论文标题：Characterization of Energy Profile and Load Flexibility in Regional Water Utilities for Cost Reduction and Sustainable Development

论文链接：https://doi.org/10.3390/su17083364

期刊名：Sustainability

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sustainability

随着废水处理的环境与经济需求不断增加，水务公司的电能消耗量也持续攀升。面对能源需求的持续增长、能源成本的不断上升以及实现净零排放的目标，水务行业亟待迈向可持续的能源未来。而这一目标的实现，可通过整合现场可再生能源（RESs）、能源存储、需求管理以及参与需求响应（DR）计划来达成。来自澳大利亚联邦大学的Andrew Barton教授及其研究小组，利用数据驱动的方法分析了水务公司的能源概况和负荷灵活性，通过利用区域水务公司的可再生能源（RESs），探索了降低能源成本的途径。此外，该研究还评估了不同类型的水务公司参与DR的潜力，涵盖了峰值负荷转移和电池存储装置等多个方面。这些研究成果，为水务运营商、政策制定者以及研究人员提供了极具价值的参考，展现了有效的能源管理策略在降低成本的同时，如何有力地推动可持续发展的进程。

2014 - 2040年水务部门用电量

研究过程与结果

据国际能源署（IEA）的报告，全球水务行业的能源需求预计到2040年将翻一番，这不仅导致运营成本上升，还会带来诸多负面的环境影响。区域水务设施由于占地面积较大，有更多机会整合现场可再生能源，如太阳能光伏、风能和水能。此外，一些水务设施可以利用其运营过程中产生的副产品——沼气来发电。通过需求响应机制，利用现有的负荷灵活性，既可以降低运营成本，又能为电网提供辅助服务。

研究采用了以下步骤进行数据分析和机会评估：

数据收集：从两个澳大利亚水务公司收集了四个区域站点的能源进出口数据、水相关数据（如流量、流速和水位）以及天气数据。由于部分数据缺失，研究团队通过线性插值等方法对数据进行了清洗和补充。

数据清洗与准备：由于数据来源多样，存在时间不同步、数据缺失等问题，研究团队开发了Python脚本对数据进行清洗、填充和提取。数据被转换为30分钟的时间间隔，以适应澳大利亚电力市场价格每30分钟变化一次的特点。

能源消耗特征分析：通过对四个站点的能源消耗模式进行分析，发现水处理厂的能源消耗因不同处理过程的开启和关闭而频繁变化，而水泵站的能源消耗则相对稳定，但存在季节性变化。

需求响应（DR）潜力评估：研究评估了通过峰值负荷转移来降低能源成本的潜力。通过将不同比例（5%、10%、15%和20%）的峰值负荷转移到非峰值时段，计算了各站点的能源效率指数（EEI）和潜在节省成本。结果显示，三个站点在5%的负荷转移后实现了经济运营状态，而一个站点即使在20%的负荷转移后仍处于非经济状态。

可再生能源整合与电池储能评估：研究还评估了在现有和计划中的太阳能光伏项目基础上，安装电池储能系统的潜力。通过模拟不同太阳能容量下的能源生成数据，研究发现，随着太阳能容量的增加，能源出口潜力显著提高。使用电池储能将多余能量储存并在高峰时段使用，相比直接出口到电网，可以实现更高的节省。

研究结果表明，通过需求响应和可再生能源整合，区域水务设施可以显著降低能源成本并提高可持续性。例如，A1站点在整合储能与现有光伏后，额外节省了54600澳元。研究还发现，随着太阳能容量的增加，总节省额可增加高达60%。这些发现为水务设施运营商、政策制定者和研究人员提供了宝贵的见解，展示了有效的能源管理策略如何在降低成本的同时提高可持续性。未来的研究应关注扩展可再生能源选项、纳入基于人工智能的预测模型以进行负荷预测，并评估需求响应参与的长期财务效益。

一周内批发和零售电价变化：(a)维多利亚州澳大利亚NEM电力现货价格变化（2018年7月23日至29日）和(b)零售电价

研究总结

本文聚焦于澳大利亚区域水务设施的能源消耗特征与负荷灵活性，探索通过需求响应（DR）、可再生能源整合以及电池储能安装来降低成本并推动可持续发展的可能性。研究选取了维多利亚州的四个区域水务站点，涵盖两个水处理厂和两个水泵站，对其2018年的数据进行了深入分析。

研究结果显示，通过实施20%的峰值负荷转移，四个站点的电力账单节省额分别达到了60697澳元、1037澳元、12082澳元和6448澳元。此外，研究还发现，将太阳能光伏与电池储能系统相结合，能够进一步提升成本节省效果。以A1站点为例，在整合储能系统与现有光伏设施后，该站点额外节省了54600澳元。随着太阳能容量的逐步提升，能源出口潜力也显著增强。 而且，相较于直接将多余能量输送至电网相比，利用电池储能系统在用电高峰时段释放能量，能够实现更高的节省效益。

Sustainability 期刊介绍

主编：Marc A. Rosen, University of Ontario Institute of Technology, Canada

期刊涉及人类的环境、文化、经济和社会可持续性，为有关可持续性和可持续发展的研究提供了一个高级论坛。目前期刊已被SCIE，SSCI (Web of Science) 和Scopus等数据库收录。