第二代能源系统解读信息时代理工论文
第二代能源系统解读信息时代理工论文
人类文明的阶段是以工具为标志的。
石器时代--当石器的出现，提高了原始人类狩猎的效率，正是由于狩猎效率的提高，改变了原始人类的饮食结构，蛋白质慑入量的增加,才使我们的大脑容量不断的扩大；
农耕时代--铁器的出现，提高了农业耕种效率，农产品供应的增加带来了人类的农耕文明，为人口的不断增加，社会的进一步分工，城市的出现奠定了基础；
工业时代--动力机的出现，将人类带入的工业文明，使各个生产环节的效率都得到了大幅度地提高；
信息时代--今天，以因特网为标志的信息时代的到来，它将如何提高我们生产率的效率？如何改变我们未来的生活？
其实，人类的各个文明阶段尽管是以工具为标志，但深层的原因却与能源有着极其深刻的因果关系。如果原始人类没有发现经火烧烤过的肉更加合口和易于消化，人类为什么要去狩猎？如果没有狩猎的需求，就很难说会有石器时代的出现；如果没有发现木炭可以达到更高的燃烧温度，以至能够进行金属的冶炼，就不可能有大量廉价的铁器为我们创造农耕文明；蒸汽机本身就是一个能源转换工具，它是基于人类对化石能源的利用，同时它的发明也是人类对能源利用认识的不断深入。那么信息时代与能源将有何种关联？将为我们的能源行业带来什么样的变化？
那斯达克网络股的全军败北，所谓新经济泡沫的破灭并非说明信息时代是一个泡沫，它正是人类进入信息时代在认识上的一次升级。那些由计算机和网络通讯专家们创造的所谓信息文明的新经济，似乎要建立一个全新的时代，甚至提出一切归零的幼稚理念，正由于这种对传统生产系统和模式的认识匮乏，使他们只能停留在虚拟现实之中，他们创造的泡沫的破灭也就成为必然，但这并不意味着信息文明本身将会向他们的泡沫一样破灭。尽管人类的文明是以工具为标志的，但每个伟大的发明的出现，首先是提高原先生产方式和生产形态的效率，随后才能在原有基础上创造新的生产工具、方式和形态。如果它是凭空创造出来的，就必然成为泡沫。在石器时代之前，人类并非没有狩猎行为，仅仅是效率低下而已。铁器出现之前，人类也在耕种，在我国不是发现过石铲之类的农业耕种工具吗？美洲的玛雅人也曾创造过一个没有铁器的玉米文明。蒸汽机代替的是马车、牛犁、水利磨房和帆船等，也仅仅是提高了传统生产方式的效率，随后才出现飞机、潜水艇、电力、原子能、信息技术等新的生产工具、方式和形态。那么，在信息时代也应毫无例外，在其出现之初所有核心技术的作用将是提高传统工业、农业、商业等生产方式的效率，何况信息本身就是一种辅助性的生产工具。从能源的角度看，信息时代将如何提高其效率？
现行能源系统的问题
要搞清信息时代将如何提高能源系统的生产效率，能源将如何解释信息时代，就必须首先研究我们目前的能源系统的问题。
能源如果能够被称之为一个系统，应该说还是从工业时代来临之后逐步建立起的。能源作为一个系统，它包含的范围极为广泛，但系统的核心主要是一次能源与二次能源与市场需求之间的结合部的关系，例如；煤炭--电力--用电设备和油气资源--动力燃料--动力设备等。
现有的能源系统主要是以化石燃料构成的，核心是煤、石油和少量的天然气、以及核能。
煤炭：目前，人类是将最好的煤炭资源作为能源的燃料，不仅需要质量好，还需要储量必须上规模。这种既有规模，又有质量的煤，对于中国而言，仅仅还能维持90余年，而那些没有开采价值的薄煤层资源，小煤矿资源，以及开采后废弃矿井中的煤炭、煤泥、煤矸石资源在中国却是一个巨大的有待利用的资源。煤炭生产的污染是巨大的，开采和加工煤炭还会浪费大量水资源，矿区地址塌陷和洗煤、选煤后的废弃物，造成土地的浪费和环境生态的恶化。
石油：我国的人均石油资源非常匮乏，不到世界平均水平的一半，仅够维持20 余年。我国不得不从中东和北非大量进口原油，国家最基本的能源安全都难以保障，所以美国军方资助的兰德公司称：中国的能源安全是由美国保卫的。这严重制肘了中国的持续发展，也增加了与发达国家和其它发展中国家的利益摩擦。
水电：大型水电设施的建设，对生态环境的干扰和破坏是巨大的，同时还带来了一系列的安全隐患。
燃气：与中国的煤炭资源情况十分相似，成规模的大型工业化天然气田资源极为有限，那些小型的、分散的，被认为是不具备工业开采价值的资源却很多。此外，煤层气资源、矿井瓦斯资源却极为丰富，不仅没有得到利用，而且基本放空，成为温室气体。同时在采煤生产中，不断造成瓦斯爆炸，平均每年造千余名矿工丧命井下。
运输：为了使大型工业化的煤矿能够得以利用，不得不投入巨额资金建设相应的铁路、公路、港口、运输船队、车队和运河等设施。它占用了大量土地资源、浪费了许多宝贵的液体燃料。
电源：由于工业时代“规模效益”的规则，电力系统提高生产效率就必须建设大型火力发电厂，采用300MW、600MW或者更大的机组。这些电源点不仅因为过于集中排放，导致严重污染了大气环境，同时浪费了大量土地、淡水等资源。
输变电：大型火电厂由于排放污染和资源配置的限制，必须远离城市和用电负荷中心，面临的直接问题就是如何将这样大量的电能加以利用。输变电需要建设大型升压站，远程超高压输电线路，再从500kVA、220kVA、110kVA、35kVA、10kVA、1kVA、380V直到220V层层降压进入用户。占用了大量土地建设输电走廊和变电站，同时造成电磁污染，还存在着严重的安全问题和大量电能损耗。
调峰问题：为解决电力的大型工业化生产与用户实际需求的不协调，必须建设大型抽水蓄能电站和燃气轮机调峰电厂，由于这些设备利用周期极短，导致电价成本的攀升。燃气也是同样，为调节燃气的季节性不均衡，需要建设大型地下储气库，需要用户承担地下的浪费和脱硫、脱水、脱尘等再处理的成本，使用气成本不断攀升。
热力：作为城市的功能设施或工业生产的工艺需要，为减少环境污染和资源代价，需要建设大型集中锅炉房或热电厂。同时需要建设大型蒸汽或高温热水输热管道，多级蒸汽--热水或热水--热水交换站。投资大、热损失也大。
制冷：随着城市化进程和人民生活品质的提高，对制冷的需求迅速增加。但目前的方式是普遍采用了相对孤立的制冷系统，电空调或直燃机、蒸汽溴化锂制冷机等。特别是大量使用的电空调，不仅存在冷媒--沸里昂对臭氧层的破坏，同时不稳定的用电方式，对电网的安全运行和电力设施经济运行构成了极大的压力。
生活热水：目前绝大多数家庭是采用另一孤立能源系统解决生活热水的供应，主要采用的方式为燃气或电力热水器，只有少数家庭在有限的季节采用太阳能热水器。
炊事能源：在中国的城市里，大量用户采用了天然气、人工煤气和液化石油气作为炊事能源。
交通能源：以液体燃料为主的交通能源，造成了严重的环境问题。
这么多相对孤立的能源利用方式够成了我们今天的能源系统，这个系统不仅能源转换效率低下，效能单一，而且资源、环境和资金代价巨大，此外还带来了能源安全、环境污染和生态失衡、能源成本不断攀升等一系列严重的问题。
造成这一问题的主要原因是工业时代自身的局限性。由于对最终用户各种能源需求信息收集处理能力的局限和技术进步阶段性的限制，人们不得不以产品来划分行业。为保持能源的转换效率和经济性，在同一产品条件下优化，其结果就是通过不断扩大生产规模，追求工业化的规模效益。这种优化的结果，必然形成垄断经营和行业壁垒，造成新一轮的社会不公。
第二代能源系统--信息技术革命整合传统能源系统
信息时代最大的'突破，是我们对信息采集和处理能力的大大提高。我们不仅能够知道最终用户的各种需求，而且能够根据需求，实现跨行业、跨产品、跨观念的统一优化生产和供应。这就是我们所说的：整合能力。
由于信息革命加强了整合能力，最终将打破传统工业化的行业分工，首先将要挑战的是工业文明的法则--规模效益。由于信息技术的发展，开阔了人们的眼界，使我们从传统的行业壁垒中走出。我们将在一个更大的范围、更加全面的视角和更高的道德标准下优化我们的能源体系。
我们所追求的效益将不仅仅是直接的利润，还有环境效益、资源效益和社会效益的平衡。信息文明将出现一个全新的法则--效益规模。根据实际的需求内容和范围，以及资源供应结构、环境容量空间和资金承受能力来确定我们的适度的综合性的生产规模。
根据新法则，人类将逐步建设一个全新的能源系统。对于这一系统，人们根据自己各自不同认识和理解冠以不同的名称，例如：分布式电源、分散能源系统、能源互连网、能源岛系统、新能源系统、楼宇/区域/企业热电冷系统，中国有专家称其为爱能岛等等，但都仅在一个层面解释了问题。因此，一些国际、国内专家将其成为：第二代能源系统更为贴切。
效益规模的法则将使能源设施不可避免地出现小型化、微型化的趋势，这将对传统能源行业产生毁灭性的冲击，这是不以人们意志为转移的进步趋势。在工业时代，人们对小充满蔑视和憎恨，小火电、小煤窑、小炼钢、小炼焦等等，均属淘汰之列。认为小就一定效率低，污染大、经济效益差。当然在单一产品优化时，小的系统难敌大的，但在多产品优化时，情况就未必了。例如：小型热电厂的发电煤耗往往高于大型火电厂，大型热电厂由于供热半径的局限，用户端的综合热效率有大大低于小热电。特别是燃气轮机的出现，25kW燃气轮机热电联产几乎与350MW机组的能源转换热效率没有区别，如果在用户端计算，小机组几乎可以全能量、全资源利用，而大型机组仅能源输送损耗确是一个惊人数字，根本无法与小型系统匹敌。
第二代能源系统是技术进步的产物
新的能源系统是基于一系列能源技术进步和能源结构调整的产物，是不同领域新技术革命的整合。
一、一次能源的形态转变：
首先是一次能源从固体到气体的转变，这是第二代能源的基石。过去的能源系统主要是基于煤炭，将最优质的煤炭用于转换二次能源--发电。今后人类将更多使用天然气和其他气体资源作为燃料，我国也不例外。
我国和周遍国家的陆上天然气资源比较丰富，除了目前供应京津地区的陕甘宁气田、四川气田、南海气田、东海气田、渤海--大港气田外，还有西气东输的塔里木气田和最新发现的准葛尔气田，以及周遍的俄罗斯、哈萨克斯坦、土库曼斯坦等国均有丰富资源可供中国。
我国的煤层气储量与天然气储量不相上下。
我国是世界上煤炭生产量最大的国家，矿井瓦斯资源也是非常丰富。同时，我国还是世界上焦碳生产大国，炼焦时产生的煤制气资源也十分丰富。
可燃冰--天然气水化物的发现，为人类的燃料供应提供了源源不断的资源，预计可以支持人类文明超过百年。可燃冰是以固体形状蕴藏在深海中的天然气和水的化合物，在我国南海和东海均有发现，预计黄海水域也有资源蕴藏。
而未来的另一个重要趋势是利用一切可以利用的劣质资源或废弃资源用于热电冷一体化能源供应，例如：将那些无法开采的劣质薄煤层和废弃矿井中残存的煤炭资源进行低下气化；将生活垃圾和麦节稻杆等有机资源热解气化制气，利用人类和动物排泄物、垃圾填埋和污水处理中产生的沼气加以利用等。将一切可以利用的资源成分利用起来。只有这样才能解决13亿人的现代化问题。
气体燃料的优势在于输送环节中的损耗极小，运行成本较低，不占用大量的土地资源，相对比较安全。气体能源不仅要代替固体能源，也将在相当程度上替换液体能源。
二、二次能源转换技术的发展：
第二代能源的另一技术基石是小型、微型气体能源转换装置的技术进步，它所包含了一系列能源装置：小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气内燃机、燃气外燃机和燃料电池等技术的进步和日臻完善。
烟气回热燃烧技术将小型燃气轮机的效率提高，它是利用燃气轮机的烟气余热燃气，将燃气作为载体回收余热中的能量，并提高燃气的燃烧效率。例如：美国索拉公司的4MW水星燃机采用这一技术，发电效率高达41%，超过了各类大型工业燃气轮机的发电效率，热电联产的综合热效率达到75%；美国联合技术公司采用回热工艺的400kW ST5燃气轮机的发电效率为34.5%，与采用最新技术的大型燃气轮机差不多，热电联产效率74%。
微型燃气轮机不仅采用了可调节烟气回热燃烧技术，还采用了空气轴承、永磁发电机、晶体管变频技术、智能化程序控制技术等。例如：英国宝曼公司的80kW微型燃机，在发电的同时，供热能力可以在150kW-420kW之间任意调节，可以根据用户的需求调节供热制冷和供应生活热水。
内燃机也在积极适应市场需求，不断进行改进，不仅可以燃烧气体燃料，还可以热电联产，在价格上也始终保持了竞争力。
最近还有厂家推出了基于斯特林发电机原理的燃气外燃机，向比之下，它的发电效率更高，噪音更小。
燃料电池发展速度比人们预先估计的要快的多，将在今后的10-15年后成为人类能源的主宰。燃料电池利用氢和氧的化学反应产生电子和热的原理，由于没有转动机件，本身不消耗能量，没有噪音、没有排放污染，质子交换膜燃料电池发电效率达到40%，热电联产效率80%（含制氢余热回收），固体氧化物燃料电池的发电效率就可以接近70%。不仅是转换效率高，供热的一部分热水是其化学反应得到的，而且运行既无噪音，又无震动，北京富源公司生产的一个30kW机组只有90x46x19（cm），重量120 kg。燃料电池另一个优势是将发电用电，变成用水一样简单，由于是化学反应发电，所以可以实现用它就有，不用则停， 这是其它能源设施根本无法比拟的。由于煤制气和地下气化气的燃烧热值虽低，但含氢高达60%-70%，非常适合燃料电池使用。燃料电池不仅可以应用于热电联产，还可以应用于汽车等各种交通工具，以及手机、航天、武器等各个领域。人类的下一个目标是解决水制氢的问题，一旦问题得到解决，人类将会进入氢能时代，燃料电池无疑将成为主要能源转换工具。
三、技术的交差整合：
由于信息技术的发展，人们已经逐步走出了行业壁垒和单一产品或单一技术的制约，人类的想象力空前地活跃，它带来了各种技术的交差。最近在能源技术领域的一系列新技术成果，使我们更加深刻地意识到信息时代的整合能力对人类未来的巨大影响。
在此我们举一些例子：
1、 燃气轮机（微燃机）--溴化锂制冷机联合循环：溴化锂制冷机传统上是采用直接燃烧、蒸汽或热水交换来制冷（供热），最近远大公司将其于微型燃气轮机实现对接，利用燃机的烟气余热制冷、供暖和生活热水，将两个成熟的技术进行了一次成功的整合，减少了传统利用方式上的锅炉、热交换器、化学水系统等，大大降低了造价、运行成本和维护难度。远大已经向美国能源部发运了两台样机供马里兰大学和加州进行技术评测，远大正在与美国最大的小型燃气轮机生产企业索拉公司进行技术合作，准备开发5000kW以下燃机的配套余热溴化锂空调机。
2、 燃气轮机（微燃机）--热泵联合循环：热泵是一种新型无污染的高效能源装置，但热泵由于供热温度低，制约了它在大项目上的应用。如果将热泵和燃气轮机结合，不仅可以利用燃气轮机的动力驱动热泵，还可以将余热用于提升热媒的温度，大大提高全系统的效率，减少系统的投资。中科院工程热物理所的王应时教授正在积极推广这一工艺技术。
3、 燃气轮机--太阳能辅助循环：小型燃气轮机电冷联产，采用太阳能技术补充，可以将系统规模进一步缩小，降低工程造价，利用太阳的能
量来补充高日照条件下用户对制冷需求的增加。
4、 太阳能（风能）--燃料电池联合循环：利用廉价的太阳能、风能来分解水中的氢和氧，并将其储存，在需要时利用氢氧还原反应，取得电能，并回收水反复使用。
5、 燃料电池--微燃机联合循环：将燃料电池在制氢余气和反应不完全的氢、一氧化碳等可燃气体供给微燃机燃烧，利用微燃机的余热提升燃料电池余热温度以扩大利用途径（只有较高品位的热才能用于制冷），同时利用微燃机的进气系统，帮助提高燃料电池从空气中提取氧气的交换反应的效率。
6、 小型燃气轮机（微燃机）热电冷系统--植物大棚（工厂）联合循环：利用燃气动力装置排放的二氧化碳、水蒸汽、少量氮氧化物和余热，促进植物的生长，达到零排放和全能量利用的效果。荷兰已经积极推广了这一技术，收到了较好的积极效益。
7、 信息与智能化控制技术与能源装置的技术交差：过去小型化装置的最大问题是不易于管理和控制，使用人去管理运行，成本过高，也不可靠。信息化技术和智能化技术的发展，已经使我们根本不必去采用传统手段去管理它们，目前的技术手段足以使这些微型自动化能源装置和通过网络技术进行的智能化的优化能力比人聪明的多、也可靠的多。
第二代能源系统特征与形态
通过以上的论述，我们可以对所谓第二代能源系统的轮廓得出一个比较明晰的认识。 第二代能源系统将具有以下特征：
1、 气态燃料为主，可再生能源为附，利用一切可以利用的资源；
2、 多种技术，因地制宜的小型、微型热电冷（植）全能量多元系统的组合；
3、 从综合利用，到零排放的环境、资源目标；
4、 在低压电网实现就近联网，并通过冷热水管道实现就近的能源互助支援，是能源系统的互连网；
5、 智能计算机与互连网通讯系统的自动化管理、运行、调度系统；
6、 与智能信息家电的进一步优化协调，解决各种能源的峰谷差，降低能源代价；
7、 在电力、热力、燃气、制冷、环境、交通等多系统中整合优化。
8、 能源企业从生产型转向服务型。
第二代能源系统的形态：
根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由无数小型燃机、微燃机、内燃机、外燃机、燃料电池等各种传统的和新型技术装置，与太阳能、地源和水源热泵、风电、水电和核能等装置组成的能源互连网系统。
在因特网和智能计算机的优化运行调度下，进一步与智能家用电器实现协同优化，实现最小范围的优化调度。并利用低谷燃气资源和低估电力资源为用户的交通工具蓄电、储氢，实现燃气、电力、供暖、制冷和生活热水的供需平衡，使各系统都达到最优效益状态，以降低个能源系统代价。最后将废气送入植物大棚，实行全能量、全资源利用。
信息时代的到来，将不可避免地为能源行业带来一次革命，这是不以人们意志为转移的。能源企业和产业人员能否适应这场生产力的历史变革，势必将重新确定我们每一个人和企业的价值。我们必须应对这一挑战，别无选择。