在全球应对气候变化和推进碳中和的背景下，世界各国都在推动能源结构的转型，风能、太阳能等可再生能源的比重持续增大，DNV预计到2050年，可再生能源在全球电力生产中的比重将超过70%。能源消费结构也持续转型，交通、建筑、生产和生活等领域的能源消费结构和方式也在不断变化，预计到2033年新车销售中电车的占比将会超过50%。能源生产和消费方式的巨变，将导致能源系统变得更加复杂、不确定性更强。同时，由于能源系统在生产生活中的基础性和支撑性作用，能源系统的稳定性和可靠性也亟需进一步提升。
数字技术为应对能源系统变革提供了有效的解决方案，也为能源生产和消费的低碳化、去中心化转型提供有效的技术支撑。目前聚焦能源数字化研究的主体主要有四类，一是以IEA为代表的智库机构，二是以麦肯锡、DNV（挪威船级社）为代表的咨询公司，三是以壳牌、Baker Hughes为代表的能源企业。不同类型的研究主体分别从数字化对能源生产消费的影响，能源行业数字化转型中的困难，以及能源商业模式变化等方面，对能源数字化变革进行研究。
一、数字化对能源领域的革命性影响
随着新能源比重持续上升，分布式发电设施的普及和并网，能源的波动性更大，能源系统的弹性和调蓄能力面临前所未有的挑战。而能源需求规模的扩大和多样化，以及能源生产者和消费者边界的模糊，也将使得这种挑战更加严峻。据IEA的2050年净零排放情景(NZE)预测，到本世纪中叶，2.4亿屋顶光伏太阳能系统和16亿辆电动汽车将被整合到电力系统中，电力系统需要更强的弹性来适应可再生能源比重提升带来的用电调蓄问题，IEA的预测，到2030年电力系统的弹性将需要翻两番才能适应可再生能源的变化。在这样的背景下，亟需数字技术来提高效率或者应对更加复杂和精细化的管理。
1、数字化对电网系统的影响
数字化技术能够打破能源部门之间的界限，模糊发电和消费之间的区别，为提升电网的灵活性，推动用电力各个系统间的整合提供有效的解决方案。具体而言：
一是数字化可以提升电网对新能源的适应性。智能电网能够更好地将能源需求与光伏和风能的发电高峰时段相匹配，从而使电力系统更好地使用可再生能源的波动性。据IEA数据，欧盟新增储能和数字化需求响应可以在2040年将太阳能光伏（PV）和风能的弃光弃风率从7％减少到1.6％，从而减少3000万吨的二氧化碳排放。
二是数字化能够优化需求侧的用电管理。“智能需求响应”基于数字技术的智能电网，能够根据电价、电力系统稳定性，以及用户的不同需求，对需求侧的电力使用进行控制，已达到优化削峰平谷、提升电网运行效率的目标。如智能家电参与互联电力系统，可以优化家庭从电网中获取电力的方式，从而降低用电费用。根据IEA的预测，“智能需求响应”可以为电力系统提供185 GW的灵活性，节约新建电力基础设施投资2700亿美元。
三是数字化能够释放电动汽车的能源调蓄潜能。电动汽车智能电力管理技术可以优化充电基础设施和电网配置，将电动车充电的时间和地点安排到电力需求低而供应充足的时段和设施，从而释放其对电网系统的缓冲和调蓄作用，提升电网的灵活性和适应性。
四是区块链技术能够推动电网系统的去中心化。区块链技术的应用更有利于分布式发电设施接入电网，促进诸如家用太阳能光伏板和储能装置之类的分布式能源发展。同时，区块链技术在可再生能源的溯源、计量和核算等方面的优势，以及智能合约技术的应用，可以使生产者更容易储存和向电网出售富余电力，数字化区块链等新工具可以帮助促进本地能源社区内的点对点电力交易。
2、数字化对能源消费的影响
数字化技术在交通、建筑、工业等领域的应用，能够能源利用效率，改变传统的能源消费模式。但技术的反弹效应也可能带来能耗总规模的上升，数字化对能源使用的总体净影响还存在一定的不确定性。
在交通运输领域，运输目前占全球最终能源需求的28%，占全球燃料燃烧二氧化碳排放量的23%。数字技术与人工智能在各种运输方式中的应用，共同构成智能交通系统，能够大幅提升交通系统的安全性、可靠性和效率。自动驾驶技术、交通工具信息互联、基于GPS的路线优化信息推送、供应链企业数据共享等一系列数字化技术能够显著提升燃油经济性，降低交通运输领域的能耗。根据国际能源署（IEA）的报告《卡车的未来》，在卡车运营和物流管理中应用数字解决方案，能够使公路货运的能源消耗量减少20-25%。
图1 数字化对公路货运能源使用的影响（2015-2020）
资料来源：IEA, The potential of digital business models in the new energy economy[R]. (2022)
在建筑领域，建筑物占全球最终能源消耗的近三分之一和全球电力需求的55%。数字化技术能够通过传感器优化照明和温控的方案，并通过数据分析预测用户行为、调整建筑物的能源负载，并制定节能、维护计划，从而降低能耗。根据IEA的预测，仅智能恒温器和智能照明等数字化技术在建筑领域的应用，到2040年，就可以累计节能量将达到65PWh，相当于非经合组织国家2015年最终能耗总量。
图2 建筑中数字化带来的节能量
资料来源：IEA, The potential of digital business models in the new energy economy[R]. (2022)
在工业领域，工业占全球最终能源消耗的38%左右，占二氧化碳排放总量的24%。工业数字的应用起步较早，应用的领域也较为广泛，数字技术可以对设备、工厂和区域的能源系统进行优化或重新设计，从而改变这些工业过程的碳足迹。将数字化技术应用于过程控制，将智能传感器和数据分析相结合来预测设备故障，能够实现节能和提升成本效益的双赢。多种数字技术的组合使用也能够使得能源和材料使用效率成倍增长。
3、数字化对能源生产的影响
数字化对能源生产端也具有积极影响，无人机和遥感、移动互联和平板设备、数字孪生等数字技术的应用能够提升能源行业的生产效率和安全性。
在传统能源生产领域，石油和天然气行业应用数字技术的时间较长，根据IEA的测算，通过应用更加先进的地球探测传感器、数据处理模型，能够将开采的油气资源可以提高5％左右，使生产成本降低10％到20％。在煤炭行业，数字技术越来越多地被用于地质建模、流程优化、自动化、预测性维护以及改善工人的健康和安全。在电力行业，数字化能够降低运营和维护成本，提高发电厂和电网效率，减少意外停电和故障时间，延长资产的使用寿命。据IEA的测算，数字化每年可以带来约800亿美元的成本解决潜力，大约占全年发电成本的5％。
在新能源生产领域，应用无人机进行风电设施的检查可以提升安全性，使用卫星数据绘图等遥感技术能够更加准确评估风力资源资产，优化风电设施的布局，基于物理联网的自动数据收集可以为工作流优化提供依据支撑，数字孪生在风力发电或分布式发电设施中的应用能够延长设备寿命，提升设备的可靠性。
二、能源数字化革命的风险和困难
能源数字化的重要性已经得到企业、政府的普遍认同，能源公司对数字技术的投资也急剧增加。据IEA统计，自2014年以来，全球对数字电力基础设施和软件的投资每年增长20%以上，2016年达到470亿美元，已经比全球燃气发电投资（340亿美元）高出近40%。但目前对数字化仍存在误解，对潜在风险的认识仍然不够充分。能源企业在数字化转型中仍存在技术、人才、战略的短板，政府对数字化转型的监管，以及相关制度建设仍然滞后。
1、企业对数字化的认识尚不全面
能源企业对数字化的重视程度非常高，但对数字化的认识仍存在一定局限性。DNV调查了全球1919家能源企业，有41%的企业将数字化作为面向公众战略的核心，有87%的企业认为数字化是公司战略的重要组成。但有41%的企业认为数字化意识不足是推动数字化转型的最主要障碍，仅有20%的企业认为其数字化水平领先于行业。
目前能源企业对数字化转型的认识仍然局限于效率提升领域，对商业模式、产品和服务等领域数字化转型的认识仍然相对滞后。DNV的调查显示，有89%的企业将提升效率作为数字化转型的关键目标，仅有54%企业将产品和服务创新作为数字化的关键目标。有66%的企业将数字化转型投资投向数字工作流和自动化领域，说明当前企业更加关注效率提升和设施的数字化，对未来商业模式的数字化转型仍然相对滞后。
2、网络安全和隐私风险增大
能源的数字化转型，尤其是物联网（IoT）技术在能源基础设施、用电设备中的广泛应用，将会增大能源系统中潜在的“网络攻击面”，增加网络安全风险。因此，许多能源企业都将信息安全作为数字化转型中的最为重要的领域，DNV的调查显示，超过60%的企业将数据安全作为企业数据管理中优先级最高的需求。此外，为提升能源系统对需求侧的适应性，越来越多的连接设备和电器成为分析用电负荷曲线的数据源，例如，智能电表收集的家庭能源使用数据可用于判断某人何时在家、何时淋浴或泡茶。在数据收集和分析中，个人隐私存在泄漏的风险。
图3 能源企业对数据管理需求的优先级排序
资料来源：DNV, Digitalization and The Future of Energy[R]. (2019)
3、具有数字技能的劳动力紧缺
能源基础设施的数字化转型，需要依赖具有编码和网络安全等ICT技能的工人。而随着能源系统的数字化水平提升，各个能源部门都需要大量具有ICT技能的员工来操作和应用数字技术。对能源企业而言，相关技术人才的短缺已经成为数字化转型中的主要瓶颈，DNV的调查显示，有39%的企业认为数字化技能不足是数字化的障碍，有71%的企业愿意在数字技能培训领域加大投资。
三、推动能源数字化革命的政策建议
推动能源数字化革命，发挥数字化的赋能作用，规避其潜在风险，还需要完善的基础设施，以及健全的政策和市场制度作为支撑。
一是推动数字基础设施升级，提升其性能和覆盖范围，强化设备连接和数据传输的稳定性。建立高效可靠的电力基础设施，加快智能电表的部署，完善能源数字化转型的生态体系。
二是完善监管框架，明确界定分布式能源（DER）利益相关者的权责，如美国联邦能源监管委员会颁布的第2222号命令，允许美国DER参与电力市场竞争，在2021年已促成了超过12亿美元的虚拟发电厂投资。
三是加快建立数字化设备和设施标准体系，提升设备、平台和系统的兼容性、互操作性。如英国能源网络协会（ENA）出台的智能热泵和车辆接入电网的标准。
四是完善网络安全和隐私保护的制度体系，规范第三方对客户数据的访问。政府与相关利益攸关方可以通过监管框架、制定最佳实践指南、国际认证或其他类似机制，提升数字能源体系的安全性和复原力。如欧盟2019年的电力市场指令要求承担计量设备“安装、操作、数据处理和维护”的第三方遵守严格的欧盟数据保护和隐私规则。
五是推动全社会数字技能提升和数字知识分享，鼓励私营部门、政府和国际机构开展多样化的数字技能培训，针对低收入者和偏远地区开展免费的数字技能培训，提升数字公平性。
参考文献
[1] IEA, The potential of digital business models in the new energy economy[R]. (2022)
[2] IEA, Digitalization and Energy[R]. (2017).
[3] Adrian Booth, Nikhil Patel, and Micah Smith (McKinsey), Digital transformation in energy: Achieving escape velocity[R]. (2020).
[4] DNV, Digitalization and The Future of Energy[R]. (2019)
（张文博，上海社会科学院生态与可持续发展研究所助理研究员）
