[技術(shù)前沿]區(qū)塊鏈技術(shù)與能源行業(yè)結(jié)合的前景與挑戰(zhàn)
隨著全球?qū)δ茉纯沙掷m(xù)開展的需求不斷增加和低碳環(huán)保意識的不斷增強，中國在“碳達峰碳中和”國家重大戰(zhàn)略指引下，正在加速開展新能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，特別是可再生能源、新型儲能、電力數(shù)字化等創(chuàng)新技術(shù)，推進分布式能源資源的建立和融合。這一能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過程中，區(qū)塊鏈技術(shù)的興起可以為能源行業(yè)帶來新的革命性變化，順利獲得賦能新能源生產(chǎn)活動、優(yōu)化分布式能源交易機制、促進能源資產(chǎn)梯次利用，解決新能源快速推廣帶來的時空維度的供需錯配和能源波動等問題，并減少能源資產(chǎn)廢棄帶來的環(huán)境污染問題。
1、能源產(chǎn)業(yè)開展的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
新能源是指可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、水力能等，它們具有低碳排放、可持續(xù)性和環(huán)保等特點，逐漸替代傳統(tǒng)化石能源成為全球能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。根據(jù)國際能源署《可再生能源2023》的數(shù)據(jù)，新能源在全球電力生產(chǎn)中的占比逐年上升，預(yù)計未來幾十年將持續(xù)增長。《2023年可再生能源容量統(tǒng)計》數(shù)據(jù)表明，全球可再生能源發(fā)電容量從2017年的2186 GW持續(xù)上升至2022年的3381GW；同時期全球可再生能源發(fā)電容量占比從24.3%增長至29.5%，新能源在電力行業(yè)的重要性持續(xù)提升。
在全球超過130個國家持續(xù)的政策支持下，預(yù)計2023年可再生能源發(fā)電新增裝機容量將達到507GW，比2022年增長近50%。《可再生能源2023》指出，2023年全球范圍內(nèi)的加速增長主要是由中國大力開展的光伏發(fā)電（+116%）和風(fēng)力發(fā)電（+66%）市場的共同擴張有助于的。預(yù)計未來五年可再生能源新增裝機容量將繼續(xù)增加，其中太陽能光伏和風(fēng)能占創(chuàng)紀(jì)錄的96%。從上述數(shù)據(jù)與報告中可以發(fā)現(xiàn)，可再生能源將在未來能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)位置。
1.1 空間維度上的能源供需錯配問題
中國在開展新能源電力產(chǎn)業(yè)時不可避免的面臨資源分布不均勻、資源分布供需錯配等問題。根據(jù)中國國家能源局的數(shù)據(jù)，中國的新能源并網(wǎng)電量不斷增加。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《中國電力行業(yè)年度開展報告2023》，截至2022年底，中國全口徑發(fā)電裝機容量256733萬千瓦，比上年增長8.0%，其中，并網(wǎng)風(fēng)電36564萬千瓦，比上年增長11.2%；并網(wǎng)太陽能發(fā)電39268萬千瓦，比上年增長28.1%。
然而，新能源電力供需錯配帶來了能源分配效率的問題也日益突出。中國西部地區(qū)風(fēng)光資源較為豐富，新能源發(fā)電占比較高，根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司西北分部數(shù)據(jù)顯示，國家西北電網(wǎng)新能源裝機規(guī)模達1.57億千瓦，占全國新能源裝機容量的22%，但由于西北地區(qū)規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)較少、經(jīng)濟活動欠發(fā)達等原因，新能源本地消納難度較大，反觀華東和東南沿海地區(qū)新能源資源不夠豐富，但經(jīng)濟生產(chǎn)活動所需的能源消納需求較大，綜合形成了新能源資源在空間上的供需錯配問題。
1.2 時間維度上的能源穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
新能源在時間維度的不穩(wěn)定性是新能源應(yīng)用的另一重要挑戰(zhàn)。太陽能和風(fēng)能等新能源發(fā)電設(shè)施高度依賴天氣和季節(jié)等自然條件，這將導(dǎo)致電力供應(yīng)的波動并對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生挑戰(zhàn)。從電力平衡的角度來看，新能源的產(chǎn)能與電力負(fù)荷曲線的匹配度相對較低，甚至在某些時間段可能出現(xiàn)完全相反的情況，電力波動幅度將導(dǎo)致新能源日內(nèi)調(diào)峰需求持續(xù)提升。在電量平衡方面，新能源的發(fā)電效率受天氣和季節(jié)影響較大，因此不穩(wěn)定的新能源發(fā)電量難以滿足穩(wěn)定增長的用電需求。
2. 區(qū)塊鏈技術(shù)賦能能源產(chǎn)業(yè)開展
2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)為能源生產(chǎn)活動給予溯源記錄
新能源生產(chǎn)活動通常涉及多個參與方，包括項目投資方、能源生產(chǎn)商、技術(shù)服務(wù)商等。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種安全、透明、不可篡改的分布式賬本技術(shù)，給予了一種創(chuàng)新性的方式來記錄和管理新能源的生產(chǎn)和調(diào)度數(shù)據(jù)，使各方能夠?qū)崟r查看和共享數(shù)據(jù)，并自動化執(zhí)行收益分配，增強了協(xié)作和合作的可能性，這有助于解決新能源生產(chǎn)活動中的信息不對稱和利益沖突問題。
舉例來看，將區(qū)塊鏈用于工商業(yè)儲能領(lǐng)域，建設(shè)基于區(qū)塊鏈的工商業(yè)儲能能源調(diào)度策略可信存證系統(tǒng)，用于記錄和驗證儲能系統(tǒng)的能源調(diào)度策略過程，有助于解決項目投資方、運營方、技術(shù)服務(wù)商關(guān)心的“運維手段是否規(guī)范”“策略執(zhí)行是否正確”“系統(tǒng)狀態(tài)是否正常”等問題。此類策略包括應(yīng)對風(fēng)光發(fā)電設(shè)施瞬時功率波動的安全調(diào)度策略、控制基礎(chǔ)電費的需量控制策略和提升綠電自發(fā)自用比例的綠電消納策略等。
當(dāng)儲能系統(tǒng)執(zhí)行能源調(diào)度策略時，人工介入決策通常是無法滿足能源響應(yīng)的高時效性的，系統(tǒng)需要自動化的完成調(diào)度策略發(fā)現(xiàn)和執(zhí)行，因此系統(tǒng)將觸發(fā)策略的情景和策略執(zhí)行過程記錄在區(qū)塊鏈上，包括環(huán)境數(shù)、智能分析結(jié)果、策略參數(shù)和執(zhí)行情況。這些記錄為用戶給予隨時回溯策略的觸發(fā)和執(zhí)行歷史的能力，滿足各方對系統(tǒng)運行情況查詢和審計需求。
北京電力交易中心、國網(wǎng)數(shù)科控股公司基于“國網(wǎng)鏈”打造了可再生能源電力消納憑證交易系統(tǒng)，該項目運用了相似的設(shè)計理念，順利獲得發(fā)揮區(qū)塊鏈分布式記賬、可追溯等技術(shù)特性，就可再生能源電力消納生成數(shù)字化消納憑證，順利獲得消納量分配、記賬、交易全過程鏈上運行，以區(qū)塊鏈技術(shù)保障可再生能源超額消納量的精準(zhǔn)核算及可信溯源，最終借助智能合約技術(shù)召開消納憑證“掛牌”交易。
2.3 區(qū)塊鏈促進多類型能源資源交易活動
在能源交易領(lǐng)域，去中心化和自動化的交易機制是至關(guān)重要的。區(qū)塊鏈技術(shù)為多元能源資源交易給予了創(chuàng)新的解決方案。能源市場的可交易資源不僅有電能量，還包括了彈性負(fù)荷容量、儲能容量等多種資源。區(qū)塊鏈技術(shù)順利獲得給予去中心化和自動化的交易平臺，將不同類型的能源資源納入交易范圍，使用智能合約自動化完成交易掛牌、摘牌、監(jiān)測、執(zhí)行的全過程，從而實現(xiàn)多種能源資源自動化交易，有助于提升電力系統(tǒng)靈活性。
舉例來看，將區(qū)塊鏈應(yīng)用于實時需求響應(yīng)交易活動，具有多重優(yōu)勢，包括降低交易成本、自動化公開撮合需求響應(yīng)訂單、上鏈存證響應(yīng)執(zhí)行情況和信用評價記錄。這一解決方案包含一套去中心化需求響應(yīng)交易平臺，支持供需雙方的智能化掛牌、摘牌、監(jiān)測和執(zhí)行活動。在這個系統(tǒng)中，各方參與者，如負(fù)荷聚合商、售電公司和電網(wǎng)公司，可以根據(jù)用戶側(cè)預(yù)填報的響應(yīng)時點和容量，順利獲得區(qū)塊鏈智能合約進行需求響應(yīng)任務(wù)的下達，同時可以公開掛牌實時需求響應(yīng)訂單，以滿足臨時電力調(diào)度需求。
這種需求響應(yīng)模式具有高時效性，因此無法依賴人工操作來確認(rèn)每一次需求掛牌后的交易。相反，系統(tǒng)采用智能分析技術(shù)，根據(jù)辦公用能、生產(chǎn)用能和儲能狀態(tài)等因素，尋找最優(yōu)化策略，以確定是否滿足經(jīng)濟補償與電力調(diào)度成本之間的關(guān)系。如果經(jīng)濟補償大于成本，智能合約將執(zhí)行摘牌操作，并觸發(fā)物聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備進行調(diào)度執(zhí)行。
由于每一次需求響應(yīng)都具有高度時效性，系統(tǒng)會定期輪詢確認(rèn)需求響應(yīng)的執(zhí)行情況。未能及時執(zhí)行的交易將被撤銷，并可能面臨一定程度的信用懲罰。這種方式確保了交易的公平性和透明性，同時提高了整個需求響應(yīng)過程的效率和交易的透明度。
2022年第10期《工程雜志》（The Journal of Engineering）刊文介紹了一個位于迪拜的虛擬電廠（VPP）試點項目應(yīng)用了類似的方案。該項目匯聚了總?cè)萘繛?.8MW的分布式能源資源（DERs）。VPP運營商自動為每個分布式能源資源生成設(shè)定點作為每個DER在需求響應(yīng)事件中的調(diào)度策略。在項目運營期間，系統(tǒng)參與了兩次控制事件。在某一需求響應(yīng)事件期間，VPP為DER分配了放電800kW的調(diào)度策略，DER將自動完成這一調(diào)度策略，并將電能量注入電網(wǎng)。隨后，順利獲得智能合約監(jiān)測DER的響應(yīng)結(jié)果并將其同需求響應(yīng)預(yù)期進行對比，若需求響應(yīng)得到滿足，則在需求響應(yīng)事件結(jié)束時由智能合約自動支付需求響應(yīng)的報酬。
2.3 區(qū)塊鏈助力能源資產(chǎn)可信評估和梯次利用
區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用不僅僅限于新能源產(chǎn)業(yè)和電力交易領(lǐng)域，它還在能源資產(chǎn)可信評估和梯次利用方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。順利獲得區(qū)塊鏈，能源資產(chǎn)的全生命周期數(shù)據(jù)可以被長期存儲，并且保持著高度可信性，這將有助于能源資產(chǎn)的價值評估更為準(zhǔn)確和評估成本更為低廉，最終可促進梯次利用模式的開展。
基于區(qū)塊鏈的技術(shù)特性，能源資產(chǎn)，如太陽能電池板、風(fēng)力渦輪機、鋰離子電池等，在其整個生命周期內(nèi)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括出廠檢測、日常運行、維護保養(yǎng)和故障告警等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被記錄在區(qū)塊鏈上，保證了其長期的可信性和完整性。
擁有可信的全生命周期數(shù)據(jù)意味著任何關(guān)聯(lián)方可以隨時利用大數(shù)據(jù)評估模型對能源資產(chǎn)的價值進行評估。這些模型可以基于歷史性能數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、能源產(chǎn)出等多個因素來進行評估。由于區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)是可信的，因此基于科學(xué)評估模型的評估結(jié)果也具備高度的可信性，這對于能源資產(chǎn)的所有權(quán)者、維保人員和潛在買家來說是至關(guān)重要的，因為他們可以依靠這些評估結(jié)果做出相應(yīng)的決策，例如是否購買或出售以及確定維保策略等。
基于可信的評估結(jié)果，可延伸出的一項關(guān)鍵的能源資產(chǎn)管理策略是梯次利用，即將資產(chǎn)在其生命周期內(nèi)多次應(yīng)用于不同使用場景，以最大程度地發(fā)揮其全生命周期的價值和性能。在傳統(tǒng)模式下，許多設(shè)備在達到其最初設(shè)計壽命后被廢棄，這導(dǎo)致了大量的廢棄物和資源浪費?？尚诺臍v史數(shù)據(jù)和低廉的評估成本使得梯次利用模式更加容易推廣，因為投資者和運營商可以準(zhǔn)確評估資產(chǎn)的狀態(tài)和剩余價值，這降低了資產(chǎn)篩選的成本，鼓勵更多的能源資產(chǎn)被重新投入使用，延長了其服務(wù)壽命，不僅有助于提高資產(chǎn)的經(jīng)濟效益，還有助于提升綠色環(huán)保程度，符合可持續(xù)開展的原則。
在全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）物聯(lián)網(wǎng)計劃下，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院聯(lián)合萬向研究院、上海萬向區(qū)塊鏈公司、GSMA，共同發(fā)起了一個概念驗證項目（PoC項目），以評估分布式賬本在物聯(lián)網(wǎng)場景中的應(yīng)用。該PoC具體應(yīng)用的場景是分布式賬本應(yīng)用于新能源電池價值評估。動力電池回收的主要成本是對電池模組性能測試。電池回收企業(yè)需要大量的人力、物力、財力對電池模組的剩余價值進行評估。由于沒有權(quán)威和自動化的系統(tǒng)來記錄電池充電/放電數(shù)據(jù)，電池回收公司對電池健康狀態(tài)的相關(guān)記錄都缺乏信任。分布式賬本技術(shù)被選中來增加相關(guān)記錄的可信性，以利用電池充電/放電的記錄來評估電池的剩余價值，而不需要順利獲得復(fù)雜的電池模組性能測試，從而降低電池回收的成本。
4、未來展望
隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷成熟以及中國電力市場化改革的不斷推進，未來區(qū)塊鏈與能源行業(yè)的結(jié)合將不斷朝著多元化開展，區(qū)塊鏈去中心化與不可篡改的技術(shù)特性也將持續(xù)助力能源行業(yè)挖掘應(yīng)用創(chuàng)新機會和維持可持續(xù)開展動能。
4.1 去中心化的能源交易市場
區(qū)塊鏈技術(shù)有望有助于能源市場向更去中心化方向開展，順利獲得建立分布式的能源交易平臺，提升可再生能源的源網(wǎng)荷儲各參與方直接進行點對點能源交易的便利性，進一步提升可再生能源系統(tǒng)的靈活性，這不僅有助于提高市場競爭性、透明度和降低交易成本，同時也提升可再生能源系統(tǒng)的安全性、靈活性和穩(wěn)定性。
4.2 能源數(shù)據(jù)的安全性
隨著能源數(shù)字化的普及，能源行業(yè)源網(wǎng)荷儲各節(jié)點將產(chǎn)生大量能源數(shù)據(jù)，這些能源數(shù)據(jù)可以用于行業(yè)分析和規(guī)劃指導(dǎo)，進一步促進能源行業(yè)可持續(xù)開展。然而，能源數(shù)據(jù)是一把雙刃劍，其數(shù)據(jù)的安全性和隱私性關(guān)乎國家能源系統(tǒng)安全，當(dāng)前有限維度的能源數(shù)據(jù)也難以授權(quán)商用，因此如何平衡大規(guī)模能源數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值和安全管理需求是無法避免的關(guān)鍵問題。區(qū)塊鏈的不可篡改性和分布式存儲特性同隱私計算的分布式加密計算能力相結(jié)合有助于達成上述目標(biāo)，這對于確保數(shù)據(jù)流向的準(zhǔn)確性、可追溯性和數(shù)據(jù)的安全使用具有明顯價值。
4.3 綠色能源溯源和認(rèn)證
區(qū)塊鏈可以用于跟蹤能源的產(chǎn)生、運輸和使用，引導(dǎo)負(fù)荷方科學(xué)規(guī)劃用能安排，提升可再生能源的消納比例。由于可再生能源，特別是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，具有隨機波動性，引導(dǎo)負(fù)荷方配合電源側(cè)綠色電力并網(wǎng)情況進行電力消納，有助于降低電力系統(tǒng)碳排放水平。區(qū)塊鏈結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)根據(jù)電力潮流數(shù)據(jù)完成分時級碳排放因子計算和追溯，可為綠色能源創(chuàng)建可再生能源證書，實現(xiàn)綠色能源溯源和電力碳排放追溯，賦能源網(wǎng)荷儲碳排放責(zé)任主體認(rèn)證和引導(dǎo)策略制定。
區(qū)塊鏈助力能源行業(yè)開展的方向不止于上述這些，總體而言，區(qū)塊鏈技術(shù)與新能源產(chǎn)業(yè)的結(jié)合將有助于能源行業(yè)向更加智能、可持續(xù)和分布式的方向開展。當(dāng)然，實現(xiàn)這些展望還需要持續(xù)進行技術(shù)、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的升級和完善。
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