面向碳中和的智慧能源系統(tǒng)解決方案

TsinghuaUnivcrsirycsgEED平7第15期零碳能源系統(tǒng)面向碳中和的智慧能源系統(tǒng)wangxiaonan@2023年5月4日帶領(lǐng)智慧系統(tǒng)工程當(dāng)前研究方向能源、材料和先進(jìn)制造系統(tǒng)的高度復(fù)雜性和不確定性亟待解決，多尺度系統(tǒng)集成的人工智能和優(yōu)化控制方法可實現(xiàn)效率、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境最優(yōu)未來智能研發(fā)·未來智能研發(fā)·集成物理信息系統(tǒng)的工業(yè)4.0·智能技術(shù)在化工新材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究·實時大數(shù)據(jù)，自動控制，動態(tài)優(yōu)化·先進(jìn)化工材料開發(fā)與生產(chǎn)…智慧能源·清潔、低碳、經(jīng)濟(jì)的綜合能源系統(tǒng)·多能互補(bǔ)的綜合新能源系統(tǒng)設(shè)計和運行策略·能效提高，實時優(yōu)化，決策支持·綠色能源、儲能系統(tǒng)、氫能經(jīng)濟(jì)…賦能國家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)·雙碳目標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)路徑·能源-水-食物-化工-廢棄物-氣候變化·非線性，強(qiáng)耦合，參數(shù)時變的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化·區(qū)域大數(shù)據(jù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、韌性城市…W四嚴(yán)m(xù)ml智慧系統(tǒng)工程雙碳目標(biāo)人工冒能應(yīng)用實踐匈AR■新材料、新過程零技吸零技吸術(shù)眼術(shù)負(fù)技低碳34002000升溫已達(dá)1℃采取減排措施后的排放曲線采取負(fù)排放技術(shù)后的排放曲線2100中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中——2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國大會實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是順應(yīng)綠色發(fā)展時代潮流、必由推動經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的之路4化學(xué)材料新技術(shù)對碳中和至關(guān)重要建筑建筑生命健康制造生命健康制造信息航空信息低碳技術(shù)低碳技術(shù)零碳技術(shù)負(fù)碳技術(shù)負(fù)碳技術(shù)化學(xué)材料開發(fā)賦能碳中和全鏈條低碳燃料綠色低碳化學(xué)品低碳燃料光伏材料電池材料光伏材料碳捕集材料CO2轉(zhuǎn)化催化劑碳捕集材料突破能源效率突破能源效率5能源系統(tǒng)的低碳智能化轉(zhuǎn)型能源行業(yè)是最大的溫室氣體排放源，約占全球排放量的73%(主要歸因于能源需求的持續(xù)增長和對化石燃料的高度依賴)Inthefirsthalfofthe21stcentury,weareexperiencinganotherenergytransystemtoalow-carbon,renewable,andsustainableenergysystemOurWorldGlobalgreenhousegasemissionsbyOurWorldThissshownfortheyear2016globalreenhouexnsemlsslonswere49.4bllkmtommesCO,eqeeAgriculure,RcsicEnmCurweinDtaerearcatnkngrotwpoalxgaitvslsillc.dLBLyUiHriuiFttMainsourceWoodStraw,andOil&Gasenergyemissiontechnologies-thefiratatopBlythcreatesthefirst6綜合能源系統(tǒng)對實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要性Feb全AprMayJunAugSopOct大力部署新能源需要儲能來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定全、可持續(xù)的供能Losudruclea'peue)WiuCFEROOT22清潔、低碳、經(jīng)濟(jì)的綜合能源系統(tǒng)清潔、低碳、經(jīng)濟(jì)的綜合能源系統(tǒng)是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵SyolomcouplingbatloryBatterystoragosyslombatlaryGrldinlograuonEnergyEnergy⑥22-24%可再生能源美國2030年前uynRenewableSource:http//pcf.wriorg/renevable_energy_chartpdfhttps://energymitedu/research/luture-0f-energy-storage/智慧能源和科研新范式區(qū)塊鏈+10TAI+大數(shù)據(jù)期望聯(lián)網(wǎng)家庭期望技術(shù)成熟度曲線微型數(shù)據(jù)中心技術(shù)成熟度曲線手勢控制設(shè)備<物聯(lián)網(wǎng)平臺商用無人機(jī)情感計算智能數(shù)據(jù)挖掘虛擬個人助于會話式用戶界面立體顯示技術(shù)個人分析數(shù)據(jù)經(jīng)紀(jì)人 (dbrPaaS)情境代理→腦機(jī)界面智能工位人體增強(qiáng)量子計算神經(jīng)形態(tài)硬件4D打印▲→智能微塵技術(shù)萌芽期期望膨脹期到達(dá)生產(chǎn)成熟期需要的年限：O不到2年O2-5年軟件定義安全軟件定義世界(SDx)虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)現(xiàn)實泡沫破裂低谷期●泡沫破裂低谷期●5-10年▲超過10年購探開發(fā)三流合一腔腔融資數(shù)字化融資數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字化[截至2017年7月生產(chǎn)成熟期消費者藍(lán)物流物流數(shù)字化數(shù)字化LmeB隨著新一代大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，人類文明開始邁隨著新一代大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，人類文明開始邁向智能化時代。通過先進(jìn)的信息技術(shù)，基礎(chǔ)科學(xué)、工業(yè)、制造、能源等系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)得以有效利用，挖掘隱藏規(guī)律，加速研發(fā)從而提升經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。AnytechniquethatprogramsmimicthewayapersonactsBintinlicnltoanniquatholenablaslearningwithoulepliciuybeingprogrammedwe0atoaturesindotaT0951/6CVZDatsanranBaunenModel-b?dBComputauonalDolencaArtlclalIntalloonoo18tPuradigmOiminatanulraudaEmpricalDclencoThiooroUcalCaloulauonHummiuigaDuculenlmnlanT0065/602VT0055/5WPFNox-gonorabonExperunontFudaalctesExperunontAulomllon9hitpllinurdtodoaploarningcoml智能技術(shù)助力減碳賦能碳中和邊際減排成本77GtmatesnpornCYBERPHYSICALINDUSTRIALAEALM信息物理融合的生產(chǎn)制造系統(tǒng)通過使用數(shù)字技術(shù)，可采集、計算海量數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等平臺，實現(xiàn)成本和碳排放降人工智能和數(shù)字技術(shù)助力化工和能源系統(tǒng)低碳可持續(xù)發(fā)展tGswunnDteuerHmmergwi多能互補(bǔ)的綜合新能源系統(tǒng)助力雙碳目標(biāo)綜合新能源系統(tǒng)：解決可持續(xù)能源發(fā)展和氣候變化問題的核心能源架構(gòu)：多能互補(bǔ)+需求側(cè)響應(yīng)+能源互聯(lián)計算策略：復(fù)雜建模+數(shù)據(jù)驅(qū)動+多級優(yōu)化電電光伏，光熱熱存儲燃料電池風(fēng)能氯氣存儲氣氯堿葉片[1]XiaonanWang,AhmetPalazoglu,andNaelH.El-Farra".ApplledEnergy143(2015):32多能互補(bǔ)的綜合新能源系統(tǒng)助力雙碳目標(biāo)儲能系統(tǒng)技術(shù)選型決策支持工具：氫能系統(tǒng)技術(shù)多尺度分析優(yōu)化：>以經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)>從可再生能源獲取清潔氫能，結(jié)合碳捕集技術(shù)，決策算法，為特定應(yīng)用選擇最佳儲能技術(shù)a·建立了儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫a儲能應(yīng)用儲能應(yīng)用去·開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的儲能系統(tǒng)模型·提供了綜合能源系統(tǒng)中儲能技術(shù)的選型方法實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境最優(yōu)?！?yōu)化了清潔H2和CO2轉(zhuǎn)化為醇類的系統(tǒng)·對氫能技術(shù)進(jìn)行了詳盡的全生命周期分析·改進(jìn)了新能源分布式開發(fā)，就地消納的模式曉物用戶能藍(lán)芒理用配電支持大班模能量退大規(guī)模能量管理輸配電支出A:AAPHSTCCAESAVRBZnBrSAESHTCEBlueBallary終端用戶能量管理AAoAiAAAATCETCTC和高被引論文產(chǎn)出碳捕提及回收碳捕提及回收PlubmChunianlMothanol可hmtknCoumS看綠色醉類生產(chǎn)[1]LanyuLi,PeiLiu,ZhengLiandXiaonanWang*Computers&ChemicalEngineering115(2018):213-225.[2]ScarlettChen,AnikeshKumar,WeeChinWong.Min-SenChiu,andXiaonanWang"AppiedEnergy233(2019):321-337[3]RuiZhuang,XiaonanWang*,MiaoGuo,YingnuZhao,NaelH.E-Fara,andAhmetPalazoglu.AppliedEnergy259(2020):114184.12[4]LanyuLi,TianxunZhou,JialiLiandXiaonanWang*ChemicalEngineeringResearchandDesign,181(2022),412-422.數(shù)據(jù)驅(qū)動的儲能系統(tǒng)設(shè)計儲能系統(tǒng)技術(shù)選型決策支持工具：DOEmrromgerutinrHHceljrup·儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫·基于機(jī)器學(xué)習(xí)量化技術(shù)-應(yīng)用匹配度·以經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的多目標(biāo)優(yōu)化，為特定應(yīng)用選擇最佳儲能技術(shù)·提供綜合能源系統(tǒng)中儲能技術(shù)的選型方法RalodponuDischargedurationEevalionofsiteElovationdterence(le.Min,andnISelectonolechndlogyforapplcation(0cr1)DmcrngnpraneraK-neareatneighborsIKNNEMemblingBoosbnModetseeclcnTestngTestngLogisteregreslonMul-lyerperceptron一Giadlentboosmg→oamngdrsucavururc)FinaFinaeaualionandpredictcnWnurPnhill,TPHyper-paramelerHyper-paramelertuningwth5-foldcro5sveldationLifecycleAssessment(LCA)技術(shù)匹配度0.7Probabilityofsuitabilityfrommachinelearning0A1A2A3A4A5A6A7ABA9—A10—A11L,L,Liu,P,Li,Z.,&Wang,X.(2016).Computers&Chernica/Engineering,115,213-225Li,L,Zhou,T,Li,J,&Wang,x.(2022).Amachineleaming-baseddecisionsuppforenergystorageselection.ChemicalEngineeringResearchandDesign,181,412-422區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究>將區(qū)塊鏈技術(shù)拓展并應(yīng)用于系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電力交易信息發(fā)EE區(qū)面板基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易平臺面板信息信息交互中心4kWorkingsingles(Group2)2HWstudents(GroupFamilies(Group1)1,-IsCollegeAppianos(shittablo&nan-shiftablo)Slarapecompanenls納富用P1呀以電戶通江區(qū)繞得小匡咖供電萬主付電小規(guī)模試點網(wǎng)絡(luò)Li,Yinan,WentaoYang,PingHe,ChangChen,andXiaonanWang*.AppliedEnergy248(2019):390-405.14多能互補(bǔ)系統(tǒng)的智能調(diào)控面向工業(yè)新能源系統(tǒng)的實時監(jiān)控、預(yù)測與優(yōu)化(結(jié)合最新太陽能、儲能技術(shù)，已部署在新加坡高科技園區(qū))<IntradayForecastslunHl55eea提升經(jīng)濟(jì)性、緩解能源短缺能源管理平臺脈用戶1小規(guī)程9電方用P2智顏城市小模保電方應(yīng)齊怕歷化力假種儲垢術(shù)u,Y,Yang.W,He,PChen,.c.&Wang,x.(2019).DesignandmanaoemertofadistibutedhybidenergysystemthoughsmatcomtatandbokchanApledEnegy.248,39040515[2|Park,M,Wangz,U,L,&Wang.x(2030實現(xiàn)CO2排放達(dá)峰，2060實現(xiàn)碳中和(氣候中和)通過縮減或補(bǔ)償溫室氣體(包括二氧化碳、甲烷等)的排放，消除氣候壓力。挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存：能源技術(shù)鋼鐵能源技術(shù)鋼鐵生物質(zhì)綠氫完全轉(zhuǎn)向"綠色能源"碳中和碳中和(CCS)墻改海洋海洋施吧增強(qiáng)風(fēng)化—ODP-TerltorialSource:/china-greenhouse-gas-emissions/16低碳發(fā)展-綜合能源化工建設(shè)耦合的能源、化工、碳市場，實現(xiàn)國家層面碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)建設(shè)耦合的能源、化工、碳市場，實現(xiàn)國家層面碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)Haber-BoschprocesState·of-the-artAirseparationStato-of-the-art電力空氣分離N?電解水可再生能源電網(wǎng)傳輸waterlectrolyui化石燃料cCSStato·of-the-artcO2LurgimethanolprocessRocentcommercializadCO?燃燒廢氣“藍(lán)色“化工廠碳捕獲與儲存使用化石燃料的化工廠化石然料技術(shù)：煤炭、煤炭-CCS、天然氣、天然氣-CCS、水力、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)和生物質(zhì)+碳捕集封存化工行業(yè)：甲醇和合成氨為代表技術(shù)：煤、焦?fàn)t煤氣、天然氣和直接從CO2或N2與水電解產(chǎn)生的H2合成Li.Yinan,SongLan,MortenRyberg.JavierPérez-Ramirez,andXiaonanWang*./Science24.no.6(2021):102513低碳發(fā)展-綜合能源化工中國可再生資源供需的地域性不平衡：約80%的水力資源、90%的風(fēng)力資源和80%的太陽能資源分別分布在西南、北部和西北部地區(qū)。而電力消費主要集中在東部地區(qū)。通過將可再生能源轉(zhuǎn)換為綠色化學(xué)品，可再生能源可以同時通過電網(wǎng)傳輸和化學(xué)品為載體運輸優(yōu)化變量煤電+碳捕獲優(yōu)化變量煤電+碳捕獲氣電+碳捕獲生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電+碳捕獲焦?fàn)t氣制甲醇、氫 最優(yōu)解 最優(yōu)解照能源-水-食物-廢棄物-氣候變化的耦合復(fù)雜體系能源-水-食物-廢棄物-氣候變化：復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)了開源優(yōu)化計算平臺resilience.io,用于大型城市和區(qū)域系統(tǒng)的水利、能源和其他資源綜合系統(tǒng)的模擬規(guī)劃、決策支持，向政府和規(guī)resilience.resilience.io發(fā)展規(guī)劃決策支持能源互聯(lián)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)人口、經(jīng)濟(jì)、社會行為能源資源轉(zhuǎn)化技術(shù)智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施technology52,5(2018):3257-321.能源系統(tǒng)的研究怎樣同時考慮其它緊密聯(lián)系的資源系統(tǒng)，如水資源，廢棄物處理再利用，食物資源等?2.如何從全系統(tǒng)全生命周期的角度實現(xiàn)可持續(xù)低碳發(fā)展?3.可否實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和社會的多目標(biāo)優(yōu)化?需求曲線：基于大數(shù)據(jù)和智能體模型預(yù)期水廢水廢棄物KKCharalamposTriantafyllidis,RembrandtH.E.M.Koppelaar,and能源-水-食物-廢棄物-氣候變化的耦合復(fù)雜體系GanorationTranmissionandntioaadproduc66Solvdieseidal[13]0僉RosidentialCommercialIndustrlalPowerTransporuDesalinationPowertogas/*太陽能*重生物能源和生物炭產(chǎn)品重用于土壤改良的生物炭溫室氣體排放降低用于土壤改良的生物炭溫室氣體排放降低多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化1名A名[1]LanyuLi,XlaonanWang"CurrentOpinionin[2]LanyuLi,ZhiyiYao,SimingYou,Chi-HwaWang,CliveChong,andXiaonanWang"ApplledEnergy243(2019):233-249.22產(chǎn)業(yè)和社會價值實踐落地：與全球多個研究中心和政府機(jī)構(gòu)合作，將城市韌性模型運用于中、英、新、澳和非洲部分區(qū)域，促進(jìn)智能城市的發(fā)展Dungg澳洲農(nóng)業(yè)能源廢棄物管理DunggPortSlnphens42%NencaseB7%WEWEReooverodLakoMacuoiohsom◎①hsom◎①2twANbccuormwt1◎wa①cETaUrywwno◎TuparamcfhaolaTmtmotshonihCarahaolslandASshdissmniinlinASshdissmniinlin·PuenfullufianleAra2206mWastWastwithoutCAPEXLowCarbonMediumCarbon[1]Wang,Xiaonan*,KoenDam,CharalamposTriantafyllidis,[2]BowenRembrandtHEMKoppelaar,and&ChemicalWang*.BMCChemicalEnEngineering124(2019):162-171.1(2020):1-19.AchalDovdlopmarlInveslorDovolopmentCapoolyanintollgentlaboratorywithAchalDovdlopmarlInveslorDovolopmentCapooly6o數(shù)據(jù)、模型、理論、軟件分子、裝備、過程、平臺離通量反應(yīng)系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)………心…心…………特正提取人工智能和科學(xué)融合的重大機(jī)遇4"paradigm:31paradipmdrivensclence31paradipm2paradigm研究范式躍遷：從“人工實驗”到“人工智能”umalatiomEmpiricelscience2paradigm研究范式躍遷：從“人工實驗”到“人工智能”umalatiomEmpiricelscience——科學(xué)Ees——科學(xué)Ees傳統(tǒng)模式新范式160019502000實驗歸納模型推演仿真模擬傳統(tǒng)模式新范式160019502000實驗歸納模型推演仿真模擬數(shù)據(jù)驅(qū)動研發(fā)周期長成本高體系復(fù)雜依賴專家經(jīng)驗AlphaFold2T61/AlphaFold2T61/83VZT四6/SWIF“人工知識”試錯歸納+長周期精準(zhǔn)預(yù)測+短周期精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計“卡脖子”困境和實現(xiàn)彎道超車的重大機(jī)遇人工智能加速新材料研發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動和高通量實驗結(jié)合的材料基因組研究人工智能和高通量的材料合成實驗相結(jié)合，充分利用復(fù)雜的時間空間尺度的數(shù)主動在線學(xué)習(xí)閉環(huán)優(yōu)化提升未來智能實驗室::εε(elc.)DaducnTruDaducnTruDmfcatan深學(xué)習(xí)深學(xué)習(xí)PCAAoRagouonDsaaicnTroRagouon1.GHE微rwm)微rwm)JaliL.,KaizhuoLimAlAl+儲能：從微觀到宏觀各個尺度中的應(yīng)用凱材料開發(fā)優(yōu)化設(shè)計電池鹽理系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)第一性原理校準(zhǔn)實驗試錯物理模型神經(jīng)網(wǎng)格充放電情況健康情況√有效利用數(shù)據(jù)、自動化和智能化的技術(shù)預(yù)測、模擬和設(shè)計復(fù)雜儲能材料和系統(tǒng)設(shè)計、發(fā)現(xiàn)、屬性預(yù)測和管理提供閉環(huán)框架微觀隔膜微觀L8m負(fù)極正極m儲能技術(shù)電電儲能應(yīng)用A用P27智慧儲能+多能互補(bǔ)智慧儲能+多能互補(bǔ)：一體化智慧能源管理平臺·打通數(shù)據(jù)底座，利用知識圖譜搭建多尺度智慧能源管理平臺型，實現(xiàn)區(qū)域和行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)儲能系統(tǒng)智能設(shè)計多能互補(bǔ)綜合能源優(yōu)化調(diào)度