方面仍存在瓶頸,因此,我們嘗試運用先進的信息和互聯網的理念、方法和技術,與可再生能源技術相結合,構建能源互聯網,希望提出一條實現能源可持續發展的可預見的、具有可行性的技術路線。這也是近年來我們致力于能源電力和信息技術的交叉領域研究的主要動力。

      筆者:能否介紹一下您的團隊的研究工作,為什么如此關注能源與信息技術的交叉領域研究?

      曹軍威:我所在的清華大學信息技術研究院是清華信息科學與技術國家實驗室(籌)的組成部分,作為高等院校中的獨立實體科研機構,我們更強調面向國家戰略和產業發展的重大需求開展學科交叉研究。我本人一直從事分布式計算系統技術研究,一個有趣的現象是,十幾年來我們一直需要關注能源電力方面的研究和進展。比如十年前從學術屆興起的網格計算到現在產業上力推的云計算,都是分布式計算的具體形式,其中的核心思想在于基礎架構化,就是信息技術發展到一定階段希望也能像能源電力一樣構建基礎設施,通過基礎設施提供安全、可靠、經濟、便捷的服務,這樣終端用戶就不用關心具體的軟件、硬件、文件、數據等,而僅僅是付費接受服務。隨著云計算模式的不斷推廣,數據中心成為信息基礎設施的核心,隨著數據中心規模的不斷擴大,能源電力的供應成為主要瓶頸,這就是為什么Google,IBM,Microsoft(微軟)等IT公司開始關注能源領域并投入大量資金研發更加經濟、高效、綠色、環保的能源問題解決方案,Google在美國甚至申請了能源運營牌照。而幾年前當我們真的開始研究能源電力相關問題時,從美國到中國又掀起了建設智能電網的熱潮,電網的建設也越來越需要信息技術的支撐,實現智能化,這使得我們更加堅信能源與信息基礎設施的一體化是大勢所趨,能源與信息技術的交叉領域大有作為,而能源互聯網的提出并受到廣泛關注再一次驗證了我們的判斷是正確的。

      筆者:按照里夫金的觀點,工業革命總是與技術革命相伴而生。蒸汽機的出現促成了近代集約化生產方式的形成,大大促進了生產力的發展,引發了第一次工業革命,同時也極大促進了化石能源的開采和利用。發電機、電動機的發明以及遠距離輸電技術的出現,將人類帶入大批量生產的電氣時代,造就了第二次工業革命,同時也形成目前現代電網中集中電力生產傳輸的格局。第一次、第二次工業革命的模式是,技術革命引發生產方式的革命,而生產方式的革命又導致了能源供給體系的變革。按照這種邏輯,第三次工業革命和能源互聯網的興起是否就是一種必然呢?

      曹軍威:我很認同里夫金的觀點。技術的進步與工業革命的關系應該有客觀規律可循,但我本人不是經濟學家,對目前技術的發展程度是否真能引發新一輪工業革命沒有研究。我們主要關注能源互聯網技術本身,有人可能認為能源互聯網就是智能電網,我們認為不確切。智能電網還是現有電網架構上通過信息化和智能化的手段,解決設備利用率,安全可靠性、供電質量、新能源接入等基本問題;而能源互聯網不同在于采用互聯網理念、方法和技術實現能源基礎設施架構本身的重大變革,構建新型的信息能源融合網絡。里夫金就能源互聯網做出了非常深刻的提煉和概括,我們也非常認同能源和信息技術的融合將從根本上改變能源的生產和利用方式,能源供應將向分散生產和網絡共享的方式轉變的大趨勢是不容置疑的。

      筆者:您提到能源互聯網將構建新型的信息能源融合網絡,您對能源互聯網的基本構架有什么構想呢?

      曹軍威:能源互聯網是以互聯網理念構建的新型信息能源融合“廣域網”,它以大電網為“主干網”,以微網為“局域網”,以開放對等的信息能源一體化架構真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用,因此可以最大限度的適應新能源的接入。微網是能源互聯網中的基本組成元素,通過新能源發電、微能源的采集、匯聚與分享以及微網內的儲能或用電消納形成“局域網”。能源互聯網是微網的廣域連接形式,是分布式能源的接入形式,是從分布式能源的大型、中型發展到了任意的小型、微型的“廣域網”實現。大電網的形成有其必然性,在傳輸效率等方面仍然具有無法比擬的優勢,將來仍然是能源互聯網中的“主干網”。電能源僅僅是能源的一種,但電能在能源傳輸效率等方面具有無法比擬的優勢,未來能源基礎設施在傳輸方面的主體必然還是電網,因此未來能源互聯網基本上是互聯網式的電網。能源互聯網把一個集中式的、單向的、生產者控制的電網,轉變成大量分布式輔助較少集中式的和與更多的消費者互動的電網。

      筆者:能否具體介紹一下國際上能源互聯網研究領域都做了哪些技術層面上的探索?

      曹軍威:事實上,能源互聯網從技術的層面早就提出了,美國和歐洲早就有相關的研究計劃。2008年美國NSF在北卡州立大學建立了FREEDM系統中心,有17個科研院所和30余個工業伙伴共同參與,希望將電力電子技術和信息技術引入電力系統,在未來配電網層面實現能源互聯網理念。效仿網絡技術的核心路由器,他們提出了能源路由器的概念并且進行了原型實現,利用電力電子技術實現對變壓器的控制,路由器之間利用通信技術實現對等交互。FREEDM基本上是從電力電子技術的角度出發,希望以分布對等的系統控制與交互,實現能源互聯網的理念。再有上個月MIT的科技創業(Technology Review)報導了一個位于加州的叫做Stem的新興能源公司,開發了一款用于商業建筑的智能電池,將精簡型的汽車鋰離子電池和電力電子設備相連接,這些電力電子設備在向樓宇供電和從電網中充電這兩種狀態間快速切換,而大量的智能分析是通過云計算來完成。這樣的智能電池稍加拓展實現相互間的通信與控制,就完全符合里夫金描述的以建筑樓宇為單元的能源互聯網原型,這是從儲能的角度實現能源互聯網的典型例子。另外德國BDI也提出了E-Energy理念和能源互聯網計劃,并早在2008年年底開始投資實施該計劃。德國是借此打造一個基于信息和通信技術的能源供應系統,并在六個區域實現示范應用形成能源需求和供給的互動,在能源互聯網基礎上實現一個連接能源供應鏈各個環節業務流程的互動系統。

      筆者:您剛才從電力電子、儲能和能量管理等角度講述了能源互聯網實現所涉及的具體技術,那么您覺得能源互聯網的實現還存在哪些主要的技術挑戰呢?

      曹軍威:能源互聯網關鍵技術的實現可以借鑒現有技術,但同時對現有技術也提出了更高更多的要求。首先,能源互聯網系統體系架構和其中的信息能源融合機制還需要深入研究,比如可以借鑒未來網絡體系結構研究的相關最新成果。傳統網絡強調機器的連接,而現在互聯網是以內容為中心,借鑒內容中心網絡(CCN)的架構,可以更好在能源互聯網中實現信息流支撐能源流的管理。剛才提到的能源路由器是能源互聯網實現的核心,但能源的路由比信息要復雜的多,主要體現在存儲和控制的難度上。儲能相當于能源互聯網中的緩存,經濟可行的大規模儲能仍然是技術難點,效率,充放電次數,成本,容量等問題還有待解決。電力電子技術是實現能源互聯網控制的主要手段,按照用戶的需要以指定電壓和頻率控制電力的傳輸仍然是技術難點,電力電子變壓器和傳統變壓器相比仍然有效率、容量和可靠性等方面的瓶頸問題,需要材料等方面的技術突破。最后是分散協同式的能量管理,傳統的能量管理系統在消納大規??稍偕茉窗l電方面遇到瓶頸,需要在能源互聯網的基礎上實現一個能源信息實時采集、處理、分析與決策的新一代源—網—荷協同的能量管理系統??傊?,我們認為要徹底實現能源互聯網關鍵性技術的產業化還的確有很長的路要走。但從我們已掌握的技術看,從小規模到大范圍,從簡單到復雜,逐步集成創新來實現能源互聯網的原型系統和示范工程還是具有一定的現實可行性的。

      筆者:挑戰總是與機遇并存。您認為能源互聯網技術的發展能帶來哪些機遇?

      曹軍威:是的,挑戰的背后總是蘊藏著巨大的發展空間和機遇?;ヂ摼W精神的核心在于開放對等,這使得互聯網發展到現在新的應用方式和商業模式層出不窮,顯示出極強的生命力,尤其是近年來移動互聯網和社交網絡的興起,又一次顯示出被里夫金喻為“橫向力量”的強大,而將這種在信息領域率先實現的“橫向力量”運用于制造、能源等傳統工業領域,給人以巨大的想象空間。從技術的層面,我們始終堅信信息與其他領域技術的深度融合才僅僅是一個開始,能源互聯網為這一方向提供了一個非常適宜的技術發展載體,信息技術所帶來的人們生產和生活方式的變革將被進一步放大。反過來能源技術本身所面臨的瓶頸和可持續發展等方面的重要問題,也需要新理念、新方法和新思路的指導,能源互聯網不僅僅是電網的信息化和智能化,而是互聯網理念引導下的能源基礎設施變革,最終實現信息能源基礎設施的一體化進程。具體信息請大家關注新浪微博——能源互聯網研究小組。

     

    摘自清華新聞網
     
     


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