2016年7月，为加快推进多能互补集成优化示范工程建设，国家发改委和国家能源局发布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》。意见的出台，旨在加快推进多能互补集成优化示范工程建设，提高能源系统效率，增加有效供给，满足合理需求，带动有效投资，促进经济稳定增长。
意见指出，2016年在已有相关项目基础上，推动项目升级改造和系统整合，启动第一批示范工程建设。意见要求，到2020年，各省(区、市)新建产业园区采用终端一体化集成供能系统的比例达到50%左右，既有产业园区实施能源综合梯级利用改造的比例达到30%左右;国家级风光水火储多能互补示范工程弃风率控制在5%以内，弃光率控制在3%以内。
今年1月19日，国家电网召开新闻发布会，提出了20项促进新能源消纳的具体措施，涉及电网建设、调峰能力建设、统一规划研究以及关键技术研究等多个方面，包括2个目标和时间节点：2017-2018年有效缓解弃风弃光矛盾;到2020年根本解决新能源消纳问题，弃风弃光率控制在5%以内，就地解决是重中之重。多能综合利用，尤其是在欧美，实际上是解决新能源消纳和提高能源利用效率的重要方法，也将成为未来能源网络运营公司的利器。
近几年来，随着我国工业园区的建设发展、微网与新能源发电的普及、新投资模式的不断升级，同时注重可靠技术与经济回报的理念加深。伴随着新供需形势下的需求，发展多能互补概念下的终端一体化集成供能系统和风光水火储多能互补系统就成为了不二选择。
国家能源局公布的首批多能互补集成优化示范工程入选项目有23个之多，并且多数为终端一体化集成供能系统。相关规划设计方案已经完成，但由于项目复杂度等多种原因，多数项目还处于未开工的状态，具体效果还有待能源局组织相关评估。
除此之外，在多能互补概念公布之前，就已经存在大型城市综合能源站等相关示范项目，在分布式燃机与能源梯级利用方面取得了一定示范效果。园区内的热电联产项目，实际上也是基于多种能源应用的基础模式，如何实现热电解耦将是电力改革背景下的重点。
欧洲多能互补与多网耦合的概念是在可再生能源高速发展的背景下提出的，由于可再生能源的波动性和异地消纳的困难性，对于既有能源系统的灵活性和可储存性提出了更高的要求。传统电力供应由于其必须连续供电、不可大规模储存，必须时刻平衡等特性，无法提供所需的灵活性。
与此相对的热网和燃气管网则具备天然的储存特性，能够在一定范围内进行调节，储热和储气设备在大多数情况下也比电池储能要便宜。因此多网耦合作为多能互补的一种实现方式被提了出来。欧洲多网耦合中的网是个广义的网络概念，需求侧的各类设备通过互联和集中控制也能形成一个网络，同样在未来具有很大潜力的电动汽车充电网络也是多网耦合的重要组成部分。
图1电热气三网耦合示意图(来源：德国亚琛工业大学De Doncker教授)
无论是大系统还是小系统，未来电力供应中基荷将会逐渐消失，灵活性将具备更大的价值。在传统能源逐渐退出市场的长期过程中，整个系统将会经历较长一段时间的电力过剩，在很多情况下，可再生能源的发电将会大于负荷。
根据德国可再生能源协会的测算，到2020年时，德国全国电力每30分钟的峰谷差将有可能超过装机容量的50%。此外，尽管可再生能源的预测技术已经比较成熟，一些突发状况仍然可能对可再生能源的预测产生很大的影响。波动性逐渐增大的系统自然需要更多的灵活性设备如储热、储气装置、可中断负荷等。
基于多网耦合的多能互补方案的主流技术路径
虚拟电厂下的分布式社区热电联产联供方案
区域内一部分社区配备小型热电联产设备，另一部分社区配备热泵，这些社区与风电和光伏设备联网并通过一个中央控制室集中优化。所有设备共同组合成一个虚拟电厂。在可再生能源过剩的情况下，热泵消耗电力并高效地生产热量供给给社区;在可再生能源供应不足的情况下，小型燃气热电联产设备启动同时生产电力和热量供应给社区。
分布式的设备具有灵活性高，响应快的特点，使得整个系统能够在各种情况下高效运转。基于深度学习技术的预测和调度算法，是整个虚拟电厂系统的核心。丹麦学者已经提出的基于绿色能源发电“第四代区域供热技术”既是这种理念。
多联需求侧响应方案
基于多网耦合的多能互补系统中，需求侧响应是一个重要的灵活性选项。传统的需求侧响应主要调节电负荷，通过对负荷的迁移和调节来降低电网负载并最大化可再生能源的利用。在多能互补系统中，电能只是各类能源中的一部分，且热负荷可能占终端能源消耗的比重比电负荷更大，因此多联需求侧响应比单一需求侧响应更有潜力。
多联需求侧响应能够同时响应终端用户的电、热、冷、气等能源，其中热能的响应成本最低且时间较长，但是响应速度较慢，而电能的响应速度快但是持续的时间较短。在集中式区域供暖的模型中，建筑墙体就是天然的储热和热能响应单元，能够通过灵活的供暖策略储存大量的热能。
电转气综合利用解决方案
电转气(Power to Gas，简称P2G)是目前多网耦合的主流方案和路径之一。将可再生能源富余电力通过电解水转换为氢气和氧气，根据氢气利用路径的不同可以直接利用或者继续甲烷化为天然气。在德国，电转气方案已经在多地试点推广。
西门子公司2015年在德国曼海姆设立的风电制氢工厂已经能够商业应用并每年产生超过200吨的氢气。该工厂应用了最新的质子交换膜(PEM)设备，其快速的响应速度带来了巨大的收益。快速响应使得该方案不仅能够利用富余的风电，还能够搭配储气设备和燃气轮机发电设备提供调频辅助服务。
在近两年的运行中已经证明，这家电制氢工厂的固定成本在年利用小时数超过6000小时的场景下将很快获得回收，关键是运行成本。如果用于电解水的电力来源都是清洁且低廉的风电，项目的效益将会更高。可以假设在多能互补场景中，如果风光发电和电转气方案统筹规划，不仅系统灵活性得到了极大的提升，还能带来额外的经济效益。
电动车智能充电系统
电动车的发展为交通网和能源网的耦合带来了机遇。如果对电动车的充电不加控制，集中充电时段将对电网造成较大的冲击。结合电网负荷监控的动态智能充电系统能够很好的解决这个问题，不仅在峰时平抑了电网负荷，还能够将分散在各个电动车中的电池聚合起来，适时提供调频服务和社区供电服务。
电动汽车和电网的双向互动不仅在技术上已经实现，商业上也具备了很大的价值。据统计，纯电动车和插电式混合动力汽车在95%的时间内是处于停驶的状态，只要在多能互补区域内拥有足够的充电设施，保证电动汽车在停驶时间能够接入电网，车载电池就能够得到充分的利用。
为了实现区域的最优能源供应，可以根据当地的资源禀赋将几条技术路径进行组合。德国为了实现2050年80%的电力由可再生能源电力供应的目标，积极实验多能互补多网耦合方案，目前通过E-Energy项目已经开展了多个试点。这些试点结合了多种多能互补技术路径，如库克斯港项目通过2个虚拟电厂耦合了风光电力、沼气发电、分布式热电联产设备与终端的冷热负荷，并通过分段电价和动态电价实现多网之间的智能互动。
另一个典型的项目为哈慈山区E-Energy试点，其囊括了可再生能源发电设备和电转气储能设备，并通过中央数据中心的优化模型和用户家庭能源管理系统实现区域电网和热网的耦合以及能源供应的最优组合。
金属质感分割线
无论是哪一类技术路径，背后的技术都大致相同，其中核心的组成主要是通信设备和技术、系统优化与经济性评估方案、能源转换设备与接口以及能源网络。我国在相关通信技术和能源设备上已经达到或接近国际标准，但是在系统优化和经济性评估层面还没有统一的工具和方案。如下图所示，系统优化方案的第一步为设备的数字化建模。
图2能源资产数字化建模示意图(来源：BoFiT系统软件)
数字化建模不仅仅是后期数学优化的基石，还通过信息流将多种网络的能源真正的管理起来，可以说是多能互补方案的大脑。在以上的建模案例中，不同颜色的线条代表不同能源形式、物理形式或现金流，热电联产设备、储热设备、电力市场和碳交易市场等作为关键节点为系统的优化提供了足够的灵活性选项。
多能互补可以为园区建设提供灵活性解决方案，内部灵活性可以帮助企业盈利，外部灵活性可以提高国家能源供应安全稳定。大范围的发展多能互补对燃气利用有一定好处，也对大规模消纳新能源背景下的电网调峰调频能力有所补充。同时，可以提高一带一路产业布局中出口产品的系统经济性，使得中国制造更收全世界人民欢迎。
结合我国正在进行的能源体制改革，可以期待，未来发电计划放开、现货市场出现和终端电价调整后的多能互补项目会在比园区更加广泛的区域范围甚至大型城市供能领域发挥更大的作用。从世界各国的多能互补项目发展来看，大多数试点都在区域电网层级展开，因此多能互补经常会和微网混为一谈。
微网是一个相对于大电网和大型集中式电力生产的概念。微网通过调节所连接的微型电力生产、储存设备与负荷，以实现区域电力和热力的最优配置与供应。微网强调区域性和分布式，虽然并不要求微网必须孤岛运行，但是微网内部的能量供需必须基本平衡。
鉴于能源供应的独立性，微网内部可以看作一个小型多能互补区域，通过储能设备和电热网络的耦合实现区域能源的清洁和高效供应。但是多能互补不仅局限于微网层面，将多个小型多能互补微网向上集成成更大范围的能源互联网将是未来的趋势。
多能互补一定会成为未来能源网络运营公司的利器，无论电网、热网、气网等运营商都需要提早掌握相关的商业模式、运营技巧与技术手段，抓住历史发展机遇!
【无所不能特约作者，范征，毕业于德国亚琛工业大学，现回国创业，从事新能源并网、电网规划和电力软件研发等工作。曾就职于德国电力经济与能源研究所、Photon光伏测试实验室等】
