2024年能源领域数字化策略白皮书

数字能源解决方案 《数字弹射白皮书》2024年5月 该白皮书的发展得到了氢能创新倡议部分资助。 21 8 4 目录 文档用户指南 章节开始上一页 3 内容页下一页 引言 英国数字产业及关键技术 实现净零基础设施 在能源系统中最大化灵活性。 未来挑战 25 2 引言 能源行业正经历向去中心化、脱碳和数字化的重要转型。这一转型将为国内外参与者提供新的投资和增长机遇与挑战。 能源利益相关者已认识到，获取实时、可用的数据已成为今天和未来管理能源系统的关键，而数字技术是实现净零排放旅程中的关键工具。 在2023年更新的跟踪清洁能源进步(TCEP),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超过50%，预计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年全球总投资达到新的高点，为630亿美元。 The国际能源署（IEA）还估计总体而言，电力电网的投资“需要从现在到2030年每年平均达到约6000亿美元，以进入新西兰零排放情景的轨迹。这几乎是当前投资水平的大倍数，大约每年3000亿美元”。 本报告探讨了英国能源行业所面临的共同挑战，以及将使英国能源生态系统能更快速、更可靠地提供低碳能源的数字干预措施。 我们也审视了数字技术和基础设施的增长对能源领域的影响，以及如何需要负责任的技术领导力以实现绿色数字转型。 3 1 英国数字产业及关键技术 先进数字技术6绿色数字转型7 4 英国数字产业及关键技术 英国在先进数字技术的发展与应用方面，在欧洲排名首位，在世界排名第三。 数字弹跳未来指数，2022 过去几年，英国社会和我们的经济经历了前所未有的重大变革。疫情、脱离欧盟以及对气候紧急情况的认知（以及应对措施）都在这些变革中扮演了重要角色。 我们观察到，企业在应对远程工作带来的挑战和机遇、健康、安全和社交距离、消费者习惯的变化以及供应链震荡时，拥抱数字化转型的步伐正在加快。 沉浸式技术&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电信与测试 分布式系统数据隐私 量子技术 先进数字技术 在数字弹射器（DigitalCatapult）公司，我们认为先进数字技术是未来发展的根本基石，对于实现经济增长和提升英国整体竞争力至关重要。这些技术包括人工智能、扩展现实技术（如虚拟现实、混合现实、增强现实和触觉，统称为XR ）和空间计算；分布式账本技术（DLT）、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。 2021/22数字弹射器的数字未来指数确定关键及新兴的先进数字技术趋势，并强调了英国在采纳和创新方面所面临的优势和挑战。我们的研究发现，英国在全球范围内位居第三 （仅低于美国和中国），在欧盟内部位居第一，对于先进数字技术的发展和采用。这一排名基于对每个国家在这些技术领域的才华、投资、研究、创新和基础设施等方面的综合评估。 绿色数字化转型 英国运营着超过4,000家先进数字技术公司，这使我们处于一个优越的位置，可以充分利用这些能力来推动能源行业的未来，即使在世界各国都在竞争开发并采用复杂的空间计算、数字孪生以及通过复杂的机器人和自主系统进行流程转型等先进能力时也是如此。 这使英国能源行业处于有利地位，可以充分利用现有的数字专业知识，并通过以下途径加速实现净零排放：绿色数字转型这需要我们针对数字化和脱碳旅程中的共同挑战和机遇采取联动 的应对策略，重点关注在先进数字技术公司和能源部门采用者之间建设能力、技能和最佳实践。 虽然能源系统由多个元素组成——电力、天然气、氢气和一系列不同的可再生能源——但整个行业都面临着一些共同挑战，这些挑战可以通过数字化技术来解决。本文主要关注两个主要 领域，在这些领域内，数字技术可以在短期内发挥关键作用：实现碳中和的基础设施并且提供灵活性. 2 实现净零基础设施 支持基础设施供应链9 启用电信/无线基础设施12 一个联网的能源劳动力团队16技能短缺19 8 实现净零基础设施 电气化供暖和交通，以及可再生能源的增加意味着我们需要显著扩大我们的电网，以及管理电网约束的方法。 在满足要求的规模和速度上完成任务是一项真正的挑战，尤其是在由于网络连接的延误或不确定性，许多可再生能源发电被搁置的情况下。 启用型基础设施供应链 新能源基础设施的需求巨大。例如，为了达到2030年的目标 ，离岸风电行业在接下来的七年中需要提供比过去三十年多的四倍的输电基础设施。 尽管大量可再生能源基础设施已经被采购和建设，但在配电层面连接可再生能源需要等待长达15年。这个等待队列代表着约400GW尚未连接的可再生能源资产：所谓的“僵尸资产” 。 尽管存在许多推迟的原因，其中需要克服的一个问题是，通过能够持续保证高质量、成本效益的关键组件（如电缆、变压器和逆变器）的准时供应，来提高投资信心。 不幸的是，在过去两年中，多次中断影响了transmission供应链，尤其是关键组件供应链。供应链正面临诸多挑战，加之疫情和俄罗斯入侵乌克兰的影响进一步复杂化。这些中断——物流瓶颈、原材料短缺、关键组件要求（如HVDC电缆）、劳动力和技术技能短缺——导致成本上升、交货周期延长、关键组件短缺以及投资信心下降。设备与关键组件的需求与供应之间的差距进一步扩大，拖慢了海上风电加快电力系统去碳化进程的潜力。 按照当前的变化速度，英国将无法实现其2035年的目标，且低碳项目现在面临连接到电网的15年延迟。 电力部门的脱碳 （英国下议院调查，2023年4月） 如何一个连接型能源基础设施运作 蒸汽轮机在电力1. 发电机以50Hz的速度旋转。它连接到一个发电机，将旋转转换为交流电。 1 发电机通过设置来实现这一功能2. 电磁场在电网的电线中振荡：电子如海浪般每秒往返50次，与涡轮的旋转同步。 2 同样的电子海洋运行着3. 进入您家的电线，进入您的洗衣机 。然后，一个电动机将发电机的功逆转，将电子的摆动运动转换回物 理运动，即旋转洗衣机的机械动作3 。 4.风力涡轮机和太阳能板产生的电力并非以电网所需的50Hz稳定频率提供。为了并入电网，风力涡轮机和太阳能板产生的电力必须在变电站中调整至50Hz。只有在这种情况下，电力才能接入电网的电线并分配到您的家中。 4 高压直流输电（HVDC）电缆是供应链中断的一个很好的例子 ，这种中断对于实现英国的可再生能源目标至关重要。全球制造业大部分已接近满负荷运行，而国际需求正在迅速增长，导致价格上涨、交货延迟，以及未来十年满足需求的产能不确定性。HVDC供应链已变得紧张，深度不足，过度依赖区域供应商，以及可用的技能资源有限，这些资源对于设计、建设、交付、安装、调试和维护其相关基础设施至关重要。 在需求超过供给的情况下，例如连接可再生能源到更广泛的能源网络所需组件的情况下，供应链可视化、透明度和优先排序对于确定如何确保高效的采购以及组件应被导向何处至关重要。 推动电信/无线基础设施 先进的通信是数字化所需数字基础设施的一个基本组成部分 。在解决能源系统数字化方面投入了相当大的努力，但对基本数字基础设施和通信的需求并未引起相应的关注——通常存在一种假设，即它们已经到位，或者在不远的将来需要时将可用。 当前在先进通信领域的发展努力旨在解决经济和社会成果。但这些主要关注普通消费者，而不是支持关键任务应用或国家基础设施（如能源系统）的服务提供。能源和数字基础设施的端到端集成在确保成果方面仍相对未充分探索——许多方面被视为理所当然。 因此，关于未来英国网络无线通信基础设施的形态存在一定程度的不确定性。需要做出众多决策，考虑多种选择，并且有许多利益相关者应当参与到这一过程中。 在更高层次上，提供高级通信有四种主要方案： ■公共和私有光纤网络 ■商用射频网络 ■私人无线频率网络 ■采用不同技术的混合方法 公共和私营光纤网络 光纤网络是将能源基础设施与通信网络连接的一种经过验证和测试的方法。它们在提供网络运行所需的可靠性、弹性、延迟和安全性方面有着可靠的记录。然而，这项技术面临着需要物理接入的挑战，以及依赖于昂贵的土木工程，需要大量的资本投资。 在孤立状态下，光纤网络提供了一种理论上强大的选择，尤其是在网络运营和需要平衡弹性、可靠性和安全性的用例中 。然而，需要连接数百万资产的应用可能会成本高昂，并且可能依赖于公共网络和普遍服务义务 为了便利全国各地家庭的连接。 商用射频网络 商业射频网络提供了利用已建立的基础设施和市场的机会。 在向商业网络运营商支付使用费和数据传输费用时，能源网络可以受益于业务模式中已经集成的技术更新周期，并且无需进一步进行频谱分配。 然而，使用商业网络在保障能源供应安全方面存在关于安全、可靠性、带宽和可用性的担忧。商业移动网络旨在高效和低成本。因此，它们主要关注人口密集地区，虽然可靠，但不符合能源网络的弹性和可靠性标准。此外，这一选项还涉及接触英国通信网络运营商的商业模式。 使用商用射频可能带来一定的成本效益，尤其是在服务于需要大带宽和覆盖但弹性和可靠性不那么关键的应用时，例如连接到私人电动汽车充电器或小型远程资产。 私人无线频率网络 利用私有无线电频率网络将利用无线电频率技术的优势，同时保持对网络安全性、弹性和可靠性的控制。此类网络将需要投资通信基础设施以建立私有频谱通信，包括带宽使用和数据处理运营成本，以及最终需要覆盖的技术更新。重要的是，此解决方案需要分配频谱接入权。 私人无线电频率网络将使能源网络控制可靠性、延迟、安全性和带宽，从而能够高效地提供网络平衡、可操作性和地点定价。 混合方法 光纤和射频网络都是解决不同挑战的有价值方案。混合方法引入了优化通信基础设施的可能性，使网络能够根据每种情况选择最合适的解决方案。然而，这需要额外的资源来进行逐案评估，并且会增加交付和运营的复杂性。 采用混合方法需要设计、建设、实施和将基础设施与现有的能源和通信网络集成。这种方法还提供了灵活性，以支持许多不同的应用：它可以为网络操作和平衡提供安全性、可靠性和弹性，同时拥有足够的规模来连接和收集数百万个设备的数据。 每种技术都扮演着其特定的角色。就目前而言，未来的能源网络可能由不同的技术支持，这取决于市场以及它们运营其中的监管和技术环境。 无论选择哪条路线，都需要紧急跨行业合作——在能源行业内部以及行业外部——以协调一个高效运作的能源网络通信基础设施 。 一个互联互通的能源劳动力队伍 数字技术为✯持现场工程师提供了巨大的机遇。他们通常是独自工作，负责维护能源生产、传输或分配中的关键基础设施，确保家庭和企业获得可靠的电力。我们已经确定了三个领域，在这些领域中，我们看到数字技术✯持工程师维护英国能源基础设施。最大化每个任务被安排和完成的速度和效率（无论是紧急情况还是计划维护）对一✯联网的劳动力来说具有巨大价值，帮助他们安全、准确、快速地完成工作。 增强现实（AR）✯持 在高空作业时，携带文档和图纸同时使用工具可能会很困难。在这里，增强现实可以成为一个有价值的伴侣。通过使用智能手机或头戴式设备，增强现实可以将数字信息，如参考图像或文本，叠加到用户对真实世界环境的视图中。 这是一种实际且实用的方法来提高现场工程师在诊断和解决维护问题方面的效率和准确性。通过使用增强现实技术提供实时指导和指令，工程师可以迅速识别并解决问题，有助于最小化停机时间并提高服务可靠性。 在不久的将来，类似于苹果公司新扩展现实头戴设备的空间计算平台也将允许能源行业使用更复杂的混合现实环境。随着为空间计算开发新的企业服务和应用程序，这些平台可能成为端到端的地理空间解决方案，可用于整合物理环境数据，并实现对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 当工程师正在处理故障时，他们通常会花费大量时间来理