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發(fā)展清潔能源產業(yè)，推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，是黨的“十九大”報告對未來能源發(fā)展方向的定位。推動能源生產和消費革命要求建立多元供應體系，不僅指宏觀層面的國內外能源資源供應體系，也包括滿足終端消費多元化需求的、清潔低碳、節(jié)能高效和安全的供應體系。在新一輪工業(yè)革命的條件下，綜合能源系統(tǒng)是滿足多元供應體系的具體實現方式，已經成為世界各國能源轉型爭相發(fā)展的重點。
綜合能源系統(tǒng)能帶來什么
狹義的綜合能源系統(tǒng)指能源系統(tǒng)內部的各種能源之間相互鏈接、耦合，讓能源供給更加高效、柔性、多元、互補、安全。從廣義上看，綜合能源系統(tǒng)是將能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)的信息和數據鏈接起來，實現大系統(tǒng)之間的協同和交互，在實現效益最大化的同時，不斷提高可再生能源的比例。
綜合能源系統(tǒng)既涉及能源傳輸網絡，也涉及接駁多種能源的系統(tǒng)，同時也涉及能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)，如數據與信息網絡的互聯。綜合能源系統(tǒng)可以很好地利用潛在和協同效益，提高能源系統(tǒng)的可靠性，實現不同供能系統(tǒng)間的有機協調、優(yōu)化調度和協同利用。
有機協調，即提高能源供應的安全性、靈活性、可靠性。如2008年初我國南方發(fā)生的低溫雨雪冰凍災害，最初在電力系統(tǒng)中引發(fā)了多米諾骨牌效應，不僅殃及其他供能系統(tǒng)，還引發(fā)了交通、通信、金融等多個部門的故障，暴露出大電網在極端情況下缺乏足夠自愈能力的嚴重風險。相關研究也表明，單純通過加大某一供能系統(tǒng)（如電力系統(tǒng)）的投入來提高其安全性和自愈能力，并不能保證整體系統(tǒng)的安全性。而通過構建綜合能源系統(tǒng)，以實現各供能系統(tǒng)間的有機協調，則是解決上述問題的一種有效途徑。
優(yōu)化調度，提高社會供能系統(tǒng)基礎設施的利用率。供電、供氣、供熱/冷系統(tǒng)的負荷需求存在明顯的峰谷交錯特征，目前各供能系統(tǒng)相對獨立運行，只能按自身峰值負荷進行單獨設計與建設，由此不可避免地產生設備利用率低下的問題。以電力為例，美國的統(tǒng)計數據顯示，其供電設備平均載荷率只有43%，載荷率在95%以上的時段不足5%。設備利用率低下的問題同樣存在于供氣、供熱/冷系統(tǒng)，加大了各供用能系統(tǒng)的運行維護費用，造成了社會資金的巨大浪費。
綜合能源系統(tǒng)可通過各子系統(tǒng)間的有機協調緩解或消除上述問題。如利用供電系統(tǒng)低谷時段過剩電能產生冷/熱能并加以存儲，在電力高峰時段使用；通過供電與供冷/熱系統(tǒng)的有機配合，實現同時提高供電與供冷/熱系統(tǒng)設備利用率的目的。
協同利用，即增加生產、輸配、消費、存儲不同環(huán)節(jié)間的時空耦合機制和互補替代性，一方面實現不同品位能源的梯階利用；另一方面還能彌補可再生能源( 如風能、太陽能等) 能流密度低、分散性強和間歇性明顯等問題，提高其規(guī)模化開發(fā)利用水平。
先行者的路徑
近年來，發(fā)達國家的能源轉型加速進行，在綜合能源系統(tǒng)領域，已經取得很多進展，并呈現出各有特點的頂層設計特征。
歐盟的特征在于明確的目標導向型。歐盟于2014年通過了2030年“40-27-27目標”升級了原來了2020年“20-20-20目標”，即到2030年,實現溫室氣體排放與1990年水平相比至少減少40%，27%的能源消耗來自可再生能源，能源效率比預期提高27%。在這個目標下，歐盟各成員國面臨著前所未有的挑戰(zhàn),正在積極尋求系統(tǒng)層面的解決方案,從而推動了綜合能源系統(tǒng)快速發(fā)展。
英國長期以來一直致力于建立一個安全和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，并表現出了明顯的從上至下的特征。除了國家層面的集成電力/燃氣系統(tǒng),社區(qū)層面的分布式綜合能源系統(tǒng)研究和應用在英國也得到了巨大的支持。例如英國的能源與氣候變化部（DECC）和英國的創(chuàng)新代理機構——“創(chuàng)新英國”(Innovate UK，以前稱為TSB)與企業(yè)合作，資助了大量區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的研究和應用。2015年4月，“創(chuàng)新英國”在伯明翰成立“能源系統(tǒng)彈射器”(Energy Systems Catapult),每年投入3千萬英鎊，用于支持英國的企業(yè)重點研究和開發(fā)綜合能源系統(tǒng)。
與英國相比，德國更側重于能源系統(tǒng)和通信信息系統(tǒng)間的集成，其標志性項目是Ｅ-Energy。這個項目在2008年選擇了6個試點地區(qū)，總投資約1.4億歐元，涉及智能發(fā)電、智能電網、智能消費和智能儲能等方面。該項目旨在推動其他企業(yè)和地區(qū)積極參與建立以新型信息通信技術（ICT）和系統(tǒng)為基礎的高效能源系統(tǒng)，以最先進的調控手段來應對日益增多的分布式電源與各種復雜的用戶終端負荷。通過在智能化區(qū)域用能管理系統(tǒng)、智能家居、儲能設備、售電網絡等多平臺開展試點，Ｅ-Energy項目實施后最大負荷和用電量均有一定減少，更主要是，可再生能源消納能力有了明顯提升。此外，在E-Energy項目實施以后，德國政府還推出了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等項目，進一步提高可再生能源消納能力。
在丹麥，對不同能源系統(tǒng)進行整合的重要目的，是為了消納可再生能源，充分開發(fā)各種能源資源。近幾年，丹麥電力系統(tǒng)中風電占比已經超過40%，熱電聯產、熱泵、電熱、儲熱等供熱技術使用廣泛,使得丹麥的電力、供暖和燃氣系統(tǒng)緊密關聯，且互動性日益增強。
美國非常注重與能源綜合系統(tǒng)相關理論與技術的研發(fā)。美國能源部在2001年即提出了綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）發(fā)展計劃，目標是提高清潔能源供應與利用比重，進一步提高社會供能系統(tǒng)的可靠性和經濟性，而重點是促進對分布式能源（DER）和冷熱電聯供（CCHP）技術進步和推廣應用。2007年12月，美國頒布能源獨立和安全法（EISA），明確要求社會主要供用能環(huán)節(jié)必須開展綜合資源規(guī)劃（integrated resource planning，IRP），并在2007～2012財年追加6.5億美元專項經費支持IRP的研究和實施；2009～2013年，美國將智能電網列入國家戰(zhàn)略，旨在以電網為基礎，構建一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的綜合能源系統(tǒng)，以保證美國在未來引領世界能源領域的技術創(chuàng)新與革命。在需求側管理技術上，包括加州、紐約州在內的許多地區(qū)在新一輪電力改革中，明確把需求側管理、提高電力系統(tǒng)靈活性作為重要方向。特朗普上任以來，盡管采取了偏重傳統(tǒng)化石能源的政策，但在未來綜合能源系統(tǒng)、特別是傳統(tǒng)能源與可再生能源融合發(fā)展方面，美國依然投入了大量的人力、物力開展研究。
日本是亞洲最早開展綜合能源系統(tǒng)研究的國家。2009年9月，日本政府公布了其2020、2030和2050年溫室氣體的減排目標，并認為構建覆蓋全國的綜合能源系統(tǒng)，能夠實現能源結構優(yōu)化和能效提升；而促進可再生能源規(guī)模化開發(fā)，則是實現這一目標的必由之路。在日本政府的大力推動下，日本主要的能源研究機構都開展了此類研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月發(fā)起成立的JSCA（Japan smart community alliance），主要致力于智能社區(qū)技術的研究與示范。智能社區(qū)是在社區(qū)綜合能源系統(tǒng)（包括:電力、燃氣、熱力、可再生等）的基礎上，實現與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的一體化集成。氫能供應網絡是日本對未來能源系統(tǒng)的一項重要探索。東京燃氣公司（Tokyo Gas）則提出了更為超前的綜合能源系統(tǒng)解決方案，在傳統(tǒng)綜合供能（電力、燃氣、熱力）系統(tǒng)的基礎上，將建設覆蓋全社會的氫能供應網絡，同時在能源網絡的終端，不同的能源使用設備、能源轉換和存儲單元共同構成了終端綜合能源系統(tǒng)。
中國：亟需宏觀研究
過去幾年，無論在建設規(guī)模上，還是在投資速度上，我國都在引領全球可再生能源的發(fā)展。隨著一系列政策的出臺，棄風、棄光、棄水現象呈好轉趨勢，但結構上的改進還存在很大空間。我國現有的能源基礎設施，在適應可再生能源融入的需求、用戶側的多元能源需求以及提升綜合能源效率的需求，面臨的挑戰(zhàn)不斷加大，能源系統(tǒng)的變革已經變得非常迫切，傳統(tǒng)以滿足“電與變動需求”匹配為目標的能源基礎設施，已經越來越難以滿足需求。如何使未來能源系統(tǒng)有足夠強大的能力去處理來自供給側的多元能源供給，特別是可再生能源的強波動性，同時滿足用戶多變的能源需求，同時實現效率最大化，是需要加快研究的問題。
從長遠看，我國能源基礎設施向綜合能源服務系統(tǒng)轉型已遠遠不是一個成本問題，而是一個能否適應和推動中國高質量發(fā)展的根本性問題，是一個關乎未來發(fā)展新動力的問題。但同時要充分認識到，它也是一個復雜的、跨界的、系統(tǒng)性的問題，因此，頂層設計與綜合性的宏觀研究，是當下最為迫切的需求。
綜合能源系統(tǒng)能帶來什么
狹義的綜合能源系統(tǒng)指能源系統(tǒng)內部的各種能源之間相互鏈接、耦合，讓能源供給更加高效、柔性、多元、互補、安全。從廣義上看，綜合能源系統(tǒng)是將能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)的信息和數據鏈接起來，實現大系統(tǒng)之間的協同和交互，在實現效益最大化的同時，不斷提高可再生能源的比例。
綜合能源系統(tǒng)既涉及能源傳輸網絡，也涉及接駁多種能源的系統(tǒng)，同時也涉及能源系統(tǒng)本身與其他系統(tǒng)，如數據與信息網絡的互聯。綜合能源系統(tǒng)可以很好地利用潛在和協同效益，提高能源系統(tǒng)的可靠性，實現不同供能系統(tǒng)間的有機協調、優(yōu)化調度和協同利用。
有機協調，即提高能源供應的安全性、靈活性、可靠性。如2008年初我國南方發(fā)生的低溫雨雪冰凍災害，最初在電力系統(tǒng)中引發(fā)了多米諾骨牌效應，不僅殃及其他供能系統(tǒng)，還引發(fā)了交通、通信、金融等多個部門的故障，暴露出大電網在極端情況下缺乏足夠自愈能力的嚴重風險。相關研究也表明，單純通過加大某一供能系統(tǒng)（如電力系統(tǒng)）的投入來提高其安全性和自愈能力，并不能保證整體系統(tǒng)的安全性。而通過構建綜合能源系統(tǒng)，以實現各供能系統(tǒng)間的有機協調，則是解決上述問題的一種有效途徑。
優(yōu)化調度，提高社會供能系統(tǒng)基礎設施的利用率。供電、供氣、供熱/冷系統(tǒng)的負荷需求存在明顯的峰谷交錯特征，目前各供能系統(tǒng)相對獨立運行，只能按自身峰值負荷進行單獨設計與建設，由此不可避免地產生設備利用率低下的問題。以電力為例，美國的統(tǒng)計數據顯示，其供電設備平均載荷率只有43%，載荷率在95%以上的時段不足5%。設備利用率低下的問題同樣存在于供氣、供熱/冷系統(tǒng)，加大了各供用能系統(tǒng)的運行維護費用，造成了社會資金的巨大浪費。
綜合能源系統(tǒng)可通過各子系統(tǒng)間的有機協調緩解或消除上述問題。如利用供電系統(tǒng)低谷時段過剩電能產生冷/熱能并加以存儲，在電力高峰時段使用；通過供電與供冷/熱系統(tǒng)的有機配合，實現同時提高供電與供冷/熱系統(tǒng)設備利用率的目的。
協同利用，即增加生產、輸配、消費、存儲不同環(huán)節(jié)間的時空耦合機制和互補替代性，一方面實現不同品位能源的梯階利用；另一方面還能彌補可再生能源( 如風能、太陽能等) 能流密度低、分散性強和間歇性明顯等問題，提高其規(guī)模化開發(fā)利用水平。
先行者的路徑
近年來，發(fā)達國家的能源轉型加速進行，在綜合能源系統(tǒng)領域，已經取得很多進展，并呈現出各有特點的頂層設計特征。
歐盟的特征在于明確的目標導向型。歐盟于2014年通過了2030年“40-27-27目標”升級了原來了2020年“20-20-20目標”，即到2030年,實現溫室氣體排放與1990年水平相比至少減少40%，27%的能源消耗來自可再生能源，能源效率比預期提高27%。在這個目標下，歐盟各成員國面臨著前所未有的挑戰(zhàn),正在積極尋求系統(tǒng)層面的解決方案,從而推動了綜合能源系統(tǒng)快速發(fā)展。
英國長期以來一直致力于建立一個安全和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，并表現出了明顯的從上至下的特征。除了國家層面的集成電力/燃氣系統(tǒng),社區(qū)層面的分布式綜合能源系統(tǒng)研究和應用在英國也得到了巨大的支持。例如英國的能源與氣候變化部（DECC）和英國的創(chuàng)新代理機構——“創(chuàng)新英國”(Innovate UK，以前稱為TSB)與企業(yè)合作，資助了大量區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的研究和應用。2015年4月，“創(chuàng)新英國”在伯明翰成立“能源系統(tǒng)彈射器”(Energy Systems Catapult),每年投入3千萬英鎊，用于支持英國的企業(yè)重點研究和開發(fā)綜合能源系統(tǒng)。
與英國相比，德國更側重于能源系統(tǒng)和通信信息系統(tǒng)間的集成，其標志性項目是Ｅ-Energy。這個項目在2008年選擇了6個試點地區(qū)，總投資約1.4億歐元，涉及智能發(fā)電、智能電網、智能消費和智能儲能等方面。該項目旨在推動其他企業(yè)和地區(qū)積極參與建立以新型信息通信技術（ICT）和系統(tǒng)為基礎的高效能源系統(tǒng)，以最先進的調控手段來應對日益增多的分布式電源與各種復雜的用戶終端負荷。通過在智能化區(qū)域用能管理系統(tǒng)、智能家居、儲能設備、售電網絡等多平臺開展試點，Ｅ-Energy項目實施后最大負荷和用電量均有一定減少，更主要是，可再生能源消納能力有了明顯提升。此外，在E-Energy項目實施以后，德國政府還推出了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等項目，進一步提高可再生能源消納能力。
在丹麥，對不同能源系統(tǒng)進行整合的重要目的，是為了消納可再生能源，充分開發(fā)各種能源資源。近幾年，丹麥電力系統(tǒng)中風電占比已經超過40%，熱電聯產、熱泵、電熱、儲熱等供熱技術使用廣泛,使得丹麥的電力、供暖和燃氣系統(tǒng)緊密關聯，且互動性日益增強。
美國非常注重與能源綜合系統(tǒng)相關理論與技術的研發(fā)。美國能源部在2001年即提出了綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）發(fā)展計劃，目標是提高清潔能源供應與利用比重，進一步提高社會供能系統(tǒng)的可靠性和經濟性，而重點是促進對分布式能源（DER）和冷熱電聯供（CCHP）技術進步和推廣應用。2007年12月，美國頒布能源獨立和安全法（EISA），明確要求社會主要供用能環(huán)節(jié)必須開展綜合資源規(guī)劃（integrated resource planning，IRP），并在2007～2012財年追加6.5億美元專項經費支持IRP的研究和實施；2009～2013年，美國將智能電網列入國家戰(zhàn)略，旨在以電網為基礎，構建一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的綜合能源系統(tǒng)，以保證美國在未來引領世界能源領域的技術創(chuàng)新與革命。在需求側管理技術上，包括加州、紐約州在內的許多地區(qū)在新一輪電力改革中，明確把需求側管理、提高電力系統(tǒng)靈活性作為重要方向。特朗普上任以來，盡管采取了偏重傳統(tǒng)化石能源的政策，但在未來綜合能源系統(tǒng)、特別是傳統(tǒng)能源與可再生能源融合發(fā)展方面，美國依然投入了大量的人力、物力開展研究。
日本是亞洲最早開展綜合能源系統(tǒng)研究的國家。2009年9月，日本政府公布了其2020、2030和2050年溫室氣體的減排目標，并認為構建覆蓋全國的綜合能源系統(tǒng)，能夠實現能源結構優(yōu)化和能效提升；而促進可再生能源規(guī)模化開發(fā)，則是實現這一目標的必由之路。在日本政府的大力推動下，日本主要的能源研究機構都開展了此類研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月發(fā)起成立的JSCA（Japan smart community alliance），主要致力于智能社區(qū)技術的研究與示范。智能社區(qū)是在社區(qū)綜合能源系統(tǒng)（包括:電力、燃氣、熱力、可再生等）的基礎上，實現與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的一體化集成。氫能供應網絡是日本對未來能源系統(tǒng)的一項重要探索。東京燃氣公司（Tokyo Gas）則提出了更為超前的綜合能源系統(tǒng)解決方案，在傳統(tǒng)綜合供能（電力、燃氣、熱力）系統(tǒng)的基礎上，將建設覆蓋全社會的氫能供應網絡，同時在能源網絡的終端，不同的能源使用設備、能源轉換和存儲單元共同構成了終端綜合能源系統(tǒng)。
中國：亟需宏觀研究
過去幾年，無論在建設規(guī)模上，還是在投資速度上，我國都在引領全球可再生能源的發(fā)展。隨著一系列政策的出臺，棄風、棄光、棄水現象呈好轉趨勢，但結構上的改進還存在很大空間。我國現有的能源基礎設施，在適應可再生能源融入的需求、用戶側的多元能源需求以及提升綜合能源效率的需求，面臨的挑戰(zhàn)不斷加大，能源系統(tǒng)的變革已經變得非常迫切，傳統(tǒng)以滿足“電與變動需求”匹配為目標的能源基礎設施，已經越來越難以滿足需求。如何使未來能源系統(tǒng)有足夠強大的能力去處理來自供給側的多元能源供給，特別是可再生能源的強波動性，同時滿足用戶多變的能源需求，同時實現效率最大化，是需要加快研究的問題。
從長遠看，我國能源基礎設施向綜合能源服務系統(tǒng)轉型已遠遠不是一個成本問題，而是一個能否適應和推動中國高質量發(fā)展的根本性問題，是一個關乎未來發(fā)展新動力的問題。但同時要充分認識到，它也是一個復雜的、跨界的、系統(tǒng)性的問題，因此，頂層設計與綜合性的宏觀研究，是當下最為迫切的需求。
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