利用人工智能加速能源转型(附报告)

2021年8月政府间气候变化专门委员会发布的第六次评估报告以及近年来日益明显的热浪、洪水和野火等气候变化,均引起了政策制定者、企业和投资者的关注。随着第二十六届联合国气候变化缔约方大会(COP26)的临近,预计气候目标的发布速度将进一步加快。低碳经济转型进程亟需加速,能源领域是这一进程的核心挑战,人工智能在促进能源转型中将发挥重要作用。

能源转型需要人工智能

目前,全球能源系统正在转型,人工智能加快能源转型的潜力被不断激发。

能源系统需要利用数字化手段推动快速转型。为实现深度脱碳,需要将能源系统的二氧化碳排放量迅速降至极低水平。能源系统脱碳化转型带来一体化和电气化变革,电力、交通、工业、建筑等行业之间的互动显著增强,且该系统将由相互依赖的能源和电信网络构成。为了加快向广泛、实惠、低碳化能源供应的转变,需要进一步优化能源系统的各个环节,并强化每个环节之间的协调与合作。这需要深入了解并建立更好的机制,来监测和控制电网、建筑、工业设施、运输网络以及其他能源密集型行业之间的整合及相互作用。数字技术可协调不同的系统,并促进能源领域的信息共享,使复杂的过程实现自动化处理。未来,数字技术将发挥越来越重要的作用,在发电、输电、配电、贸易和消费等传统价值链内部和外部开启新的商业和运营模式,提升性能、节约成本。

电力行业脱碳是整个能源系统脱碳的焦点。能源系统转型包括迅速扩大可再生能源的供应以及供暖、工业和交通大规模清洁电气化。随着电动汽车保有量的增加、电池储能成本的下降以及建筑和重工业均趋向净零排放用电,预计从2019年到2050年,电力在全球能源需求中占比将增加60%。电力将被越来越多地用于供暖和制冷、运输,甚至是制备氢气等。随着电力在各领域用途的增加,它将成为全球能源供应的核心支柱,这既为电力行业带来新的发展机遇,在能源脱碳化转型的背景下,也将给现有的发电、输电、贸易和配电系统带来新的挑战。

能源转型需要大量投资。在彭博新能源财经的《2020年新能源展望》中,有一项关于未来能源经济转型的长期预期,即到2050年,56%的发电量将来自太阳能和风能,分别达到7.6太瓦和4.6太瓦。且该假设建立在维持目前政策基础上,这反映出即使不考虑高昂的煤炭价格或净零排放目标,太阳能、风能和储能经济也成为电力行业快速脱碳的重要驱动力。根据彭博新能源财经的估计,在2050年之前,能源系统脱碳转型将需要投入15.1万亿美元用于太阳能、风能发电站建设和14万亿美元用于电网建设。为了在2050年实现全球净零排放的目标,需要在2020至2050年间投资至少92万亿美元用于能源系统基础设施建设。

未来的电力系统将高度去中心化。提高可再生能源发电的比例将使电力系统包含更多来自间歇式发电机供电,而且更加分散。目前,分布式小型光伏电站占全球发电装机容量的4%,中型发电厂的装机容量为944兆瓦,根据彭博新能源财经能源转型的预测,到2050年,分布式小型光伏电站占比将提升至13%,而中型发电厂的装机容量将缩减80%以上,仅158兆瓦。

电力系统管理的复杂性将显著增加。根据脱碳目标及目前发展趋势判断,未来将有大量的实体设备接入电网,尤其是配电网的接入。在配电网中,电流也将变得越来越动态和多向性(见图1),诸如小型分布式设备可能会发电并回售给电网、电动汽车快充等导致需求激增、智能家居等设备可能会在电网运营商不知情的情况接入电网,这些都将对电流的稳定性产生不小的影响。种种动态变化或将挑战电网的稳定性能,甚至引发供电功率不平衡、停电、限电,或者装机容量过剩等问题。如果没有实时数据分析,未来复杂的电力和能源系统将变得更加难以管理。

人工智能可以加速能源转型。人工智能指的是一个更加宽泛的概念,并非一项单一的技术或产品,而是一套能从大量数据库中挖掘有效信息、进行模式识别以及预测潜在结果的算法。行业内已经有一些人工智能的应用案例,但要快速、安全和经济地摆脱对化石燃料的依赖,就要更大规模、更快速地部署人工智能技术。人工智能有望在整个能源产业价值链中得到广泛应用,为企业提供全新的商业模式来增加收入来源,同时有助于企业节支降本(例如通过对现有设备的预测性维护降低设备更换费用),所以人工智能在促进能源转型方面的经济价值难以准确估计。考虑到实现能源转型所需的投资规模,即使人工智能只将投资或能源需求的峰值降低几个百分点,也将为整个行业节省数十亿美元。

利用人工智能加速能源转型(附报告)

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