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布魯克林的微電網(wǎng)

LO3 Energy是一家剛剛起步的紐約公司，它正在與西門子數(shù)字電網(wǎng)部門和西門子初創(chuàng)企業(yè)投資部門next47合作，在布魯克林區(qū)測試一個微電網(wǎng)項目。這里的居民不論是否安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，都可以在所謂的區(qū)塊鏈平臺上相互購買和出售太陽能電力，這個平臺將自動記錄每一筆交易。當(dāng)颶風(fēng)來襲時，這個孤網(wǎng)可以獨立運行，自給自足。這個項目在推進可再生發(fā)電資源的分布式供電系統(tǒng)過程中，具有開拓性意義。

陽光明媚的日子里，Martha Cameron家的電表會倒著轉(zhuǎn)。原因很簡單：她家的屋頂安裝了一套太陽能發(fā)電系統(tǒng)。坐落于布魯克林區(qū)寧靜美麗的Park Slope街區(qū)，這排赤褐色砂石建筑建于1900年前后。當(dāng)艷陽高照時，如她用不完18個光伏太陽能電池板生產(chǎn)的電力，剩余的電力將回饋電網(wǎng)。2010年Cameron是*個安裝這套太陽能發(fā)電系統(tǒng)的人。不過很快，在這條兩旁種滿挪威楓樹和梧桐的林蔭道上，又有5幢大樓安裝了太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

LO3 Energy創(chuàng)始人兼*執(zhí)行官Lawrence Orsini站在布魯克林區(qū)一排接入微電網(wǎng)的房屋頂上。

2016年4月，首次交易發(fā)生在那些沒有安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的居民和自家太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生過剩電力的居民之間。在總部設(shè)在布魯克林區(qū)的能源初創(chuàng)企業(yè)LO3 Energy的幫助下，Park Slope街區(qū)及相鄰的Gowanus街區(qū)、Boerum Hill街區(qū)的居民建起了布魯克林微電網(wǎng)（Brooklyn Microgrid）項目。這個試點項目之所以可行，是因為它能滿足三個條件。首先，歸功于LO3 Energy的“TransActive Grid”區(qū)塊鏈平臺，這項技術(shù)為每筆交易生成時間標記，形成一連串安全區(qū)塊，這樣每筆能源交易都有記錄。其次，西門子數(shù)字電網(wǎng)業(yè)務(wù)部門提供了針對微電網(wǎng)的技術(shù)解決方案。第三，西門子初創(chuàng)企業(yè)投資部門next47通過融資、項目技術(shù)專長和咨詢等方式為這類潛在顛覆性的技術(shù)給予支持。

不過，布魯克林微電網(wǎng)的目標不只是實現(xiàn)環(huán)境友好型電力的小規(guī)模交易。鑒于2012年桑迪颶風(fēng)造成的毀滅性災(zāi)難，這個項目計劃在微電網(wǎng)內(nèi)安裝電池蓄電裝置，以便在下一次風(fēng)暴造成緊急狀況時，至少暫時保持穩(wěn)定供電用于照明。如有可能，最終將根據(jù)太陽能發(fā)電情況調(diào)整局部用電需求。舉例來講，可以在陽光燦爛時對電動汽車進行充電，電池蓄電裝置無需額外升壓電路。

總統(tǒng)街（President Street）——*批基于區(qū)塊鏈技術(shù)的點對點電力交易在這里進行。

巨大潛力

不論是阿拉斯加荒野，還是紐約市街區(qū)，在截然不同的環(huán)境中，自給自足的微電網(wǎng)都扮演著重要角色。無論是基于風(fēng)力、太陽能、水力還是生物質(zhì)等分布式發(fā)電系統(tǒng)蓬勃發(fā)展起來的電力市場，微電網(wǎng)的重要性都與日俱增。LO3 Energy正從西門子推進的微電網(wǎng)中獲益，譬如，自2014年起在巴伐利亞州南部村莊Wildpoldsried投入運行的微電網(wǎng)。這些微電網(wǎng)包含網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、開關(guān)、創(chuàng)新電池解決方案和智能電表。

與布魯克林微電網(wǎng)合作，也讓西門子能源管理集團獲益匪淺，因為TransActive Grid平臺基于分布式網(wǎng)絡(luò)化記賬系統(tǒng)，采用加密技術(shù)以成本低廉的防偽方式保存數(shù)據(jù)。舉例來講，它能確保用戶收到原裝部件，因為它可借助RFID芯片和區(qū)塊鏈無縫追溯部件來源——這是西門子可能感興趣的眾多應(yīng)用之一。

這種直接在計算機之間進行的點對點商業(yè)交易，十分經(jīng)濟劃算，具有巨大潛力。目前，全球范圍內(nèi)通過區(qū)塊鏈管理的資產(chǎn)總值高達16億美元。據(jù)加密貨幣平臺Coinmarketcap稱，從2013年到2016年，這些資產(chǎn)的增幅高達令人瞠目的1600%。貝爾法斯特的普華永道區(qū)塊鏈專家Seamus Cushley表示，僅在2016年前9個月，與區(qū)塊鏈有關(guān)的初創(chuàng)企業(yè)就獲得了14億投資。

在“產(chǎn)銷者”住戶家中安裝TAG裝置。

為下次颶風(fēng)做好準備

這些發(fā)展為電力交易帶來了新的維度。現(xiàn)在，住戶無需中間機構(gòu)就可以交易少量綠色電力。自動拍賣機制以用電戶愿意支付的最高電價為導(dǎo)向，決定電力價格。然而，就布魯克林微電網(wǎng)而言，局部太陽能發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電力并非其參與者使用的電力。尚未安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的住戶使用的電力依然主要來自是距離最近的常規(guī)電廠生產(chǎn)的電力。但他們購買了鄰居的太陽能光伏電池板的“環(huán)境屬性”，這類似于消費者過去在選擇可再生能源生產(chǎn)的電力時所購買的綠色電力信用額。現(xiàn)在，他們可以向?qū)嶋H電力供應(yīng)者直接購買。

這個方法并不新鮮。消費者向電力公司購買利用可再生能源生產(chǎn)的電力，就是為偏遠地區(qū)的風(fēng)電場、太陽能電站、水電站或生物質(zhì)發(fā)電廠等電力生產(chǎn)者向電網(wǎng)輸送電力提供資金支持。如今在布魯克林區(qū)，消費者支付的電費使他們的鄰居獲利，而非那些遙遠的無名風(fēng)電場運營商。然而，金錢不是大多數(shù)項目參與者的主要考慮因素。LO3 Energy的業(yè)務(wù)發(fā)展主管Scott Kessler指出：“這個街區(qū)希望為下一場颶風(fēng)做好準備，負責(zé)任地處理環(huán)境問題，以及增進團結(jié)。”

要想實現(xiàn)這個愿景，布魯克林微電網(wǎng)不能局限于幾個屈指可數(shù)的參與者。到2017年初，它將覆蓋50棟赤褐色砂石建筑、公寓樓、學(xué)校、加油站、消防站和幾幢工廠建筑。目標是在2018年之前擁有1000個參與者。它還計劃安裝電池蓄電裝置，甚至更廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)。所有這一切都將得到西門子數(shù)字電網(wǎng)業(yè)務(wù)部門提供的微電網(wǎng)管理系統(tǒng)支持，有了這個系統(tǒng)，哪怕發(fā)生全市范圍斷電，也可確保微電網(wǎng)自給自足地供電。

電力小區(qū)網(wǎng)絡(luò)

要取得成功，區(qū)塊鏈平臺和微電網(wǎng)需要一套監(jiān)管制度。在紐約州這套制度由“能源愿景改革（REV）”來提供。這個平臺的目的是最大限度地降低供電系統(tǒng)的脆弱性——颶風(fēng)桑迪將這一點暴露無遺，同時更多使用可再生能源資源和降低成本。布魯克林微電網(wǎng)可以很好地檢驗這些目標。西門子能源管理集團的Stefan Jessenberger表示：“微電網(wǎng)是核心，它為由電力小區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的未來電力世界奠定了基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈也促成了這個過程，大大簡化了在小區(qū)內(nèi)部執(zhí)行電力交易的方式。”

西門子數(shù)字電網(wǎng)業(yè)務(wù)部門、next47和LO3 Energy都堅信基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)潛力巨大，因為這項技術(shù)可用于任何分布式電力系統(tǒng)。Kessler說：“我們在布魯克林微電網(wǎng)中積累的經(jīng)驗，無疑將在未來的項目中發(fā)揮作用。”與此同時，Martha Cameron對所取得的成績備感自豪，她說：“我們是電力供應(yīng)者。”

新型高效燃氣輪機

如今的燃氣輪機必須既高效又極為靈活——西門子全新HL級燃氣輪機能夠滿足這一要求。HL級燃氣輪機適于供應(yīng)基礎(chǔ)發(fā)電量，同時用作可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的備用系統(tǒng)，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實現(xiàn)高達63%以上的發(fā)電效率。更重要的是，西門子計劃在中期內(nèi)將HL級燃氣輪機的發(fā)電效率提高至65%。

西門子最大的燃氣輪機在柏林的生產(chǎn)歷史已有110多年。目前，西門子燃氣輪機中的旗艦產(chǎn)品是SGT-8000H系列，全球范圍內(nèi)已有57套SGT-8000H燃氣輪機投入商業(yè)運行。其發(fā)電效率高達61.5%，這是2016年在杜塞爾多夫Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠測得的數(shù)據(jù)。 然而，現(xiàn)在西門子新發(fā)布的HL級燃氣輪機進一步提高了發(fā)電效率，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實現(xiàn)高達63%以上的發(fā)電效率。西門子發(fā)電與天然氣集團全球銷售總裁Karim Amin解釋道，“新的燃氣輪機進一步優(yōu)化了H級的成熟設(shè)計。”

為了實現(xiàn)更高燃燒溫度，西門子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。

針對更高燃燒溫度而設(shè)計

更高燃燒溫度是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵要素。全新HL級燃氣輪機將燃燒溫度提高了約100開爾文。為了實現(xiàn)這一點，西門子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。西門子大型燃氣輪機產(chǎn)品經(jīng)理Guido Schuld解釋道，“高溫會在陶瓷涂層與葉片金屬之間產(chǎn)生很高應(yīng)力，這將導(dǎo)致涂層開裂。因此，我們使用激光器將表面陶瓷涂層切割成一個個方塊。這可以減輕應(yīng)力，因為這些方塊可以像高速路路面混凝土板一樣朝著對方擴展。這樣，我們就可以使用更厚涂層和更高溫度。”然而，渦輪葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有助于增強部件的耐高溫性能。譬如，采用新型鑄造工藝，開發(fā)人員進一步優(yōu)化了葉片的風(fēng)冷通道，從而改善散熱效果。

優(yōu)化壓氣機進一步提高發(fā)電效率

工程師還改進了燃氣輪機進氣口處的壓氣機。經(jīng)改進后，它現(xiàn)在只有12個壓縮級，比SGT-8000H系列少1級。這可節(jié)省發(fā)電裝置內(nèi)部空間和燃氣輪機運輸所需空間。為確保空氣經(jīng)充分壓縮，我們調(diào)節(jié)了壓氣機葉片，以實現(xiàn)最大氣動效率。Schuld表示，“可以將之與飛機翼尖做比較，為避免惱人的湍流，翼尖是彎曲的。此外，我們使用更*的仿真技術(shù)，計算并優(yōu)化了壓氣機的各個級在諸如氣候和工況等不同條件下的相互作用。”

提高發(fā)電效率有許多好處。對于天然氣價格較高的國家，其益處是，提高發(fā)電效率能為發(fā)電公司大大節(jié)省成本。譬如，許多亞洲國家就是這種情況，它們依賴于油輪運輸?shù)妮^為昂貴的液化天然氣（LNG）。Amin說：“我們的研究表明，相比于SGT-8000H系列，新的HL級燃氣輪機可將發(fā)電成本再降低5%。得益于此，在天然氣價格較高的國家，每年每臺燃氣輪機可以節(jié)省1500萬到2000萬美元成本。另外，新型燃氣輪機可以減少排放二氧化碳，因為實現(xiàn)相同發(fā)電量所需燃料更少。”

可再生能源發(fā)電的*搭檔

*的燃氣輪機不僅必須極其高效——隨著可再生能源發(fā)電在電力構(gòu)成中的占比越來越大，它們還必須實現(xiàn)最高靈活性。陰天或無風(fēng)的時候，燃氣電站必須接替可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，確保穩(wěn)定供電。然而，要做到這一點，電站運營者必須能夠迅速啟動和關(guān)閉這些發(fā)電裝置。在這方面，新的HL級燃氣輪機也青出于藍而勝于藍。HL級燃氣輪機啟動時的性能爬升速率為每分鐘85 MW，比SGT-8000H系列高30 MW。Amin表示，“這使得HL級燃氣輪機成為可再生能源發(fā)電的*搭檔。”

配備SGT5-8000H燃氣輪機，杜塞爾多夫Lausward電廠Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠仍然是可持續(xù)發(fā)展性的發(fā)電裝置之一。

為了改良新的HL級燃氣輪機，以滿足世界各地的客戶各不相同的要求，自2015年開始研發(fā)以來，來自許多不同西門子業(yè)務(wù)部門的代表參與了研發(fā)過程，包括戰(zhàn)略專家和銷售專家，以及工程師和制造專員及服務(wù)專員。

3D打印的燃氣輪機部件

為了進一步縮短研發(fā)周期，西門子采用了新型制造技術(shù)。在柏林的工廠就可以看到一種這樣的技術(shù)。在那里，隔著3D打印機的玻璃窗板，激光束掃過金屬粉末。激光束所到之處，火花熠熠，一個部件就這樣逐層制造出來。3D打印加快了原型部件的生產(chǎn)和測試，有助于盡早提供新技術(shù)。西門子的新型制造工藝專家Ingo Kelbassa指出，“增材制造特別適合燃燒器和燃氣輪機的高溫部件。3D打印開辟出全新的設(shè)計空間。譬如，它使我們得以優(yōu)化渦輪葉片內(nèi)部的風(fēng)冷通道。”

新的西門子燃氣輪機經(jīng)專門設(shè)計，可輕松連接至西門子為電廠運營者提供的數(shù)字服務(wù)。它們亦可連接至MindSphere——西門子基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。MindSphere提供了許多強大的分析工具，以便客戶直接洞悉機器的運行數(shù)據(jù)，幫助他們做出決策。

西門子已經(jīng)在柏林工廠以及德國首都附近的清潔能源中心，對新的HL級燃氣輪機進行了廣泛深入的測試。西門子計劃于2018年年中，在合作伙伴之一、北卡羅來納州的Duke Energy公司的場地上建造*臺HL級燃氣輪機發(fā)電裝置。這個發(fā)電裝置的燃氣輪機將接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，并于2020年開始投入運行。新的HL級燃氣輪機將為進一步的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。Amin說：“我們希望在中期內(nèi)，HL級燃氣輪機的發(fā)電效率可達到65%。”

智慧型連鎖店

連鎖超市、百貨商店和快餐店等是典型的擁有成百上千家門店的零售企業(yè)。一般而言，同一家連鎖企業(yè)旗下的所有門店都具有相同的用電需求，因此，覆蓋整個連鎖企業(yè)的自動能源管理系統(tǒng)（EMS）對其大有裨益。一個典型的例子是，西門子EMS系統(tǒng)通過采集數(shù)據(jù)并持續(xù)優(yōu)化美國各地的大約1500家ALDI超市的運營，取得了令人矚目的成效。

提高能效是每個人的當(dāng)務(wù)之急——其中一個最重要的原因是，無需使用的能源才是最清潔的能源?，F(xiàn)實中存在巨大的節(jié)能潛力，特別是在樓宇、工業(yè)和交通等領(lǐng)域。

西門子專注于提高能效的例子數(shù)不勝數(shù)，包括通過優(yōu)化汽車工業(yè)機器人運動從而優(yōu)化能耗的研究項目，以及可以大幅降低大型建筑物環(huán)境足跡的解決方案。西門子新落成的總部大廈即為其中的*。

準確找出浪費環(huán)節(jié)

據(jù)美國環(huán)境保護署稱，美國商業(yè)建筑物的能源平均有30%是被浪費掉的。通常，其中四分之三的浪費集中在兩個方面：室內(nèi)溫濕度控制——即暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)——和照明。這種嚴重低能效的原因很簡單：大多數(shù)建筑物當(dāng)初建造之時，還沒有人考慮過可持續(xù)發(fā)展問題。

怎么辦呢？盡管只要將舊設(shè)備更換為更*的新系統(tǒng)就可以在一定程度上改善能效，但這樣的翻新改造不僅耗費財力物力和時間，而且基本無助于解決優(yōu)化建筑物的長期總體能效、測定建筑物能效和對同一連鎖企業(yè)中的數(shù)百座類似建筑物的能效表現(xiàn)進行比較等問題。

采用現(xiàn)場控制技術(shù)，能源相關(guān)系統(tǒng)均配備傳感器以持續(xù)監(jiān)測其性能。

提煉數(shù)據(jù)

西門子樓宇科技集團旗下、總部設(shè)在德克薩斯州*市的零售和商業(yè)系統(tǒng)（RCS）業(yè)務(wù)部門提供的現(xiàn)場控制EMS系統(tǒng)，可以解決所有這些問題。RCS總經(jīng)理Marcus Boerkei解釋道：“在連鎖型建筑物安裝EMS系統(tǒng)，好比給它們配備了一個神經(jīng)系統(tǒng)?？梢猿掷m(xù)監(jiān)測設(shè)備性能的傳感器安裝在能源相關(guān)系統(tǒng)中，包括暖通空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)、告示牌、冷藏間和垃圾壓縮機等。”

此外，西門子EMS解決方案在購物區(qū)部署二氧化碳傳感器，用作移動偵測裝置——這是實時確定需要多少室外空氣來維持空氣質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。這個系統(tǒng)也將溫控器和照明控制裝置連接至配備自有Linux計算機和嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的控制箱。每家門店的控制箱都會每隔60秒詢問一次傳感器，并每隔2個小時向連鎖企業(yè)總部發(fā)送一份狀態(tài)報告。

這樣的系統(tǒng)可以產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。西門子發(fā)布的稱：“在監(jiān)測和控制一座中型建筑物（3000平方米）的過程中，高效的EMS系統(tǒng)每天要采集約40000個帶時間戳的數(shù)據(jù)點。對于一個擁有1000家門店的企業(yè)，這相當(dāng)于每年產(chǎn)生超過100億個數(shù)據(jù)點。”為幫助零售商將EMS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的信息，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)洪流細化為數(shù)十組智能觀察數(shù)據(jù)，以分析其模式并從中提煉出可指導(dǎo)行動的真知灼見。

購物節(jié)能

美國各地已有將近1500家ALDI零售店安裝了西門子現(xiàn)場控制EMS系統(tǒng)。其中大多數(shù)都是現(xiàn)有門店翻新改造，而其余系統(tǒng)則是安裝在新建門店。

與ALDI門店中的EMS系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)相輔相成的，是現(xiàn)場控制企業(yè)門戶，它是一個基于云的數(shù)據(jù)分析平臺，可為零售商提供企業(yè)級數(shù)據(jù)顯示板、KPI和異常報告，以便快速查明并解決原本可能導(dǎo)致耗電量過大或?qū)蛻羰孢m度造成不利影響的問題。這個系統(tǒng)還可以精簡問題的發(fā)現(xiàn)過程，以及通過智能系統(tǒng)派遣HVAC檢修技術(shù)人員并遠程驗證其完成的工作，從而幫助ALDI降低維護成本。

現(xiàn)在，歸功于云端數(shù)據(jù)管理和持續(xù)數(shù)據(jù)采集，EMS軟件也幫助ALDI確定哪個制冷系統(tǒng)在什么溫濕度環(huán)境下工作表現(xiàn)，以及哪個系統(tǒng)的運行和能效記錄。Boerkei表示：“所有這些信息都有助于優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)施的功能，并為規(guī)劃新的設(shè)施提供支持。它也允許ALDI實時分析門店的產(chǎn)品組合，與去年同期進行比較，甚至將其產(chǎn)品組合的表現(xiàn)與行業(yè)平均水平進行比較。”

西門子EMS解決方案在購物區(qū)部署二氧化碳傳感器，用作移動偵測裝置——這是實時確定需要多少室外空氣來維持空氣質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

4000戶家庭

在2012年于16家門店完成初期試運行，證實現(xiàn)場控制系統(tǒng)有能力降低門店的能耗之后，ALDI選擇了西門子。2013年在180家門店全面部署，證明了EMS系統(tǒng)可以在整個區(qū)域內(nèi)取得同樣的成效。通過共同努力，ALDI與西門子在短短10個月內(nèi)成功完成其余門店的安裝。著名的美國雜志《環(huán)境*》將這項創(chuàng)新技術(shù)評選為2016年年度項目。ALDI還計劃隨著其在美國不斷擴張，新的門店亦將安裝現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

ALDI估計，門店的碳排放量占其總碳排放量的很大部分?，F(xiàn)在通過安裝現(xiàn)場控制EMS系統(tǒng)，ALDI預(yù)期它每年的碳排放量可減少29000噸——相當(dāng)于每年路上的汽車減少6100輛，或者為4000戶家庭供電。不僅如此，與該項目有關(guān)的電費節(jié)省已超出ALDI的資本投資標準，帶來了良好的投資回報（ROI）。