当能源充满智慧

韩晓平

曾预言电磁波存在的英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwel)为了挑战热力学第二定律(熵定律),在他1871年出版的《热理论》一书中,作出了一个近乎疯狂的假想。他设想用一隔板将一个封闭的盒子隔为两半,在隔板上开一个只能由微粒通过的闸门,让一个极其微小而充满智慧的精灵控制。精灵若允许速度快的微粒通过闸门到盒子一边,速度慢的到另一边,一段时间后,盒子两边便产生了温差,恢复了能量交换,熵便可被控制。这个精灵就是物理学中的“麦克斯韦妖”,科学家们为此争论了近一个世纪。

1956年法国物理学家L.布里渊(L.Brillouin)发表《科学与信这些电源管理起来,息论》专著,将信息与统计物理联系起来考虑,通过信息的负熵原理解答了”麦克斯韦妖”的难题。他得出的结论“信息等于负熵”。对于未研究热能物理学的读者也许会一头雾水,难以理解上述问题,其实这两个物理学家预示了一个极其重大的发现,这一发现将会彻底影响我们从现在开始,至此之后的时代,将彻底改变我们每一个人的生活。

什么能源最清洁?

如果问及我们这样一个问题:什么能源是最清洁、高效的,对人类和生态环境影响最小?我们或许会回答是“可再生能源”。其实,从熵定律的角度看,宇宙间绝不会存在没有代价的能源,而代价必定超出所得。风力发电机的叶片会打死大量迁途的候鸟,使人类不得不增加杀虫剂的施用量,增加了人类患其他疾病的代价;太阳能硅晶电池制造中带来巨大能耗和大量污染物,生产多晶硅的副产品——四氯化硅是一种有毒且难以处理的废弃物质,它会彻底毁灭植被,将土地变成不毛之地;农民将秸秆送到数十公里外的秸秆发电厂,不得不消耗更多稀缺珍贵的石油资源。在这个地球上,无论是广义的,还是狭义的“永动机”都不可能存在,任何能源都有代价,只是有些代价我们不得而知,或者暂时可以承受。

但是,世界上确实存在一种代价不对称的能源,也是最清洁高效的能源,这就是“节约下来的能源”。如果你既知道为什么节能,又知道怎样节能,并就此付之行动,那么你节约下来的能源供给他人时,就是最清洁、最高效、对人类和生态环境影响最小的能源。如何让你既知道为什么节能,又知道怎么节能呢?只有通过信息的传递。所以,麦克斯韦和布里渊的研究的结果告诉我们,信息将成为一种特定意义的全新的能源形式,它将依附于各种节能理念、节能知识、节能机制和节能技术的进步上,大幅度提高人类的能源使用效率,节约更多的能源以满足新的需求。

能源技术进步是文明的根本动力

有一个不争的事实,随着人们对世界观察的深入,人类与动物的分水岭既不是有“组织的劳动”,也不是“会制造工具”。在这个地球上只有一种动物会驾驭火,而驾驭火的动物就叫“人”。所谓“驾驭火”就是会使用火并能够传递与此相关的信息。胡锦涛总书记曾说:“纵观人类社会发展的历史,人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。”所以,能源技术的进步一直就是人类文明的根本动力。

人类驾驭的火,开始摄入熟食,更易消耗,更易吸收,大脑得到空前发展。携带火种使我们的祖先敢于四处狩猎,走出非洲向全世界迁移;用火制造陶器,使祖先们可以不仅仅依赖动物蛋白,开始生产和大量食用谷物,让更多的人聚集生活,彼此增进知识,建立了石器文明;木炭是人类制造的第一种“二次能源”产品,它帮助人类置换铜铁矿石中的氧化物,获得金属制造工具和武器,建立了农耕文明;瓦特发明了蒸汽机,利用煤炭及煤气建立了早期工业文明;电力、石油及内燃机的出现,建立了直至今日的后工业文明。

今天我们正在步入信息文明时代,我们将面对的是怎样的“能源的改进和更替”。经过200年的前、后工业文明,大量排放的温室气体已经使全球气温上升超过了0.74℃,20世纪全球海平面上升0.17米,南北极和喜马拉雅山的冰川正在消融,极端气候灾害正在加剧,各种传染病正在蔓延,应对全球变暖正在成为全人类的主要难题,或者走向一个全新的文明,或者坐等灭顶之灾。

为保护共同的家园,节约能源,减少温室气体排放正在成为人类的共识。但是,节能和减排不能仅仅依赖人的自觉性,需要更多地依靠技术的发展,信息技术的进步已经为我们奠定了基础,一场通过信息技术提高节能效率,为各种高效的分布式能源及可再生能源接入系统创造条件的新能源革命即将拉开序幕。

奥巴马的新能源革命

美国人用自己的选票选择了一位年轻的黑人,显示了他们渴望变革的心声。奥巴马以349票大幅领先共和党候选人麦凯恩163票,当选为美国第44任总统,成为美国历史上史无前例的非裔总统。美国人选择奥巴马不仅是希望他以新的思维带领美国走出当前的金融危机,更希望他能解决美国为能源到处打仗,因而牺牲无数年轻人的生命的问题;改变在全球变暖的危机前视而不见自私自利,为了眼前安逸和大企业利益不顾子孙后代生存空间这一现状。奥巴马在竞选期间曾写过一本《无畏的希望》,他说:“一个控制不了自己能源的国家也控制不了自己的未来。”他认为:“增加美国竞争力最后一个关键投资是能源基础设施,这一投资可以帮助美国走向能源独立。”他在就职演讲中表示,将为企业兴建电网与数字通讯网络,连接彼此。将利用太阳能、风力和土壤作为汽车的燃料和工厂的能源。

奥巴马当选后迅速选择了诺贝尔物理学奖得主、2004年以来执掌美国新能源技术创新大本营——劳伦斯·伯克利国家实验室的华裔新能源技术专家朱棣文出任美国能源部长。朱棣文认为,全球气候变暖“是科学界面临的最大挑战”,地球为此面临“突然、不可预知”的灾难威胁。对于朱棣文的任命,在参众两院奇迹般地毫无异议地通过,体现了美国将参与并主导应对全球气候变暖的决心。

联合国气候变化框架公约组织2009年首度气候谈判3月底在德国波思召开时,美国总统气候变化问题特使托德·斯特恩宣布,美政府立场已发生重大变化,支持在哥本哈根气候变化大会达成的“全球性”协议并将积极参加有关谈判。美国对2020年的中期减排将承诺,奥巴马正在提议美国将在2005年水平上,将温室气体减排16%~17%。

减排必须伴随一场新的能源革命,按照目前的思维模式和技术方向是走不通的。美国即便如此现代化,人均能耗为7.87吨标准油当量,能耗依然还在增加,何况人均仅为1.41吨标准油当量的中国。奥巴马渴望通过新能源革命来解决问题,其政府的新能源革命包含了一系列的新内容,核心是减少美国对外部能源的依赖,发展新能源和可再生能源,减少温室气体排放,在争夺全球气候变化斗争领导权和控制权上重建、占据优势地位,通过主导控制排放交易和制度设计继续维持美元作为全球性主导货币的战略地位,充分利用美国在技术创新、资本管理和制度优势重新夺回经济和技术的“制高点”。将重点放在普及发展智能电网(电网智能控制、电网数字化通讯和微电网控制)、分布式能源及可再生能源、超导、蓄能、新技术汽车(包括混合动力和电动汽车)等;为扩大天然气(包括页岩气和可燃冰)的勘探开发、新型核能技术(包括先进的第三代反应堆、快堆和可控核聚变)、清洁煤、氢能等领域投资更多资金和政策支持。

中国开发新能源的历史及现状

2009年3月7日在全国政协会议上,国家发改委副主任兼国家能源局长张国宝忧心忡忡地说,如果我们再不重视,不能从一个更高的视野审视新能源发展问题,预计再过十年,将会突然发现,我们又落到别人后面了。到时候,我们即使想追也追不上了。他又说道,展望世界新能源发展趋势,以美国为代表的世界发达国家,把发展新能源放在一个极其重要的战略位置上来认识,作为应对当前金融危机、刺激经济复苏、增加就业机会的重要举措,作为推进经济长远发展、创造新的经济繁荣的重要引擎,作为抢占未来经济制高点、继续保持世界经济主导地位的战略产业,作为减少温室气体排放、争夺全球气候变化斗争领导权和控制权的重要方面。

张国宝的话让我们联想起了中国近代史曾经的一幕幕悲惨场景,当1840年中国的国门被英国人的坚船利炮打碎后,中国未能跟上时代科学技术进步的潮流,此后中国不得不通过几代人的前仆后继,付出数以亿计的生命,才重新屹立世界民族之林。正在我们奋力崛起之时,突然发现我们已经超越美国成为全球最大的温室气体排放国,成为世界的众矢之的。如果世界就此转轨,实行新的排放交易制度,中国可能再次陷入极大的被动,辛辛苦苦建立的能源系统和重化工业体系可能成为我们持续发展的最大制约。

2009年3月13日中科院长路甬祥说,全球性经济危机往往催生重大科技创新和科技革命,1857年的世界经济危机推动引发了以电气革命为标志的第二次技术革命;1929年的世界经济危机引发了第二次世界大战后以电子、航空航天和核能等技术突破为标志的第三次技术革命。当前,无论是经济社会发展的强烈需求,还是科学技术内部所积蓄的能量,都正在催生着一场新的科技革命。种种迹象表明,这场革命到来的时间不会很久远,估计也就在未来15～20年。新能源很可能是未来新的经济增长点,我们要以高度的危机感、紧迫感和责任感应对这次技术革命。

历史的经验告诉我们,美国总是能够利用其制度和机制上的优势,在每一次危机之后重新夺回世界的经济、技术制高点,并依靠这种整体区位优势从其他国家获取巨额的利润,保持它的霸主地位。这一次的新技术竞争中,对于全世界,更多的是制度和机制层面的挑战。

一些类似“快鱼吃慢鱼”的IT方面的真理或将在智能电网方面再次应验,因为先行者将成为未来标准的主导者,将会通过各种技术专利门槛坐收渔利,并利用技术进步和标准的更替来遏制在生产链下游的其他竞争者。

从IT到IET的革命

奥巴马新能源革命的本质实际上是使能源系统适应于当前科技水平,使更多新的技术能够构筑一个新的能源系统,将信息革命的成果与新能源革命进行深度的整合。

IT技术的发展成就已经远远出乎人们的想象,“只要给它提供一个平台,它就可以向精灵一样创造出无限的智慧”。70年代,为了应对苏联的核战威胁,美国开始研究基于有线电话网路的数字通讯技术,直到90年代克林顿上台后,在政府大力支持下进入了民用领域。特别是1998年6月微软的浏览器和win98很好融合在PC电脑显示屏上,使互联网得以迅速成长,十年的时间创造了大量投资机遇、新技术企业和无数就业机会,创造了一个全新的经济形态。人类将电话网络作为平台开放给IT技术,无数人的智慧就在这里汇集,成为人与人“沟通”的革命,以此为创造一个新的文明奠定了知识的基础。

手机也是如此,十年前谁能想象拥有今天这样一部手机,既是一部无线电话,也是一个互联网终端,可以照相、录像、录音、听音乐、听广播、收发短信、E-mail、电话簿、记事、字典、计算、日程表甚至看电影、当地图、GPS定位、付款等等,今天我们仍然难以想象,再过十年手机还会干什么?

如果,我们将现在的能源系统,特别是电力网路系统作为一个新的信息平台,未来世界将会发生什么样的变化?实际上,美国要发展的智能电网就是要为各种新能源技术提供一个全新的能够发挥无数人的创造力的智慧平台,就是要实现将信息变为一种全新能源的革命。目前的IT技术进步的程度,对于ET技术而言,无论是美国的还是中国的,完全可以支撑在能源领域掀起一次深刻的革命。

通过发展以智能电网为核心的智慧能源系统,将能从根本上解决一系列影响能源可持续发展的难题:⑴通过信息控制技术实现精确供能,解决能源终端需求侧的节能;⑵通过提升需求侧管理(DSM)的响应能力,提高整体电力系统发电设备、输电设备和配电设备的优化运行;⑶通过供需信息互动,解决分布式能源及可再生能源并网和供需匹配问题;⑷通过全系统各电源和需求互动互助,解决电网的供电安全;⑸为蓄电式交通工具和蓄电式农机设备的大规模使用,提供优化控制平台;⑹为智能化电器和信息家电的发展,建立一个创新的平台;⑺为建立有效的能源和环境的实时交易系统和配额交易体系,创造基本交易环境。

当能源充满智慧

根据智能建筑专家的估计,如果在建筑物中大量采用感应、定位、智能控制和多能源优化等普通信息技术,以及分布式能源、热电冷梯级利用和蓄能等成熟技术,实现了建筑的“精确供能”,就可以在人们需要的地方、需要的时间、需要能源的品种(电、热、冷)有针对性地供应能源,以现有1/2能耗就可以维持比现在更加舒适的生活品质。

如果进一步进行建筑结构的围护结构节能,并使用更新型的可再生能源、废能回收技术等,建筑能源消耗还会减少1/2,也就是说未来1/4的能源足以让我们生活得更好,更舒适。

一个建筑或一座工厂最大的电耗来自电机系统,如电梯、水泵、风机、空调、洗衣机、电冰箱等,一般电动机启动负荷是正常运行时的5～7倍,采用变频控制软启动技术也要1.5倍的电流强度。现在的建筑设计师通常将所有的电机负荷简单相加,再乘以一个巨大的安全系数,结果是变压器容量巨大,输电线路投资巨大,电力系统负荷损耗巨大。如果我们能对每一个电机进行优化控制,避免他们同时开启,就可以将变压器容量缩小到1/3~1/5,变压器的损失随之减少。“随手关灯”总有关不到的地方和时候,如果采用智能感应照明只在有人有需求的地方进行精确照明,就可以在你的家庭或办公场所节省很多电能,减排二氧化碳。而实现这一技术仅需要为每一个灯口安装一个芯片和控制开关,在适当的地方安装感应器,相关的控制数据信息可以直接从电力线上传送。

通过电力线进行数据传送也已是一项较为成熟的技术,一旦实现一个家庭、一个商店、一座工厂或一座楼宇所有的电器就可以通过数字信息技术联成一体。IBM公司CE0彭明盛最近发表了关于《智慧的地球》演讲,他认为世界正在从互联网进入到“物联网”(the Internet 0f things)的时代,全人类的智慧化将实现“无所不在的连接”。电力线无疑是成本最低、最实用、最方便的连接渠道,终端的电网系统将因此成为一个新的数据交换平台,无数的创新将从这里开始。

北京有1 500万人口,约500万台冰箱,如果以每台冰箱120w,合计装机负荷60万kw,如果未来的冰箱可以蓄冰储能,所有冰箱都在夜间用电低谷蓄冰,并根据电网的智能安排分批进行工作,电网就可以因此减少几十万kw的装机和相应输电线路和变电站的建设投资和运行损耗。电热水器、电动汽车也可采用同样模式,在低谷蓄电,并由智能电网进行负荷平衡安排。可见未来的智能电网将会使人类进行各种各样的创造,设计制造各种新的和超出我们目前想象力的新产品,改变我们的生活。

比亚迪公司已经开发出售价14.98万元的蓄电式混合动力汽车,预计6月在全国14个城市上市。这种使用普通220V电源充电,一次充电可行驶100公里,对于大多数驾车上下班的人来说,基本不再需要石油作为燃料,而且使用成本非常低。电能转换动能的效率是90%,电池蓄电放电效率为91%,相当81.9%的电能可以变为动能。燃油联合循环电厂效率55%;超超临界燃煤火电厂的效率45%,煤转换动能效率37%,油转换效率45%,而普通汽车的动能转换效率仅17%。

未来普及电动汽车已无悬念,而大量普及电动汽车后,如果不能进行有效资源配置和系统管理,将会进一步增加电网负担,造成电力需求的峰谷差扩大。所以,发展智能电网,对于每一辆电动车的性能参数,每天行驶规律、剩余电量和电池性能,以及电网负荷状况进行针对性的优化充电,既利用了多余的低谷电力,提高了发电厂和电网的设备利用效率;又降低了电力系统的能耗;同时节省了使用者的金钱。此外,车内的电池在低谷时蓄电,在用电高峰时可将电力回售电网,在出现自然紧急情况或灾害时,这些电力还可以作为应急电源。

用同样的方式不仅可以发展电动汽车,也可以发展电动拖拉机,作为农村电气化的一个可移动的动力源,支持其他农业电气设备的运行。拖拉机不需要150公里的速度,不需要每天开上百公里,不需要各种复杂的系统,而电动机的扭力更大,造价和使用成本更加低廉、特别是节省柴油,可降低整个社会对石油的依赖。

电动车的相关信息一旦传送出来,交通管理机构就可以利用这些信息为车主提供行车路线建议,实现智慧化交通管理,减少城市的堵车,节约大家的时间,并减少因堵车造成的能源损失。如果技术继续延伸,汽车自动驾驶也将成为现实,无数车主将被智慧交通系统优化的结果送入自动驾驶的车流中,靠自动驾驶系统送达目的地。

未来要减少温室气体排放,就必须大量使用可再生能源,而可再生能源存在不稳定的特性,风电是有风有电,无风无电;水电是丰水有电,枯水无电;太阳能更是有太阳有电,无太阳无电,哪怕是一朵云彩,也会引起供电的波动、甚至是天然气的热电冷系统,也可能因为燃气管网的用气波动而不能稳定发电、供热、制冷。智能电网要将各种能源系统融合在一起,使各种能源互相弥补,再配合蓄电技术及蓄热、蓄冷技术,同时对用电终端进行优化配置,使供需之间和各用户之间,以及各种电源之间实现遥相呼应,互补互助。也只有建立这样的系统,可再生能源才可能成为一种有价值的能源供应形式,这就必须为电网植入智慧。

这样的能源系统,被国际社会称之为“智慧能源,与之相关的技术就是“智慧能源技术”。一个包含各种形式的能源资源、特别是低碳的天然气和可再生能源,各种形式的能源转换技术和各种各样的能源使用终端设施,在智能化信息系统的控制下连成一个整体,调动全社会多元的创造性,共同解决人类面临的问题。而最终需要实现的目标是将能源效率不断提高,有效控制全球气候变化的趋势,从经济、社会、环境和资源上实现真正意义的可持续发展,而这一技术革命将不可避免地影响人类未来的社会经济、政治。

中国能否在这次新技术革命中成为赢家,而不是再步1840年的后尘,对于我们的体制、管理模式和社会利益格局都将是一次严峻的考验。智慧能源革命正在考验我们的政治智慧,挑战来自我们的内部机制,或许我们必须痛下决心进行一次新的能源的“改革开放”。