【能源互联网洞悉】日本能源互联网发展现状及经验启示
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：日本能源互联网发展的侧重点在于区域综合能源系统的建设，从技术革新、推广新能源、改变能源消费结构三个方面着手，提高能源效率，推动能源节约。在日本，既有分布式能源系统大多以单体用户为供能对象，用户负荷单一、波动性强，供需互动难以有效实现。为破解上述困局，近年来日本各大能源商开始尝试突破现有分布式能源系统的供能边界，将同一区域范围内多个相邻的用户纳入统一供能体系，通过构建区域能源互联网实现能源的共享与交易。结合日本政府对氢能产业发展的大力推动，日本将形成以区域能源互联网建设为着力点，以氢能开发利用为驱动力的能源互联网发展新模式。
日本能源互联网发展现状及经验启示
执笔人：吴潇雨、王雪、王轶楠
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
（一）发展基础
能源系统清洁化转型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市场是能源互联网发展的重要基础性因素，以下从此三方面介绍日本的相关发展基础。
1）能源系统转型
日本作为岛屿国家，国土面积狭小，一次能源极度匮乏，工业生产和日常生活的能源大量依靠进口。受福岛核电站事故影响，核能在日本能源结构中的角色迅速弱化，导致其能源自给率最低时仅有6%-7%，严重威胁本国能源安全。然而，日本山丘众多，地震频发，难以建设大规模可再生能源生产基地和长距离能源输配网络，因此区域性综合能源系统成为促进可再生能源利用、提高能源自给率和利用效率的最佳方式。近年来，日本能源转型持续推进和深化，取得了较好的效果。
能源供应结构日趋多元，可再生能源增速较快。如图1所示，截至2018年，化石能源占日本一次能源供应总量87.9%，非水可再生能源供应量同比增长13.4%，占一次能源供应总量的5.6%。图1是2018年日本分燃料发电量结构，受福岛核事件影响，核电占比较2010年大幅下降18.3个百分点，非水可再生能源发电量在此期间大幅增长7.8个百分点，占比达到10.0%，其中光伏增长势头强劲，年平均增速达44.6%。
图1 日本2018年一次能源供应结构
数据来源：BP：Statistical Review of World Energy 2019。
在能源消费方面，日本电气化水平较高，受政策影响，其氢能消费量在未来将会大幅增长。如图2所示，截至2017年，天然气和电能在日本终端能源消费中的占比分别为10.3%和28.4%。虽然目前氢能消费并未有专业机构进行统计，但受日本政府建设“氢能社会”等政策利好和燃料电池汽车保有量的增加，预计未来其消费将会大幅增长，成为构建能源互联网主要能源之一。
图2 日本2017年终端能源消费结构
数据来源：IEA：World Energy Balances 2019。
2）能源信息融合
日本高度重视能源领域信息化建设，不断应用数字化技术提升能源电力网络发展水平。政府在工业数字化领域有较大投资规模，以东京电力公司为代表的能源巨头也投入了大量资金推动企业数字化转型，为能源与信息深度融合创造了良好条件。
能源网络感知能力随着大量智能表计的装设稳步提升。日本于2010年制定了现行《能源基本计划》，其中规定“力争在本世纪20年代的尽早阶段，原则上实现所有用电户都采用智能电表”。截至2017年底，日本智能电表安装数量达到3752万只，同比增长57.6%，覆盖率达到49%。日本2012—2017年智能电表数量变化如图3所示。
图3 日本2012—2017年智能电表数量
数据来源：BNEF：Smart Meter Market Size Interactive Datasets。
2011年，日本开始推广“数字电网（Digital Grid）”计划。该计划是基于互联网的启发，旨在构建一种基于各种电网设备IP来实现信息和能量传递的新型能源网，采用区域自治和骨干管控相结合的方式，实现能源和信息的双向互动。其出发点是为了减少大面积连锁故障和实现高渗透可再生能源消纳，核心是将同步电网分为几个异步的子电网，子电网之间通过数字电网路由器连接，直接调控潮流，使子电网内的波动和故障不会影响大电网。
日本政府计划2020年前在工业数字化领域投入国家研发预算4.4万亿日元（约合360亿美元）。东京电力公司作为日本最大的公用事业公司，在热电厂引入工业物联网技术，增强对发电厂设备实时状态数据采集，并在2018年底完成了对区块链初创公司Electron的早期投资，旨在借助Electron在区块链技术方向的领先优势，共同探索区块链为分布式能源提供点对点交易方案，促进可再生能源利用。
3）能源市场建设
日本政府通过多次立法建立起较为完善的能源交易体系，保障了以天然气、电力为主的能源市场交易，为能源互联网市场发展奠定了基础。
20世纪90年代以来，日本政府通过四次市场化改革，逐步解除对燃气事业市场的准入管制，允许更多新加入者进入燃气产业链各个环节。日本《燃气公用事业法》规定，燃气企业按照成本加成法制定价格，依据用户类型和负荷特点分类定价，确保燃气价格能反映真实使用成本，在价格制定上必须尊重公众的知情权，及时向公众公示具体的价格公式和调价方法。
日本从1995年开始进行电力市场化改革，采用了垂直一体化模式，在发电侧和售电侧引入竞争。在2011年底福岛核事故发生后，日本开始着手新一轮电力市场化改革方案研究。主要目标包括：一是实现电力安全稳定供应；二是最大限度抑制电价增长；三是扩大用户选择权和增加商业机会。2012年，日本开始第五轮电力体制改革，2015年进入改革实施阶段。2016年，日本全面放开电力零售市场，允许所有用户自由选择售电商。
日本电力交易所（Japan Electric Power Exchange，JEPX）是为各电力公司、发电公司及售电公司开展电力余缺调剂提供的交易平台。目前，JEPX有三个交易市场：分别是现货交易市场、期货交易市场和挂牌市场。自售电侧市场全面放开以来，批发电力交易所交易电量大增。从JEPX成员的电力采购情况来看，有20%以上的售电公司对批发市场具有较强的依赖性，其80%的电力需求在交易所购买。
（二）政策支持
日本通过一系列战略规划、财政激励政策、法律法规为可再生能源发展提供了强有力的支持保障，不断推动能源系统清洁、高效转型，保障国家能源安全。早在20世纪70年代，日本就出台了《新能源技术开发计划》。1997年，日本颁布了《新能源法》，通过立法形式推动太阳能、煤炭液化和气化、风力发电、地热能等能源新技术的研发和利用。2016年公布的《能源革新战略》进一步确立了日本新能源战略的三大目标，即确立国民可以信赖的能源安全保障，为经济的可持续发展奠定基础；一体化解决能源问题和环境问题；为解决亚洲和世界能源问题做出积极贡献。同时，政府开始对每位购买燃料电池车的消费者提供补贴，推动氢能的快速普及。表1是日本能源互联网相关政策。
表1 日本能源互联网相关政策
（三）典型实践
日本结合本国国情，主要以区域性电、热、冷、气综合能源系统建设促进可再生能源利用和能量梯级利用，进而提高能源自给率和利用效率，并探索了区域小型能源互联网络的实用性和经济性。
（1）大阪市岩崎智慧能源网络。
大阪市岩崎地区拥有京瓷大阪体育场、永旺百货等大型用能设施，存在冷、热、电等多元化供能需求。因此，该地区早在1996年便建有岩崎能源中心，对区域内13家用户供热供冷供电。能源中心在2013年升级改造并引入热电联产系统，建立了区域“能源主站+分站”的协同互补架构，有效满足用户多元化用能需求，确立了智慧能源网络的基本形态。图4是岩崎智慧能源网络示意图。
图4 岩崎智慧能源网络示意图
岩崎智慧能源网络项目的突出贡献在于创新了“能源子站面向社区，能源主站全域统筹，主站子站间协同互补”的供能方式，在区域层面构建了高效的能源利用体系。整个能源网络由1个主站和3个分站协同实现能源供应，其中主站配有燃气直燃机、余热回收型吸收式制冷机、电制冷机、热水锅炉等。分站1位于ICC大楼内，设置有燃气内燃机和余热回收型吸收式制冷机，其产生的余热除自身使用外，亦可交换至主站。分站2位于地铁站附近，设置有燃气直燃机和燃气锅炉。分站3设置于“hug”博物馆内，设置有余热回收型吸收式制冷机，其热源来自于大楼内热电联产系统产生的余热以及太阳热，剩余部分可以交换至主站。图5为岩崎智慧能源网络配置图。
图5 岩崎智慧能源网络配置图
（2）千住混合功能区能源互联网。
千住混合功能区能源互联网项目是日本产业经济省的示范项目，于2011年开始运行，区域范围内主要有东京燃气公司的千住技术中心和荒川区立养老院构成。图6为千住混合功能区域能源互联网配置示意图。
图6 千住混合功能区域能源互联网配置图
项目包含光伏发电、太阳能集热等多种可再生能源利用设备，通过热网和电网实现能量双向传输，依靠区域能源中心对各种能源进行综合调度和智能管控，以满足终端用户的多种能源需求。能源中心可利用多种热源，通过控制系统为其设置优先顺序，太阳能集热优先、热电联产余热其次。同时，在技术中心和养老院间构建了联络热网，为热力资源的互补协调奠定基础。实测结果表明，通过构建上述能源互联网，区域全年节能13.6%，减排35.8%，节能减排效果卓著。
（四）总结与启示
1）现状总结
总体来看，日本能源互联网发展具有以下特点：
一是发展动因上，日本能源极度匮乏，高度依赖进口，能源安全形势严峻。提升能源效率、推动能源节约、提高能源自给能力是能源转型发展的首要目标。通过建设能源互联网，推动分布式可再生能源的开发利用，以及包括氢能在内的多能高效转化利用。
二是发展方向上，日本受制于国土面积和自然资源禀赋，建设大规模可再生能源开发基地和大范围能源传输网络并不现实，因此在发展方向上侧重于构建区域级能源互联网，实现分布式可再生能源可靠消纳和冷-热-电多能源综合利用，同时看重氢能的转换和存储优势，大力发展氢能，走上了具有日本特色的能源互联网发展之路。
三是实践探索上，集中实践了以热电耦合网络为核心的区域能源互联网的实用性和经济性，重点探索了分布式可再生能源消纳、区域多能源综合利用等能源互联网关键要素，并获得了较好的示范效应。
2）经验启示
一是采取“自下而上”的推进思路，针对能源互联网整体层面的顶层设计、规划较少，更注重突出关键环节、核心理念的实践探索。未出台顶层设计类文件对本国能源互联网发展进行整体规划，而是侧重于能源互联网某一重点领域或关键元素进行实践突破。日本重点发展氢能和区域能源互联网，例如大力推广氢燃料电池汽车促进氢能源的利用、发展大阪市岩崎智慧能源网络项目等。
二是氢能产业成为日本推动能源转型和未来赋能能源互联网建设的主要驱动力。日本政府将氢能定位为与电力和热能并列的核心二次能源，并提出建设“氢能社会”的愿景。氢同电一样是多种能源间转换的桥梁，可以实现天然气网与电力网的耦合，为能源互联网的多能互补创造了有利条件。
三是构建用户侧区域能源互联网将成为日本未来能源互联网建设的重要发力点。日本既有分布式能源系统大多以单体用户为供能对象，用户负荷单一、波动性强，供需互动难以有效实现。为破解上述困局，近年来日本各大能源商开始尝试突破现有分布式能源系统的供能边界，将同一区域范围内多个相邻的分布式能源用户纳入统一供能体系，通过构建区域能源互联系统实现能源的共享与交易。
作者介绍
吴潇雨，国网能源研究院能源互联网研究所中级研究员，电力系统自动化专业博士，工程师。主要从事能源互联网、综合能源系统、综合能源服务等研究，发表相关SCI、EI检索论文10余篇。先后参与国家能源局、国家电网公司委托的重大课题5项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，获国家电网公司软科学成果奖、国网能源院科技进步奖等奖项等。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
王轶楠，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，控制理论与控制工程专业博士，工程师。主要从事能源互联网、智能电网、综合能源服务、商业模式创新等相关研究，发表SCI、EI论文10余篇，申请发明专利6项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，曾获国家电网公司2019年度软科学成果奖一等奖。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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