在物聯網概念已被炒得火熱的今天，大家似乎很少提到一個已經存在了上百年，并且已經深深嵌入城市和家庭每個角落的大網——電網。這個網絡不僅將所有的發電及用電設備連接起來，還須保證發電量和用電量時刻保持平衡。這就意味著，像打開一盞燈這樣的一個簡單動作，也可能引發千里之外電網發電端的一次微小調整。

       這個網絡之所以讓大家覺得很遙遠，是因為在大多數情況下，它都是單向的：我們只是電力的純消費者，電網與人們的聯系好像只有每月的電費賬單，而電網背后的復雜運行機制和普通消費者并沒有直接聯系。而這一切即將被蓬勃發展的新能源產業以及隨之而來的能源行業的變革所打破。
 
　　新能源和傳統能源相比，除了大家已經熟知的綠色無污染的優點外，還具備另外兩大特征：分散性和不穩定性。在新能源的發展先驅地德國，隨處可見的屋頂光伏發電設備和分散在田間路旁的風力發電機所輸出的電力，就像無數的涓涓細流一樣匯入廣闊的電網。2016 年，以風能和太陽能為代表的新能源發電在德國電力的生產比例已經超過 30%。
 
　　與傳統能源主要被大型發電集團控制不同，德國大部分的新能源發電設備都屬于個人或小業主。對于電網來說，這一變化所帶來的影響是革命性的。前面已經提到，為了維持電網的穩定，發電量和用電量必須保持平衡。過去，這種平衡主要是通過調節發電端的發電量來實現的，而當分散在全國各個角落且不可控的新能源發電所占的比例越來越高的時候，這一調節方式就越來越難以為繼了。
 
　　2016 年 5 月 8 日，德國出現了歷史性的一刻，在幾個小時的時間里，德國的新能源發電總量(主要是風能和太陽能)居然達到接近其用電總量95% 的高峰，這就意味著，整個德國在這幾個小時里幾乎全由風能和太陽能驅動!
 
　　當然，這一現象具有一定的偶然性：首先是天氣的完美配合，即德國北部(風電集中)的強勁風力和德國南部(太陽能集中)的充沛陽光同時出現；其次，當天是一個周日，德國的整體用電量相比工作日來說有所降低。而對于整個能源市場來說，這一偶然事件所引發的連鎖反應卻幾乎顛覆了整個市場結構，即電價由正常的3 歐分/千瓦時，跌至最低 –32 歐分/千瓦時，這就意味著在這幾個小時內，用電居然還可以賺錢!
 
　　導致這一不可思議的現象發生的原因是：在德國，雖然能源的交易已經全面市場化，但由于德國能源法保障可再生能源必須全額上網，因此新能源的發電量越大，留給其他傳統能源的份額就越小。電作為商品的特殊性就在于其生產和消費必須即時進行，存儲的代價極大。而傳統能源由于設備運轉的需求，發電量有一個最低極限值，所以當傳統能源的發電份額被新能源擠到低于其最低發電量時，就必須通過補貼的方式，將多余的發電量賣出去，以免威脅電網的穩定，這才造就了這一“負電價”現象。
 
能源行業的變革需要信息技術的支撐
　　從上面這個德國電力市場負電價的例子可以看出，雖然從全年來看，新能源發電量只占發電總量的1/3，但由于新能源發電的不穩定性，在某些時間點，新能源的發電量將可能遠遠超出平均水平，這將給電網和電力市場帶來巨大沖擊。如果不能解決這一問題，新能源的進一步發展將受到極大的限制，而這正是信息技術可以大顯身手的痛點。
 
　　首先是解決由新能源的分散性所帶來的發電量的不可控問題。正如叫車軟件滴滴打車將在路上盲目“掃街”的出租車司機有序地組織起來一樣，利用信息技術同樣可以將分散的新能源發電單元協調組織起來，形成一個大型的虛擬電場。這一領域已經涌現了很多初創公司，代表企業是德國的Next Kraftwerke公司，其目前已經接入4000 多個 新能源發電單元，總體發電功率已經達到2.7 吉瓦(GW)，相當于一個大型火電站的發電能力。它的運行模式是在每個發電單元安裝一個 叫作“NextBox”(下一個盒子)的通信和控制組件，Next Box 通過一個專門的加密GPRS(通用分組無線服務)信道與中央服務器相連，一方面將發電單元的實時數據傳送到中央服務器，另一方面接收服務器的控制指令，這樣就可以對電網以及電力市場進行實時響應。它的商業模式是：一方面可以將小型發電單元打包成大型發電廠，從而直接進入電力市場進行交易，獲得更高的電價；另一方面可以利用自己的快速響應能力，為電網提供調峰服務，從而獲得進一步的收益。

 
　　其次是解決新能源發電不穩定的問題，基本可以分為三個技術方向。第一個方向是運用信息技術對新能源的發電量進行預測，從而通過電力市場機制提前對未來新能源的發電量做出相應反應，避免電網出現大的波動。歐洲電力市場根據交易與實際電力交付的時差可分為遠期(Future)市場、日前(Day-ahead)市場、日間(Intra-day)市場 以及平衡(Balancing)市場。遠期市場可以交易未來數月甚至數年的電力，日前市場是在實際電力交付前一天進行交易，日間市場則是在當天提前數小時進行交易，而平衡市場是為了維持電網的穩定以 15 分鐘為單位進行的交易。
 
　　針對歐洲電力市場的要求，法國初創公司Steadysun根據不同的預測周期和精度為太陽能發電量預測提供了一個三級系統，它們分別是：SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye。第一級系統SteadyMet 主要基于氣象模型和太陽能發電單元的歷史運行數據，并綜合運用智能學習算法，提供未來幾天的太陽能發電量預測，主要可用于日前市場交易。第二級系統SteadySat 在此基礎上加入了每小時更新1~4 次的實時衛星圖片信息，從而能夠比較準確地預測太陽能發電單元被云層遮蓋的程度，可以提供對最多6 小時后的太陽能發電量的更精確預測，主要可用于日間市場交易，并及時對第一級系統的預測誤差進行修正，從而減少損失。第三級系統SteadyEye 則可以提供對未來15 分鐘發電量的精確預測，它通過在太陽能發電單元附近加裝一個觀察云層運動的攝像頭，捕捉云層的運動軌跡，再通過對云層運動的物理建模，實現對云層遮蓋非常精確的預測，主要用于實時電網的穩定控制。
 
　　在風能發電量預測方面，比較有特色的是德國的初創公司Ener，它開發了基于云端智能算法的發電量預測服務。預測算法可以分為兩個部分。第一部分是對氣象參數的預測。由于影響風力發電機發電量的氣象參數非常多，如風速、風向、空氣密度、濕度、氣壓等，為了綜合各氣象模型和氣象信息，Ener 推出了 ensemble engine(集成引擎)，它將各種不同的氣象信息和模型融合起來，并根據特定風電場的歷史觀測數據，通過自學習算法來設定它們的權重，從而獲得最優的預測效果。第二部分是基于氣象參數的發電量預測。對于風能發電來說，不僅是眾多的氣象參數，甚至周圍的地形和附近的其他風力發電機都會對發電量產生不同程度的影響，因此用傳統的物理建模預測方法很難進行精確預測。Ener 公司推出了基于人工神經網絡的風力發電量預測算法，它首先使用歷史數據(包含氣象參數和特定風力發電機的發電量)，對人工神經網絡進行訓練，然后再由人工神經網絡基于第一部分的氣象參數預測得到發電量預測，并且在運行過程中持續地將實測數據反饋回神經網絡以進行迭代訓練，從而不斷提升預測精度以及持續跟蹤風力發電機本身運行狀態的變化。
 
　　對于前面提到的像NextKraftwerke 公司這樣的虛擬電廠運營商來說，由于電力交易需要提前進行，新能源發電量的預測服務是不可或缺的。甚至對于傳統能源發電企業來說，新能源發電量的預測服務也越來越重要——它不僅可以避免前文提到的負電價的出現，而且根據預測，如果未來幾天的電價由于新能源電力的大量涌入而降到成本以下，那么傳統能源發電企業就可以提前適當減少發電量以避免虧損。
 
　　第二個技術方向是通過用電端的主動調整來適應新能源的不確定性。在工業用電方面，有很多工業流程是可以在一定范圍內靈活調整對電力的使用而并不影響最終產品質量的。在挖掘這方面的潛力上，比利時的初創公司 REstore 在冶金、造紙、化工等很多工業領域已經獲 得了上百家客戶。REstore 的商業模式從對每個客戶的用電特性進行分析開始，據此量身定制電力調節方案，比如在哪些時間段可以減少多大比例的用電量。當這些工業企業在電網發電端供應不足時(如新能源發電量較低時)，便會在REstore 信息系統的指揮下，調低相應的用電負荷。而當電網發電端供應過大時，則開足用電負荷。在整個過程中，REstore 不收取任何費用，只通過參與電網穩定控制[也就是前文 提到的電力平衡(Balancing)市場交易]，從客戶獲得的額外收益中抽取一定比例的傭金。對電網來說，主動參與電網穩定控制的用電企業越多，需要準備的備用發電能力就越少，相應的整體發電成本也會隨之降低。可以說，REstore 塑造了一個多贏的格局。
 
　　第三個技術方向是通過儲能設備在新能源發電量大的時候儲存電力，在發電量小的時候輸出電力。這是補償新能源不穩定性最有效的方式，隨著新能源發電份額的不斷上升，大規模儲能將不可或缺。
 
　　2017 年 2 月 15 日，澳大利亞南澳地區發生的大停電事故，部分原因就是新能源發電量低于預期，同時電網又缺乏足夠的儲備發電能力，而這已經是南澳地區在幾個月內發生的第三起大停電事故了。針對這一挑戰，特斯拉創始人埃隆˙馬斯克在社交媒體推特(Twitter)上公開宣稱，他們有能力在100 天的時間內安裝100 兆瓦時(Mwh)的電池儲能設備，從而完全解決南澳地區的電網穩定性問題，并許諾如果不能在100 天內完成，將免費提供所有電池儲能設備。這個聽上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亞官方的積極回應，并最終促成了澳大利亞總理馬爾科姆˙特恩布爾(Malcolm Turnbull)和馬斯克的會面。馬斯克的底氣來自2017 年 1 月在美國加州落成的特斯拉電池儲能項目，它用3 個月時間建成了可以為15 000 個家庭提供數小時電能的電能存儲設備。加州陽光充沛，白天的光伏發電充足，甚至常常超過需求，但到了晚上仍需要用傳統的燃氣發電來補充電力供應。2015 年加州發生的燃氣泄漏事故，不斷加強的環保要求，以及即將關停核電站的計劃，都促使政府不得不尋求另外的解決方案，而電池儲能可以很好地滿足這一需求，即可以將白天富余的太陽能電力存儲起來以便夜間使用。
 
　　除了大規模集中使用的場景，電池儲能技術目前也出現了以家庭電池儲能為核心，綜合了家庭光伏發電和家庭智能能源管理的商業模式。由于新能源發電的分散性，分布式的家庭儲能是未來非常有希望的解決方案。將這種模式帶入公眾視野的仍然是特斯拉公司，它于 2015 年發布了家庭電池能量墻(Powerwall Home Battery)。不過，這個領域目前的實際領跑者是德國的初創公司Sonnen，它占據了全球家庭光伏儲能市場將近1/4 的份額，并于2016 年成功獲得了包含中國遠景能源參與的新一輪融資。Sonnen 首先以解決家庭屋頂光伏應用對儲能的需求為切入點：由于光伏發電的高峰是白天，而家庭的用電高峰卻在晚上，因此發電和用電高峰之間存在錯位，即使將白天的電力出售給電網，晚上再由電網供電，也仍然要支付由電網成本導致的出售價格低于買入價格的價差。而通過家庭儲能則可以將白天的光伏電力存儲起來留待晚上使用，這樣就能顯著降低家庭的電費支出。
 
　　在此基礎上，Sonnen 還在它的儲能系統上進一步集成了家庭智能能源管理系統，目前它最多可與三臺家庭用電系統(如洗衣機、烘干機等)相連接，在有富余光伏電力的情況下，會首先啟動這些設備進行工作，從而在一定程度上降低對儲能電池容量的需求。

 
　　另一方面，Sonnen 公司的儲能系統還可以將富余的儲存能力用于為電網提供穩定控制服務，從而獲得進一步的收益。針對沒有光伏發電設備的家庭，Sonnen 公司提供了“Sonnen 社區”(Sonnen community) 的商業模式，通過安裝Sonnen 的儲能系統，用戶可以獲 得長達10 年的每年2 000 度的免費用電額度，超出這個額度之后，用戶還可享受優惠電價，這樣節省下來的電費就遠遠超過了購買儲能系統的成本。一方面，這使得用戶可以擁有更多的存儲能力，另一方面，這些用戶的用電需求又使得連入Sonnen 儲能系統的光伏發電單元的富余電力有了新的變現渠道，由于跳過了中間環節，不管是發電端還是用電端，都可以獲得更好的電價。目前，Sonnen 公司正在將這一模式進一步推廣到風能和生物質能領域。
 
　　對于電網來說，Sonnen 的儲能系統一方面減輕了家庭光伏發電和家庭用電錯位所帶來的調峰壓力，另一方面還可以將富余的存儲能力“打包”成一個大的蓄能池，可以有效地補償新能源發電的不穩定性。未來，這一商業模式還可以擴展到目前正在如火如荼發展的電動汽車行業。
 
　　在儲能應用這一全新的維度上，相對于傳統燃油汽車，電動汽車具有顛覆性的優勢。對于家用車來說，其實全天大部分時間都處于非工作狀態。在這些時間里，連入電網的電動汽車電池就有可能作為電網的儲能部件，參與電網控制，所獲得的收益可以在很大程度上攤薄電動汽車的電池成本。
 
　　為了充分發掘電動汽車的儲能功能，首先需要升級電動汽車的充電系統。目前，大部分的電動汽車只有單向的充電功能，因此也只能提供單向的儲能能力，即通過智能充電軟件控制電動汽車，在電網負荷較小時(如夜間)進行充電。這一領域未來的發展方向是進一步改進電動汽車的充電和電池系統，使電力能夠實現雙向流動，從而更好地發揮其作為電網儲能元件的作用。日本三菱公司已率先推出帶有充放電功能的電動汽車，德國寶馬公司也在積極測試相關技術與產品。
 
　　其次，我們還需要考慮對分散的電動汽車進行協調控制的問題。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息技術的解決方案可以非常方便地擴展到這一領域中。未來，只要用戶輸入一個出行計劃，電動汽車的智能管理系統就可以自動生成一個最優的充放電程序，在保證電動汽車運行所需電量的前提下，將剩余的存儲能力連入“虛擬電廠”，從而為用戶獲得最大收益。
 
　　另一方面，電動汽車的電池作為儲能部件的壽命，甚至遠遠大于它為電動汽車工作的壽命，由于電網儲能對電池性能的要求遠遠低于電動汽車，因此當電動汽車的電池容量衰減到一定程度時，雖然無法滿足電動汽車續航里程的要求，但可以繼續為電網儲能服務。目前，德國汽車行業的領軍企業寶馬公司和博世公司就正在德國漢堡合作建設一個新型儲能項目，它被命名為“電動汽車電池的第二生命”，這個項目以從寶馬牌電動汽車上退役的電池為基礎，重新設計并組合成一個 26 米長、6 米寬的儲能大電池，未來它將為德國北部不斷增加的風能發電份額提供電網調節服務。這同時也意味著，通過對退役電動汽車電池的再利用，可以進一步降低電動汽車的整體成本。
 
　　電池儲能技術雖然有非常多的優點，但由于其較高的成本以及能量衰減率，主要適用于短期電力調峰的應用場景，并且需要和其他儲能技術相配合。目前，世界各國都在爭相研究各種針對不同地理、環境條件的儲能技術。
 
　　首先是以抽水蓄能為代表的大型儲能電站，它是歷史最悠久的儲能技術，其優點是能夠大規模、長時間地儲存電力，缺點是對環境資源的要求較高。為了適應快速增長的儲能需求，德國政府正在想方設法地提高抽水蓄能能力，其中一個很有創意的方案是對老工業區已經廢棄的煤礦的重新利用。由于礦井常常有數百米深且面積很大的地下空間，經過改造，可以在電力富余時將水從礦井底部抽到地面，在電力不足時將水回流到礦井底部并同時產生電能。
 
　　在海上風能蓬勃發展的大背景下，德國的弗朗霍夫研究所(Fraunhofe Institute for Production Technology)正在開發深水儲能技術， 它的基本原理是將一個大型蓄能裝置沉入大約200 米深的海底，利用海上風力發電所產生的電能將水從蓄能裝置中抽出，在需要輸出電能時，讓水在海底巨大壓力的推動下，重新進入蓄能裝置并發電。目前，研究人員已完成了對模型樣機(體積縮小比例為1∶10)的測試，由于未來海上風能將為歐洲提供相當份額的能源供應，深水儲能裝置將有很好的應用前景。
 
　　在陸上風能的應用場景中，蓄水儲能也可以和風能進行深度融合。德國正在建設一個新型陸上風場，它將風機的基礎部分直接設計成了一個幾十米高的蓄水庫，而風機的主體結構則建立在這個蓄水庫上面。與一般的風機基礎相比，這相當于將風機抬高了幾十米。在一般情況下，由于風速與高度呈正比，因此這會在很大程度上增加風機的發電量，而這部分額外的收益將來可以抵銷修建蓄水庫的成本。多個風機的蓄水庫之間還可以互相連接，共同構成一個與風場緊密結合的蓄水儲能系統，從而有效地平衡風力發電的不確定性。
 
　　其他的大規模儲能方案還有壓縮空氣、電解水形成氫氣等。由于現在沒有哪一種儲能技術可以“一家通吃”，因此未來的儲能系統也必然是由數量眾多，地理上非常分散，內部機理也各不相同的儲能單元構成，它們適用的場景和相應的成本存在很大的差異，這就需要一套非常完善的信息系統對各個儲能單元進行協調控制，以發揮它們的最大效能。
 
能源系統的重構將帶來基于信息技術的新商業模式
　　隨著新能源份額的不斷提升，能源系統未來將逐漸被重構。未來的能源系統將主要由分散的發電單元、分散的用電單元以及分散的儲能單元構成，同一個節點還可能具有多重角色。比如，一個裝有家庭光伏發電設備和電池儲能設備(或電動汽車)的家庭，就同時具備發電、用電和儲能的所有角色功能。這與當初互聯網將大眾從單一的信息接收者，變為兼具發起者與接收者的雙重角色非常像。未來，這樣的新型能源節點將為信息技術的廣泛應用和大量新商業模式的涌現提供非常肥沃的土壤。
 
　　比如，方興未艾的區塊鏈技術未來就很有可能改變傳統的電力交易模式。未來電網的交易首先將由單向變為雙向，比如前面提到的裝有家庭光伏發電設備或其他儲能設備的家庭，它們既是能源的消費者，也是能源的生產者或電網服務的提供者。其次，電網交易主體的數量將空前增加，每個家庭，甚至每臺聯入電網的電動汽車都將是一個交易主體。這些交易主體的規模都很小，而且很分散，甚至是可移動的。另一方面，就像前面提到的，電網需要在每一時刻都維持動態平衡，同一度電或同一容量的儲能服務在不同的時間和地點，其價值是不一樣的，因此如果按照傳統的交易方式，將會產生很大的交易成本，這是大量小規模的交易主體所無法承受的。而區塊鏈作為一種去中心化的交易手段，未來將很有希望為能源互聯網提供基礎交易服務。

 　　在這一方向上，美國初創公司TransActiveGrid (交互式電網) 于 2016 年推出了基于區塊鏈技術的個人電力交易平臺，它使得用戶可以非常方便地將多余的屋頂光伏電力賣給周圍的鄰居，而無須跟每位買家簽訂條款煩瑣的合同。德國能源巨頭Innogy 公司聯合初創的物聯網平臺企業Slock.it 推出了基于區塊鏈的電動汽車充電服務“Blockge”，用戶無須與電力公司簽訂任何供電合同，只需下載一個手機應用程序，并完成用戶驗證，即可在Innogy 廣布歐洲的充電樁上進行充電，電價由后臺程序自動根據當時與當地的電網負荷情況實時確定。由于采用了區塊鏈技術，整個充電和電價優化過程是完全可追溯和可查詢的，因此極大地降低了信任成本。這一模式可以非常方便地擴展到分屬各國不同電力公司的充電樁上，甚至是私人電動樁上。在德國，私人充電裝置的數量是公用充電樁的10 倍，Blockge 的升級版將這些資源也納入服務范圍，只要在私人充電裝置上安裝一個嵌有信息收集芯片的插頭，就可以非常方便地接入Blockge 的服務網絡，這一模式將進一步促進電動汽車的快速普及。
 
能源信息安全不可或缺
　　在將各種信息技術引入能源領域的同時，信息安全問題也日漸成為能源行業的重大課題。由于能源是日常生活的必需品，它對安全的要求也相應是最高的。在過去相當長的時間里，大家對能源信息安全的討論還僅僅停留在理論階段，直到2015 年 12 月 23 日。當時，烏克蘭的電力信息系統受到惡意攻擊，黑客利用軟件漏洞侵入電力系統控制程序，切斷了近20 萬戶居民家中的電力供應，持續長達數小時之久，這對于正在嚴冬中苦熬的烏克蘭居民來說無異于一場災難。這樣的惡性攻擊在2016 年再次上演，攻擊對象依然是烏克蘭，黑客再次成功地侵 入電網輸電控制系統，只是這次攻擊所產生的影響比2015 年的要小一些。
 
在接連出現重大事故之后，能源信息系統的安全問題得到了非常廣泛的關注。傳統電力系統的設計充分考慮了各種隨機發生的自然災害(如臺風)的影響，卻對系統性的惡意攻擊缺乏足夠的抵抗力。為應對可能的危機，北美電力穩定組織(NERC)已制定了相應的行業法規，提出了對電力信息系統安全保護的具體要求，并組織了對電力系統的模擬攻擊，以驗證安全等級。但目前，這些保護措施只考慮了大型骨干輸電網絡和設備，對于連接千家萬戶的小型配電網絡和設備并不適用，而2015 年針對烏克蘭的攻擊事件恰恰發生在跟大家生活緊密相關的小型配電網絡領域。未來，各種新能源發電設備將導致電網布局更加分散，使電力信息安全管理更加困難，但對于信息安全技術來說，這同樣意味著廣闊的市場空間。未來，每家每戶都可能需要安裝能源系統軟件防火墻，就像現在的家用電腦防火墻一樣。
 
結語
     以上提到的信息技術解決方案和商業模式只是未來能源變革大風口的冰山一角，新能源發展的先驅德國正在如火如荼地執行著它的能源轉型計劃，希望把目前新能源占能源生產總量30% 的份額進一步提 升到2030 年的50%，以及2050 年的80%。中國的“十三五”規劃也將 目標設定為，到2020年將新能源裝機容量提升到35%。而信息技術將會在未來的能源體系中發揮基礎性作用，將可預測且可控的分布式新能源與可即時響應的工業和家庭用電、儲能單元相串聯，其實就是在目前的電力網絡上加了一層信息網。這兩張網之間的智能交互就構成了能源互聯網，它將使得未來構建以新能源為主體的清潔能源體系成為可能。