低碳电力系统的创新技术

本书围绕实现低碳电力系统，详细介绍了大量正在开发的创新技术。这些技术有助于加州及其他地区实现碳排放目标，同时降低成本并提高可靠性，有助于实现联合国可持续发展目标。

本书契合当下中国实现碳中和碳达峰目标，可为政府部门、能源电力企业、高校科研院所、咨询研究及金融投资机构的管理者和研究者，以及创新创业者提供技术指导和战略参考。

徐立辉 清华大学管理学博士，加拿大麦克马斯特大学工程硕士，华北电力大学电力系工学学士。曾任职于国家电网公司地市电网调度控制中心，美国法维翰咨询公司（Navigant Consulting）。现任职于清华大学联合国教科文组织国际工程教育中心。

张铁峰 华北电力大学电力系博士，澳大利亚悉尼科技大学工业与信息技术学院博士后。现为华北电力大学电子系副教授。国内外核心期刊发表学术论文90余篇，主持科研项目15项，获“中国电科院期刊青年专家团突出贡献个人”，《广东电力》创刊30周年优秀审稿专家，主编教材《智能电网信息通信技术》。

电力行业代表着加利福尼亚州（加州）脱碳道路的核心。可再生能源发电成本的降低，加上充足的太阳能、风能和其他可再生资源，为实现到21世纪中叶几乎无二氧化碳排放的发电模式提供了一条现实的途径。

可再生电力供应的扩大可使交通、建筑和可能的工业领域用电替代许多排放二氧化碳的技术。加利福尼亚州电力行业发展的关键要素是：通过提高效率控制电力需求，快速扩大可再生能源发电规模，开发储能接纳更多可再生能源发电，管理低碳电力系统的柔性电力负荷，因地制宜以电气化减少二氧化碳排放，并保持可靠和有弹性的电力供应。

本书概述了上述每个领域的大量创新技术，这些技术有助于加州实现其脱碳目标，同时降低成本，提高可靠性。本书提供的信息描绘了技术创新的图景，可帮助决策者、加州相关机构和相关方制定战略，以实现加州的目标，并有针对性地支持和培育技术创新。

美国劳伦斯伯克利国家实验室

能源技术办公室

2022年2月

中文版前言

加州雄心勃勃的气候政策处于全美领先地位，最近的一项行政命令呼吁到2045年实现全州整个经济的碳中和。要实现这些目标，需要对当前二氧化碳（CO2）排放轨迹进行大幅改变。可再生能源电力供应的扩大可以使交通、建筑和一些工业领域用电替代许多排放二氧化碳的技术。加州及其他地区的电力行业发展的关键要素是：通过提高效率控制电力需求，快速扩大可再生能源发电规模，开发储能接纳更多可再生能源发电，管理低碳电力系统的柔性电力负荷，因地制宜以电气化减少二氧化碳排放，并保持可靠和有弹性的电力供应。

本书围绕实现低碳电力系统，详细介绍了大量正在使用或开发的创新技术，这些技术有助于加州及其他地区实现碳排放目标，同时降低成本并提高可靠性，有助于实现联合国可持续发展目标。本书契合当下中国碳中和和碳达峰目标，可为政府及相关机构制定碳减排战略提供参考，以实现减碳目标，并针对性地支持和培育技术创新。

本书可为政府部门、能源电力企业、高校科研院所、咨询研究机构、金融投资机构，以及创新创业领域人员，提供战略参考和技术指导。

译者

英文版前言

中文版前言

中文版序言一

中文版序言二

中文版序言三

执行摘要

第1章绪论

1.1本书目标

1.2电力行业创新技术的好处

1.2.1减少二氧化碳和其他空气污染物的排放

1.2.2降低电力部门成本

1.2.3其他好处

1.3评估技术成熟度

第2章高效使用电力

2.1建筑物

2.1.1不透明建筑围护结构

2.1.2窗户和外立面

2.1.3供暖和空调设备

2.1.4通风

2.1.5照明

2.1.6主要耗能电器

2.1.7电子设备和其他插头负载

2.1.8传感器和控制器

2.1.9数据中心

2.1.10先进建筑施工

2.2工业

2.2.1机器/电机驱动

2.2.2工艺加热

2.2.3工艺冷却和制冷

2.2.4将废热转化为电能

2.3水利部门

2.3.1自主控制

2.3.2服务农村和落后地区的高效分散水处理

2.4加州的战略考虑

第3章可再生能源发电

3.1本章引言

3.2太阳能光伏

3.2.1多结太阳能电池

3.2.2钙钛矿太阳能电池

3.2.3新型光学

3.2.4总结

3.2.5加州技术路线图计划

3.3聚光太阳能

3.4风力发电

3.4.1海上风能

3.4.2风能成本目标

3.4.3利用超级计算推进风力发电厂

3.4.4加州技术路线图计划

3.5地热能

3.6生物质发电

3.7可再生能源主导电网的构网型控制

3.8加州的战略考虑

第4章电网储能

4.1本章引言

4.1.1不同储能持续时间的作用

4.1.2电力储存的成本考虑

4.2电化学存储技术(电池)

4.2.1高级锂离子电池和锂供应

4.2.2液流电池

4.2.3电网储能用其他电池

4.3化学存储技术

4.3.1制氢

4.3.2储氢

4.3.3电转换

4.3.4总结

4.4机械储能技术

4.4.1抽水蓄能

4.4.2压缩空气储能

4.4.3重力储能系统

4.4.4总结

4.5高温热能储存

4.6加州的战略考虑

第5章低碳电力系统的柔性负荷管理

5.1本章引言

5.2建筑物

5.2.1窗户

5.2.2照明

5.2.3建筑围护结构

5.2.4暖通空调设备

5.2.5水加热

5.2.6整栋建筑控制器、传感器、建模和分析

5.3工业和农业

5.4电动汽车

5.4.1电动汽车的协调充电

5.4.2无线电动汽车充电

5.4.3互联移动性

5.4.4电动汽车与建筑的集成

5.4.5车辆到建筑物和车辆到家庭的备用电源

5.5分布式能源的协调控制

5.6加州的战略考虑

5.6.1 建筑、工业和农业的战略考虑

5.6.2电动汽车的战略考虑

第6章电气化减少二氧化碳排放

6.1本章引言

6.2工业电气化

6.2.1工艺加热

6.2.2能源密集型工业

6.2.3总结

6.3建筑电气化

6.3.1空间加热

6.3.2水加热

6.3.3其他终端用途

6.4加州的战略考虑

第7章提高电力供应的可靠性和弹性

7.1本章引言

7.2人工智能和机器学习

7.2.1人工智能驱动的智能电网控制

7.2.2增强和虚拟现实

7.2.3用于电网性能和网络安全的人工智能

7.2.4深度学习

7.2.5人工智能的局限性和对更好数据与数据量测的需求

7.3大数据分析

7.4多元数据融合

7.5高级微电网和孤岛

7.5.1自主能源电网

7.5.2计划外孤岛检测

7.6电网监控和建模

7.6.1先进的电网监测技术

7.6.2同步相量技术

7.6.3综合输配电建模

7.7双向电力储存

7.8加州的战略考虑

第8章技术创新的交叉领域

8.1智能制造： 先进的传感器、控制器和平台

8.2先进材料制造

8.3先进复合材料

8.4恶劣服役条件下的先进材料

8.5增材制造

8.6回收、再利用、再制造和再循环

8.7使用宽禁带半导体的先进电力电子

8.8节能高级计算

第9章总结

首字母缩略词列表

参考文献

致谢