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實踐出真知：意大利智能電網

在位于薩沃納的熱那亞大學校園里，西門子與來自這所高校的研究人員聯合建造了一個電網，它整合了常規發電設施、可再生能源發電設施以及蓄電設備。該項目旨在研發面向城市的微電網概念。項目的合作雙方大獲成功。西門子和意大利的Enel電力公司將在2015年米蘭世界博覽會上，展出這個已幫助熱那亞大學大幅降低電費的智能電網。

高聳入云的金屬拋物面反射器，看上去像是巨大的碟形衛星天線。然而，它的作用并非接收世界各地電視臺發送的信號，而是捕集環保太陽能。在其焦點，循環液體被加熱，從而采集太陽能。除不排放二氧化碳的熱能之外，這種集中式太陽能系統（CSP）還能以可持續發展的方式發電。譬如，在日照充足的西班牙和加利福尼亞州等地區，輸出功率高達數千千瓦的大型CSP設施已經投入運行。

然而，在城市中心，也可以部署小規模CSP設施，如在位于意大利北部，距離熱那亞約45公里的小城薩沃納。這里安裝的三套拋物面反射器可以生產3千瓦電能、9千瓦熱能。它們是一個獨特項目的一部分，該項目建造的意大利首個微電網已于2014年初投入運行，而現在它還將為適用于整個城市和區域的類似解決方案提供參考。未來，這種智能配電網絡將整合不同的常規發電設施、可再生能源發電設施，以及蓄電設備、可控用電設備，從而形成一個既環保又可靠的供電系統。自給自足型微電網能在靠近最終用戶的地方發電，它們是發展未來分布式電力系統不可或缺的環節。

這個微電網可滿足熱那亞大學大約一半的用電需求（每年100萬度） 

西門子正在全球范圍內與諸如熱那亞大學等研究伙伴合作，共同開發適用于這種將在今后幾年為社區、城市和企業供電的微電網的新型解決方案。熱那亞大學與意大利研究部聯合開展的智能多聯產微電網（SPM）計劃，出資240萬歐元扶持該項目，西門子受托建造了整個系統。

過去，熱那亞大學校園從公共電網獲得電能，并運行著一套配備了兩臺鍋爐的大型天然氣采暖設備。而自從該微電網投運之后，此網則可滿足熱那亞大學大約一半的用電需求——每年100萬度。在這個系統中，除這三套CSP拋物面反射鏡外，還部署了一個最大輸出功率為80千瓦的光伏電站，以及三臺能生產250千瓦電能、300千瓦熱能的微型燃氣輪機。此外，這個系統還包含：用于加熱和制冷的吸收式制冷機、兩座電動汽車充電站、兩套蓄熱設備，以及蓄電容量為100度的鈉鎳電池，因而，譬如，在風力不大、陽光也不明媚，并且天然氣價格碰巧相對較高的時候，它能夠為校園供應三小時電能。

西門子提供的DEMS系統，能對所有電能流動情況進行實時監控

此SPM系統還只是為薩沃納的熱那亞大學校園供電。SPM計劃主管Federico Delfino教授表示，“其實，我們的校園和一個完整的城市社區十分類似，因為它包括教學樓、辦公樓、餐廳和修理廠。我們的校園占地6萬平方米，共有10棟建筑物，在校生大約1,700人。”

此SPM系統的核心是SICAM微電網管理器，它連接至西門子的智能電力管理系統（分布式電力管理系統，DEMS）和SICAM PAS SCADA系統。DEMS使用智能電表來實時監測所有電能流動情況，確保所有發電設備和裝置優化運行。此外，它可以借助歷史數據和當前信息，生成耗電預測，譬如，針對即將在實驗室里開展的耗電量巨大的實驗，做出預測。它還可根據天氣預報預測可再生能源發電設施的發電量。這些預測的準確率高達80%，因此，這個系統可以提前規劃燃氣輪機的運行。當供電量足夠多時，DEMS將對SPM系統中的蓄電設備進行充電，以便進一步降低能耗、節省成本。Delfino解釋道，“控制和管理要求特別嚴格，因為我們必須同時優化電氣和供熱系統。在這方面，我們的SPM系統在國際上亦屬首創。”

SCADA系統監測、顯示、控制整套設施

該項目最大的挑戰之一，是確保集中采集并保存系統組件傳出的所有數據。盡管IEC 61850-7-420標準規定了適用于智能電網組件的通信協議，但低壓設備制造商更愿意使用簡單一些的標準，這意味著有關設備、傳感器和執行器最初并不具備“共同語言”。另一個問題，是所有這些組件都是為專有監控程序而設計的，難以輕松支持集中式SCADA程序。SCADA是“Supervisory Control and Data Acquisition（監控和數據采集）”的首字母縮寫，它由計算機系統構成，可以監測、直觀顯示并控制整套設施。薩沃納選用的是基于西門子SIMATIC WinCC平臺的SICAM PAS系統。該系統可監測、控制所有組件，并直觀顯示它們的狀態和工況。Delfino解釋道，“為了解決通信問題，我們開發了能將各設備的不同協議，轉換為IEC 61850-7-420標準的電路，然后，我們在整個校園里均安裝了這種電路。這樣一來，這些設備之間的相互‘理解’，就再也沒有任何困難。”

熱那亞大學每年的電費從30萬歐元降至20萬歐元

該電網已投運近一年時間，研究人員對此十分滿意。熱那亞大學無疑獲益匪淺。Delfino說：“我們已可滿足自身一半左右的用電需求。此外，SPM的設計允許我們在未來進一步集成更多可再生能源發電設施，這將助力我們做到用電完全自給自足。這樣的自給自足很重要，特別是在尚未接通公共電網或電網不穩定的地區。我們的電費也從每年30萬歐元，降至20萬歐元，二氧化碳排放量則從每年820噸，減少至700噸。”Delfino認為，所有這些成就，證明了微電網的可行性、有效性。現在，重要的是要開展更大規模的新項目。為此，他已經聯系了其他意大利城市。他也定期接待來自世界各地——包括中國、沙特阿拉伯和韓國——的參觀者。

在西門子，Bernd Koch負責微電網業務拓展，他也認為，再也沒有任何障礙阻止這種智能電網的商業化應用。Koch說：“在薩沃納，我們使用的全部是當前市場上買得到的組件，用于操作系統的算法也非常可靠。總體而言，SPM符合我們的期望，有時甚至明顯超出期望。”為了盡快將這項新技術推向市場，西門子還參與了其他參考項目，譬如，在溫哥華的不列顛哥倫比亞理工學院和英國的紐卡斯爾大學開展的項目。在加拿大項目中，所建電網僅由太陽能電池板和蓄電裝置組成，如電池和電動汽車，未使用礦物燃料。紐卡斯爾大學項目則側重于配電網的測量數據采集和電網控制，因為這是對優化電網運行的新算法進行驗證的基礎

未來智能電網亮相米蘭世界博覽會

在將于今年5月1日至10月31日舉辦的2015年米蘭世界博覽會上，公眾可以親眼目睹未來的智能電網。意大利Enel電力公司將采用西門子技術，在世博會場館內搭建一個智能電網，它將覆蓋所有展廳、輸電網絡和電動汽車充電站。智能電表將實時提供能耗數據，SCADA系統將控制并直觀顯示整個電網，西門子DESIGO樓宇管理系統將優化所有展廳的能耗。參觀者將能看到，某一時刻，世博會使用的是哪種電能資源，以及對用電設備進行智能控制，是怎樣提高總體系統效率的。此外，還將設置一個“智慧城市控制中心”，以展示未來將如何優化管理整座城市的電力分配。

西門子和來自熱那亞大學的研究人員已經為此奠定了基礎，正如Delfino所解釋的那樣，“現在已經可以相對輕松地在小城市和較大城區，部署我們的智能電網。”

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滿足日本用電需求的新概念

或許有一天，聯合循環發電廠會離開日本海岸，漂到大海上。西門子與挪威的Sevan Marine公司正在研發這種不受地震和海嘯影響的電廠解決方案。

2011年3月，日本東部發生地震，海嘯吞噬了沿海地區的大片土地。這場災難導致福島核電站堆芯熔毀，迫使日本關閉核反應堆。在此之前，核電滿足日本近三分之一的用電需求。現在，為了減少石油和天然氣進口量，日本政府意欲逐步恢復48座核反應堆的運行。然而，面對日本民眾高漲的反對之聲，核反應堆重新啟動的明確日程依然“猶抱琵琶半遮面”。日本也需要借助更多替代解決方案，在下一次地震來襲時，維持安全的電力供應。因此，日本需要另辟蹊徑，實現安全、環保的電力供應。

浮式電廠

為此，2014年秋季，專為石油和天然氣行業開發海上平臺的挪威Sevan Marine公司提出了一個非同尋常的建議。攜手西門子，Sevan Marine公司提出了建造能夠停泊在海上的浮式電廠的概念。譬如，這樣一座電廠可以使用液化天然氣（LNG）發電，向陸地輸送70萬千瓦電能。這個建議獲得了日本國土交通省的好評，因為在這個群山綿延的島國，適于建造能在地震和海嘯中安然無恙的礦物燃料電廠的地方不多。此外，許多人都不愿讓發電站建在自家附近。

Fredrik Major是Sevan Marine公司的業務發展負責人，他說：“我們最初想到建造浮式電廠是在2006年。那時候，我們正在探索能夠通過將沒有商業價值的所謂‘閑置天然氣’，用作集成了二氧化碳捕集和回注系統的浮式電廠的燃料，來幫助挪威減少二氧化碳的排放。這種浮式電廠，旨在為海上的石油和天然氣設施供應清潔電能，以及向陸上電網輸送電能，以取代不具備二氧化碳捕集和封存能力的燃氣電廠。”閑置天然氣是海上石油和天然氣鉆井平臺生產作業的副產品。從那時起，西門子一直在參與這個項目，設在奧斯陸的西門子石油和天然氣業務部的首席工程師Vemund Kaarstad補充道。

Major指出，“在遼闊的大海上，海嘯和地震不會造成毀滅性的破壞。事實上，水深只需要達到50米以上即可。浮式電廠必須距離陸地多遠，取決于沿海海床的陡峭程度，以及其與航道和居住區之間的最小安全距離。”

Sevan Marine公司將為浮式電廠提供由直徑達106米的圓柱形船體構成的基座。龐大的船體將通過鏈條，被錨定到海床上的三個點。上部結構由多層甲板組成，高出水線約50米。電廠將包含一套聯合循環發電裝置，這是一種同時配備了燃氣輪機和蒸汽輪機的發電裝置。它還將具備可以容納約20名工作人員的宿舍，以及用于將電能輸送至陸地的高壓輸電系統。這項技術與海上風電場所用技術完全相同，不過，由于浮式電廠要儲存大量易燃氣體，它還將采取額外的安全措施。取決于電廠所在地點，既可以由油輪為其供給LNG，也可以通過陸上管道，向其輸送天然氣。電廠的7個LNG儲罐可以儲存近20萬立方米燃料，這足夠它以70萬千瓦的發電功率運行30天時間。這座電廠還將配備一套再氣化裝置，用于將LNG轉換回氣態，以供燃燒。平臺和液化天然氣儲罐可由日本造船廠制造。

能效高達近55%

另一方面，西門子將提供兩套35萬千瓦的發電裝置。每套發電裝置都將配備5臺SGT 800燃氣輪機。這是一款經實踐檢驗的燃氣輪機型號，譬如，它也被用于大型工業設施。每臺燃氣輪機都將連接一臺余熱鍋爐，后者可利用燃氣輪機排放的尾氣來生產蒸汽，以供蒸汽輪機及其配套發電機用于生產更多電能。這樣一來，這套發電裝置的總能效將達到近55%。發電量還可以通過關閉和開啟個別燃氣輪機，按7萬千瓦的步長進行調節。在瑞典Finsp?ng，西門子的Johan Hansson和他的同事們正在為這個日本項目開發電廠解決方案，他表示，“我們的解決方案使用的所有技術都是已在實踐中證明了其價值的現有技術。” 西門子還將負責通過海底高壓輸電線路，將電廠連接至日本電網。

這個概念的關鍵要素之一，是平臺的圓柱形設計。這種圓形漂浮物在波濤中移動的方式，不同于狹長的船身。這種圓形漂浮物不是繞縱軸橫搖，繞橫軸縱搖，而是隨波起伏。Hansson解釋道，“相比于快速旋轉的渦輪機的臨界值，它的橫搖和縱搖幅度小得多。正因如此，我們才能使用成熟的發電裝置組件。”多年來，在北海和巴西海岸用作海上鉆井和開采平臺的圓形結構物，已經證明它們適于海上應用。 其圓形外形，也是使用能輸送大量電能的海底高壓輸電線路的前提條件。圓形船身能夠系泊在固定方向上，而狹長的船身則不得不隨波旋轉，才能讓船頭昂起，故要求通過旋轉系統來輸送電能。當前市場上的旋轉式輸電技術，只能達到1-2萬千瓦左右。

只是，這樣的解決方案是否經濟劃算？Kaarstad說：“距離海岸越近，輸電費用越低。然而，電廠選址還必須考慮到諸如漁場和主要航道等其他因素。”無論如何，日本都要進口液化天然氣，在海上供應這種燃料，比在陸地上更為容易。海上電廠的另一個優點，是它不需要任何冷卻塔，因為周圍的海水能將之冷卻。當地震對陸地電廠造成損壞時，海上電廠還能作為重要的備用系統。

如果未來日本要大規模利用海上風電，這個系統也允許實現另一個創意。Kaarstad說：“浮式燃氣電廠可以與海上風電場相組合。”這是因為，海上風電場要求為輸電系統提供中央平臺。如果同時在這個平臺上安裝了LNG發電裝置，那么，它就可以彌補風力發電量的波動。這樣一來，風電場就可以持續供應電能，同時更好地利用其輸電線路，因為每當風力不足時，都將使用天然氣來發電。在日本安裝這樣的海上風電設施頗具挑戰，因為日本海岸的下降很陡，不能采用類似于北海淺水區的方式，將風電機組固定到海床上。然而現在，在一個名為“Fukushima Forward（福島向前沖）”的計劃中，日本正在福島海岸附近，建造配有浮式風電機組的示范風電場。不論這個項目最后怎樣發展，來自Sevan Marine公司和西門子的團隊都準備在日本海岸附近安裝其自有創新系統。Major表示，“只要日本方面同意，并且找到合適的建造地點，我們就能在4年之內將這樣一座電廠投入運行。”

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