剖析可再生能源普及时代的智能电网
【日中环保生态网】作为本专栏的第10篇文章，这一次，笔者要谈的是维持电力系统供求平衡不可缺少的“智能电网（新一代供电网）”。
智能电网是什么？最近，只要是让能源系统和电力系统更加聪明的技术，好像都叫“智能电网”。智能电网必不可少的，是被称作“智能电表”的新一代电表。智能电表将担负的使命，是测定用电量，实现连结电力公司与用户的信息通信。这是智能电网一直以来的印象。
这一次，让我们来思考智能电网原本的使命是什么。用一句话来说，就是“让需方协助电力供求调整”。
电力系统要求需求与供给一直保持平衡，一旦平衡打破，电力的频率就会发生变化。如果变化大幅偏离标准值（50Hz和60Hz），电力系统就无法稳定运行。在过去，电力的供求调整一直是需方“随意”使用，供方一味配合。需方无需为供求调整做出特别的行动。
但正如笔者在第二和第四篇文章中说的那样，今后，发电输出功率波动较大的太阳能发电（PV）和风力发电等可再生能源的利用估计将会增加。这样一来，供应能力的变化将随之加大。如果可再生能源发电的份额继续增加，火力发电、水力和抽水蓄能发电等过去参与供求调整的发电份额减少，供求调整能力将会下降。
出于供应能力变化增加和供求调整力下降两个原因，稳定供求平衡也将变得愈发困难。
作为一种供求调整的方法，蓄电池在未来也有望得到采用。但其前提条件是“蓄电池在成本上可行”。截至目前，蓄电池仍然价格高昂，不能马上大量采用。在这种情况下，可以设想的一种方式是需求的能动化。
需求能动化是指消费者自行调整用电时段。电力公司向需方传递“希望在什么时间用电”的信息。作为回应，需方向电力公司反馈“在这段时间节电”等信息。而且，信息的交换还需要传达到实际用电的电器。智能电网承担的信息传达作用将越来越重要。这就是智能电网重视信息通信技术（ICT）的原因。如果能够实现，就有助于通过需求调整供求。
不过，为何在现在，这些信息无法传递呢？这是因为，调整需求的关键信息——“是可以增加用电量，还是要控制用电量”——很难悉数传达到家庭。但在东京电力公司辖区，信息发送的对象已经达到约2000万户。
最近，通过手机发送地震预警逐渐普及。在电力方面，能够实时传递信息的技术应该说也有了眉目。
如果可以实现，最实惠的调整方法莫过于此。在大规模采用可再生能源，难以像以往那样由供方进行供求调整的情况下，只要借助需求的能动化，仍然有望实现远比供方单打独斗更为合算的调整。此时，如果不大幅破坏能源本来的使用目的——舒适性和经济性，甚至能使其同时得到提升，普及将得到加速，从而实现稳定用电。智能电网有望担此重任。通过采用转移需求等方式承担部分供求调整的任务，可以减少蓄电池等昂贵措施的采用量，推迟采用期，从而抑制社会成本。
利用能源管理装置自动控制用电方式
那么，智能电网是怎样调整需求的呢？这里所说的调整是以保障电力系统整体的供求平衡为目的。现在，保障供求平衡的信息是汇总到“集中能源管理系统（集中EMS）”，由电力公司的中央供电指挥所调整供求。
通过需求的能动化进行供求调整有两种方法，分别是基于集中EMS信息的“直接控制”和“间接控制”。
直接控制是由集中能源管理系统（EMS）直接控制需方用电设备的开关和运转量的方法。夏天，当供应量无法满足需求时，可以切断冷气开关，从中央远程控制温度设定。海外已经有了直接控制的实例。另外，东日本大地震刚刚过去时，为避免大规模停电实施的“计划停电”也称得上是一个极端的例子。当时，计划停电不仅严重影响工厂生产和饭店经营，明显阻碍了经济活动，交通机构和医疗现场也是一片混乱。直接控制原本在感情上就很难令人接受，大范围普及希望渺茫。
间接控制是广泛传播电费涨跌、需求抑制等信息，由需方按照信息自行调整用电量的方式。为此，海外采用了“高峰负荷定价”，为超过设备供应能力的需求高峰设定了极高的价格。但就现状而言，虽然通知了“电费高的时段”，但实际是否用电全凭需方。这种方法的可靠性低，恐怕难以长久。
因此，在今后，有望普及的方法将是为需方设置自主控制用电方式的“能源管理装置”。
比方说，在接收到次日各个时段的电价信息后，能源管理装置会自行结合家电的使用方式等因素，选择最佳配置。在电费低的时段，利用热泵热水器烧温水，为电动汽车（EV）充电。相反的，在电费高的时段，提高冷气的设定温度。
各个家庭的用电方式千差万别，不尽相同。使用者的喜好和需求多种多样。为此，能源管理装置最好配备可以一键式切换“节约重视模式”、按照需要大量用电的“奢华模式”，以及“处于二者之间的模式”的功能。选择节约重视模式时，部分电源将自动切断，以避免过度用电，但选择奢华模式时，就可以不受限制。
如果设置配备这种功能的能源管理装置和与之联动的家电，顺应集中EMS的信号，需求的形式恐怕会发生改变。假设一户调整（节电）0.5kW，那么，东电辖区内的2000万户就可以调整1000万kW。如果控制1000万辆EV的充电（G2V=Grid
to Vehicle），平均1辆为1kW，就可以控制1000万kW的需求。如果再利用放电（V2G＝Vehicle to
Grid），控制的自由度还会更高。
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●图1：集中EMS与分散EMS的作用
将来，如果能源管理装置和EV得到普及，直接控制将有望发挥效果。EV只需要在使用前充电即可，即使中断充电，只要不使用，也不会造成太大的问题。
设想一下日照量突然减少，发电站发生事故，供应能力短缺的状态。即使供方的调整能力瞬间出现不足，只要中断大量EV的充电，就可以立即调整供求。几分钟后，等到待命的水力发电站等电源起动，发电量增加后，再恢复充电。只要中断充电的时间短，就不会给使用者带来不便。
从热水器来看，热水器烧水的时间长，紧急时也可以通过直接控制暂时停止。但起动和停止存在能量损失，很难像EV那样进行自由控制。供求调整需要按照控制的对象设备，灵活组合直接控制和间接控制，借此调节需求。
当蓄电池的价格下跌，寿命、损失、易用性等方面满足一定条件后，需求能动化的前途还将更加宽广。
要想实现流畅的信息交换，有一点必不可少。那就是跨越配电线状态监控设备、测量器、家电、电表等产品领域，用于交换信息的标准。
美国的聪明之处是在法律中明文规定，由制定标准的部门负责推广智能电网。美国国家标准技术研究院于2010年1月发布了智能电网的标准框架“
NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability
Standards Release
1.0”。今后，美国的智能电网相关产品和装置必须遵循该框架给出的标准。
在NIST描绘的智能电网标准化发展蓝图中，指明了优先开展标准化的领域和行动计划。从这里来看，包括收集、积累和利用蓄电、电力使用情况数据的系统（AMI＝Advanced
Metering Infrastructure和MDMS＝Meter Data Management
System）在内，美国正在直接致力于改变需求形态的技术及其辅助技术。由此可见，除了传统的削峰之外，美国还希望采用可再生能源调整供求变化，借此改变需求的形态。
企业参与的理由
容易忽略的一点是，在上述范围内，对使用者而言，智能电网不会使电力的基本价值上涨。智能电网起到的，只是借助停电后的普及更方便地用电，或者是增加可再生能源的采用量，发展绿色电力等“调节作用”，并不能开创新的能源。因此，即使建成智能电网，电费也不会额外涨价。既然如此，为什么会有那么多企业参与智能电网呢？
在智能电网中，各种信息将双向交换。AMI测定的用电量数据将发送到电力公司后，作为“电费请求”。而且，通过利用MDMS，智能电网还可以通过掌握停电区域，尽早恢复供电，根据电流量判断杆上变压器的更换时间，在海外，甚至还有监控窃电位置的用途，对于电力公司来说，利用价值十分丰富。
收集到的数据的用途并非只是如此。如果能够掌握每分钟的用电量，而且用电模式固定，就可以实时推测住户是外出、就寝还是因生病和事故卧病在床，把这些信息运用到独居老年人的看护服务等方面。而且，哪怕只是在日后掌握每个小时的使用量，也可以了解家电的保有和使用状态。谷歌等企业蜂拥参与智能电网，正是为了创造附加值，根据用电量数据构筑新的服务。
但在利用这些数据时，有一点需要注意。在过去，显示普通居民如何生活的数据几近于零。但随着智能电网的普及，电、瓦斯、自来水在何时用了多少都将能够记录在案。
这些数据中当然包含个人信息。打开照明开关的时刻是到家时刻。向浴缸中放热水的时刻之后是洗澡时间。这些信息的使用一旦偏离本来目的，造成的影响非常严重，必须恰当管理。能够确保这一点的机制必不可少。
安全是智能电网的课题之一。从防止个人信息泄露到反恐对策，作为安心利用信息的基础设施，AMI和MDMS具备相应的功能。要想满足“保障正当利用，杜绝不正当利用和泄露”的条件，除了高级的信息技术之外，就连数据的结构、蓄积的形态等也必须进行充分的探讨和应对。
智能电网原本的使命
智能电网虽然备受期待，但就现状而言还不会普及。凭借新服务参与智能电网的企业希望利用信息网络开展新业务。但从绝大多数的例子来看，倘若不是他人构建网络，自己搭便车，业务就无法建立起来。电力公司也希望回避过大的投资负担。即使最终的便利可以预期，如果没有主体首先支付智能电网的驱动器（组成要素）——能源管理装置、信息通信基础设施的成本，一切就无从谈起。
要想实现智能电网理想的世界，首先需要完成能源管理装置本来的目的。如果能够实现住宅中能源管理装置原本的使命——“缔造舒适空间”、“经济性与节能性、环保性的兼顾”，供求调整估计就能“附带”成立。举例来说，配备能源管理装置的住宅能否使消费者接受舒适、经济而且环保的附加值，实现令广大人群为之兴奋的世界呢？如果能，那就要予以宣扬。
积水化学工业推出了在PV配备住宅中标配能源管理装置的智能住宅。这种智能住宅并不只是显示家庭的能源消费通知住户，还可以组合能源管理装置和云服务，积累、分析用电方式信息，向各个家庭推荐适用的节能经验。今后，结合新装置的各种系统估计也将在市场上出现。
在目前，恐怕只有对舒适居住环境要求较高的人群和环保意识较高的人群会采用配备能源管理装置的智能住宅。随着技术成熟，能够与高品质、低价格的能源管理装置联动的家电投放市场，这种智能住宅还将向普通家庭广泛普及。为此，智能住宅中可以加入电力以及水和瓦斯的可视化、防盗和防灾、看护等与安心安全、便利相关的价值。为舒适生活逐一提供便利将是普及的关键所在。
测定电力用途、用量最简便的方法是通过配电盘测定。过去那种安装在插头上的类型不够美观。最近，能够测量空调、地暖、照明等各条电路电流的配电盘已经上市。通过各条电路的电流模式推测用电详情的研究也在开展之中。在未来，新建住宅有望为全部分支电路标配能够测量用电量的新一代配电盘，通过与能源管理装置联动，推定、预测用电量，灵活利用能源并实现更舒适环境。
社区分享能源
所谓的“智能社区”是指利用智能电网技术，结合能源灵活利用技术的低碳模范城市。例如，为作为对象的地区标配可再生能源，铺设智能电网。由交通机构设置有轨电车（路面电车），在可达范围内建立生活圈，凝聚城镇的功能。综合管理住宅、办公室、交通、工业等领域的能源利用，达到优化配置。借此，社区可以与外界协调能源，优化能源供应的稳定性、经济性和环保性，并且分担安全的强化。为了实现这种社区，包括独立行政法人日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的事业在内，全球正在开展形形色色的验证试验。
按照理想情况，如果流通不受制约，区域越大，能够建成的能源系统就越经济、越可靠。但在现实中，技术、制度、安全等方面恐怕会受到制约。不只是输配电线，管线和供电网等流通系统、各种初级能源本身也存在风险要素。从能源系统来看，包括初级能源的多样性在内，二级能源介质也要跳出电力的范畴，通过追求热、燃料以及其他的可能性，应该可以提高稳定性、经济性和环保性。
在寒冷地区，热的价值较高，建成了大范围网络。冷水、温水和蒸气经管线输送，热在社区内部相互融通的意义重大。由于热无法像电那样瞬间输送，而且铺设管线成本高昂，因此，与广大地区相比，更适合在有一定需求密度的社区使用。在日本，新宿等地的地区冷暖气中心属于此类。
岛屿能够运输的能源有限，因此对石油的依赖度较高，一直以来都面临着能源成本高的课题。但在岛屿上，也有很多地方日照量、风况良好，可再生能源丰沛，为了解决课题，岛屿正在加大对PV和风力等能源的采用。在宫古岛、美国夏威夷州、丹麦博恩霍尔姆岛、爱琴海诸岛，各种先驱性行动正在开展。例如，夏威夷毛伊岛（Maui）的需求高峰为20万kW，夜间的最低需求为9万kW。这里建设了5万kW的风力发电场，正在大量采用住宅用PV。
对于本专栏之前谈过的课题，需要配合基于能源管理装置的需求能动化、使用EV等智能电网技术进行解决。
我们需要认识到，智能电网并不是未来的梦想，而是一场以开辟城市未来和新市场为宗旨的全球性技术开发和产品开发竞争。（特约撰稿人：荻本和彦）【日中环保生态网】
■日文原文
第10回
再生可能エネルギー大量導入時代のスマートグリッド
■关键词
生态城/智能城市 新能源/可再生能源 > 环境战略/绿色经营
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(2011-06-16 10:37:41) 