全球能源互联网理念及前景展望

 王益民

 （国家电网公司，北京 100031）

摘要：构建全球能源互联网，对于实施“一带一路”战略、推动能源生产和消费革命、保障国家能源安全具有重要意义。摹于特高压、智能电网、清洁能源的国内外发展实践，提出了通过加快实施清洁替代和电能替代、实现世界能源可持续发展的解决思路，论述了构建全球能源互联网的可行性，分析了构建全球能源互联网的技术创新领域以及综合效益。

关键词：全球能源互联网；清洁替代；电能替代；特高压；智能电网；清洁能源

0引言

 全球能源互联网，是以特高压电网为骨干网架、全球互联的坚强智能电网，是清洁能源在全球范围大规模开发、配置、利用的基础平台。

 2015年9月26日，习近平主席在联合同发展峰会上发表了题为《谋共同永续发展做合作共赢伙伴》的重要讲话，提出了探讨构建全球能源互联网、推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求的中国倡议。这是巾国针对能源挑战、应对气候变化提出的重大战略构想。构建全球能源互联网，对于实施“一带一路”战略、推动能源生产和消费革命、保障国家能源安全具有重要意义。

 在2015年12月召开的巴黎气候大会上，全球195个缔约方通过了《巴黎协定》，这是历史上首个关于气候变化的全球性协定，标志着应对气候变化形成全球共识。各方将以“自主贡献”方式参与全球应对气候变化行动，将全球平均温升与前工业化时期相比控制在2℃以内，并力争控制在1.5℃以内。构建全球能源互联网将成为落实《巴黎协定》、应对气候变化的重要举措。

1  世界能源发展现状

1.1  化石能源资源和生产消费

 能源发展史是一部伴随人类社会进步的变革史。18世纪中期，煤炭取代薪柴，推动了近代工业的发展。19世纪中后期，石油的开发和电的发明，催生了现代工业，化石能源成为现代社会的主导能源。

 从化石能源资源看．2014年全球常规化石能源剩余可采储量共计标准煤1.2万亿t．其中，煤炭8 915亿t，占52.0%；石油2 398亿t，占27.8%；天然气187万亿m3，占20.2%。中国已探明的化石能源剩余可采储量总计约为1 240亿t标准煤，其中，煤炭占94.4%，石油、天然气分别占2.5%和3.1%。

世界能源消费总量持续增长，消费结构上仍以化石能源为主，但比重正在逐步下降。过去50年（1965-2014年），世界能源消费总量从标准煤54亿t增长到185亿t，其巾化石能源消费从标准煤51亿t增长到159亿t，如图1所示。全球累计消耗煤炭2 350亿t．石油1 600亿t．天然气97万亿m3。1965年以来，化石能源占一次能源消费总量的比重下降了8个百分点，但仍保持在85.0%以上。

1.2面临的挑战

 化石能源的大量开发和使用，带来资源紧张、环境污染、气候变化等严重问题。

 (1)资源紧张。化石能源开采强度很大。2014年，全球生产煤炭81.6亿t、石油42.2亿t、天然气3.5万亿m3。按照2014年的开采强度，全球石油仅可再开采53年，天然气54年，煤炭110年。

全球能源需求将持续增长。按照世界人口95.5亿、经济年均增长3%左右计算，到2050年，全球能源需求总量将达到300亿t标准煤，与2010年相比增长60.0%左右。如表1所示。

 中国资源紧张问题更为突m。中国煤炭、石油和天然气可采年限仅分别为世界的1/3、1/5和1／2。能源对外依存度不断提高，石油从2000年的30.0%提高到2014年的60.0%．天然气从2008年的0.2%提高至2014年的32.2%。石油、天然气进口受地缘政治因素影响大，能源安全形势非常严峻。

 (2)环境污染。化石能源在生产、运输、存储、使用的各个环节会对大气、水体、土壤等造成严重污染或破坏。

 全球化石能源燃烧每年排放S02 1.2亿t、NO，1亿t，同时产生大量烟尘等污染物。历史E，美国、欧洲、日本都曾因化石能源的过度使用发生过重大环境污染事件．例如．20世纪50年代的洛杉矶光化学烟雾事件．1952年英国伦敦的烟雾事件，以及20世纪60年代日本东京都的污染事件等。

 近年来，随着中国经济快速发展，能源消费增长很快。中国以煤为主的能源结构导致雾霾、酸雨和水土破坏等环境问题日益突出。2014年，京津冀和长三角地区雾霾天数超过60天，已成为人民群众“心肺之患”；酸雨面积达100万k m2，长三角、珠三角地区尤为严重：煤炭开采已经造成近1万k m2的地面塌陷区．22亿m3地下水遭到污染．

 (3)气候变化。化石能源燃烧产生的CO，占人类活动温室气体排放的56.6%．是导致全球气候变暖的主要原因．。全球化石能源燃烧每年排放的C02总量从1990年的210亿t增加到2014年的320亿t，以年均2%的速度增长。

 工业化以来，全球地表平均温度上升了1℃。如果不加以控制，到21世纪末温升将超过4℃，将带来冰川融化、海平面上升、粮食减产、物种灭绝等灾害，严重威胁人类生存和发展。

2能源问题的解决思路

 世界能源挑战的根源在于化石能源资源的有限性和开发利用的高污染、高排放性。破解化石能源困局，实现可持续发展，根本出路是加快清洁能源发展，实施“两个替代”，即能源开发实施清洁替代，以清洁能源替代化石能源：能源消费实施电能替代，以电代煤、以电代油、电从远方来，来的是清洁发电，摆脱化石能源依赖，实现清洁能源占主导。

2.1  清洁能源资源丰富

 清洁能源主要包括水能、风能、太阳能、核能、海洋能、生物质能等。全球清洁能源资源总量丰富，开发潜力巨大。

 (1)水能。水能是日前技术最成熟、经济性最高，已开发规模最大的清洁能源。全球理论蕴藏量约为39万亿kW -h／年，主要分布在亚洲、南美洲、北美洲等地区。世界各大洲水能资源量如表2所示。

(2)风能。世界风能资源理论蕴藏量约为2 000万亿kW -h／年。从各大洲风能资源分布来看，非洲、亚洲、北美洲、南美洲、欧洲和大洋洲分别占32%、25%、20%、10%、8%和5%。世界各大洲风能资源量如表3所示。

(3)太阳能。太阳一年辐射到地球表面的能量约116万亿t标准煤，是2014年世界一次能源消费总量185亿t标准煤的6 000多倍，超过全球化石能源资源储量。世界主要太阳能富集地区如表4所示。

2.2  清洁替代与电能替代

 实施清洁替代，以风能、太阳能、水能等清洁能源替代煤油气等化石能源，能够从源头上有效化解化石能源资源紧张矛盾．保障人类日益增长的能源需求、2000-2014年，全球风电和太阳能发电量年均分别增长26.0%和45.Oo/e．远远超过煤炭3.60/e、石油1.2%和天然气2.5%的年均增长速度。发展清洁能源是大势所趋．全球清洁能源只需保持年均12.4%的增速，到2050年即可实现清沽能源比重提高到80%以上的目标。

 实施电能替代，减少煤炭、石油、天然气等化石能源的直接使用，提高电能占终端能源比重，能够提高能源利用效率。巾围数据表明，终端消费相同热值的能源．电能创造的经济价值是石油的3.2倍、煤炭的17.3倍。

2.3全球能源互联网

 要实现清洁能源大规模开发利用，必须构建全球能源优化配置平台，即全球能源互联网。电是最清洁、最高效的能源，一次能源都可以转化为电能，各种终端能源都可用电能替代。电为巾心是能源发展的大趋势．全球能源互联网必然是电网，不仅能够解决风电、太阳能发电的随机性和问歇性问题，实现清洁能源大规模开发利用，保障能源可持续供应．同时还可实现全球能源的优化配置。

 全球能源互联网实质就是“特高压电网+智能电网+清洁能源”。特高压电网是关键，智能电网是基础，清洁能源是根本。

3构建全球能源互联网

 特高压、智能电网和清洁能源的创新突破和同内外实践为构建全球能源互联网奠定了基础。

3.1  发展基础

 (1)特高压。特高压是指交流电压等级1 000kV及以1：1直流电压等级+800 kV及以上的输电技术．全球各大清洁能源基地和负荷中心都在特高压配置范围之内。±1 100 kV特高压直流输电距离可达5 000 km，容量可达l 500万kW。依托特高压输电，北极的风电，中东、非洲等沙漠地区的光伏发电可以输送到各个地区的负荷巾心。连接各罔、各大洲的特高压骨干网架，将实现全球范围内的清洁能源开发、配置和利用。

 (2)智能电网。随着电网技术的不断发展以及与智能化技术的广泛融合．电网功能由单一的电能输送载体．向具有强大能源资源优化配置功能的智能化基础平台升级。

 智能电网涵盖电力系统电源接入、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，集成现代智能技术、信息网络技术、先进输电技术、新能源接入技术，能够满足清洁能源、分布式电源接入，智能设备即插即用，智能互动服务等需求，具有智能响应和系统自愈能力．可显著提高电力系统安全可靠性和运行效率。

 (3)清洁能源技术。清洁能源发电技术的创新和经济性的不断提高．为开发清洁能源提供了良好前景。

 技术创新方面．风电最大单机容量已达8 MW,低速风机可适应最低5.2 m/s左右的年均风速，最新的风功率预测系统适用于多种地形和气候，精度达85%以上。太阳能发电效率大幅提升，晶硅电池效率每年提高0.3～0.5个百分点，薄膜电池效率每年提高1.0～1.5个百分点。

经济性方面．近年来全球清洁能源发电项目开发成本显著下降，市场竞争力不断提高。全球陆上风电、光伏发电平准化成本已分别降至0.06—0.09美元／(kW -h)和0.08～0.20美元／(kW．h)。未来5—10年，清洁能源发电成本将与化石能源相当甚至更低。部分国家2015 -2019年投运町再生能源发电项目上网电价（或购电协议价）如图2所示。

3.2  中国实践

 中国在特高压和智能电网领域的创新突破，以及在区域联网方面的研究与探索，为构建全球能源互联网奠定了基础。

 (1)特高压。全面掌握特高压核心技术和全套没备制造能力，在世界上率先建立特高压交直流技术标准体系，中国特高压交流电压成为国际标准。截至2015年年底，国家电网公司建成投运“三交四直”特高压T程，累计输送电量超过4 300亿kW．h．正在建设“四交六直”特高压工程。在运在建的特高压交流、直流工程，线路总长度2.88万krn．变（换）电容量2.94亿kV-A(kW)。在运的哈密一郑州+800 kV特高压直流工程，输电距离超过2 200 km，输电容量达到800万kW;正在建设的准东一皖南±1  100 kV特高压直流工程．线路全长3 324 km，输电容量1 200万kW．是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。

 (2)智能电网。中国制定了首个《坚强智能电网发展规划纲要》，提出涵盖发电、输电、变电、配电、用电和调度等电力系统全环节的智能电网理念，在智能电网技术、装备、标准、工程等领域实现全面突破。截至2015年年底，国家电网公司累计建成投产66～750 kV智能变电站2 286座，安装智能电表3.1亿只，建成充换电站1 537座，形成世界上规模最大的充换电服务网络，建成投运集风力发电、光伏发电、储能系统、智能输电于一体的国家风光储输示范工程以及多端柔性直流输电工程。国家电网公司正在积极推动国家级智能电网试点示范项目实施。

 (3)清洁能源。截至2015年年底，中国风电并网装机1.28亿kW，光伏发电并网装机4 158

万kW,比2010年分别增长了3.3倍、51倍，均位居世界第1位。内蒙古、新疆、甘肃、河北风电装机超过1 000万kW，甘肃、新疆、青海太阳能发电装机超过500万kW。冀北、甘肃、蒙东、蒙西的风电和光伏装机合计所占比重均超过30%。

 (4)区域联网。从解放初期的上百个城市孤立电网．到20世纪70、80年代的近30个省级电网．再到形成华北一华中、华东、东北、西北、南方、西藏6个交流同步电网，实现全国联网（除台湾地区外）。根据国家电网规划，到2020年国家电网将形成东部、西部2个同步电网，2025年形成统一同步电网。

3.3  国际实践

 世界特高压和智能电网加快发展。巴西、印度正在建设+800 kV特高压直流工程。世界主要国家均制定了适合本国国情的智能电网发展战略，加快智能电网建设。美国在科罗拉多州的波尔德建成全美第一个智能电网城市，以及覆盖储能、需求响应、可再生能源并网等多个领域的西北太平洋智能电网项目；德国要求所有新建房屋和经大规模修缮的房屋均安装智能电表，实施“E-能源”智能电网示范项目；日本提出建设能抵御自然灾害的坚强电网，推行以高性能电池为先导的混合动力和纯电动汽车多元化发展战略。

 世界上已发展形成北美、欧洲、俄罗斯一波罗的海等多个大型跨国互联电网，正在积极推进欧洲超级电网、东北亚互联电网、北非向欧洲输电的“沙漠计划”等互联计划．这些都将成为全球能源互联网的重要组成部分。

 世界清洁能源加快发展，清洁替代加速推进。截至2014年年底，全球风电装机容量3.7亿kW,太阳能发电装机容量1.9亿kW,分别占全球发电总装机容量的6.2%和3.2%。2015年1-6月，全球社会资本对清洁能源的投资额占对基础设施投资总额的比重已经接近一半。美国15%左右的风险投资投向清洁能源技术。非洲提出到2030年新增可再生能源发电装机3亿kW。德国联邦环境署研究表明．德国到2050年有望实现100%清洁能源发电曰标。丹麦提出到2050年实现100%清洁能源发电目标。英国于2015年12月关闭了国内最后一个煤矿，并计划在2025年关闭所有燃煤电厂。

4前景展望

4.1  未来技术创新领域

 面向未来．加快构建全球能源互联网，全面提高安全性、经济性、开放性和适应性，根本要靠技术创新，，主要包括以下几个领域。

 (1)特高压领域。±l 500 kV特高压输变电技术，实现电网跨洲互联，建设清洁能源基地并外送电力：特高压海底电缆技术，实现跨海联网；特殊环境下特高压核心装备制造及应用技术：+800 kV特高压多端柔性直流、交流半波长输电、高压直流断路器，以及可控串补、可控并联电抗器等灵活交流输电技术。

 (2)智能电网领域。涵盖发电、输电、变电、配电、用电、调度各环节的智能电网关键技术，保障电网安全可靠、经济高效运行，适应各类集中式和分布式清洁能源接入、各类智能设备即插即用：特大型交直流混合电网安全稳定运行技术，电网故障诊断、恢复及自动重构技术，全面提升大电网对连锁故障、极端灾害天气或外力破坏的防御能力：深度融合电网技术与云计算、大数据、物联网以及移动互联技术的新技术、新设备，为建设智慧家庭、智慧社区、智慧城市、智慧围家、智慧地球提供基本平台和服务。

 (3)清洁能源领域。清洁能源技术，包括大容量高参数风机、高效率低成本光能转换和大规模海洋能发电等，提高清洁能源发电的经济性、稳定性和安全性：大容量、长寿命、低成本、高安全性的新型储能技术．满足电力系统各环节储能应用要求：风电、光伏等清洁能源发电虚拟自同步技术等，提升并网友好性。

4.2全球能源互联网综合效益

 构建全球能源互联网将推动世界能源发展进入以电为中心、以清洁能源为主导的新阶段，实现全球资源优化配置，能源保障将更安全、更高效、更友好，产生巨大的环境、经济及社会效益。

 (1)环境效益。到2050年，全球能源消耗产生的CO2可控制在115亿t左右．仅为1990年的一半，可实现《巴黎协定》提出的“争取全球温升不超过2℃．并力争控制在I.5℃以内”的目标．

 (2)经济效益。实现清洁能源大规模开发，保障能源供应，支撑经济发展。利用时区差、季节差，获得联网效益，降低能源成本。推动全球产业结构从以高能耗、高污染、劳动密集为特征的传统产业，向以智能创造、绿色清洁为特征的战略性新兴产业转变，推动全球范围产业升级。

 (3)社会效益。将欠发达地区清洁资源优势转化为经济优势．实现区域协调发展，增进南南合作、南北合作，有效减少因争夺化石能源引发的地区冲突，有力促进世界和平、和谐。