打造智慧城市所面臨的能源問題

(圖源：CreativeIMGIdeas/stock.adobe.com；使用AI生成）

智慧城市向去碳化的轉型不僅僅是為了實現凈零碳排放目標，更在于實現能源的智慧使用。作為數據驅動的系統，智慧城市依賴傳感器所采集的信息來指導決策過程。

例如，德克薩斯州奧斯汀市投資建設了智慧電網基礎設施，希望它能根據實時需求動態地輸送和分配能源。^[1]這種智慧能源模式的關鍵在于公用事業客戶，他們可以通過使用應用程序監控和管理自己的能源使用情況，從而發揮積極作用。

提升能源效率已迫在眉睫。在移民潮與人口增長的雙重壓力下，城市中心正面臨前所未有的負荷。根據世界銀行的數據，到2050年，全球將有70%的人口居住在城市。^[2]與此同時，極端天氣事件的頻發進一步加劇了能源系統的脆弱性，導致供應中斷，進而在惡劣條件下引發關鍵能源需求。為應對這一日益嚴峻的挑戰，城市亟需構建智慧能源系統。本文將探討智慧能源系統如何為應對城市日益增長的電力需求帶來希望，并深入分析部署此類基礎設施所面臨的挑戰。

借助智慧能源系統提升效率

智慧能源系統如何提升效率？通過持續監控，這些系統能夠從被動響應轉變為主動調節。能源分配是分散的、雙向的，這意味著包括微電網在內的多個電網都會向分布式能源系統供電。與此同時，電網也支持可再生能源（如來自住宅太陽能電池板或風力發電場的電力）反向饋入系統。此類系統的輸入和輸出都很復雜，并以數據為基礎，其中大部分數據來自物聯網 (IoT) 傳感器。盡管這種復雜性帶來了諸多挑戰，但只要配備合適的策略和工具，這些挑戰都可以迎刃而解。

智慧城市建設的多維挑戰

盡管智慧能源系統被視為應對城市人口快速增長的潛在解決方案，但要實現這一目標，仍需克服諸多障礙。除了技術層面的瓶頸外，最大的挑戰之一可能在于政府是否具備足夠的公共意愿來推動相關法規的制定，并為這些可能需要多年才能落地的基礎設施項目提供持續的資金支持。在技術方面，智慧城市面臨著諸多問題，包括新的能源消耗和發電模式、傳統基礎設施的局限性以及網絡安全漏洞。

新的能源消費和發電模式

傳統的能源供應模式是能源從中央發電機流向配電系統，再流向住宅和商業單位，而智慧城市則利用分布式能源系統進行更有效的管理。傳統電網在設計上無法處理太陽能發電場等來源的電力輸入。現在的電網不僅要處理多樣化的電力來源，還要適應這種電力供應的雙向流動。

先進的電網管理系統需要處理來自傳感器等多種來源的實時數據，以動態調整供需關系。小型本地微電網可減輕主電網的壓力，并將能源有效地輸送到主要區域。

傳統基礎設施和網絡安全問題

當數以百萬計的物聯網設備連接至智慧電表或其他終端設備，并進一步接入電網時，任何一個薄弱環節都可能危及關鍵的公共基礎設施，甚至導致整個城市系統癱瘓。在使用傳統基礎設施時，網絡安全問題尤為嚴峻，尤其是在信息技術系統與運營技術系統融合（即IT/OT融合）的過程中。 

持續的網絡監控、加密通信和零信任政策有助于保護智慧能源基礎設施。城市可選擇將檢測管理和響應服務外包給網絡安全專家，并定期進行 "消防演習"，以確保安全協議的完整性。

確保無中斷服務

不幸的是，網絡漏洞并不是導致電網癱瘓的唯一途徑。極端天氣事件日益頻繁，可能導致電網長時間癱瘓，持續數小時甚至數天。此外，實時依賴可再生能源也可能存在一定風險，因為太陽能和風能發電要依賴特定的天氣條件。與此同時，改用電動汽車 (EV) 也會加劇電網負荷，尤其是在大量用戶選擇在下班高峰時段集中為車輛充電的情況下。此外，隨著氣候變暖，空調使用量的增加也會給電網帶來壓力。 

這些因素加在一起，有可能導致服務中斷，增加停電的幾率。尤其是在大量用戶選擇在下班高峰時段集中為車輛充電的情況下。

一種可行的解決方案是，使用電池組作為儲能解決方案，在可再生能源產能下降時進行調度使用。通過這種方式，可以鼓勵消費者在非高峰時段使用能源，從而幫助降低負荷。

人工智能 (AI) 在分析大量數據以及預測消費者和電網行為方面發揮著重要作用。借助這些預測能力，智慧城市能夠從被動響應轉變為主動管理，從而更有效地應對能源挑戰。許多初創企業和公司正致力于解決智慧城市能源交付的各類問題。例如，總部位于英國的Octopus Energy公司使用先進的AI技術優化能源從發電廠到用戶的分配過程^[3] ，其智慧電網平臺通過平衡負載確保能源高效輸送。為了構建完整的智慧基礎設施，Octopus Energy安裝了智慧電表、電動汽車充電樁和熱泵。與此同時，總部位于蒙特利爾的 BrainBox AI公司則利用AI優化暖通空調技術，讓建筑更加智慧和環保。^[4] 

以智慧能源共繪綠色未來

城市中心面臨著各種能源挑戰：極端天氣和人口增長導致的需求增加，以及數據中心業務的擴展。雖然智慧城市電力管理因其錯綜復雜而看似令人生畏，但通過技術創新與精心設計的政策框架相結合，這一切都可以得到有效管理。

資料來源

[1]https://austinenergy.com/about/company-profile/electric-system/integrated-smart-grid
[2]https://www.worldbank.org/en/topic/urbandevelopment/overview
[3]https://octopusenergy.group/kraken-flex
[4]https://brainboxai.com/

關于作者

Poornima Apte是一位從工程師轉型的撰稿人，專注于B2B領域的機器人、人工智能、網絡安全、智能技術和數字化轉型。