能源数字化转型白皮书(2021)-国网能源研究院(搜搜报告)(1).pdf
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1、 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 版权声明版权声明 本报告版权属于国网能源研究院有限公司,并受法律保护。 转载、 摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的,应注明“来源:国网能源研究院有限公司”。违反上述声明者,本公司将追究其相关法律责任。 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o I 前 言 PREFACE 当今世界处于百年未有之大变局,以数字化、网络化、智能化为特征的新一代信息技术日益创新突破,推动全社会进入数字
2、化时代。2020 年我国数字经济规模近 5.4 万亿美元,居全球第二位,同比增长 9.6%,数字经济正在以迅雷不及掩耳之势渗透到包括能源领域在内的经济社会各个方面。 党的十九届五中全会提出,要推进能源革命,加快数字化发展,构建智慧能源系统。电力系统“双高”“双峰”特征凸显,面对加速推进能源清洁转型的强烈信号,以及新能源大规模高比例并网、分布式电源和微电网接入等多重挑战,亟待运用数字思维,破解安全、经济和绿色发展“不可能三角” 难题, 有效支撑水火风光互补互济、 源网荷储协同互动,加快推动以新能源为主体的新型电力系统转型升级。 能源数字化转型坚持以新发展理念为引领,以能源技术和数字技术融合应用为
3、核心推动力,以数据作为关键生产要素,以现代能源网络和信息网络为主要载体,不断提高能源行业全要素生产率,推动构建现代能源体系。能源数字化转型将为传统能源行业的产业升级、业态创新、服务拓展及生更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o II 态构建注入新动能,在推动质量变革、效率变革、动力变革中持续发力,提升能源高质量发展水平。 图 1 能源数字化转型白皮书基本框架 能源数字化转型白皮书(简称“白皮书”)旨在以能源数字化为主脉络,从新型基础设施、新型数字技术、新型产品服务、新型市场培育的“四新”视角,探究数字化对能源
4、行业的本质性影响,其中,“四新”之间存在紧密的内在逻辑,新型数字技术是基础源动力,不仅为新兴基础设施建设提供技术支撑,同时在转化之后也会形成产品服务、新型市场,新型基础设施是开展产品服务创新和市场培育的重要基础条件,产品服务创新也进一步丰富市场类型。能源基础保障的属性决定了能源数字化具有强外部性,在赋能产业经济和区域经济方面发挥得天独厚的作用,因此,本报告重点分析了能源数字化在这两方面的实践现状及未来趋势。能源数更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o III 字化的实践主体主要在能源企业,最后,我们将视角落在
5、国内外企业的创新实践。能源数字化还处在创新发展初期,我们的研究探索也将持续推进,希望通过本报告及后续系列研究能够为业界开展能源数字化相关工作提供参考。 限于作者水平,虽然对书稿进行了反复研究推敲,但难免仍会存在疏漏与不足之处,恳请读者谅解并批评指正! 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 目 录 目 录 CONTENTS 一、新型基础设施一、新型基础设施 . 1 (一)“数字新基建”为能源数字化转型提供强大动力 . 2 (二)“东数西算”推进构建新型电力算力格局 . 4 (三)“电力算力融合”发挥数字化引擎
6、作用 . 7 二、新型数字技术二、新型数字技术 . 12 (一)区块链技术重构能源多元主体关系 . 13 (二)电力+北斗技术打造多元融合高弹性电网 . 18 (三)数字孪生技术拟真新型电力系统构建 . 22 三、新型产品服务三、新型产品服务 . 24 (一)新型能源数字平台催生能源网络平台效益 . 25 (二)新型能源数字产品激发能源数据价值释放 . 27 (三)新型能源数字工具支撑能源权市场交易核算 . 31 四、新型市场培育四、新型市场培育 . 34 (一)电力市场+碳市场+能源数据市场融合发展 . 35 (二)隔墙售电市场中的“产销者”用户有序培育 . 38 (三)多主体激励是能源金融
7、服务创新的突破口 . 40 五、赋能产业经济五、赋能产业经济 . 45 (一)能源大数据赋能现代产业体系建设 . 46 (二)能源企业做好区域空间布局、产业协同、新兴市场三大布局 . 52 (三)数字监测支撑分布式可再生能源产业发展 . 54 六、赋能区域经济六、赋能区域经济 . 58 (一)能源数字化破解城市“3060”问题之策 . 59 (二)能源数字化激发区域就业消纳新业态 . 63 (三)能源大数据成为区域协调发展的新动能 . 66 七、企业创新实践七、企业创新实践 . 70 (一)国家电网:以数字化支撑新型电力系统构建 . 71 (二)中国石化:数字化战略贯穿生产全流程 . 74 (
8、三)南方电网:推行“数字南网”战略 . 77 (四)中国华能:四步走实现数字化转型 . 79 (五)法国电力:做多元电力结构下数字化解决方案先行者 . 81 (六)英国石油:全新数字化战略转型 . 84 致致 谢谢 . 87 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 1 一、 新型基础设施 一、 新型基础设施 对信息与能量的利用水平是衡量文明发展进程的价值尺度,未来的能源与数字化的深度融合成为推动经济社会高质量发展的重要基础。 本年度白皮书将关注重点聚焦在三个方面,数字新基建、东数西算战略、电力算力融合。特别是
9、电力算力融合的趋势,将会持续为能源电力的物理形态、价值形态注入新内涵,在数字新基建与东数西算战略的指引下, 传统电力与算力的布局与资源配置方式将逐步改变。 智能时代的首要任务, 就是要加强信息基础设施建设, 弥合不同产业、地区间的数字鸿沟。 张磊价值 元宇宙是未来人类的数字化生存,算力提升和能源可持续既是核心约束也是投资机遇。 中信证券 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 2 (一)“数字新基建”为能源数字化转型提供强大动力 (一)“数字新基建”为能源数字化转型提供强大动力 “数字新基建”是随着数字经济的
10、发展及应用而逐渐形成的新型基础设施建设需求,是以新发展理念为引领,以数据作为关键生产要素,以信息网络为主要载体的信息通信技术及数字技术发展应用新趋势。“数字新基建”将推动信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施的建设,成为能源数字化转型的强大动力。 “数字新基建”将推动能源数字化转型三大变革:“数字新基建”将推动能源数字化转型三大变革:一是能源发展的质量变革能源发展的质量变革,实现供应模式从规模速度型向质量效率型转变,智能化数字技术能有效推动能源生产和供应模式多元化,提高能源系统中清洁能源比例。二是能源发展的效益变革能源发展的效益变革,实现发展模式从粗放式向集约式转变。能源基础设施和数字基础设
11、施的深度融合,带来“能源”和“数据”两大要素的融合,通过数据要素的充分流通和使用,推动能源系统中其他各生产要素的高效流通,进而带动能源系统全要素生产率的提高。三是能源发展的动力变革能源发展的动力变革,实现发展理念从投资拉动向创新驱动转变。工业互联网与能源系统的融合使传统能源系统运行与管理模式向高度智能化、精确化和标准化转变,促进能源系统各环节的互联互动,带动上下游产业链的共商共建。 具体而言,“数字新基建”为能源数字化转型提供强大动力,体现在如下三个方面: 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 3 一是 “
12、数字新基建” 将促进传统能源基础设施智能融合、转型升级。一是 “数字新基建” 将促进传统能源基础设施智能融合、转型升级。传统能源基础设施通过提供可靠能源供给支撑中国工业化和城市化发展,是工业经济下的产物;能源数字化转型则在数字经济赋能下推动传统能源基础设施向信息化、数字化、 网络化、 智能化、 绿色化发展。 作为 “数字新基建”的重要组成部分,5G、工业互联网、数据中心、人工智能等信息基础设施与能源基础设施深度融合,支撑传统能源基础设施转型升级, 推进能源生产和消费方式更加智能化。 同时,能源互联网在工业互联网新生态中的重要价值也将充分体现,推动能源向高质量发展。 二是“数字新基建”将为能源数
13、字化转型提供新一代智能化信息基础设施。二是“数字新基建”将为能源数字化转型提供新一代智能化信息基础设施。能源数字化转型价值创造的本质在于能源这种传统生产要素与数据这种新型生产要素实现融合,通过数据的自由流动推动能源系统整体的资源配置效率优化。5G 技术、大数据、云计算等为能源数据信息传输、存储、计算、处理提供了一体化的载体,在能源数字化转型中发挥着“神经”和“大脑”的作用,数据成为能源发展的新型生产要素,能源和数据两个重要生产要素进行关联交汇带来能源生产力和生产关系的重塑,推动能源向高阶段发展。 三是“数字新基建”为能源数字化转型提供具有“乘数效应”的创新基础设施。 三是“数字新基建”为能源数
14、字化转型提供具有“乘数效应”的创新基础设施。“数字新基建”不仅体现在信息基础设施、 融合基础设施上, 也包括支撑科学研究、 技术开发、更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 4 产品研制的具有公益属性的创新基础设施。创新基础设施的具体内容、产业生态、发展模式等尚未完全定型,但公益属性是其鲜明特点。能源行业作为保障经济社会和生产生活的基础保障型、公用事业型行业,是国民经济的命脉,肩负着引领科技创新的重任。 “数字新基建”助力能源数字化转型,一方面,应当通过搭建产学研用贯通的能源产业创新生态系统,促进从核心技术到
15、应用场景的前瞻研究,以及从技术开发到商业模式创新的布局规划。另一方面,需要结合混合所有制改革,加大不同市场主体,尤其是前沿科技企业对能源领域基础研究和应用基础研究的投入力度。 (二)“东数西算”推进构建新型电力算力格局 (二)“东数西算”推进构建新型电力算力格局 近年来,我国数据中心在机架规模、市场规模、用电规模等方面均保持高速增长。近年来,我国数据中心在机架规模、市场规模、用电规模等方面均保持高速增长。在机架规模方面,截至 2020 年底,我国在用数据中心机架总规模达到 400 万架,大型及超大型数据中心占比 75%以上。在市场规模方面,我国数据中心市场规模从 2014 年的 372 亿元快
16、速增长至 2020 年的 1958亿元,近 5 年年均增速超过 30%。在用电规模方面,过去十年间, 我国数据中心整体用电量年均增速超过 10%。 2020 年,我国数据中心的用电量约 1500 亿千瓦时,占全社会用电量的 2% 。 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 5 图 2 2012-2020 年我国数据中心市场规模及增长率 但数据中心分布 “东热西冷” 。但数据中心分布 “东热西冷” 。 目前, 我国 31 个省 (区、市)均有各类数据中心部署,但主要集中在北京、上海、广州等东部一线城市及其周边地
17、区,中、西部地区分布较少。截至 2019 年底,北京、上海、广州及周边等东部数据中心机架数量占比分别为 26.5%、 25.3%、 13.5%, 合计 65.3%, 中部、西部及东北地区占比分别为 12.2%、18.7%和 3.8%。 在建设布局方面,数据中心将向中西部转移和东部功能提升并举。在建设布局方面,数据中心将向中西部转移和东部功能提升并举。新建大型、超大型数据中心逐渐向中西部地区和东部一线城市周边转移;东部城市城区范围内主要建设规模适中、网络时延要求极高的边缘数据中心;东部地区单纯的数据存储中心、容灾备份中心将逐步关停或升级成为具备计算和应用功能的新型数据中心。在业务需求方面,通过一
18、体化算力调度实现各类数据中心物尽其用。在业务需求方面,通过一体化算力调度实现各类数据中心物尽其用。对于网络游戏、金更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 6 融结算等面向高频次业务调用、对网络时延要求极高的业务,积极导向城市级高性能、边缘数据中心。对于需后台加工、离线分析、存储备份等对网络时延要求不高的业务,积极导向贵州、 内蒙古、 甘肃、 宁夏等中西部地区可再生能源丰富、气候适宜地区的数据中心。 表 1 我国各地区建设数据中心的优劣势分析 地域地域 主要优势主要优势 相对劣势相对劣势 北京、上海、广州等东部
19、一线城市 1、靠近互联网、金融等终端用户需求,日常管理、应急保障便捷 2、网络的可靠性和稳定性较强,网络延迟低 3、运维人员充足 1、土地、水、电等资源供应紧张,用地、用水、用电的批复难、扩容难 2、电价水平高 3、用地成本高 4、能效管控严格,能耗指标严重不足 5、政策监管严格,一般禁止新建或扩建数据中心 东部一线城市周边 1、资源供应充足 2、用地成本相对低廉 3、网络的可靠性和稳定性较强,网络延迟低 4、靠近互联网、金融等终端用户需求,日常管理和应急保障便捷 1、电价水平比中西部地区高 2、用地成本比中西部地区高 3、网络的可靠性和稳定性比一线城市差,网络延迟比一线城市高 中西部地区 1
20、、能源供应充足(含可再生能源) 2、气候条件适宜 3、电价水平较低 4、用地成本低廉 5、能耗指标充足 1、远离宽带网络骨干节点,网络的可靠性和稳定性较差,网络延迟较高 2、远离互联网、金融等终端用户需求,日常的管理、应急保障困难 3、运维人员缺乏 契合双碳目标的落实,未来“东数西算”的战略价值将在中长期得到充分显现。通过“东数西算”,一方面,一方面,实现部分电力负荷的空间转移,有利于缓解西部、北部清洁能源消纳问题。 未来, 数据中心将通过配套建设可再生能源电站、直接与可再生能源发电企业开展电力交易、大用户直供、拉专线等方式不断加大对可再生能源电力的消费。另一方面,另一方面,更多细分领域报告请
21、关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 7 数据中心在线负载具备空间转移灵活性,离线负载具备时间转移灵活性,两类负载都具备需求侧响应潜力。在线负载需满足用户实时的服务请求,但在数据中心计算资源分配不均或其他一些紧急情况时,可通过改变调度指令,在极短时间内实现在线负载异地处理,具备空间维度上转移能力。离线负载优先级较低,在任务截止时间前完成即可,负载处理推迟时间短则几秒、 长则几个小时, 具备时间维度上转移能力。 (三)“电力算力融合”发挥数字化引擎作用 (三)“电力算力融合”发挥数字化引擎作用 电力在终端能源的占比已经超过 8
22、0%,未来能源的形态是电力与算力融合的形态,电网也将由输送电力向输出电力的同时,充分考虑算力发展需求。首先,电力服务算力,从目前来看数据中心的耗电量尚不超过全社会用电量 2%, 未来即使需求量增长加倍,但总体上供电压力不大;其次,电力即算力,电力的分布式生产、消费与远距离大规模输送等功能形态均能够同步加载算力资源,实现资源复用与时空优化。电网的平台枢纽功能将在电力+算力时代得到进一步丰富,电力+北斗、电力+5G、电力数据中心对外服务等利用模式可充分响应用户对算力、电力的双重需求,彻底改造新型能源基础设施的功能形态与价值形态。 更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a
23、o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 8 图 3 电力算力的基础设施融合 算力的高耗能属性决定了其与电力存在着紧密的相互支撑关系。从计算的本质来说,是把数据从无序变成有序,这个过程一定需要能量的输入,算力水平的提升会带来电力水平提升。仅从量的方面看,根据不完全统计,2020 年全球发电量中, 有 5%左右用于计算能力消耗, 而这一数字到 2030年将有可能提高到 15%到 25%左右, 也就是说, 计算产业的用电量占比将与工业等耗能大户相提并论。而对于计算产业来说,电力成本也是除了芯片成本外最核心的成本,所以,电力与算力天然具有相互影响关系。 充分发挥电力和算力双引擎作用,
24、以电力支撑算力提升,算力提升反哺能源电力科技突破创新,为现代经济体系建设提供新型基础设施支撑。其中,从投资规模看,从投资规模看,相比于制造更多细分领域报告请关注搜搜报告(s o s o y a n b a o ),行研君胃:s o s o b a o g a o 9 业、金融业而言,能源电力行业的算力应用水平还不高,发展空间大; 从地域分布看,从地域分布看, 算力与电力都遵循了 “逆向分布”特点,即供给中心在中西部,需求中心在东部发达地区,电力算力规划实施的同步性特征明显; 从预期价值看,从预期价值看, 电力+算力的应用场景还主要在电力系统内部,以电力北斗、电力 5G为例, 选择成熟度较高的关
25、键场景突破, 如无人机智能巡检、小水电精准调控等。 算力在能源电力行业中的应用和投资分布情况还远低于行业平均水平,能源电力行业迫切需要加强对算力的超前布局。同时,算力供需缺口也较为突出,算力的供需格局与电力供需格局存在相似之处,在中西部地区资源充足,另一方面,虽然一线城市对算力资源的需求十分旺盛,但由于政策、土地、电力、网络等条件的制约,算力供给能力反而相对有限,造成供需缺口突出。 现代能源企业要以“电力+算力”为重点,支撑新型电力系统建设,驱动能源系统高质量发展。通过电力和算力共同发挥作用,促进大规模可再生能源协同发展,这是当前建设能源互联网企业面临的重要课题,也是建设新型电力系统的要求。以
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