能源行业的数字解决方案

能源部门的数字解决方案 数字弹射器白皮书 五月2024 本白皮书的发展是 由氢创新计划部分资助。 文档用户指南 节的开始内容页上一页下一页 3 Introduction 4 Contents 英国数字部门和关键技术 8 实现零净值基础架构 21 最大限度地提高能源系统的灵活性 25 未来的挑战 2 Introduction 能源行业正经历着向去中心化、脱碳和数字化的重大转变。这种转变将为国内和国际参与者的投资和增长提供新的机遇和挑战。 能源利益相关者已经认识到，获取实时可用数据对于管理当今和未来的能源系统至关重要，而数字技术是实现净零的关键工具。 在2023年《追踪清洁能源进展》(TCEP)的最新报告中，国际能源署(IEA)报告称，自2015年以来，全球与电网相关的数字技术投资增长了50%以上，预计到2023年，电网总投资将增长19%。在此期间， 与数字相关的电网效率投资持续增长，到2022年全球达到630亿美元的新高。 IEA还估计，到2030年，电网的总体投资平均每年需要约6000亿美元，才能达到NZE情景的轨迹。 这几乎是目前投资水平的两倍，每年约3000亿美元。 本报告探讨了英国能源部门共同面临的挑战，以及数字干预措施，这些措施将使英国能源生态系统能够更快，更可靠地提供低碳能源。 我们还研究了数字技术和基础设施的增长对能源部门的影响，以及如何实现绿色数字转型需要负责任的技术领导力。 3 1 英国数字部门和关键技术 先进的数字技术6 绿色数字过渡7 4 英国数字部门和关键技术 在先进数字技术的发展和应用方面，英国在欧洲排名第一，在世界第三。 2022年数字弹射器未来指数 在过去的几年中，英国社会和我们的经济发生了前所未有的重大变化 。大流行，离开欧盟以及对气候紧急情况的认识（和应对措施）都在这些变化中发挥了重要作用。 我们已经看到企业拥抱数字化的步伐加快，以应对远程工作带来的挑战和机遇;健康，安全和社交距离;改变消费者习惯;以及对供应链的冲击。 沉浸式技术 和空间计算 物联网& 网络物理系统 人工智能 &数据科学 未来网络： 5G/6G电信和测试 分布式系统 &数据隐私 量子技术 先进的数字技术 在数字弹射器，我们看到先进的数字技术 未来的基本组成部分，对于实现整个英国的经济增长和建立竞争力至关重要。这些技术包括人工智能，扩展现实技术（例如虚拟，混合，增强现实和触觉，统称为XR）和空间计算；分布式账本技术（DLT），以及相关的隐私保护和安全数据共享技术；5G/6G和未来网络，物联网（IoT），网络物理系统（CPS）和量子计算。 在2021/22年度，DigitalCataplt的数字未来指数确定了先进数字技术的关键和新兴趋势，并强调了英国在采用和创新方面面临的优势和挑战。我们的研究发现，英国在发展和采用先进数字技术方面排名世界第三（仅次于美国和中国），在欧洲排名第一。该排名基于对每个国家/地区这些技术的人才，投资，研究，创新和基础设施的评估。 绿色数字转型 英国拥有4000多种先进的数字技术 使我们处于一个很好的位置，利用这些能力为能源部门的未来，即使世界竞争开发和采用复杂的机器人和自主系统在空间计算、数字孪生和流程转型方面的先进新能力。 这使得英国能源行业处于有利地位，可以利用现有的数字专业知识，并通过绿色数字过渡。这需要联合方法 在我们的数字化和脱碳旅程中分享挑战和机遇，专注于在先进的数字技术公司和能源行业采用者之间建立能力，技能和最佳实践。 虽然能源系统有多种元素-电力，天然气，氢气和一系列不同的可再生能源 -整个行业都面临着数字技术可以解决的共同挑战。本文重点介绍了数字技术在短期内可以发挥关键作用的两个主要领域：启用净零基础设施and提供灵活性. 2 实现零净值基础架构 8 实现零净值基础架构 供暖和运输的电气化以及可再生能源的增加意味着我们需要大幅扩展电网，以及管理网络约束的方法 。 以所需的规模和速度交付是一个真正的挑战，特别是因为由于网络连接的延迟或不确定性，许多可再生能源发电被搁置。 启用基础设施供应链 对新能源基础设施的需求是巨大的。例如，为了实现2030年的目标 ，海上风电行业需要在未来七年内交付比过去三十年多四倍的输电基础设施。 虽然已经采购和建造了大量可再生能源基础设施，但在配电层面连接可再生能源需要等待长达15年的时间。这个队列代表了大约400GW的未连接可再生能源资产：所谓的“僵尸资产”。 虽然这种等待有许多原因，但需要克服的问题之一是需要通过能够始终如一地确保按时供应高质量，具有成本效益的关键部件（例如电缆，变压器和逆变器）来提高投资信心。 不幸的是，在过去的两年中，多次中断影响了输电供应链，尤其是关键组件供应链。供应链正面临着许多挑战，大流行和俄罗斯入侵乌克兰的影响使其更加复杂。这些中断-物流瓶颈，原材料短缺 材料、关键组件要求(如高压直流电缆)、劳动力和技能短缺-导致成本上升、交货时间延长、基本组件稀缺，以及 降低投资信心。设备和关键部件的需求和供应之间的差距扩大了，减缓了海上风电加速电力系统脱碳的潜力。 按照目前的变化速度，英国将无法实现其2035年的目标，低碳项目现在面临15年的延迟，无法连接到电网。 电力部门的脱碳 （下议院调查，2023年4月） 互联能源基础设施如何运作 1.发电厂中的汽轮机以50Hz的频率旋转。它连接到将旋转转换为交流电的发电机。 1 2.发电机通过设置在网格导线中振荡的电磁场来做到这一点：电子海每秒来回晃动50次，与涡轮机的旋转同步。 2 3.同样的电子海洋也会进入你家的电线 ，进入你的洗衣机。 然后，电动机反转发电机的工作，转换 电子的晃荡运动背部3 变成物理运动，即旋转洗衣机的机械动作。 4.Theelectrictygeneratedfromwindturbersandsolarpanelsisnotprovidedatthestablefrequencyof50Hzthatthegridrequires.Inordertojointhegrid, 来自风力涡轮机和太阳能管道的电力必须协调 到变电站的50Hz。只有这样can4 电力加入电网的电线，并分配到您的家中。 HVDC（高压直流）电缆是供应链中断的一个很好的例子 实现英国的可再生能源目标。全球制造业基本处于产能状态，国际需求快速增长，导致价格虚高、交货延迟以及未来十年产能无法满足需求的不确定性 。HVDC供应链已经变得压力很大，深度很小，过度依赖区域供应商，并且可用于设计，建造，交付，安装，调试和维护其相关基础设施的技术资源有限。 在需求超过供应的情况下，例如在将可再生能源连接到更广泛的能源网络所必需的组件的情况下，供应链可视化，透明度和优先级对于确定 如何确保高效采购，以及组件应该指向哪里。 启用电信/无线基础设施 先进的通信是数字化所需的数字基础设施的重要组成部分。 但是，对基本数字基础设施和通信的要求并没有引起相应的关注-通常有一种假设，即它们已经到位，或者在需要时可以使用。 目前正在进行先进通信方面的发展努力，以解决经济和社会成果。但这些重点是一般消费者，而不是提供可以支持关键任务应用或国家基础设施（如能源系统）的服务。能源和数字基础设施的端到端整合在确保成果所需的深度方面仍然相对未被探索-很多被认为是理所当然的。 因此，对于英国网络未来的无线通信基础设施将是什么样子，存在一定程度的不确定性。需要做出许多决定，需要考虑一系列选择，以及应该参与该过程的许多利益相关者。 在高层次上，提供高级通信有四个主要选项： ■公共和专用光纤网络 ■商用射频网络 ■专用射频网络 ■使用不同技术的混合方法 公共和专用光纤网络 光纤网络是将能源基础设施连接到通信网络的一种久经考验的方法。它们在提供网络运营所需的可靠性、弹性、延迟和安全性方面有着良好的记录。然而，这项技术带来了需要物理接入的挑战，以及对需要大量资本投资的昂贵土建工程的依赖。 孤立地，光纤网络提供了一种理论上很强的选择，特别是对于平衡弹性、可靠性和安全性至关重要的网络操作和用例。然而，需要连接的应用程序 数以百万计的资产将是昂贵的，并可能依赖于公共网络和普遍服务义务，以促进连接到全国各地的家庭。 商用射频网络 商业射频网络提供了使用已经建立的基础设施和市场的机会。 在支付商业网络运营商的使用和 数据传输，能源网络可以从已经集成在业务模型中的技术更新周期中受益，并且不再需要频谱分配。 然而,商业网络的使用对保证能源供应的安全性所需的安全性、可靠性、带宽和可用性提出了担忧,商业移动网络被优化为高效且低成本。 因此，他们专注于高人口密度区域，虽然可靠，但不符合能源网络的弹性和可靠性标准。此外，此选项 将涉及英国通信网络运营商的商业模式。 使用商用射频可能会带来一定的成本效益，特别是在服务于大带宽和覆盖范围很重要但弹性和可靠性不太重要的应用时，例如与私人EV充电器或小型远程资产的连接。 专用射频网络 使用专用射频网络将利用射频技术的优势，同时保持对网络安全性、弹性和可靠性的控制。这种类型 网络的建设将需要对通信基础设施进行资本投资，以建立专用频谱通信，同时还需要带宽使用和数据传输的运营成本 重要的是,该解决方案需要频谱接入的分配。 私有射频网络将使能源网络能够控制可靠性，延迟，安全性和带宽，从而使它们能够有效地提供网络平衡，可操作性和位置定价。 混合方法 光纤和射频网络都是应对不同挑战的有价值的解决方案。混合方法引入了优化通信基础设施的可能性，使网络能够针对每种情况采用最合适的解决方案。然而，这需要额外资源来进行逐案评估，并将带来额外的交付和业务复杂性。 采用混合方法需要设计，建造，实施基础设施，并与现有的能源和通信网络集成。这种方法还提供了支持许多不同应用程序的灵活性：它可以为网络可操作性和平衡提供安全性、可靠性和弹性，同时提供足够的规模来连接和收集来自数百万个设备的数据。 这些技术中的每一种都可以发挥作用。就像今天一样，未来的能源网络可以由不同的技术支持，具体取决于市场以及它们所处的监管和技术环境。 无论采取哪种路线，都迫切需要在能源部门内外进行跨部门合作，以协调有效运行能源网络的连贯通信基础设施。 连接的能源劳动力 数字技术为该领域的工程师提供了巨大的支持机会。他们通常是负责维护能源生产、传输或分配中重要基础设施的孤独工人，确保家庭和企业拥有可靠的电力。我们已经确定了三个领域，我们看到数字技术支持 致力于维护英国能源基础设施的工程师。最大限度地提高计划和完成每个任务的速度和效率（无论是紧急维护还是计划维护）对互联劳动力具有巨大价值，可以帮助他们安全，准确，快速地完成工作。 增强现实(AR)支持 使用智能手机或耳机,AR可以将数字信息(如参考图像或文本)叠加到用户对真实世界环境的视图上。 这是提高现场工程师诊断和解决维护问题的效率和准确性的实用方法。通过使用AR技术提供实时指导和说明，工程师可以快速识别和解决问题，这有助于最大限度地减少停机时间并提高服务可靠性。 在不久的将来，类似于苹果新的扩展现实耳机的空间计算平台也将允许能源部门使用更复杂的混合现实环境。随着新的企业服务和应用被开发用于空间计算,这些平台可以成为端到端地理空间解决方案,其可以用于集成物理环境数据并实现工程环境的可扩展模拟和建模。 使用大型语言模型(LLM)加速故障修复 当工程师在处理故障时，通常会花费大量时间来了解问题的根源以及故障可能发生的原因。通过一种称为 可检索的增强生成（RAG），该领域的工程师可以提供有关问题的信息并询问可能的原因。 然后，AI将查看外部数据馈送（例如天气状况），结构化维护数据 （例如来自整个行业的报告日志）以及非结构化数据（例如使用说明书，产品规格），以分析可能存在的问题。然后，系统会回复错误的潜在原因，故障排除