第二代能源系統解讀信息時代理工論文
人類文明的階段是以工具為標志的。
石器時代--當石器的出現，提高了原始人類狩獵的效率，正是由于狩獵效率的提高，改變了原始人類的飲食結構，蛋白質懾入量的增加,才使我們的大腦容量不斷的擴大；
農耕時代--鐵器的出現，提高了農業耕種效率，農產品供應的增加帶來了人類的農耕文明，為人口的不斷增加，社會的進一步分工，城市的出現奠定了基礎；
工業時代--動力機的出現，將人類帶入的工業文明，使各個生產環節的效率都得到了大幅度地提高；
信息時代--今天，以因特網為標志的信息時代的到來，它將如何提高我們生產率的效率？如何改變我們未來的生活？
其實，人類的各個文明階段盡管是以工具為標志，但深層的原因卻與能源有著極其深刻的因果關系。如果原始人類沒有發現經火燒烤過的肉更加合口和易于消化，人類為什么要去狩獵？如果沒有狩獵的需求，就很難說會有石器時代的出現；如果沒有發現木炭可以達到更高的燃燒溫度，以至能夠進行金屬的冶煉，就不可能有大量廉價的鐵器為我們創造農耕文明；蒸汽機本身就是一個能源轉換工具，它是基于人類對化石能源的利用，同時它的發明也是人類對能源利用認識的不斷深入。那么信息時代與能源將有何種關聯？將為我們的能源行業帶來什么樣的變化？
那斯達克網絡股的全軍敗北，所謂新經濟泡沫的破滅并非說明信息時代是一個泡沫，它正是人類進入信息時代在認識上的一次升級。那些由計算機和網絡通訊專家們創造的所謂信息文明的新經濟，似乎要建立一個全新的時代，甚至提出一切歸零的幼稚理念，正由于這種對傳統生產系統和模式的認識匱乏，使他們只能停留在虛擬現實之中，他們創造的泡沫的破滅也就成為必然，但這并不意味著信息文明本身將會向他們的泡沫一樣破滅。盡管人類的文明是以工具為標志的，但每個偉大的發明的出現，首先是提高原先生產方式和生產形態的效率，隨后才能在原有基礎上創造新的生產工具、方式和形態。如果它是憑空創造出來的，就必然成為泡沫。在石器時代之前，人類并非沒有狩獵行為，僅僅是效率低下而已。鐵器出現之前，人類也在耕種，在我國不是發現過石鏟之類的農業耕種工具嗎？美洲的瑪雅人也曾創造過一個沒有鐵器的玉米文明。蒸汽機代替的是馬車、牛犁、水利磨房和帆船等，也僅僅是提高了傳統生產方式的效率，隨后才出現飛機、潛水艇、電力、原子能、信息技術等新的生產工具、方式和形態。那么，在信息時代也應毫無例外，在其出現之初所有核心技術的作用將是提高傳統工業、農業、商業等生產方式的效率，何況信息本身就是一種輔助性的生產工具。從能源的角度看，信息時代將如何提高其效率？
現行能源系統的問題
要搞清信息時代將如何提高能源系統的生產效率，能源將如何解釋信息時代，就必須首先研究我們目前的能源系統的問題。
能源如果能夠被稱之為一個系統，應該說還是從工業時代來臨之后逐步建立起的。能源作為一個系統，它包含的范圍極為廣泛，但系統的核心主要是一次能源與二次能源與市場需求之間的結合部的關系，例如；煤炭--電力--用電設備和油氣資源--動力燃料--動力設備等。
現有的能源系統主要是以化石燃料構成的，核心是煤、石油和少量的天然氣、以及核能。
煤炭：目前，人類是將最好的煤炭資源作為能源的燃料，不僅需要質量好，還需要儲量必須上規模。這種既有規模，又有質量的煤，對于中國而言，僅僅還能維持90余年，而那些沒有開采價值的薄煤層資源，小煤礦資源，以及開采后廢棄礦井中的煤炭、煤泥、煤矸石資源在中國卻是一個巨大的有待利用的資源。煤炭生產的污染是巨大的，開采和加工煤炭還會浪費大量水資源，礦區地址塌陷和洗煤、選煤后的廢棄物，造成土地的浪費和環境生態的惡化。
石油：我國的人均石油資源非常匱乏，不到世界平均水平的一半，僅夠維持20 余年。我國不得不從中東和北非大量進口原油，國家最基本的能源安全都難以保障，所以美國軍方資助的蘭德公司稱：中國的能源安全是由美國保衛的。這嚴重制肘了中國的持續發展，也增加了與發達國家和其它發展中國家的利益摩擦。
水電：大型水電設施的建設，對生態環境的干擾和破壞是巨大的，同時還帶來了一系列的安全隱患。
燃氣：與中國的煤炭資源情況十分相似，成規模的大型工業化天然氣田資源極為有限，那些小型的、分散的，被認為是不具備工業開采價值的資源卻很多。此外，煤層氣資源、礦井瓦斯資源卻極為豐富，不僅沒有得到利用，而且基本放空，成為溫室氣體。同時在采煤生產中，不斷造成瓦斯爆炸，平均每年造千余名礦工喪命井下。
運輸：為了使大型工業化的煤礦能夠得以利用，不得不投入巨額資金建設相應的鐵路、公路、港口、運輸船隊、車隊和運河等設施。它占用了大量土地資源、浪費了許多寶貴的液體燃料。
電源：由于工業時代“規模效益”的規則，電力系統提高生產效率就必須建設大型火力發電廠，采用300MW、600MW或者更大的機組。這些電源點不僅因為過于集中排放，導致嚴重污染了大氣環境，同時浪費了大量土地、淡水等資源。
輸變電：大型火電廠由于排放污染和資源配置的限制，必須遠離城市和用電負荷中心，面臨的直接問題就是如何將這樣大量的電能加以利用。輸變電需要建設大型升壓站，遠程超高壓輸電線路，再從500kVA、220kVA、110kVA、35kVA、10kVA、1kVA、380V直到220V層層降壓進入用戶。占用了大量土地建設輸電走廊和變電站，同時造成電磁污染，還存在著嚴重的安全問題和大量電能損耗。
調峰問題：為解決電力的大型工業化生產與用戶實際需求的不協調，必須建設大型抽水蓄能電站和燃氣輪機調峰電廠，由于這些設備利用周期極短，導致電價成本的攀升。燃氣也是同樣，為調節燃氣的季節性不均衡，需要建設大型地下儲氣庫，需要用戶承擔地下的浪費和脫硫、脫水、脫塵等再處理的成本，使用氣成本不斷攀升。
熱力：作為城市的功能設施或工業生產的工藝需要，為減少環境污染和資源代價，需要建設大型集中鍋爐房或熱電廠。同時需要建設大型蒸汽或高溫熱水輸熱管道，多級蒸汽--熱水或熱水--熱水交換站。投資大、熱損失也大。
制冷：隨著城市化進程和人民生活品質的提高，對制冷的需求迅速增加。但目前的方式是普遍采用了相對孤立的制冷系統，電空調或直燃機、蒸汽溴化鋰制冷機等。特別是大量使用的電空調，不僅存在冷媒--沸里昂對臭氧層的破壞，同時不穩定的用電方式，對電網的安全運行和電力設施經濟運行構成了極大的壓力。
生活熱水：目前絕大多數家庭是采用另一孤立能源系統解決生活熱水的供應，主要采用的方式為燃氣或電力熱水器，只有少數家庭在有限的季節采用太陽能熱水器。
炊事能源：在中國的城市里，大量用戶采用了天然氣、人工煤氣和液化石油氣作為炊事能源。
交通能源：以液體燃料為主的交通能源，造成了嚴重的環境問題。
這么多相對孤立的能源利用方式夠成了我們今天的能源系統，這個系統不僅能源轉換效率低下，效能單一，而且資源、環境和資金代價巨大，此外還帶來了能源安全、環境污染和生態失衡、能源成本不斷攀升等一系列嚴重的問題。
造成這一問題的主要原因是工業時代自身的局限性。由于對最終用戶各種能源需求信息收集處理能力的局限和技術進步階段性的限制，人們不得不以產品來劃分行業。為保持能源的轉換效率和經濟性，在同一產品條件下優化，其結果就是通過不斷擴大生產規模，追求工業化的規模效益。這種優化的結果，必然形成壟斷經營和行業壁壘，造成新一輪的社會不公。
第二代能源系統--信息技術革命整合傳統能源系統
信息時代最大的'突破，是我們對信息采集和處理能力的大大提高。我們不僅能夠知道最終用戶的各種需求，而且能夠根據需求，實現跨行業、跨產品、跨觀念的統一優化生產和供應。這就是我們所說的：整合能力。
由于信息革命加強了整合能力，最終將打破傳統工業化的行業分工，首先將要挑戰的是工業文明的法則--規模效益。由于信息技術的發展，開闊了人們的眼界，使我們從傳統的行業壁壘中走出。我們將在一個更大的范圍、更加全面的視角和更高的道德標準下優化我們的能源體系。
我們所追求的效益將不僅僅是直接的利潤，還有環境效益、資源效益和社會效益的平衡。信息文明將出現一個全新的法則--效益規模。根據實際的需求內容和范圍，以及資源供應結構、環境容量空間和資金承受能力來確定我們的適度的綜合性的生產規模。
根據新法則，人類將逐步建設一個全新的能源系統。對于這一系統，人們根據自己各自不同認識和理解冠以不同的名稱，例如：分布式電源、分散能源系統、能源互連網、能源島系統、新能源系統、樓宇/區域/企業熱電冷系統，中國有專家稱其為愛能島等等，但都僅在一個層面解釋了問題。因此，一些國際、國內專家將其成為：第二代能源系統更為貼切。
效益規模的法則將使能源設施不可避免地出現小型化、微型化的趨勢，這將對傳統能源行業產生毀滅性的沖擊，這是不以人們意志為轉移的進步趨勢。在工業時代，人們對小充滿蔑視和憎恨，小火電、小煤窯、小煉鋼、小煉焦等等，均屬淘汰之列。認為小就一定效率低，污染大、經濟效益差。當然在單一產品優化時，小的系統難敵大的，但在多產品優化時，情況就未必了。例如：小型熱電廠的發電煤耗往往高于大型火電廠，大型熱電廠由于供熱半徑的局限，用戶端的綜合熱效率有大大低于小熱電。特別是燃氣輪機的出現，25kW燃氣輪機熱電聯產幾乎與350MW機組的能源轉換熱效率沒有區別，如果在用戶端計算，小機組幾乎可以全能量、全資源利用，而大型機組僅能源輸送損耗確是一個驚人數字，根本無法與小型系統匹敵。
第二代能源系統是技術進步的產物
新的能源系統是基于一系列能源技術進步和能源結構調整的產物，是不同領域新技術革命的整合。
一、一次能源的形態轉變：
首先是一次能源從固體到氣體的轉變，這是第二代能源的基石。過去的能源系統主要是基于煤炭，將最優質的煤炭用于轉換二次能源--發電。今后人類將更多使用天然氣和其他氣體資源作為燃料，我國也不例外。
我國和周遍國家的陸上天然氣資源比較豐富，除了目前供應京津地區的陜甘寧氣田、四川氣田、南海氣田、東海氣田、渤海--大港氣田外，還有西氣東輸的塔里木氣田和最新發現的準葛爾氣田，以及周遍的俄羅斯、哈薩克斯坦、土庫曼斯坦等國均有豐富資源可供中國。
我國的煤層氣儲量與天然氣儲量不相上下。
我國是世界上煤炭生產量最大的國家，礦井瓦斯資源也是非常豐富。同時，我國還是世界上焦碳生產大國，煉焦時產生的煤制氣資源也十分豐富。
可燃冰--天然氣水化物的發現，為人類的燃料供應提供了源源不斷的資源，預計可以支持人類文明超過百年。可燃冰是以固體形狀蘊藏在深海中的天然氣和水的化合物，在我國南海和東海均有發現，預計黃海水域也有資源蘊藏。
而未來的另一個重要趨勢是利用一切可以利用的劣質資源或廢棄資源用于熱電冷一體化能源供應，例如：將那些無法開采的劣質薄煤層和廢棄礦井中殘存的煤炭資源進行低下氣化；將生活垃圾和麥節稻桿等有機資源熱解氣化制氣，利用人類和動物排泄物、垃圾填埋和污水處理中產生的沼氣加以利用等。將一切可以利用的資源成分利用起來。只有這樣才能解決13億人的現代化問題。
氣體燃料的優勢在于輸送環節中的損耗極小，運行成本較低，不占用大量的土地資源，相對比較安全。氣體能源不僅要代替固體能源，也將在相當程度上替換液體能源。
二、二次能源轉換技術的發展：
第二代能源的另一技術基石是小型、微型氣體能源轉換裝置的技術進步，它所包含了一系列能源裝置：小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣內燃機、燃氣外燃機和燃料電池等技術的進步和日臻完善。
煙氣回熱燃燒技術將小型燃氣輪機的效率提高，它是利用燃氣輪機的煙氣余熱燃氣，將燃氣作為載體回收余熱中的能量，并提高燃氣的燃燒效率。例如：美國索拉公司的4MW水星燃機采用這一技術，發電效率高達41%，超過了各類大型工業燃氣輪機的發電效率，熱電聯產的綜合熱效率達到75%；美國聯合技術公司采用回熱工藝的400kW ST5燃氣輪機的發電效率為34.5%，與采用最新技術的大型燃氣輪機差不多，熱電聯產效率74%。
微型燃氣輪機不僅采用了可調節煙氣回熱燃燒技術，還采用了空氣軸承、永磁發電機、晶體管變頻技術、智能化程序控制技術等。例如：英國寶曼公司的80kW微型燃機，在發電的同時，供熱能力可以在150kW-420kW之間任意調節，可以根據用戶的需求調節供熱制冷和供應生活熱水。
內燃機也在積極適應市場需求，不斷進行改進，不僅可以燃燒氣體燃料，還可以熱電聯產，在價格上也始終保持了競爭力。
最近還有廠家推出了基于斯特林發電機原理的燃氣外燃機，向比之下，它的發電效率更高，噪音更小。
燃料電池發展速度比人們預先估計的要快的多，將在今后的10-15年后成為人類能源的主宰。燃料電池利用氫和氧的化學反應產生電子和熱的原理，由于沒有轉動機件，本身不消耗能量，沒有噪音、沒有排放污染，質子交換膜燃料電池發電效率達到40%，熱電聯產效率80%（含制氫余熱回收），固體氧化物燃料電池的發電效率就可以接近70%。不僅是轉換效率高，供熱的一部分熱水是其化學反應得到的，而且運行既無噪音，又無震動，北京富源公司生產的一個30kW機組只有90x46x19（cm），重量120 kg。燃料電池另一個優勢是將發電用電，變成用水一樣簡單，由于是化學反應發電，所以可以實現用它就有，不用則停， 這是其它能源設施根本無法比擬的。由于煤制氣和地下氣化氣的燃燒熱值雖低，但含氫高達60%-70%，非常適合燃料電池使用。燃料電池不僅可以應用于熱電聯產，還可以應用于汽車等各種交通工具，以及手機、航天、武器等各個領域。人類的下一個目標是解決水制氫的問題，一旦問題得到解決，人類將會進入氫能時代，燃料電池無疑將成為主要能源轉換工具。
三、技術的交差整合：
由于信息技術的發展，人們已經逐步走出了行業壁壘和單一產品或單一技術的制約，人類的想象力空前地活躍，它帶來了各種技術的交差。最近在能源技術領域的一系列新技術成果，使我們更加深刻地意識到信息時代的整合能力對人類未來的巨大影響。
在此我們舉一些例子：
1、 燃氣輪機（微燃機）--溴化鋰制冷機聯合循環：溴化鋰制冷機傳統上是采用直接燃燒、蒸汽或熱水交換來制冷（供熱），最近遠大公司將其于微型燃氣輪機實現對接，利用燃機的煙氣余熱制冷、供暖和生活熱水，將兩個成熟的技術進行了一次成功的整合，減少了傳統利用方式上的鍋爐、熱交換器、化學水系統等，大大降低了造價、運行成本和維護難度。遠大已經向美國能源部發運了兩臺樣機供馬里蘭大學和加州進行技術評測，遠大正在與美國最大的小型燃氣輪機生產企業索拉公司進行技術合作，準備開發5000kW以下燃機的配套余熱溴化鋰空調機。
2、 燃氣輪機（微燃機）--熱泵聯合循環：熱泵是一種新型無污染的高效能源裝置，但熱泵由于供熱溫度低，制約了它在大項目上的應用。如果將熱泵和燃氣輪機結合，不僅可以利用燃氣輪機的動力驅動熱泵，還可以將余熱用于提升熱媒的溫度，大大提高全系統的效率，減少系統的投資。中科院工程熱物理所的王應時教授正在積極推廣這一工藝技術。
3、 燃氣輪機--太陽能輔助循環：小型燃氣輪機電冷聯產，采用太陽能技術補充，可以將系統規模進一步縮小，降低工程造價，利用太陽的能
量來補充高日照條件下用戶對制冷需求的增加。
4、 太陽能（風能）--燃料電池聯合循環：利用廉價的太陽能、風能來分解水中的氫和氧，并將其儲存，在需要時利用氫氧還原反應，取得電能，并回收水反復使用。
5、 燃料電池--微燃機聯合循環：將燃料電池在制氫余氣和反應不完全的氫、一氧化碳等可燃氣體供給微燃機燃燒，利用微燃機的余熱提升燃料電池余熱溫度以擴大利用途徑（只有較高品位的熱才能用于制冷），同時利用微燃機的進氣系統，幫助提高燃料電池從空氣中提取氧氣的交換反應的效率。
6、 小型燃氣輪機（微燃機）熱電冷系統--植物大棚（工廠）聯合循環：利用燃氣動力裝置排放的二氧化碳、水蒸汽、少量氮氧化物和余熱，促進植物的生長，達到零排放和全能量利用的效果。荷蘭已經積極推廣了這一技術，收到了較好的積極效益。
7、 信息與智能化控制技術與能源裝置的技術交差：過去小型化裝置的最大問題是不易于管理和控制，使用人去管理運行，成本過高，也不可靠。信息化技術和智能化技術的發展，已經使我們根本不必去采用傳統手段去管理它們，目前的技術手段足以使這些微型自動化能源裝置和通過網絡技術進行的智能化的優化能力比人聰明的多、也可靠的多。
第二代能源系統特征與形態
通過以上的論述，我們可以對所謂第二代能源系統的輪廓得出一個比較明晰的認識。 第二代能源系統將具有以下特征：
1、 氣態燃料為主，可再生能源為附，利用一切可以利用的資源；
2、 多種技術，因地制宜的小型、微型熱電冷（植）全能量多元系統的組合；
3、 從綜合利用，到零排放的環境、資源目標；
4、 在低壓電網實現就近聯網，并通過冷熱水管道實現就近的能源互助支援，是能源系統的互連網；
5、 智能計算機與互連網通訊系統的自動化管理、運行、調度系統；
6、 與智能信息家電的進一步優化協調，解決各種能源的峰谷差，降低能源代價；
7、 在電力、熱力、燃氣、制冷、環境、交通等多系統中整合優化。
8、 能源企業從生產型轉向服務型。
第二代能源系統的形態：
根據用戶用能性質、資源配置等不同情況，由燃氣管網將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達用戶。由無數小型燃機、微燃機、內燃機、外燃機、燃料電池等各種傳統的和新型技術裝置，與太陽能、地源和水源熱泵、風電、水電和核能等裝置組成的能源互連網系統。
在因特網和智能計算機的優化運行調度下，進一步與智能家用電器實現協同優化，實現最小范圍的優化調度。并利用低谷燃氣資源和低估電力資源為用戶的交通工具蓄電、儲氫，實現燃氣、電力、供暖、制冷和生活熱水的供需平衡，使各系統都達到最優效益狀態，以降低個能源系統代價。最后將廢氣送入植物大棚，實行全能量、全資源利用。
信息時代的到來，將不可避免地為能源行業帶來一次革命，這是不以人們意志為轉移的。能源企業和產業人員能否適應這場生產力的歷史變革，勢必將重新確定我們每一個人和企業的價值。我們必須應對這一挑戰，別無選擇。
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