重新思考新时代的能源系统弹性

2024年5月 重新思考新时代的能源系统弹性 AUTHORS DANGABALDON 高级合伙人 KYLEDATTA Director 随着能源部门进入一个转变能源供应，需求，分配，资源，基础设施和技术的新时代 ，能源系统的弹性应该成为重中之重-现在比以往任何时候都更加重要。现在是时候让我们重新考虑能源系统的轨迹，以确保弹性，同时应对脱碳，可负担性和公平性的迫切需要。 恢复力被定义为能源系统承受，响应和从自然或人为的外部冲击中恢复的能力（例如Procedre，网络）起源。在这种情况下，确保能源系统的恢复能力是一项广泛的举措，必须应对从飓风、火灾和冰冻温度到恐怖主义和网络攻击等广泛的威胁。该行业必须注意从超级风暴桑迪，飓风玛丽亚，超级风暴埃利奥特和俄罗斯对乌克兰能源系统的网络攻击造成的灾难性能源系统故障中汲取的清醒教训，并提出一些有关能源系统弹性的发人深省的问题。 发人深省的问题 什么是 是 能源系统电气化挑战的适当边界？真实还是夸张？ 我们的目标应该是弹性能源服务还是弹性能源电网？ 我们能否通过更好地利用现有技术来实现能源系统的弹性，还是需要 新的创新? 我们是否追求以客户为中心的分散 模型，集中式实用新型，还是混合？ 谁的资产负债表将为能源系统的韧性提供资金？ 韧性是企业级风险吗？ 来源罗兰贝格 凭借全球经验帮助能源客户设计21世纪的系统，RoladBerger开发了一种关于能源系统弹性的前瞻性观点来回答这些问题 ，可以将其提炼为九个关键考虑因素，这些因素应该是当今行业的首要考虑因素。尽管每个能源系统都有自己的背景，但我们相信其中许多总体想法可以帮助指导您未来的能源系统规划。 建立弹性能源系统的九个假设 1 能源系统规划应整合电力、燃气、水、通信和应急响应 传统的能源系统规划和监管流程侧重于电力、天然气和其他孤立的系统，已经失败了足够多的时间来推动一个新兴的共识，即需要一种新的方法：综合能源规划(IEP)。 在美国，NERC，NARUC，EPRI和AGA已经认识到迫切需要整合电力和天然气基础设施规划。罗兰贝格建议进一步整合供水系统和通信网络，因为这些重要服务可能会因为能源中断而完全中断。例如，断电可能会阻碍供水，这种情况将迅速升级为毁灭性的人道主义危机。 因此，必须整合一系列公共服务，以确保在规划阶段了解对应急响应和恢复的集体影响。 2 积极的脱碳时间表应该重新考虑 随着我们每年投资超过1万亿美元来建设新的脱碳能源基础设施，我们还必须研究弹性、可负担性和公平性如何适应这一使命。虽然从长远来看，转向可再生能源至关重要，但能源系统弹性问题应该鼓励我们重新考虑应该多快完成这项工作。谨慎的选择可能是减缓脱碳过程，并依靠能源基础设施中资源的更大多样化。 可再生能源弹性的规划应考虑到客户的资产，在灵活性，存储和移动性方面。此外，建筑物热和运输的大规模电气化可能会对整个系统的弹性产生意想不到的后果，导致我们重新评估严格的脱碳政策。 3 以客户为中心的弹性是最终目标 能源系统的弹性最终取决于人。公用事业客户希望能源系统具有弹性，因为他们在停电期间遭受的损失最大， 特别是在长时间停机的情况下。因此，应从以客户为中心的角度对能源系统进行优化，以保持弹性。这意味着不仅要根据真正可负担的价格来衡量客户损失，而且还要根据资产来衡量。 在1960年代，针对中央电力系统开发了十年中一天的过时的可靠性计划“标准”，并且不再是应对当今挑战的有效方法 。随着停电持续时间的增加，能源系统停电会对个人客户和社区产生非线性影响。在最初的12-18小时之后，停电的每一天都会导致财务和生活质量方面的损失呈指数增长。虽然一些拥有分布式能源系统和电动汽车的特权客户可以毫无困难地度过多天的停电，但没有这些手段的客户可能会在不到两天的时间内被剥夺舒适性、机动性和生计——甚至面临危及生命的状况。由于这些原因，21世纪能源系统的优化必须不仅仅考虑能源本身的成本。在计算中，能源供应商还必须包括更换能源支持的一系列不可或缺的服务的成本以及它提供的宝贵利益。这种更为广阔的观点使弹性网格设计的异构方法更加引人注目。 4 行业高估了新兴需求挑战的规模 在预测需求以确保系统弹性时，很容易高估一些预期挑战的幅度。例如，围绕AI数据中心和数字货币以及整体电气化驱动的潜在需求增长的炒作，是由于未能认识到技术在扩展过程中如何改进，以及代际行为如何变化。 计算和移动技术不断创新，这包括增加先进的功能，以补偿对更大功率的需求。新的硬件和算法将计算能源效率提高了三倍，汽车的进步将英里/千瓦时提高了两倍至100英里/千瓦时，未来还会再增加一倍。 行为的变化甚至更加深刻。整个世代可能不再像前几代人那样消耗那么多的能量，因为气候变化是一种生存威胁，改变了他们的价值观和经济偏好。 考虑到这一点，我们意识到新技术的快速增长不一定会导致危机，必须将对未来能源需求的更平衡的预测纳入我们的能源系统弹性规划。 5 行业低估了空间和时间需求挑战 电力行业低估了空间和时间上的挑战，这些挑战可能在短期内需要管理层的更多关注。 空间挑战是移动性电气化、机器人和工业热发生在电网没有准备好并且无法轻易响应的特定集群中。这些新的特定位置的能源需求可能需要演进的电网架构，包括DC拓扑，以确保面对不断增长的电力使用时的系统弹性。 可再生能源和复原力的时间挑战发生在广泛的时间尺度上：稳定的亚秒，频率的秒，斜坡的分钟，然后是长时间中断的几天。北纬地区的许多能源系统也经历了从夏季到冬季（或双重）峰值的季节性变化。我们不能再只关注满足整个服务区域的需求所需的能源总量，我们还必须确保弹性，同时在本地分布节点中提供这些需求峰值。 资源充足性和能源供应能否应对这些更微妙的挑战是一个悬而未决的问题。 6 电网比能源供应更脆弱 能源系统的弹性更多的是分配而不是供应。绝大多数与天气相关的和人为的中断影响配电网，而不是发电和燃料供应。随着时间的推移，这些电网中断只会随着气候变化导致的天气灾害的日益严重和量子计算的兴起而变得更糟。这些双重威胁带来的风险暴露了中央控制的局限性，并迫使我们使用与威胁无关的策略重新构想网格架构。 对于能源发电，虽然必须通过存储和清洁公司可调度资源及其燃料供应系统的适当组合来解决对间歇性可再生资源的更大依赖的转变，但美国的现实是天然气系统和相关发电更加不可靠。尽管在超级风暴埃利奥特之后需要硬化天然气系统，但现在已经得到了更广泛的理解。 7 传统的以公用事业为中心的弹性反应是不可承受的 以公用事业为中心实现弹性的主要解决方案是系统硬化：地下接地，深度加固变电站防御。虽然系统硬化具有一定的作用，但在整个系统范围内应用时，这是无法承受的。例如，CPUC拒绝了PG＆E将其大部分系统地下的提议，因为60亿美元的价格过高。 8 能源网格弹性将需要新的网格架构和功能 世界各地的公用事业都面临着减缓气候和适应气候的同时挑战。虽然监管要求确定了脱碳的速度以解决缓解气候变化问题，但在气候适应的时机和方法上没有明确的共识，只有普遍承认气候冲击的频率、严重程度和强度正在加速。基本的电网架构——包括拓扑、电网资产、传感器、通信、数据分析、智能和控制——必须不断发展，以管理气候减缓和适应。 网格体系结构和所需功能 所需功能 网格体系结构 可见性和透明度 数据和分析系统 基础 分析和洞察 电网控制系统 分布式和边缘控制 网络安全 客户资产灵活性 通信网络 自适应保护 传感器和边缘计算 双向流量控制 电网实物资产（公用事业和客户） Functional 客户资产 来源罗兰贝格 同构集中式网格架构已经被异构网格架构所取代。这超出了电网现代化或来自偏远脆弱社区的灾后微电网。它需要更深入地探索解决未来分布式和可再生电力供应以及提高客户期望所需的电网能力。一些公用事业公司，如SCE2处于领先地位，监管机构需要迎头赶上。 9 弹性取决于现在或即将到来的商业化和部署技术 能源系统弹性的挑战主要在于电网网络：电力，天然气，水和通信。新的电网架构和集成网络优化依赖于现有技术的商业化和高效部署：先进的仪表，传感器，基于AI的电网边缘智能，5G通信，大容量导体和电缆，先进的控制系统等。这些创新提供了基本功能，可实现功能或情境功能的特定应用。例如，网格灵活性的功能能力依赖于态势感知、边缘智能和低延迟通信的基础能力。 虽然间歇性可再生能源和分布式资源的高渗透率最终将需要新一代清洁，牢固和可调度的能源资源，但燃气轮机与碳捕获的组合有可能在过渡期间发挥作用，直到更先进的技术，如合成惯性或小型模块化反应堆，真正商业化。 混合方法是最优解 为了以整体的方式应对九项假设中概述的挑战，罗兰贝格倡导基于四个支柱的能源系统弹性混合方法，这些支柱共同实现了跨基础设施和公众的系统优化。 罗兰贝格混合方法的四大支柱 利用客户资产 来源罗兰贝格 作为备份的天然气网络 下一代IT/OT 基础重新设计网格架构 混合方法结合了九个假设中提出的解决方案，包括网格体系结构的重新设计和集成，利用全方位的客户资产，从下一代IT /OT系统中获取全部价值以及对能源资源更加多样化的依赖。 利用客户资产-包括需求响应，分布式能源资源，能源存储和车辆到电网（V2G）技术-通过电网架构的进步以及下一代IT/OT在分布式能源管理系统（DERMS），电网管理系统（GMS）和高级配电管理系统（ADMS）中的应用成为可能。人工智能将在电网边缘智能中发挥重要作用，使客户资产能够实时响应电网状况。因此，行业必须对即将到来的智能电表进行面向未来的测试，以确保它们具有必要的计算能力，通信能力和智能卡插槽。 为弹性能源系统融资的挑战 按照混合概念，电气化和弹性的估计建设速度可以是当前电网建设速度的4倍到10倍，具体取决于服务区域和电网水平(输电、配电、变电站、管道)。这种财政负担不应仅仅是公用事业公司及其纳税人的责任。对于单个或有限数量的资产负债表或公用事业纳税人来说，资本部署的规模实在太大了。从历史上看，美国监管机构允许每年5-6.5%的利率上调，而多年的两位数利率上调却犹豫不决，所以简单的加息并不是答案。 真正的能源系统韧性所需的投资资本将需要公私伙伴关系和主权财富融资。这些合作伙伴关系将同时创建并遵守公共的“游戏规则”，并维持集中和分散参与者和资产的脱碳，可负担性和弹性的目标。这项工作的规模与1930年代的农村电气化计划相似。 Conclusion 最重要的是，对于面临严重气候冲击的服务地区，以及任何地方的网络威胁，恐怖主义和战争，弹性都会带来企业级风险。在有火灾、海平面上升、干旱和其他不可预见的气候风险的地区，不仅能够承受冲击，而且能够应对冲击并从中恢复的能力对于可持续运营至关重要。此外，我们不应低估试图瘫痪美国和欧盟能源系统的国营行为者的威胁。 为了保护能源系统免受这种危险的影响，我们必须更加积极主动，并为最广泛的事件做好准备。对恢复能力的威胁-不可知论方法让我们无怨无悔。 复原力不是一个好东西，而是一个绝对的要求。 此外，罗兰贝格认为，维持经济和有弹性的能源系统意味着该行业不能以缓解气候变化的名义放弃现有资产和基础设施。相反，罗兰贝格建议在逐步脱碳和传统的电力、天然气、燃料和化学网络之间取得平衡，从而产生更可靠和成本更低的能源系统。 联系人: DANGABALDON 高级合伙人 +12402748166 KYLEDATTA Director +16178408002 本出版物仅供一般指导使用。读者不应按照任何 RolandBergerGmbH不承担因使用本出版物中包含的信息而造成的任何损害。 ©2024ROLANDBERGERGMBH。保留所有权利。 最后，罗兰贝格认为，能源系统的弹性应该以所有能源用户以客户为中心的关注为指导，利用客户资产，同时保护那些在能源中断期间损失最大的人。 如果我们合作解决这些关键问题并设计解决方案来帮助我们进入新的能源时代,一个脱碳、公平、负担