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焦建玲:科技革命、能源革命与能源战略
发布时间:2018-01-12 | 浏览次数: | 来源:杨继盛
 

1.引言

说到能源,人们想到的可能只是各种机器设备的动力,如满大街跑的汽车里的汽油或者带动各种机器设备的电力。其实能源远非燃料动力,它与我们的生活息息相关。以当今世界最主要的一次能源石油为例,石油不仅被称为工业的血液,而且我们的衣食住行处处有它的身影(如图1所示)。以石油为原料经合成的高聚物巨纺丝所成的合成纤维可用于制衣,减少了天然原材料棉、麻等对土地的需要,据统计我们每个人一生要“穿”掉290千克石油。生活中随处可见的矿泉水瓶、饮料瓶,各种食品的塑料包装袋,都是石油化工产品。每生产1吨塑料袋,需要消耗3吨以上的石油。随着技术的进步,化工材料逐步取代传统的建筑材料。例如门窗塑钢型材是石油制品,较之木制和铝门窗不仅价格便宜,且经久耐用,保温性能更好。人的一生“行”掉的石油份额最大,车辆行驶所“吃”掉的汽油、柴油,飞机“吃”掉的航空煤油,都是由石油炼制而成。高速公路中应用广泛的沥青是原油蒸馏后的残渣它与不同组成的矿质材料按比例配合后可以建成不同结构的沥青路面。所以,能源不仅仅是带动机器设备的动力,更是维持整个经济社会正常运转不可或缺的动力。

 

1:石油对衣食住行的影响

自十八世纪工业文明以来,化石能源,如煤炭、石油支撑了全球经济社会持续快速发展,在带给人类舒适文明的现代化生活的同时,也引发的全球严重的环境问题(如图2所示)。例如,煤和石油的开采和使用中污水排放不当造成了严重的水污染,工业生产排放到大气中的废气有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等,以及汽车的尾气成为大气的主要污染源之一。温室气体排放增加导致冰川减少,严重威胁北极熊等生物的生存。大量燃烧含硫量高的煤和各种机动车排放的尾气引发酸雨,导致土壤酸化、建筑物腐蚀、农作物减产等一系列问题。此外,臭氧层的耗损与破坏,海洋污染,全球变暖等环境问题都与人类大量使用化石能源密不可分。

 

2:化石能源使用导致的各种环境问题

温室气体大量累积是造成当今环境问题的重要原因,人类活动产生的温室气体中约90%是由于化石能源燃烧导致的,能源短缺和化石能源燃烧导致的环境问题是人类可持续发展中面临的两大严峻问题。中国是目前世界上最大的能源消费国、最大的碳排放国和最大的石油进口国(如图3所示),所以能源短缺和化石能源利用引发的环境问题尤为严重。

 

3:中国的能源环境问题

2.科技革命与能源革命

在漫长的农业社会,人类最主要的能源是薪柴,在装满薪柴的马车低吟声中,人类度过了漫长的农业文明时期。18世纪,以瓦特蒸汽机发明为标志的第一次科技革命催生了第一次工业革命,并将人类由农业文明带入了工业文明。工业革命极大地改变了人们的生活、工作,改变了整个世界。蒸汽机的发明在推动第一次工业革命的同时,也引发了第一次能源革命,煤炭的使用急剧增长。19世纪80年代,爱迪生创建世界上第一座实用发电站,人类社会开始向电气化时代发展,同时也加速了煤炭工业的发展,煤炭的使用遍及了工业革命后产生的各个产业部门之中,如火车、冶炼、发电等。从19世纪后半期至20世纪初,世界能源,尤其是煤炭的消费量大幅增长,占一次能源消费总量的70%以上,实现了能源转换史上的第一次革命,煤炭替代柴薪成为人类第二代一次能源。

1859年,在美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井,世界上第一个石油公司宾夕法尼亚石油公司的成立,宣布了世界石油工业的发端。19世纪后期,奥托内燃机(Otto Engine)和狄塞尔内燃机(Diesel Engine)的发明,以及1908年第一辆汽车的下线,使得几乎每个产业部门都开始扩大了石油的使用。以内燃机为主要标志的第二次科技革命推动人类发展史上的第二次工业革命,第二次工业革命时期涌现出大量新兴产业,如电力产业丶化学产业丶石油产业和汽车产业,这些产业需要大量石油作为基础能源。20世纪60年代,世界石油消费量超过了煤炭消费量。20世纪 70年代,石油、天然气占一次能源消费总量的70%以上,实现了能源转换史上的第二次重大革命,石油替代煤炭成为第三代一次能源。

纵观这一漫长时期能源系统的变迁,自然科学的进步催生了工程技术的进步,而工程技术的进步(如畜力的使用,蒸汽机、内燃机、汽车等的发明和大量使用)决定了一次能源的兴替,使得世界一次能源经历了薪柴煤炭石油的变迁。这一时期极为漫长,最重要的特点在于,科学技术的进步决定了能源系统的变迁方向和速率,图4展示了能源技术史上的一些重大科学技术事件。

 

4:能源技术史上重大科技事件

3.能源革命与能源战略

能源革命与能源战略互为因果。为了适应并充分利用能源领域发生的革命性变化,能源战略会相应地随之变化;反过来,为了保障经济社会持续、高速和健康发展,一些高瞻远瞩的能源战略也会反过来推动能源领域革命性变化地产生。尤其是在当前能源与环境的双重压力下,各主要能源消费国都在依据各自的资源、技术等方面的优势,通过实施可再生、可持续的能源发展战略引导能源和环境领域的重大技术革命,占领新一轮科技革命的高地。

3.1 美国能源技术革命与能源战略

与能源领域的技术性革命相匹配,美国的能源战略发生了一系列的重大转变,从保证国内石油供给安全到实现能源供应多元化,降低石油依赖;再到发展清洁能源,实现能源结构转型,保障国家能源安全。为有效应对能源短缺和环境危机,美国在非常规油气开发和智能电网等能源技术领域取得了重大成就,如图5所示。水力压裂法和水平钻井等技术的突破对以页岩气为代表的非常规油气的成功开发起到了关键性的作用,美国成为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家,一举由最大的石油进口国转变为石油出口国,不仅使美国不再受制于中东等石油出口国,实现了美国能源独立,而且改变了全球的能源格局。美国正在实施的智能电网以及可再生能源发电战略,如光伏发电、生物质转化技术等新能源发展技术也将对全球能源战略布局产生深远的影响,“页岩气革命”和智能电网的技术突破是美国绿色能源革命的典型代表。

 

5:美国能源技术与能源战略演变过程

3.2 欧盟能源技术革命与能源战略

欧盟是较早意识到能源短缺以及能源引起的环境问题对经济社会可持续发展障碍,并通过主动制定相应的能源战略引导能源领域技术革命的先行区。其能源战略经历了从单纯应对供应中断和油价暴涨为目标的消极防范性能源战略,到供应安全、竞争力和可持续发展三重目标互动的综合可持续能源战略,最终形成了以清洁能源和可持续发展为核心,迈向低碳经济的宏伟蓝图(见图6所示)。在这个发展过程中,以现代信息控制技术为动力,欧盟在区域能源市场的建设、能源与环境政策、节能减排技术研发、可再生能源的发展等方面取得了令人瞩目的成绩,其中以欧盟可再生能源发展最具代表性。

以丹麦为例,其风电装机容量比例、发电量比重以及各项人均指标均遥遥领先,丹麦风电主要采用靠近负荷中心的分散式发展模式,全国风电总装机容量不到500万千瓦,不仅可以在整个北欧市场消纳,还可以在德国市场消纳部分风电。丹麦不仅国内调节能力强的燃气发电比重很高,挪威水电(98%装机容量为水电)也为丹麦风电调峰、消纳提供了坚强的后盾,充足的调峰能力为丹麦消纳风电提供了强有力的保证。欧洲超级电网连接北海沿岸的德国、法国、比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、瑞典、爱尔兰和英国等9个国家,英国的海上风力发电场、德国的太阳能光伏电站(含大型和分布式)、比利时和丹麦的波浪能发电站将与挪威的水力发电站连成一片。比如在丹麦周围的北海刮起大风时,可以把电力传输到欧洲大陆最南端的西班牙。而当丹麦没风或者挪威没有水时,太阳能可从西班牙的阳光海岸输送过来,令各种资源得以充分利用,协作共赢。

欧盟很重视低碳技术的研究与开发,并已在该领域取得了巨大进步。以碳捕获及储存技术(CCS)为例,欧盟电力行业采用的三种方式(后燃烧捕获、预燃烧捕获和氧燃料燃烧捕获)均处于世界领先地位。

 

6:欧盟能源技术与能源战略演变过程

3.3 日本能源技术革命与能源战略

“二战”结束后,随着日本经济的迅速恢复与快速发展,日本的能源战略也相继经历了“以煤为主”、“以油为主”、“能源多样化”多个阶段。由于日本化石能源极其匮乏,几乎完全依赖进口,因此,与其它发达国家和地区相比,日本较早地将多元化和节能提升到战略高度。在以信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、海洋技术等为主要特征的技术推动下,日本的核电技术和可再生能源研发技术得到快速发展,其能源战略呈现出新的态势,正在从核能立国向多元可再生能源战略转变,具体见图7所示。2011年福岛核事故之前,日本有54个商用核反应堆,位列亚洲第一,其发电量占日本的近30%。此外,日本因地制宜大力发展改善漂浮式风电技术和漂浮式太阳能发电技术等。20154月,京瓷公司与东京盛世利租赁公司合资兴建的两座漂浮太阳能发电厂竣工,分别位于兵库县加东市的Nishihira水库及Higashihira水库,共有11256个太阳能模组,总装机容量为2.9兆瓦,每年可产生330万度电可供应920户一般家庭所需电力,号称全球最大的漂浮太阳能电厂。


7:日本能源技术与能源战略演变过程

4.孕育中的能源革命——能源互联网

为应对能源与环境的挑战,各主要能源消费国于本世纪初相继提出了一系列面向清洁能源和可持续能源-经济-环境系统(3E System)的发展战略,但该战略依托的科技革命与能源革命仍在孕育之中。能源互联网有望成为支撑该战略的科技革命和能源革命的融合。

如图8所示,能源互联网是综合运用先进的电力电子技术, 信息技术和智能管理技术, 将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。能源互联网具有可再生、分布式、互联性、开放性、智能化五大特征。美国未来学家里夫金在《第三次工业革命》一书中阐述了这样一种观点,在经历了第一次工业革命和第二次工业革命之后,第三次工业革命将是互联网对能源行业带来的冲击,即把互联网技术与可再生能源相结合,在能源开采、配送和利用上从传统的集中式转变为智能化的分散式,从而将全球的电网变为能源共享网络。德国于2008年在智能电网的基础上选择了6个试点地区进行为期4年的E-Energy技术创新促进计划,成为实践能源互联网最早的国家。201532日,国际标准化组织ISO/IEC正式发布文件,由天地互连主导的IEEE1888标准通过ISO/IEC最后一轮投票,成为全球能源互联网产业首个ISO/IEC国际标准。能源互联网需解决风能、太阳能的随机性、间断性和模糊性对网络的巨大冲击,需要支持超大规模分布式发电、储能及其他能源终端的接入平台,要建成真正意义上的能源互联网还有很长一段路要走。

 

8:能源互联网示意图

我国错失了第一次和第二次科技革命、工业革命和能源革命的巨大发展机遇,要在当前能源短缺和环境危机的双重压力下,保证经济社会健康可持续发展,必须牢牢抓住正在孕育中的科技革命和能源革命。能源互联网在能源领域的突破面临的最大困难和挑战是世界能源系统已锁定(Locked-in)于化石能源,新能源和可再生能源技术目前尚无法与化石能源技术竞争。此时,要实现能源领域的技术革命,需要国家从能源战略和能源政策上加以引导,克服市场失灵对技术创新的阻碍作用。为此,我国应坚定不移地坚持创新驱动发展战略,以信息技术、新材料技术、新能源技术等为技术核心,以智能电网、微电网、储能设备等为能源互联网系统要素,攻克能源互联网关键核心技术,抢占新一轮科技革命与能源革命的新高地。

参考文献:

  [1] 何继善等. 第三次工业革命与能源生产消费革命. 科学出版社,2017

  [2] 杰里米•里夫金. 第三次工业革命. 中信出版社,2012

作者简介:

焦建玲,女,博士,教授,博士生导师,资源经济与环境管理研究所所长。长期从事本科生、研究生和MPA的信息经济学、管理统计学、博弈论、高级管理统计学和社会研究方法的教学工作。主要研究方向:能源经济,环境管理。

 

 
 
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Produced By STCMS PublishDate:2018-01-12 11:18:08