中國-上海合作組織CHNA-SHANGHACOoPERATIONORGANZATIOTECHNOLDGYCODPERATIONANDDEVELDP零碳智慧能源系統(tǒng)與能源革命管曉宏西安交通大學(xué)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?！?要樹立創(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?！薄?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3碳排放結(jié)構(gòu)2019全球碳排放結(jié)構(gòu)產(chǎn)5.04%交通工業(yè)工業(yè)住宅3.36%其他力53.11%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4能源供應(yīng)的清潔和綠色化勢在必行光伏風(fēng)力5可再生新能源利用的主要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，一次能源均轉(zhuǎn)化成電能接入電網(wǎng)，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)6解決途徑一：能源電力需求端節(jié)能減碳75G及未來無線通信系統(tǒng)節(jié)能降本的途徑解決途徑主要挑戰(zhàn)>低功耗元器件和設(shè)備設(shè)計(jì)口影響系統(tǒng)性能，進(jìn)一步>低功耗網(wǎng)絡(luò)部署和系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能空間有限口通過提高5G主芯片和>通信系統(tǒng)資源優(yōu)化：關(guān)斷策略其它高端芯片制程以降優(yōu)化電源管理：收割能量、可再低功耗受限5G及未來通信系統(tǒng)能耗生能源利用高、不盈利，影響推廣應(yīng)用，降低競爭力口環(huán)境熱過程復(fù)雜、動態(tài)時變、非線性等特建立機(jī)理與數(shù)據(jù)結(jié)合的優(yōu)化點(diǎn)，缺乏系統(tǒng)化模型模型，通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行與口基站能源系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化強(qiáng)耦合口傳感器網(wǎng)絡(luò)成本高，現(xiàn)場算力有限5G及未來無線通信基站的節(jié)能優(yōu)化設(shè)備級節(jié)能增效口硬件與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能設(shè)計(jì)：新材料應(yīng)用，芯片、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)提效節(jié)能設(shè)備級節(jié)能增效口硬件與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能設(shè)計(jì)：新材料應(yīng)用，芯片、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)提效節(jié)能口主設(shè)備軟節(jié)能：符號關(guān)斷、載波關(guān)斷、通道關(guān)斷、深度休眠口光伏等可再生新能源設(shè)備多載波聯(lián)合調(diào)度整形前整形后載波2載波2口設(shè)備級節(jié)能，可有效提升設(shè)備能效，廣泛適用口受設(shè)備運(yùn)行工況影響，節(jié)能空間和彈性有限口受其他設(shè)備運(yùn)行影響，影響KPI,且難以發(fā)揮最佳效率在能效最高、成本最低的時段給基站建筑體精確蓄冷，平衡主設(shè)備釋放的熱，以滿足設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求新方法主設(shè)備+輔助設(shè)備的整體協(xié)同優(yōu)化口數(shù)據(jù)+機(jī)理深度融合，解決復(fù)雜動態(tài)過程的建模復(fù)雜性和可行性難題口狀態(tài)遷移+數(shù)據(jù)驅(qū)動，解決實(shí)際應(yīng)用面口數(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)量解特點(diǎn)能耗-電價-流量-環(huán)境時空多尺度耦合口系統(tǒng)建模+系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)整體能效提升口能耗-環(huán)境-業(yè)務(wù)多尺度耦合導(dǎo)致建模復(fù)雜性挑戰(zhàn)口主設(shè)備與輔助設(shè)備協(xié)同優(yōu)化導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜性挑戰(zhàn)整體運(yùn)行優(yōu)化方法物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集策略更新C?m(tG1-t給)=Q+ha.Sb(ta-tG)t構(gòu)建動態(tài)溫度場模型構(gòu)建強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型熱過程的混合整數(shù)規(guī)劃模型構(gòu)建動態(tài)溫度場模型構(gòu)建強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型設(shè)備運(yùn)行約束環(huán)境門限約束設(shè)備運(yùn)行約束環(huán)境門限約束基策略在線基策略在線近優(yōu)策略滿意策略立即回報前/步Cust-立即回報前/步Cust-to-go怙計(jì)實(shí)時策略更新5G基站解決建模復(fù)雜性權(quán)衡效率與精度事件驅(qū)動降低通信和算力需求解決建模復(fù)雜性權(quán)衡效率與精度事件驅(qū)動降低通信和算力需求13實(shí)際系統(tǒng)測試應(yīng)用場景天花板溫度空調(diào)功耗高門分線器BBU電源蓄電池分線器實(shí)測基站實(shí)地圖室外民房內(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)的分時電價和需求響應(yīng)機(jī)制，解決典型的學(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)的分時電價和需求響應(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)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)能率楊屋站運(yùn)行成本(元)后的整站運(yùn)行成本(元)口可實(shí)現(xiàn)12%以上的運(yùn)行成本節(jié)省目標(biāo)口站點(diǎn)間協(xié)同再增加3~5%的節(jié)能降本空間站點(diǎn)無優(yōu)化碳排優(yōu)化后碳排楊屋解決途徑二：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)注熱能電能熱能電能e氫氫能與電能并重的能源供需系統(tǒng)電解水電解水加氫站基于氫能的分布式能源系統(tǒng)氫能存儲與電網(wǎng)、可再生能源等交互，實(shí)氫能存儲與電網(wǎng)、可再生能源等交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)/獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電一跡氫能驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供，氫燃料電池供電，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同轉(zhuǎn)化和零碳排放開關(guān)開關(guān)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)加站加站氫能供應(yīng)鏈的市場化運(yùn)行和管理以水為載體的熱/冷存儲，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，提高系統(tǒng)能效主要科學(xué)問題與挑戰(zhàn)e信息流和氫-電二次能源及多種能源流網(wǎng)絡(luò)間的時空多尺度耦合、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)e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e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e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)目口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)據(jù)中心零碳供能口實(shí)現(xiàn)“零碳-經(jīng)濟(jì)性”雙示范口為零碳園區(qū)建設(shè)提供解決方案和技術(shù)路徑口6月20日：能源站建筑主體施工完成口7月05日：設(shè)備進(jìn)場安裝口7月20日：聯(lián)調(diào)聯(lián)試口7月30日：投入試運(yùn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與范式—?dú)淠?多能源優(yōu)化→零碳+經(jīng)濟(jì)效益口首個零碳分布式多能源站口首個零碳5G基站口首個零碳數(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)—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)備用無縫連接供電太陽能光伏淺層淺層地?zé)峋卦礋岜秒娊獠垭娊獠郯矁?yōu)能-D外購氫氣蓄能水罐氫燃料電池外購氫氣蓄能水罐熱電聯(lián)產(chǎn)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?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)高效發(fā)電供熱口太陽能低成本自主制氫+榆林氫能產(chǎn)業(yè)鏈的廉價工業(yè)副氫口燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)效率90%以上(燃料電池發(fā)電僅約40%)口燃料電池與土壤儲熱、地源熱泵高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)熱能極致利用供電太陽能光伏地?zé)峋岚矁?yōu)能-西安文外購氫氣外購氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)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)能需求口地溫優(yōu)勢與高效地源熱泵(性能系數(shù)3-6)高效提供熱(冷)能口板換利用燃料電池釋放熱能，提升綜合能源利用效率供電太陽能光伏地?zé)峋嵬赓彋錃鈿淙剂想姵赝赓彋錃鉄犭娐?lián)產(chǎn)供冷系統(tǒng)—地源熱泵+地溫導(dǎo)熱管+儲冷水罐短期調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)：極低成本供冷口太陽能低成本自主制氫+榆林氫能產(chǎn)業(yè)鏈的廉價工業(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)熱能極致利用供電太陽能光伏地源熱泵地?zé)峋娊獠酃├涞責(zé)峋娊獠酃├浒矁?yōu)能-D外購氫氣儲氫罐氫燃料電池外購氫氣儲氫罐氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)能源站信息物理融合系統(tǒng)總體架構(gòu)感知-通信-計(jì)算-優(yōu)化一體化感知-通信-計(jì)算-優(yōu)化一體化設(shè)備設(shè)備淺層地?zé)峋疁\層地?zé)峋畾淠芟到y(tǒng)能源站調(diào)度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于智能感知-彈性通信-自主計(jì)算-協(xié)同優(yōu)化的一體化控制結(jié)構(gòu)口熱能系統(tǒng)：日前調(diào)度與實(shí)時優(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)行模式口末端空調(diào)：人機(jī)混合智能決策實(shí)現(xiàn)末端空調(diào)靈活調(diào)節(jié)，節(jié)能優(yōu)化且保證人員舒適性口電氣系統(tǒng)：聯(lián)合主從控制、對等控制等多種模式實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)功率動態(tài)分配自動控制暖通系統(tǒng)電力系統(tǒng)末端空調(diào)自動控制暖通系統(tǒng)電力系統(tǒng)末端空調(diào)應(yīng)急控制應(yīng)急控制控制設(shè)備控制設(shè)備硬件設(shè)備控制零碳智慧能源站2022年7月底投入運(yùn)行零碳5G基站、數(shù)據(jù)中心聯(lián)通云聯(lián)通云榆林云池VERTIV能源站數(shù)字孿生系統(tǒng)k社會效益口同傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電、市政供熱的傳統(tǒng)供能模式相比：年化總成本降低年化總成本降低口作為世界首個實(shí)用化氫賦能零碳智慧能源站，經(jīng)過夏季制冷和冬季供熱的換季工作環(huán)境考驗(yàn)口在省運(yùn)會期間為運(yùn)動員村無故障零碳供能口疫情封控期間作為隔離酒店，為最多5000人入住零碳供能，運(yùn)行良好，為抗疫做出重要貢獻(xiàn)媒體聚焦總臺記者張銳新宇成軒陜西臺央視新聞聯(lián)播報道項(xiàng)目氫-水循環(huán)分布式能源供需系統(tǒng)平臺人民日報頭版報道項(xiàng)目創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈雙鏈融合成效實(shí)現(xiàn)這種零碳排放綠色能源系統(tǒng)的這么一個理念央視新聞聯(lián)播報道項(xiàng)目零碳排放綠色能源系統(tǒng)理念時任陜西省長趙一德赴項(xiàng)目現(xiàn)場考察央視新聞聯(lián)播：國際領(lǐng)先、國內(nèi)首創(chuàng)實(shí)用化智慧能源中心陜西新聞聯(lián)播：世界首個實(shí)用化規(guī)?；闾贾腔勰茉粗行?1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1總能源站面積/萬m2總鋪設(shè)光伏面積/萬m2可再生能源——空氣能風(fēng)冷熱泵：熱，制冷、生活熱水；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);產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景2:零碳鄉(xiāng)村振興落實(shí)2022年中央一號文件，推動零碳鄉(xiāng)村振興發(fā)展推進(jìn)農(nóng)村光伏、生物質(zhì)能等清潔能源建設(shè)，打造零碳村鎮(zhèn)能源系統(tǒng)，提高村民生活質(zhì)量結(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)零碳溫室下零碳鄉(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)品價值實(shí)現(xiàn)機(jī)制推動環(huán)境控制智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用33產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景3:零碳數(shù)據(jù)中心與通信基站GloudLaverReal-timePowerDynamicDemandRusponseResourceSchedullngand發(fā)EneeEV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邊緣數(shù)據(jù)中心1DI/DO通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)分布式計(jì)算tc數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放現(xiàn)狀自建可再生自建可再生能源+儲能市電目前數(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%以上高碳排高碳排數(shù)據(jù)中心高能耗高碳排高能耗IT設(shè)備用電IT設(shè)備用電(制冷、供配電等)目前信息通信行業(yè)碳排放量占全球碳排放總量的2%以上(制冷、供配電等)低算效低算效服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)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》數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重大挑戰(zhàn)口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倍應(yīng)應(yīng)簇ICT基礎(chǔ)設(shè)施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)光伏熱泵供熱地?zé)峋渌抻酂峁╇娤到y(tǒng)：余