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能源互联网是什么?

 人类进入信息时代,跟互联网沾边的东西就热闹起来,能源互联网就是其中一例。能源互联网成为最近热门的话题,号称“新经济模式改变世界”。


  实际上,能源领域改变未来经济模式的东西有很多。比如“氢能时代”的说法:氢有最高的能量密度,可以由再生能源制取氢,因此人们认为,能源从高碳经由低碳再到无碳,这个无碳的能源世界,被称为“氢能时代”;还有“乙醇时代”的提法:诺贝尔奖金获得者乔治·奥拉(George Andrew Olah)致力于研究和推广应用的甲醇经济新概念,即将再生能源制得的氢和二氧化碳变成甲醇,再用甲醇转化为新能源,这是解决目前温室效应越来越严重的现状的有效途径之一。这种提法的支持者认为应用生物乙醇来替代汽油。

  能源互联网也不是新鲜事物,由于可再生能源如太阳能、生物质、生物燃料、小水电、地热、海洋能、风能等能源密度低而且分散,在能源进入“后石油时代”必然产生再生能源联网,以满足社会经济发展的需求。

  能源互联网是什么?

  全球再生能源联网的概念最早在20 世纪70年代由巴克敏斯特·福乐(Richard Buckminster Fuller)在世界游戏模拟(World Game simulation)大会上提出的,他认为“全球能源互联网战略”是能源最高优选的。

  1986年彼得·迈森(Peter Meisen,1976年加利福尼亚州大学硕士研究生毕业,获应用力学与工程科学学位)创立了全球能源网络学会(Global Energy Network Institute,GENI),该学会是研究和教育的非盈利性组织,特别关注国家与大陆之间的电力传输网络连接,强调利用丰富的再生能源资源,利用季节性变化、气候变化和日照变化等的差异收集再生能源,以供全球使用。

  2011年杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)出版了一本名为《第三次工业革命—新经济模式如何改变世界》的书。书中观点指出,第三次工业革命由信息技术推动全球化,首先要解决人类赖以生存的能源问题。联网的再生能源共享,如何实现储存和共享,并且每家每户都能够参与再生能源生产中来是全书探讨的第一个主题。将能源的生产、制造、存储、运输实现互联网化,这是解决能源危机最行之有效的方法,全球化的能源进程始终与第三次工业革命相辅相成、相互渗透。



  书中提出了第三次工业革命的核心有五根支撑的柱子,它们之间是相互关联的:

  (1) 能源朝向可再生能源发展;

  (2) 陆上构筑物区块都转换成绿色微型电站,就地收集再生能源发电;

  (3) 每栋构筑物区块及基础设施均可使用氢和其他存储技术,以存储间歇式能源;

  (4) 利用互联技术将陆上构筑物区块微电网连接到能源互联网,其作用类似信息互联网(数以百万计的构筑物能够就地生产出少量的再生能源,可将多余部分销售给电网回收,通过联网而与其他地区分享);

  (5) 将电力或氢输送到插电式汽车及燃料电池汽车,这种绿色能源可以在各地区之间购买和销售。

  慢慢读过这5条,您可以理会到:能源互联网是充分利用可再生能源的有效方式:就地收集、就地存储、就地使用。在兼容传统电网的基础上,可以充分、广泛和有效地利用分布式再生能源,满足用户多样化电力需求的一种新型能源体系结构。就是说,化石燃料逐步消失,人类将这样逐步利用能源网络。

  因此,可以给能源互联网下个定义:能源互联网是通过先进的电力电子技术、信息技术和智能能量管理技术,将大量的由分布式能量采集装置和分布式能量储存装置构成的新型电力网络节点互联起来,实现能量和信息双向流动的能量对等交换与共享网络。

  杰里米·里夫金只是根据能源发展总结了前人的工作而成书,在之前,关于分布式能源或区域性能源的说法很多,讨论也已经持续很久了。在我国,这方面论述也很多,只不过如今披着“互联网”外衣就热闹起来了。

  能源发展必然出现能源互联网

  从传说的燧人氏钻木取火开始,人类开始自觉地使用能源,直到英国发明家、第一次工业革命代表人物詹姆斯·瓦特(James Watt)改良蒸汽机为止,都被称为“柴薪时代”。“柴薪时代”是环境与人类和谐共处的友善时代,但经济发展低下,作为生物燃料的柴薪不但不破坏环境,也能满足人们生产和生活的需要。不要认为现在居民煮饭都用电用气了,那就是现代化了,实际上木质颗粒(Wood Pellet)生产量逐年增加,2013年全球木质颗粒产量为2360万吨,比2012年增加了18%,利用多的是欧盟、美国、加拿大。

  瓦特的蒸汽机改良推动了世界经济发展,煤炭大量涌入能源市场,那时煤炭具有最高的经济价值,称为能源进入煤炭时代。煤炭激励了工业发展,同时也造成环境污染。

  到19世纪中叶,波兰药剂师依格纳茨·卢卡西维茨(Jan Józef Ignacy·ukasiewicz)发现了使用更易获得的石油提取煤油的方法,并于1854年在波兰克罗斯诺市附近开掘了世界上第一口油井,称为博布尔卡(Bobrka)油矿场。1856年在波兰建成世界上第一个炼油厂。

  由于石油在烃类的价值层次最高,石油轻易排挤了煤炭,能源很快进入“石油时代”(能源密度见表1)。在燃料化学结构中,氢含量越高,热值也越高。木材的氢碳原子比为1:10,其质量能量密度为16.2MJ/kg;煤的氢碳原子比为1:1,其质量能量密度为24MJ/kg,而汽油氢碳原子比约2:1,其质量能量密度为44.4 MJ/kg, 甲烷的氢碳原子比最高,为4:1,其总热值为54MJ/kg,比木材、煤和石油都高。正是此性质,人们把天然气作为高效的燃料来使用,而进入氢能时代,氢最高,为142 MJ/kg,因此,在能源互联网中,再生能源制氢显得特别重要。



  在石油时代,人们肆无忌惮地开采石油,石油从一次能源消费的顶峰于21世纪初叶迅速下滑,石油已经不能主宰能源市场,此时,全球经济发展必须需要能源补充,世界正在走向“后石油时代”。

  后石油时代是新能源、可再生能源快速成长和发展时期,也是石油替代产品的培育、成长和发展时期。后石油时代的特征表现为:

  ⑴ 更加激烈地争夺常规油气资源;

  ⑵ 加快非常规油气资源的开发利用;

  ⑶ 加紧抢占新能源技术制高点。

  能源发展是从高碳经由低碳,最终到清洁能源。清洁能源由两大部分组成:

  ⑴ 再生能源:如太阳能、水能、地热能、风能、生物质能。

  ⑵ 核能:指核裂变。

  目前,全球一次能源消费结构见BP公司《Statistical Review of World Energy》每年的报告,收集起来整理见表2。就2013年为例,清洁能源(核能+水力发电+再生能源)只占世界一次能源消费总量的13.3%,其中核能发电和水力发电都属于集中式发电,此处所指的“再生能源”,包括了太阳能发电、风电场等分布式发电(Distributed Generation),也包括了生物燃料如生物乙醇、生物柴油等,也就是说,21世纪能源市场仍然是以化石燃料为主体,再生能源发电的比例很小并以缓慢的速度增长。能源互联网至今为止处于准备阶段的初期。

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