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实现净零排放的能源系统数字化：2021 年战略与行动计划
今年 4 月，英国政府宣布了一项世界领先的气候变化目标（第六个碳预算），即到 2035 年将排放量在 1990 年的基础上减少 78%，并努力到 2050 年实现温室气体净零排放。在能源领域，我们需要部署数百万种低碳技术，包括太阳能电池板、热泵和电动汽车。来自太阳能和风能的电力需要与我们的家庭、企业和汽车的能源需求逐秒平衡。电力将被储存起来以备不时之需。消费者将能够从一系列智能技术、关税和服务中进行选择，以最大限度地利用可再生能源，同时保持低账单。这种未来“灵活”的低碳系统的好处是显而易见的，它可以更快、更低成本地脱碳，并降低消费者的账单。然而，只有我们在整个能源系统中利用数据和数字化的力量，这才有可能。我们需要迅速采取行动；如果系统灵活性没有显著提高，实现第六个碳预算目标所需的电力行业深度脱碳将非常困难。
![arXiv:2502.00065v1 [q-bio.QM] 2025 年 1 月 30 日](/simg/g:\will\search\icon\source\c\c4bb3d28f2e35e0b3331869f2be07f14dc995478.webp)
arXiv:2502.00065v1 [q-bio.QM] 2025 年 1 月 30 日
摘要。1 型糖尿病是一种慢性自身免疫性疾病，免疫系统会攻击并破坏胰腺中产生胰岛素的 β 细胞，导致胰岛素分泌很少或完全不分泌。胰岛素帮助血液中的葡萄糖进入肌肉、脂肪和肝细胞，以便它们可以将其用作能量或储存起来以备后用。如果胰岛素不足，就会导致糖在血液中积聚并导致严重的健康问题。1 型糖尿病患者每天都需要合成胰岛素。在糖尿病管理中，持续血糖监测是一项重要功能，可提供近乎实时的血糖数据。它有助于决定合成胰岛素的剂量。在这项研究工作中，我们使用机器学习工具、深度神经网络、深度强化学习以及投票和堆叠回归器，使用最新的 DiaTrend 数据集以 30 分钟的时间间隔预测血糖水平。预测血糖水平有助于建立更好的糖尿病管理系统。使用几个评估指标比较了训练后的模型。我们的评估结果展示了不同血糖条件下各种模型对血糖预测的性能。该作品的源代码可以在以下位置找到：https：//github.com/soon-jynn-chu/t1d_bg_prediction
社论：Power-to-X 的进步：流程、系统和部署
剩余电力的储存对于促进间歇性可再生能源技术大规模融入能源系统至关重要。在这方面，电转X (PtX) 技术是一种很有前途的方法，可以将多余的可再生电力转化成合成燃料、化学品和其他能源载体并储存起来，有助于实现重型/长途运输和工业等难以减排行业的脱碳 (Lund et al., 2015)。然而，PtX 技术的进一步发展面临着巨大的挑战，包括工艺效率限制、用于加氢的经济实惠的 (准) 碳中性二氧化碳 (CO 2 ) 源有限以及经济方面 (Eveloy, 2019)。必须克服这些挑战，PtX 产品才能在经济和环境影响方面与传统和其他替代能源载体竞争。本期《能源研究前沿》特刊旨在介绍 PtX 领域的最新进展，并确定挑战和未来的研究需求。该合集汇集了来自欧洲、澳大利亚和美国的学术界、政府和工业界的研究人员撰写的 9 篇研究、评论和观点文章。这些文章的主题在此分为三个领域，即 PtX 流程（4 篇文章）、系统（3 篇文章）和部署（2 篇文章）。
地热能与可再生能源技术的比较
• 除了为您的房屋供暖和制冷，地热还可以通过大多数设备标配的减温器抵消您的热水加热成本。• 地热不受天气影响。它在寒冷、下雪的天气下和室外 100 度时一样高效运行。• 地热供暖和制冷系统的低运行成本和功耗有助于降低住宅的电力需求。• 低运行成本和功耗有助于降低对公用设施系统的总体需求，从而减少对更多峰值容量的需求。• 当地热装置的使用寿命结束时，只有一个中等大小的内部装置需要拆除和回收。当 30 块太阳能电池板的使用寿命结束时，您会如何处理它们？• 地热没有在屋顶或院子里安装任何难看的设备。一切都位于地下或房子里。• 您的电动暖通空调占您每月水电费的大部分。地热可以在为您的房屋供暖和制冷的同时抵消这笔大笔开支，而无需任何其他设备。 • 地热被认为是一种可再生的清洁能源，因为它利用了地球每天吸收的太阳能。48% 的太阳能被地面吸收并储存起来以备将来使用。• 与其他 HVAC 系统和可再生能源不同，地热热泵的性能不会在设备的整个使用寿命期间下降。
可再生能源系统中的能源存储概述 - HAL
可再生能源的发展和对减少二氧化碳排放的运输方式的需求引起了人们对存储的新兴趣，存储已成为可持续发展的关键组成部分。储能是可再生能源工厂的主导因素。它可以减少电力波动，提高系统灵活性，并能够存储和调度风能和太阳能等可变可再生能源产生的电力。电力系统中使用不同的存储技术。它们可以是化学或电化学、机械、电磁或热存储[1-12]。一般来说，储能设施由存储介质、电力转换系统和工厂平衡组成。对于电化学存储，有许多不同类型的电池，其中大多数都需要进一步研究和开发。在光伏系统中，可以使用几种类型的电池：镍镉 (Ni-Cd)、镍锌 (Ni-Zn)、铅酸。然而，它必须具有一些重要的特性，例如高充电或放电效率、低自放电、循环充放电下的长寿命。对于氢能存储 (HES)，氢气系统通常由电解器、加压气罐和燃料电池组成。电解器在发电过剩期间将电能转化为氢气形式的化学能。这种氢气被储存起来，直到电能短缺，然后由燃料电池（氢气和空气氧气）将其重新转化为电能，为发电厂的负载提供能量。氢气
慢波睡眠期间的长期记忆形成
摘要 我们在慢波睡眠期间没有反应，但会继续监测外部事件以求生存。当危险迫在眉睫时，我们的大脑会唤醒我们。如果事件没有威胁性，我们的大脑可能会将它们存储起来，以便以后考虑，从而改善决策。为了检验这一假设，我们检查了由同时播放的伪词和翻译词组成的新词汇是否会在睡眠期间编码/存储，以及哪些神经电事件有助于编码/存储。一种大脑状态依赖性刺激算法选择性地将词对定位到慢波峰值或波谷。检索测试分别在 12 小时和 36 小时后进行。这些测试需要对之前睡眠中播放的伪词的语义类别做出决定。如果定位到波谷，睡眠中播放的词汇会在 36 小时后影响清醒时的决策。这些单词的语言处理提高了神经复杂性。在随后的峰值期间，单词的语义联想编码得到了增加的 θ 功率的支持。快速主轴功率在第二个峰值期间增加，可能有助于巩固。因此，慢波睡眠期间所学的新词汇会被储存起来，并影响几天后的决策。
利用甲烷发电技术进行季节性储能
要实现可持续发展的社会，不可避免地需要使用可再生能源来发电。由于其中一些能源（风能、太阳能）对天气的依赖性，必须使用公用事业规模的能源储存。这些波动范围从几分钟（云层飘过）到整个季节（冬季/夏季太阳能可用）。短期储存可以通过电池解决（至少在理论上）。然而，由于可储存能量的数量和某些储存方法的自放电，季节性储存仍然是近期需要解决的挑战。最近，在经典的长期储存技术（如抽水蓄能）中出现了新方法。电池越来越好，自放电更少，能量密度更大；因此，它们可以用于季节性储存，尽管它们不能满足总需求。因此，电转气方法（主要是电转氢，P2H 和电转甲烷，P2M）在储存组合中发挥着越来越大的作用。在这些方法中，多余的电力用于电解水并产生氢气；然后可以将其储存起来并在以后用于回收电力。由于长期储存氢气的技术困难，替代方法（例如电转甲烷或电转氨）也是有吸引力的解决方案。在电转甲烷技术中，可以通过化学或生物化学方法将添加二氧化碳的氢气转化为甲烷。甲烷可以储存起来并在以后用于回收电力。比较P2H和P2M方法，P2H的能量回收率更高，但无损储存和回收需要特殊设备。相比之下，对于P2M（即生产的甲烷SNG，即合成天然气），可以利用现有的储气设施进行储存，并通过现有的成熟方法（例如燃气发动机）进行回收。虽然电力回收与二氧化碳排放有关，但排放量与用于合成的二氧化碳相等；因此，该技术也可以被视为无碳技术。氢气转化为甲烷有两种成熟的方法：化学方法和生物化学方法。化学方法（即所谓的 Sabatier 反应）快速高效，但它是一种高压高温反应，需要在特殊设备中进行；此外，它可能需要难以获取的金属进行催化。尽管有时速度较慢，但生物化学法是一种利用微生物的低温低压方法；有些微生物甚至可以在沼气设施中找到。生物化学法的另一个优势是它可用于 CH 4 /CO 2 混合物，即它可以将沼气浓缩为 SNG。本期特刊专门介绍生物化学电转甲烷技术。P2M 技术现在即将全面投入工业使用；因此，专门介绍这种方法的特刊非常及时。本文涵盖的主题范围从基础生化研究到各种存储方法的比较，再到完整的能源存储解决方案。能源结构中依赖天气的可再生能源所占比例不断增加，迫使研究人员寻找新的能源存储解决方案，以满足时间平衡的需求。Sterner 和 Spechts [ 1 ] 在他们的论文中描述了 30 年的发展历史，这导致了“电转一切”（包括电转甲烷和其他电转燃料）技术的出现。
生物能源助力绿色经济
2.1 先进生物燃料 先进生物燃料可以在替代化石燃料和减少排放方面发挥重要作用，但由于技术、经济和基础设施问题，许多生物燃料尚未完全建立。主要挑战之一是可持续生物质的成本和经济上可行的转化技术的准备情况。规模效应是生物质生产和转化的重要因素。大规模生物质生产需要大面积，这可能具有挑战性。依靠可持续生物质和多种作物等最佳农业实践是关键要求，因此即使是传统的废物转化过程也可以显著升级，以更好地与生物燃料合成过程相结合，从而实现有机原料成分的更高价值增值。从各种废物和残留物（农业残留物、城市垃圾的有机部分、污水污泥等）生产沼气并升级为生物甲烷已成为一种很好的选择，现在可用，用于运输中的车辆燃料和绿化绿色天然气网络。生物甲烷还可用作原料和天然气的替代品，以生产一系列生物基化学品。生物甲烷还可以储存起来以备将来使用，例如使用压缩天然气 (CNG) 和液化天然气 (LNG) 加气基础设施以液化生物甲烷 (LBM) 或压缩生物甲烷 (CBM)。还应注意的是，中间生物质能载体与绿色氢（化学结合到例如液体载体上）相结合，为短期和长期的能源储存提供了一种有趣且经济有效的方法。
将新型化学链燃烧反应器集成到热化学储能系统中
本研究分析了备用电源工艺的性能，该工艺使用新型化学循环填料床空气反应器氧化一批还原固体，同时加热高压流动空气。在这种布置中，固体被垂直于主空气流的扩散控制氧气流缓慢氧化，因此对所有反应粒子施加了非常长的氧化时间。由于随着反应的进行，O 2 向未反应的氧载体颗粒扩散的阻力增加，可以预期反应堆的热功率输出会随着时间的推移而衰减。在这项工作中，研究了反应堆和发电厂形成的动态系统的集成，发电厂利用反应堆的可变热输出来发电。评估了不同的案例研究，以实现能源生产的脱碳和可再生能源的储存。在所有情况下，反应堆的最大额定功率输出为 50 MW th，采用铁基或镍基颗粒作为氧载体。壁孔附近的质量和热传递的简化模型允许定义操作窗口和反应堆尺寸。在所选的案例中，每个单反应器在放电模式下运行约 4 – 5 小时（取决于工厂配置），作为备用发电机，将压缩空气流加热至约 1000 ◦ C，能量密度在 816 至 2214 kWh th /m 3 之间。研究了集成在新型化学链燃烧 (CLC) 反应堆中的回热式、蒸汽喷射式和联合循环发电厂架构中的燃气轮机。对于使用单反应器配置并通过有机朗肯循环 (ORC) 底部系统利用余热发电的系统，计算出循环效率高达 49%。还研究了一种更灵活的多反应器配置，以解决放电期间不可避免的功率输出衰减并提供功率输出可控性。当使用 H 2 作为还原气体时，平准化电力成本 (LCOE) 估计与文献中的系统元素相当。在能量充注阶段使用沼气还原固体被发现特别有利，对于使用铁基固体的参考反应器系统，LCOE 值介于 ~ 120 至 175 欧元/兆瓦时之间。如果在还原阶段捕获的 CO 2 被储存起来，这还可以实现负 CO 2 排放。
区域能源摘要
本期《区域能源摘要》重点介绍与建筑物空间供暖相关的能源储存，特别是热能储存（TES – 热水或加热固体）和电力储存（电池）。还有许多其他类型的能源储存，包括化石燃料储存（例如天然气 – 见下文）。储存的一个原因是在极寒天气期间提供足够的供暖能源，即使平均气温上升，这种情况也可能持续数十年。如果 1 月份室外温度通常平均为 -5⁰C，几天内降至 -25⁰C，那么在寒冷天气期间每小时供暖所需的能源几乎可以翻倍。3 GTHA 几乎所有的空间供暖都使用天然气。供应商通过使用夏季注入大型地下设施的天然气来可靠地满足高需求。（满足高需求的一种可能不太可靠且肯定更昂贵的方法是提供从源头到安大略省市场的足够管道容量。）满足需求峰值是储存的一个重要原因，因为如果不能满足寒冷天气的供暖需求，人们可能会死亡。储能可以适应间歇性供电。太阳能可以在白天储存起来，供晚上或冬天使用。储能可以平衡风力发电的变化。储能可以帮助利用价格差异。可以在非高峰时段储存能源，以便在高峰需求时段提供低成本供应。本文摘的关键信息是，在可以使用 TES 的地方，它通常是空间供暖的更好选择，而不是储存以后用于产生热能的电力。与将电能储存在电池中相比，TES 更实惠、更环保。此外，TES 更适合季节性储存，即在夏季收集热量供冬季使用。单个建筑物可以拥有自己的 TES，但 TES 通常是区域能源系统 2 的一部分，以便从大规模经济中受益。4 下文还涉及空间冷却的储存，但关注较少，因为在安大略省，也许在 GTHA，空间供暖涉及的能源使用量是空间冷却的 14 倍，并且可能占温室气体排放量的很大一部分。 5 到 2050 年，随着全球变暖加剧，供暖所需的能源仍可能比制冷多很多倍。