1、数字能源十大趋势白皮书能源数字化，共创新价值数字能源产业智库联合发布2021 年 2 月数字能源十大趋势白皮书1主编单位华为技术有限公司本白皮书的主编单位、编审组成员如下：编审组成员数字能源产业智库专家委员会参编人员尧权、罗进文、张峻鸣、韩冬、武磊磊、袁志良、彭鹏、张李明、李小娟、龚露意、马伟为、谢斌、周翔、汪雪、张效玮版权说明本白皮书版权属于数字能源产业智库。欢迎转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点。使用时请注明来源：数字能源产业智库。了解更多华为数字能源数字能源十大趋势白皮书2关于数字能源产业智库数字能源产业智库专家委员会石定寰 原国务院科技部秘书长、国务院参事，中国投资协会能
2、投委专家主席，中国可再生能源学会理事长李俊峰 国家应对气候变化战略研究和国际合作中心首任主任、学术委员会主任陈立泉 中国工程院院士，国际电池材料协会终生成就奖获得者高 峰 清华大学能源互联网创新研究院副院长、数字化转型研究室主任刘桂彬 中国汽车技术研究中心有限公司标准化研究所总工程师樊功成 国网综合能源服务集团有限公司党委委员、副总经理徐进明 武汉日新科技股份有限公司董事长张 杰 中国投资协会能源投资专业委员会副会长、秘书长杨忠亮 广东电机工程学会低压直流电源专委会秘书长张 玮 中国投资协会能源投资专业委员会主任周桃园 华为技术有限公司副总裁、数字能源产品线总裁方良周 华为技术有限公司数字能源
3、产品线副总裁、首席营销官张 峰 华为技术有限公司数字能源产品线副总裁、数字能源战略与业务发展部总经理数字能源产业智库是一个由数字能源产业专家联合创立的学术智囊团。通过联名白皮书、学术报告、政策解读等方式，聚合产学研顶尖力量，论道新趋势，解读新技术，分享新实践，共同寻求能源问题最优解；发挥行业影响力，牵引能源产业链合作共赢；推进行业绿色化、数字化转型，合力促进碳中和目标达成。数字能源产业智库专家委员会名单如下所示。数字能源十大趋势白皮书3前 言2020 年，在具有里程碑意义的巴黎协定通过五周年之际，碳中和运动正在全球兴起，世界主要经济体陆续作出碳中和目标的承诺：欧盟委员会公布 2050 年实现碳
4、中和，并发布绿色新政；英国、日本、韩国、加拿大等国相继公布本国 2050 年实现碳中和；中国则承诺在 2060 年前达成目标。在碳中和目标的牵引下，各行业积极响应并付诸行动，其中电力生产和能源消费（包括工业、交通等重点行业）的减少碳排放工作至关重要。在电力生产端，以光伏为代表的可再生能源替代传统的化石能源是大势所趋。据预测，可再生能源将在 2025 年取代化石能源成为主要发电方式，未来将最终实现零碳发电。在能源消费端，电力将逐步替代传统化石能源消耗。据预测，电力将在 2050 年超越石油，占比达到45%，其中绿色制造、绿色建筑和绿色出行是电气化的重要增长引擎。在工业和建筑行业，通过可再生能源发
5、电和综合能效提升，最终实现零碳工厂、零碳建筑和零碳园区。在交通行业，电动车将取代传统燃油车，成为主要出行方式之一，最终实现零碳交通。然而传统的能源基础设施运行方式难以应对发展过程中带来的新挑战。在电力生产中，采用传统方式，存在着发电效率低、运维效率低等问题。同时，随着数字世界的快速发展，数据中心、站点数量的激增也将带来更高能耗的挑战。能源数字化采用数字化、智能化技术，可有效提升电力生产效率、运维效率和能源效率，最终助力碳中和目标实现。2020 年 12 月，来自能源行业的多位权威专家学者共同成立了数字能源产业智库，探讨能源数字化转型，并联合发布数字能源十大趋势白皮书，为能源产业转型升级提供战略
6、参考。数字能源十大趋势白皮书4CONTENTS目 录关于数字能源产业智库.2数字能源产业智库专家委员会.2前 言.3目 录.4趋势一：能源数字化.5趋势二：绿电无处不在.6趋势三：全链路高效.9趋势四：AI 加持.11趋势五：融合极简.13趋势六：能源网自动驾驶.15趋势七：综合智慧能源.17趋势八：智能储能系统.18趋势九：随时随地超级快充.19趋势十：安全可信.21缩略语.22数字能源十大趋势白皮书5能源数字化是必然趋势传统能源行业仅关注瓦特流，“发-输-配-储-用”节点之间彼此孤立，难以协同，导致电力生产效率低、能源效率低。且全链路存在大量“哑设备”，依靠人工维护，运维效率低。能源数字化
7、通过引入 5G、AI、大数据、IoT能源数字化趋势一等数字化技术，并将电力电子技术与数字技术创新性地融合，在瓦特流基础上加入比特流，用比特管理瓦特，实现全链路的互联化、数字化和智能化协同，让电力生产效率、运维效率、能源效率最大化。图 1：能源数字化、智能化控制算法电力电子技术通信技术AI技术平台算法数据算力拓扑器件5GPLCIoT5GPLC发电输电用电比特流 瓦特流 管理 配电储电能源数字化、智能化从瓦特到瓦特+比特，比特管理瓦特，从哑设备到智能系统数字技术与能源技术融合创新数字能源十大趋势白皮书6电力生产向绿色化、低碳化转型以太阳能和风能为主导的可再生能源，是未来 30 年增长最快的能源。根
8、据预测，光伏发电的占比将由 2020年的 3%，迅速增长到 2050 年的 24%，成为最大的发电能源。图 2：2020-2050 年全球发电能源比例变化（来源：数字能源产业智库）图 3：2020 年主要国家光伏度电成本与煤电标杆电价比较（来源：数字能源产业智库）绿电无处不在趋势二在并网稳定性要求下，光储融合成为必然趋势随着新能源渗透率的提升，电网系统对并网要求将更为严苛，光伏电站配置储能成为电力系统灵活、稳定运行的有力保障。预测到 2025 年，光伏电站光储共生的比例将达到 60%以上，让光伏发电从“补充电”走向“主力电”、“优质电”。光伏发电进入“平价上网”时代过去十年光伏发电成本大幅下降
9、，在大多数国家，光伏度电成本比传统能源上网电价更低，也促使全球针对光伏的投资进一步增加。26%可再生 60%水电 风电 光电 其他清洁能源 油电 气电 2020 2050 光伏 3%光伏 24%西班牙土耳其匈牙利巴西墨西哥智利阿根廷澳大利亚印度新加坡泰国中国台湾马来西亚阿联酋沙特约旦尼日利亚南非中国光伏度电成本煤电标杆电价图 4：全球光伏电站光储共生比例（来源：数字能源产业智库）020%40%60%202020212022202320242025从光伏到光储，光储比例稳步提升数字能源十大趋势白皮书7分布式光伏进入千行百业、千家万户，装机占比稳步提升分布式光伏由于部署灵活、充分利用闲置屋顶、投资
10、收益好等优势，融入到千行百业，催生了零碳家庭、零碳园区、零碳工厂、零碳数据中心、零碳网络、零碳医院、零碳学校、零碳停车棚、零碳办公楼/商场、零碳仓储/物流等新型应用场景，进而实现零碳乡镇、零碳城市、零碳省份、零碳国家。据预测，2025 年分布式将占全球新装机容量 40%以上，约 47GW/年。随着分布式光伏的广泛应用，主动安全成为行业共识在传统方案下，光伏系统由于长期使用，可能造成接头松动、线缆老化等问题，进而产生电弧。如不及时处理。如果不及时处理，易造成火灾风险，对建筑和人身安全带来隐患，因此主动安全成为分布式光伏应用的关键要素。当前，行业也制定了相关规范和标准，如快速关断 RSD(1)方案
11、。此方案基于百万量级电弧特征样本数据，通过 AI 精准识别电弧，在 0.5s 内快速、自动切断电路，保障安全。数字世界的快速发展，数据中心、站点数量的激增，也将带来更高能耗挑战根据预测，全球数据中心能耗将从 2020 年的 6700 亿度电，快速增长至 2025 年的 9500 亿度电，约占全球总用图 5：全球新增光伏装机中分布式占比（来源：数字能源产业智库）1 RSD:快速关断 Rapid Shutdown分布式容量占比稳步提升60%40%20%2015201620172018201920202021E 2022E 2023E 2024E数字能源十大趋势白皮书8已不仅仅是企业基于自身经营的需
12、要，更是重大的社会责任。绿电助力 ICT(2)行业更加低碳，未来将实现零碳 网络和零碳数据中心全球领先的运营商陆续提出了零碳网络战略，将在站点、机房、数据中心等典型 ICT 场景规模部署光伏。在希腊，通过在站点应用光伏，运营商降低了 40%左右的市电使用，年节省电达到 14500 度，有效保护了海岛的环境。在巴基斯坦，通过在站点应用光伏和 AI 技术，将油机运行时间降低到 10%以内，节省 OPEX(3)81%。在中国青海，通过在数据中心部署光伏，助力零碳数据中心目标的实现。电量的 3%；全球站点能耗将从 2020 年的 2030 亿度电，快速增长至 2025 年的 6600 亿度电，约占全球
13、总用电量的 2%。构建绿色高效乃至零碳数据中心和零碳网络，图 6：全球数据中心+站点耗电量（来源：数字能源产业智库）图 7：全球数据中心+站点绿电应用实践站站叠光节电 14500kWh/年助力“绿岛”建设以光去油单站 OPEX节省 81%CO 机房叠光降低线损，多发电 1015%绿色数据中心数据中心采用绿电逐步成为风潮“零碳”网络“零碳”数据中心降低 40%市电用量 希腊锂电超级快充，去油机 巴基斯坦机房级叠光，ROI低压直流，减小体积40%芯片化形态塑封形态PCBA(13)形态电源模块：芯片化、小型化，功率密度是业界2倍，布板面积省50%12 SST:固态变压器 Solid-state Tr
14、ansformer 13 PCBA:印制电路板组件 Printed Circuit Board Assembly 图 17：变压器架构融合演进示意图房柜刀片加5G不加OPEX：小型化，省电、省租金、省运维图 18：站点能源架构融合演进示意图图 19：板载电源融合演进示意图图 20：预制模块化数据中心工程产品化传统的数据中心采用攒机模式，部件分散采购、现场集 成，一千个机柜需要 20-24 个月才可建成，且最终 PUE与设计 PUE 相差大。当前领先的数据中心采用预制模块 化的建设方式，将复杂的工程交付提前在产品设计中解 决，大量减少现场施工和后期维护，一千个机柜的数据中心只需要 6 个月即可建
15、成，满足业务快速上线的需求，同时建成后 PUE 与初期设计一致。采用此建设模式可按需部署、分期投资，降低初期投资，提高投资回报率。数字能源十大趋势白皮书15实现能源网自动驾驶是企业的迫切需求传统能源设备维护多依靠人工，需要大量重复和复杂的操作，人工成本高。自动驾驶能源网络不仅可以代替人工，还可基于海量数据，提升预测和预防能力，并基于数据驱动提供差异化的服务。能源网自动驾驶趋势六感知分析执行意图体验决策业务诉求SLA(14)满足度能源基础设施数据采集配置下发AI图 21：能源网自动驾驶的闭环框架14 SLA:服务级别协议 Service Level Agreement数字能源十大趋势白皮书16能
16、源网自动驾驶已开始实践运用在数据中心，采用 AI 机器人，可实现自动巡检、识别图像声音气味、提供温度云图、进行资产管理，信息实时上报、自动生成巡检报告等，让数据中心巡检进入“无人”时代。需分步骤地实现能源网自动驾驶当前业界根据企业网络“规化-建设-维护-优化”每个阶段的自动化程度，设计了一套全面的自动驾驶指数进行评估，分步骤逐步向自服务、自维护、自优化的无人值守能源网络演进。图 22：能源网络自动驾驶分级标准等级定义L0:手工运维L1:辅助运维L2:部分自动驾驶L3:有条件的自动驾驶L4:高度自动驾驶L5:完全自动驾驶执行人工人工/系统系统系统系统系统感知人工人工人工/系统系统系统系统分析人工
17、人工人工人工/系统系统系统决策人工人工人工人工/系统系统系统意图人工人工人工人工人工/系统系统适用性不涉及限定场景全场景图 23：数据中心采用 AI 机器自动巡检图 24：智能光伏 IV 诊断方案替代人工在光伏发电站，采用 AI 技术的智能光伏 IV 诊断方案，2 分钟可完成百兆瓦级别光伏电站的全量扫描，10 分钟在线生成报告，实现光伏电站“无人”运维和诊断。数字能源十大趋势白皮书17综合智慧能源助力实现“零碳国家”通过综合智慧能源，打造源-网-荷-储一体化的自治系统，推进园区、家庭、数据中心、网络、出行、工厂等细分场景的零碳化建设，充分发挥绿色产业动能优势。推动经济绿色低碳转型和可持续发展，
18、助力“零碳国家”建设，加速碳中和目标达成。传统能源系统将走向综合智慧能源系统，提升能 源效率，降低用能成本传统能源的建设方式中，源-网-荷-储独立建设，缺 乏统一管理和协同，造成能源效率低、用能成本高。综合智慧能源运用数字化的技术，将能源的发电、输电、配电、用电各个环节，从传统的烟囱式独立系统架构和孤岛式管理，演进至统一架构、统一管理和综合应用，实现全链路的统筹、协调和优化，极大提升能源利用效率，降低用能成本。综合智慧能源趋势七图 25：传统能源系统向综合智慧能源系统演进示意图零碳国家零碳乡镇零碳园区零碳家庭零碳 DC零碳网络零碳出行零碳工厂零碳城市零碳省份.智能用电 传统能源系统 烟囱式分立
19、架构，孤岛式管理 综合智慧能源 统一架构，智慧管理，“发配用“全链路协同 能效管理 容量管理 综合应用（调峰调频）设备管理 智能管理 光伏板 逆变器 储能 管理系统 光伏发电 站点 新能源车/充电桩 数据中心 供电 配电 储能 管理系统 供电 配电 储能 管理系统 供电 配电 储能 管理系统 用电 发电 储能 智能发电 光伏板 逆变器 智能变配电 高压配电 变压器 低压配电 新能源车 充电桩 站点 数据中心 统一管理 业务联劢 最优调劢 数字能源十大趋势白皮书18普通锂电将演进为智能储能系统，最大化储能价值当前普通锂电池仅是电芯与结构件的简单组合，在使用过程中，电芯的不一致性将导致偏流和环流，
20、影响锂电寿命，同时带来安全隐患。当前锂电池主要用于备电，使用效率低，投资收益低。为了提高储能的安全性，激发更多应用和最大化储能价值，智能储能系统应运而生。智能储能系统采用 AI、大数据、云、IoT 等技术，实现储能系统的自组网和云化智能管理。通过 AI 和大数据，使用更精准的电化学模型，提升储能管理精度，同时可对储能系统进行状态、寿命和风险预测，保障系统的可靠运行和安全。智能储能系统应用场景更加丰富，如与电网协同，实现调频调峰；与业务协同，实现错峰运营效率最大化。在中国浙江，通过智能储能系统的 AI 自错峰，节省电费近 17%。全面锂电化正迅速成为各行各业的储能首选传统的铅酸电池使用面临很多问
21、题，如体积大、重量重、循环寿命短，且对环境要求严苛，温度太高会缩减寿命、太低则影响使用性能。从全生命周期的拥有成本、使用寿命、安全性角度来说，锂电池优势明显，有更广泛的应用前景。随着电动汽车的快速发展，锂电池成本已大幅下降，已广泛应用于各行各业。智能储能系统趋势八图 27：从传统锂电向智能储能系统演进示意图传统锂电 智能储能系统 功能单一安全难保障运维难光伏储能站点储能数据中心储能车载储能云BMSAI+大数据图 26：锂电及铅酸全生命周期的拥有成本对比铅 酸锂 电1.2AA购买安装维护被盗数字能源十大趋势白皮书19实现超级快充的同时，也使得充电模块可以集成到各种设备中。未来无论是有线充还是无线
22、充，充电设备不再局限于传统的充电器，无论是插排、插墙，还是电脑主机、台灯、跑步机、咖啡机，甚至是公交车、高铁等，都可以集成快充模块，真正实现居家、办公、出行、休闲等所有场景都能随时随地超级快充。充电速度慢是影响消费者购买电动汽车的主要因素汽车正在从传统的燃油车向 0 排放的新能源电动汽车发展，但当前电动汽车的充电速度仍有待提高，平均快充时间为 1 小时。充电速度慢是影响消费者购买电动汽车的 最主要原因，而当前整车电气架构受限于电压平台，无法实现真正的快充。在体验为王的时代，随时随地超级快充为终端用户提供极致的充电体验未来不管是消费电子产品还是电动汽车出行，都将实现10 分钟内完成充电，且充电地
23、点不再受限，真正做到一杯咖啡时间，随时随地充满能量。消费电子产品的材料、器件、拓扑全系演进，加速随时随地超级快充移动互联网时代，人们在体验便捷生活的同时，电能的快速消耗与持久续航之间的矛盾让人们产生了“低电量焦虑”，随时随地超级快充需求日益增加。随着电力电子技术的发展，如新型的宽禁带技术及拓扑技术、先进散热材料的成熟应用，加速充电功率提升和体积小型化，随时随地超级快充趋势九图 28：消费电子产品快充演进示意图硬开关拓扑硅胶散热Si器件谐振软开关拓扑PCM相变散热宽禁带SiC和GaN10min0100%电量拓扑材料器件数字能源十大趋势白皮书20图 29：电气架构高压演进示意图7min2080%电
24、量 总线电压500V1000V 为了提供极致超级快充体验，高压架构是必然方向从桩侧到车侧进行更高电压的电气架构级改革，使高压平台电动车 10 分钟内即可完成充电，真正做到充电像加油般迅速、便捷，为用户提供极致的快充体验。金属异物及生命体检测功能成熟，加速商用进程图 30：金属异物及生命体检测示意图高端出行服务领域，无线充电加速市场化应用有线充电无线化，将进一步提升充电体验。随着金属异物及生命体检测技术的成熟，无线充电逐步进入人们的视野，充电将无需人工干预，自动泊车、自动充电，为终端用户提供更加极致的便捷充电体验。数字能源十大趋势白皮书21能源产业向网络化、数字化、智能化转型，硬件和软件的可靠性
25、、安全性、隐私性、韧性等成为必须要求。系统级设计保障安全可信在硬件端，除了硬件本身的高可靠设计及制造外，需加强预测性维护，由被动变主动，从器件、设备到系统三层级，进行寿命预测性维护，夯实可靠地基；在软件端重点投入分层级防御，实现软件的分层可控、分层防御，使软件更加安全可信。安全可信趋势十高可靠设计及制造+预测性维护夯实可靠地基分层级防御，巩固软件安全可信高可靠设计及制造 三层级寿命预测性维护 器件级 设备级 系统级 电容AI预测寿命专利算法 浅放电AI预测容量，0掉电精度高 全链路AI预测性维护 高精度仿真方案寻优平台，系统级可靠性，保障设计即所得 AI自动化工厂，保障生产一致性 缺陷 干扰
26、可靠性 安全性 隐私性 可用性 韧性 Security 不伤害人和环境 安全性 Safety 合规使用数据 Reliability Resilience Availability Privacy 故障 攻击 偶然地 非恶意人为 恶意 故意人为 图 31：系统级设计保障安全可信数字能源十大趋势白皮书22缩略语序号缩略语中文名称英文名称1RSD快速关断Rapid Shutdown2ICT信息及通信技术Information and Communications Technology3OPEX运营成本Operating Expense4UPS不间断电源Uninterruptible Power Su
27、pply5PSU电源模块Power Supply Unit6LCOE度电成本Levelized Cost of Electricity7PUE电能使用效率Power Usage Effectiveness8SDS智能直流发电系统Smart DC System9BMS电池管理系统Battery Management System10PCS储能变流器Power Conversion System11eMIMO能源多输入多输出Energy Multi-input Multi-output12SST固态变压器Solid-state Transformer13PCBA印制电路板组件Printed Circuit Board Assembly 14SLA服务级别协议Service Level Agreement免责声明本文档可能含有预测信息，包括但不限于有关未来的财务、运营、产品系列、新技术等信息。由于实践中存在很多不确定因素，可能导致实际结果与预测信息有很大的差别。因此，本文档信息仅供参考，不构成任何要约或承诺，数字能源产业智库不对您在本文档基础上做出的任何行为承担责任。数字能源产业智库可能不经通知修改上述信息，恕不另行通知。版权所有 数字能源产业智库 2021。保留一切权利。本白皮书版权属数字能源产业智库。欢迎转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点。