當能源充滿智慧

韓曉平

曾預言電磁波存在的英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwel)為了挑戰熱力學第二定律(熵定律),在他1871年出版的《熱理論》一書中,作出了一個近乎瘋狂的假想。他設想用一隔板將一個封閉的盒子隔為兩半,在隔板上開一個只能由微粒通過的閘門,讓一個極其微小而充滿智慧的精靈控制。精靈若允許速度快的微粒通過閘門到盒子一邊,速度慢的到另一邊,一段時間后,盒子兩邊便產生了溫差,恢復了能量交換,熵便可被控制。這個精靈就是物理學中的“麥克斯韋妖”,科學家們為此爭論了近一個世紀。

1956年法國物理學家L.布里淵(L.Brillouin)發表《科學與信這些電源管理起來,息論》專著,將信息與統計物理聯系起來考慮,通過信息的負熵原理解答了”麥克斯韋妖”的難題。他得出的結論“信息等于負熵”。對于未研究熱能物理學的讀者也許會一頭霧水,難以理解上述問題,其實這兩個物理學家預示了一個極其重大的發現,這一發現將會徹底影響我們從現在開始,至此之后的時代,將徹底改變我們每一個人的生活。

什么能源最清潔?

如果問及我們這樣一個問題:什么能源是最清潔、高效的,對人類和生態環境影響最小?我們或許會回答是“可再生能源”。其實,從熵定律的角度看,宇宙間絕不會存在沒有代價的能源,而代價必定超出所得。風力發電機的葉片會打死大量遷途的候鳥,使人類不得不增加殺蟲劑的施用量,增加了人類患其他疾病的代價;太陽能硅晶電池制造中帶來巨大能耗和大量污染物,生產多晶硅的副產品——四氯化硅是一種有毒且難以處理的廢棄物質,它會徹底毀滅植被,將土地變成不毛之地;農民將秸稈送到數十公里外的秸稈發電廠,不得不消耗更多稀缺珍貴的石油資源。在這個地球上,無論是廣義的,還是狹義的“永動機”都不可能存在,任何能源都有代價,只是有些代價我們不得而知,或者暫時可以承受。

但是,世界上確實存在一種代價不對稱的能源,也是最清潔高效的能源,這就是“節約下來的能源”。如果你既知道為什么節能,又知道怎樣節能,并就此付之行動,那么你節約下來的能源供給他人時,就是最清潔、最高效、對人類和生態環境影響最小的能源。如何讓你既知道為什么節能,又知道怎么節能呢?只有通過信息的傳遞。所以,麥克斯韋和布里淵的研究的結果告訴我們,信息將成為一種特定意義的全新的能源形式,它將依附于各種節能理念、節能知識、節能機制和節能技術的進步上,大幅度提高人類的能源使用效率,節約更多的能源以滿足新的需求。

能源技術進步是文明的根本動力

有一個不爭的事實,隨著人們對世界觀察的深入,人類與動物的分水嶺既不是有“組織的勞動”,也不是“會制造工具”。在這個地球上只有一種動物會駕馭火,而駕馭火的動物就叫“人”。所謂“駕馭火”就是會使用火并能夠傳遞與此相關的信息。胡錦濤總書記曾說:“縱觀人類社會發展的歷史,人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替?！彼?能源技術的進步一直就是人類文明的根本動力。

人類駕馭的火,開始攝入熟食,更易消耗,更易吸收,大腦得到空前發展。攜帶火種使我們的祖先敢于四處狩獵,走出非洲向全世界遷移;用火制造陶器,使祖先們可以不僅僅依賴動物蛋白,開始生產和大量食用谷物,讓更多的人聚集生活,彼此增進知識,建立了石器文明;木炭是人類制造的第一種“二次能源”產品,它幫助人類置換銅鐵礦石中的氧化物,獲得金屬制造工具和武器,建立了農耕文明;瓦特發明了蒸汽機,利用煤炭及煤氣建立了早期工業文明;電力、石油及內燃機的出現,建立了直至今日的后工業文明。

今天我們正在步入信息文明時代,我們將面對的是怎樣的“能源的改進和更替”。經過200年的前、后工業文明,大量排放的溫室氣體已經使全球氣溫上升超過了0.74℃,20世紀全球海平面上升0.17米,南北極和喜馬拉雅山的冰川正在消融,極端氣候災害正在加劇,各種傳染病正在蔓延,應對全球變暖正在成為全人類的主要難題,或者走向一個全新的文明,或者坐等滅頂之災。

為保護共同的家園,節約能源,減少溫室氣體排放正在成為人類的共識。但是,節能和減排不能僅僅依賴人的自覺性,需要更多地依靠技術的發展,信息技術的進步已經為我們奠定了基礎,一場通過信息技術提高節能效率,為各種高效的分布式能源及可再生能源接入系統創造條件的新能源革命即將拉開序幕。

奧巴馬的新能源革命

美國人用自己的選票選擇了一位年輕的黑人,顯示了他們渴望變革的心聲。奧巴馬以349票大幅領先共和黨候選人麥凱恩163票,當選為美國第44任總統,成為美國歷史上史無前例的非裔總統。美國人選擇奧巴馬不僅是希望他以新的思維帶領美國走出當前的金融危機,更希望他能解決美國為能源到處打仗,因而犧牲無數年輕人的生命的問題;改變在全球變暖的危機前視而不見自私自利,為了眼前安逸和大企業利益不顧子孫后代生存空間這一現狀。奧巴馬在競選期間曾寫過一本《無畏的希望》,他說:“一個控制不了自己能源的國家也控制不了自己的未來?！彼J為:“增加美國競爭力最后一個關鍵投資是能源基礎設施,這一投資可以幫助美國走向能源獨立?！彼诰吐氀葜v中表示,將為企業興建電網與數字通訊網絡,連接彼此。將利用太陽能、風力和土壤作為汽車的燃料和工廠的能源。

奧巴馬當選后迅速選擇了諾貝爾物理學獎得主、2004年以來執掌美國新能源技術創新大本營——勞倫斯·伯克利國家實驗室的華裔新能源技術專家朱棣文出任美國能源部長。朱棣文認為,全球氣候變暖“是科學界面臨的最大挑戰”,地球為此面臨“突然、不可預知”的災難威脅。對于朱棣文的任命,在參眾兩院奇跡般地毫無異議地通過,體現了美國將參與并主導應對全球氣候變暖的決心。

聯合國氣候變化框架公約組織2009年首度氣候談判3月底在德國波思召開時,美國總統氣候變化問題特使托德·斯特恩宣布,美政府立場已發生重大變化,支持在哥本哈根氣候變化大會達成的“全球性”協議并將積極參加有關談判。美國對2020年的中期減排將承諾,奧巴馬正在提議美國將在2005年水平上,將溫室氣體減排16%~17%。

減排必須伴隨一場新的能源革命,按照目前的思維模式和技術方向是走不通的。美國即便如此現代化,人均能耗為7.87噸標準油當量,能耗依然還在增加,何況人均僅為1.41噸標準油當量的中國。奧巴馬渴望通過新能源革命來解決問題,其政府的新能源革命包含了一系列的新內容,核心是減少美國對外部能源的依賴,發展新能源和可再生能源,減少溫室氣體排放,在爭奪全球氣候變化斗爭領導權和控制權上重建、占據優勢地位,通過主導控制排放交易和制度設計繼續維持美元作為全球性主導貨幣的戰略地位,充分利用美國在技術創新、資本管理和制度優勢重新奪回經濟和技術的“制高點”。將重點放在普及發展智能電網(電網智能控制、電網數字化通訊和微電網控制)、分布式能源及可再生能源、超導、蓄能、新技術汽車(包括混合動力和電動汽車)等;為擴大天然氣(包括頁巖氣和可燃冰)的勘探開發、新型核能技術(包括先進的第三代反應堆、快堆和可控核聚變)、清潔煤、氫能等領域投資更多資金和政策支持。

中國開發新能源的歷史及現狀

2009年3月7日在全國政協會議上,國家發改委副主任兼國家能源局長張國寶憂心忡忡地說,如果我們再不重視,不能從一個更高的視野審視新能源發展問題,預計再過十年,將會突然發現,我們又落到別人后面了。到時候,我們即使想追也追不上了。他又說道,展望世界新能源發展趨勢,以美國為代表的世界發達國家,把發展新能源放在一個極其重要的戰略位置上來認識,作為應對當前金融危機、刺激經濟復蘇、增加就業機會的重要舉措,作為推進經濟長遠發展、創造新的經濟繁榮的重要引擎,作為搶占未來經濟制高點、繼續保持世界經濟主導地位的戰略產業,作為減少溫室氣體排放、爭奪全球氣候變化斗爭領導權和控制權的重要方面。

張國寶的話讓我們聯想起了中國近代史曾經的一幕幕悲慘場景,當1840年中國的國門被英國人的堅船利炮打碎后,中國未能跟上時代科學技術進步的潮流,此后中國不得不通過幾代人的前仆后繼,付出數以億計的生命,才重新屹立世界民族之林。正在我們奮力崛起之時,突然發現我們已經超越美國成為全球最大的溫室氣體排放國,成為世界的眾矢之的。如果世界就此轉軌,實行新的排放交易制度,中國可能再次陷入極大的被動,辛辛苦苦建立的能源系統和重化工業體系可能成為我們持續發展的最大制約。

2009年3月13日中科院長路甬祥說,全球性經濟危機往往催生重大科技創新和科技革命,1857年的世界經濟危機推動引發了以電氣革命為標志的第二次技術革命;1929年的世界經濟危機引發了第二次世界大戰后以電子、航空航天和核能等技術突破為標志的第三次技術革命。當前,無論是經濟社會發展的強烈需求,還是科學技術內部所積蓄的能量,都正在催生著一場新的科技革命。種種跡象表明,這場革命到來的時間不會很久遠,估計也就在未來15～20年。新能源很可能是未來新的經濟增長點,我們要以高度的危機感、緊迫感和責任感應對這次技術革命。

歷史的經驗告訴我們,美國總是能夠利用其制度和機制上的優勢,在每一次危機之后重新奪回世界的經濟、技術制高點,并依靠這種整體區位優勢從其他國家獲取巨額的利潤,保持它的霸主地位。這一次的新技術競爭中,對于全世界,更多的是制度和機制層面的挑戰。

一些類似“快魚吃慢魚”的IT方面的真理或將在智能電網方面再次應驗,因為先行者將成為未來標準的主導者,將會通過各種技術專利門檻坐收漁利,并利用技術進步和標準的更替來遏制在生產鏈下游的其他競爭者。

從IT到IET的革命

奧巴馬新能源革命的本質實際上是使能源系統適應于當前科技水平,使更多新的技術能夠構筑一個新的能源系統,將信息革命的成果與新能源革命進行深度的整合。

IT技術的發展成就已經遠遠出乎人們的想象,“只要給它提供一個平臺,它就可以向精靈一樣創造出無限的智慧”。70年代,為了應對蘇聯的核戰威脅,美國開始研究基于有線電話網路的數字通訊技術,直到90年代克林頓上臺后,在政府大力支持下進入了民用領域。特別是1998年6月微軟的瀏覽器和win98很好融合在PC電腦顯示屏上,使互聯網得以迅速成長,十年的時間創造了大量投資機遇、新技術企業和無數就業機會,創造了一個全新的經濟形態。人類將電話網絡作為平臺開放給IT技術,無數人的智慧就在這里匯集,成為人與人“溝通”的革命,以此為創造一個新的文明奠定了知識的基礎。

手機也是如此,十年前誰能想象擁有今天這樣一部手機,既是一部無線電話,也是一個互聯網終端,可以照相、錄像、錄音、聽音樂、聽廣播、收發短信、E-mail、電話簿、記事、字典、計算、日程表甚至看電影、當地圖、GPS定位、付款等等,今天我們仍然難以想象,再過十年手機還會干什么?

如果,我們將現在的能源系統,特別是電力網路系統作為一個新的信息平臺,未來世界將會發生什么樣的變化?實際上,美國要發展的智能電網就是要為各種新能源技術提供一個全新的能夠發揮無數人的創造力的智慧平臺,就是要實現將信息變為一種全新能源的革命。目前的IT技術進步的程度,對于ET技術而言,無論是美國的還是中國的,完全可以支撐在能源領域掀起一次深刻的革命。

通過發展以智能電網為核心的智慧能源系統,將能從根本上解決一系列影響能源可持續發展的難題:⑴通過信息控制技術實現精確供能,解決能源終端需求側的節能;⑵通過提升需求側管理(DSM)的響應能力,提高整體電力系統發電設備、輸電設備和配電設備的優化運行;⑶通過供需信息互動,解決分布式能源及可再生能源并網和供需匹配問題;⑷通過全系統各電源和需求互動互助,解決電網的供電安全;⑸為蓄電式交通工具和蓄電式農機設備的大規模使用,提供優化控制平臺;⑹為智能化電器和信息家電的發展,建立一個創新的平臺;⑺為建立有效的能源和環境的實時交易系統和配額交易體系,創造基本交易環境。

當能源充滿智慧

根據智能建筑專家的估計,如果在建筑物中大量采用感應、定位、智能控制和多能源優化等普通信息技術,以及分布式能源、熱電冷梯級利用和蓄能等成熟技術,實現了建筑的“精確供能”,就可以在人們需要的地方、需要的時間、需要能源的品種(電、熱、冷)有針對性地供應能源,以現有1/2能耗就可以維持比現在更加舒適的生活品質。

如果進一步進行建筑結構的圍護結構節能,并使用更新型的可再生能源、廢能回收技術等,建筑能源消耗還會減少1/2,也就是說未來1/4的能源足以讓我們生活得更好,更舒適。

一個建筑或一座工廠最大的電耗來自電機系統,如電梯、水泵、風機、空調、洗衣機、電冰箱等,一般電動機啟動負荷是正常運行時的5～7倍,采用變頻控制軟啟動技術也要1.5倍的電流強度?，F在的建筑設計師通常將所有的電機負荷簡單相加,再乘以一個巨大的安全系數,結果是變壓器容量巨大,輸電線路投資巨大,電力系統負荷損耗巨大。如果我們能對每一個電機進行優化控制,避免他們同時開啟,就可以將變壓器容量縮小到1/3~1/5,變壓器的損失隨之減少?！半S手關燈”總有關不到的地方和時候,如果采用智能感應照明只在有人有需求的地方進行精確照明,就可以在你的家庭或辦公場所節省很多電能,減排二氧化碳。而實現這一技術僅需要為每一個燈口安裝一個芯片和控制開關,在適當的地方安裝感應器,相關的控制數據信息可以直接從電力線上傳送。

通過電力線進行數據傳送也已是一項較為成熟的技術,一旦實現一個家庭、一個商店、一座工廠或一座樓宇所有的電器就可以通過數字信息技術聯成一體。IBM公司CE0彭明盛最近發表了關于《智慧的地球》演講,他認為世界正在從互聯網進入到“物聯網”(the Internet 0f things)的時代,全人類的智慧化將實現“無所不在的連接”。電力線無疑是成本最低、最實用、最方便的連接渠道,終端的電網系統將因此成為一個新的數據交換平臺,無數的創新將從這里開始。

北京有1 500萬人口,約500萬臺冰箱,如果以每臺冰箱120w,合計裝機負荷60萬kw,如果未來的冰箱可以蓄冰儲能,所有冰箱都在夜間用電低谷蓄冰,并根據電網的智能安排分批進行工作,電網就可以因此減少幾十萬kw的裝機和相應輸電線路和變電站的建設投資和運行損耗。電熱水器、電動汽車也可采用同樣模式,在低谷蓄電,并由智能電網進行負荷平衡安排?？梢娢磥淼闹悄茈娋W將會使人類進行各種各樣的創造,設計制造各種新的和超出我們目前想象力的新產品,改變我們的生活。

比亞迪公司已經開發出售價14.98萬元的蓄電式混合動力汽車,預計6月在全國14個城市上市。這種使用普通220V電源充電,一次充電可行駛100公里,對于大多數駕車上下班的人來說,基本不再需要石油作為燃料,而且使用成本非常低。電能轉換動能的效率是90%,電池蓄電放電效率為91%,相當81.9%的電能可以變為動能。燃油聯合循環電廠效率55%;超超臨界燃煤火電廠的效率45%,煤轉換動能效率37%,油轉換效率45%,而普通汽車的動能轉換效率僅17%。

未來普及電動汽車已無懸念,而大量普及電動汽車后,如果不能進行有效資源配置和系統管理,將會進一步增加電網負擔,造成電力需求的峰谷差擴大。所以,發展智能電網,對于每一輛電動車的性能參數,每天行駛規律、剩余電量和電池性能,以及電網負荷狀況進行針對性的優化充電,既利用了多余的低谷電力,提高了發電廠和電網的設備利用效率;又降低了電力系統的能耗;同時節省了使用者的金錢。此外,車內的電池在低谷時蓄電,在用電高峰時可將電力回售電網,在出現自然緊急情況或災害時,這些電力還可以作為應急電源。

用同樣的方式不僅可以發展電動汽車,也可以發展電動拖拉機,作為農村電氣化的一個可移動的動力源,支持其他農業電氣設備的運行。拖拉機不需要150公里的速度,不需要每天開上百公里,不需要各種復雜的系統,而電動機的扭力更大,造價和使用成本更加低廉、特別是節省柴油,可降低整個社會對石油的依賴。

電動車的相關信息一旦傳送出來,交通管理機構就可以利用這些信息為車主提供行車路線建議,實現智慧化交通管理,減少城市的堵車,節約大家的時間,并減少因堵車造成的能源損失。如果技術繼續延伸,汽車自動駕駛也將成為現實,無數車主將被智慧交通系統優化的結果送入自動駕駛的車流中,靠自動駕駛系統送達目的地。

未來要減少溫室氣體排放,就必須大量使用可再生能源,而可再生能源存在不穩定的特性,風電是有風有電,無風無電;水電是豐水有電,枯水無電;太陽能更是有太陽有電,無太陽無電,哪怕是一朵云彩,也會引起供電的波動、甚至是天然氣的熱電冷系統,也可能因為燃氣管網的用氣波動而不能穩定發電、供熱、制冷。智能電網要將各種能源系統融合在一起,使各種能源互相彌補,再配合蓄電技術及蓄熱、蓄冷技術,同時對用電終端進行優化配置,使供需之間和各用戶之間,以及各種電源之間實現遙相呼應,互補互助。也只有建立這樣的系統,可再生能源才可能成為一種有價值的能源供應形式,這就必須為電網植入智慧。

這樣的能源系統,被國際社會稱之為“智慧能源,與之相關的技術就是“智慧能源技術”。一個包含各種形式的能源資源、特別是低碳的天然氣和可再生能源,各種形式的能源轉換技術和各種各樣的能源使用終端設施,在智能化信息系統的控制下連成一個整體,調動全社會多元的創造性,共同解決人類面臨的問題。而最終需要實現的目標是將能源效率不斷提高,有效控制全球氣候變化的趨勢,從經濟、社會、環境和資源上實現真正意義的可持續發展,而這一技術革命將不可避免地影響人類未來的社會經濟、政治。

中國能否在這次新技術革命中成為贏家,而不是再步1840年的后塵,對于我們的體制、管理模式和社會利益格局都將是一次嚴峻的考驗。智慧能源革命正在考驗我們的政治智慧,挑戰來自我們的內部機制,或許我們必須痛下決心進行一次新的能源的“改革開放”。