能源互联网是未来的经济模式吗？

【无所不能 文|庞名立】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16.2 MJ/kg；煤的氢碳原子比为1:1，其质量能量密度为24 MJ/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、世纪新能源网场等分布式发电（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。

表2 世界一次能源消费结构

研究再生能源必须研究21世纪可再生能源政策网公司（REN21）的年度报告“Renewables 2014 Global Status Report（2014年全球再生能源状况）”（笔者说明：把英文输入百度可以查找原文，年份可以更换）。报告中有2013年底全球电力生产中的再生能源份额的图示，见图1。化石燃料发电占总量77.9%，其次是水力发电占16.4%。杰里米·里夫金说的“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”，只能是屋顶太阳能光伏和小型风力机比例很小，图中数据实际上是指大型太阳能光电板阵列和世纪新能源网场。

图1   2013年底全球电力结构

分布式发电走向能源互联网

化石燃料消失，跨入再生能源时代，并没有明确的时间界限，天然气是人类从高碳过渡到无碳时代的桥梁。

分布式发电（Distributed Generation，DG）通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力发电、生物质能发电、小水电等。电力生产是分散的、间歇性的，成本低、输电损失少，多余的电力只能储存。如果将它们联网就成为区域性能源网络，这就是能源互联网的核心。

区域性能源网络是以分布在用户端的分布式发电为主，其他中央能源供应系统（火力发电）为辅，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，争取实现适度排放的目标；在管理体系上，依托智能信息化技术实现现场无人职守，通过社会化服务体系提供设计、安装、运行、维修一体化保障；各系统在低压电网和冷、热水管道上进行就近支援，互保能源供应的可靠。分布式能源实现多系统优化，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，使利用效率得以提高，以达到节约资金的目的。

天然气热电联产和冷热电三联产在区域性能源网络中起着重要作用。热电联产和冷热电三联产有效利用能源效率、节省了天然资源并降低了燃料消耗，使系统高效率运行。一般的火力发电效率只有30%左右，热电联产可达65%～70%，而冷热电三联产可达80%以上。当燃料为可再生燃料时，热电联产和冷热电三联产是碳中性的，即不产生温室气体排放，也是降低温室气体排放和降低能源费用的最佳方案。

图2   各种技术的发电效率

区域性能源网络是未来世界能源技术的重要发展方向，它具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。

区域能源网络=能源互联网

虽然天然气燃烧的清洁性和对环境的亲善性产生了天然气热电联产（Cogeneration）和冷热电联产（trigeneration），并最终发展成为天然气区域能源网络，实现了对天然气近乎完美的高效利用。但是，随着世界在多种能源开发和利用方面所取得的巨大进步，因而从整个社会长期、稳定、安全、经济地使用能源的角度来考虑，就不难发现仅使用天然气这种化石能源已显得不足，也就是说当前的区域能源网络所使用的能源，除了天然气和集中式发电所提供的热电外，还应将诸如：太阳能、氢能、风能等可再生式清洁能源，以及其它分布式发电的电力都纳入到区域能源网络中来，以形成一个综合性的、多元化的区域能源网络，实现网络内用户的能源共享，包括能源的交换和用量调节，现在根据2007年中国石化出版社出版的一本“天然气百科辞典（庞名立编）”的插图来说明，当然这张图还可以画得复杂点，增加项目，见图3。

图3   区域性能源网络

从图3可见，这种综合性的区域能源网络，不仅包括多种清洁能源，还包括若干不同类型的用户，这有别于只使用单一天然气能源和只提供单一冷热电联供服务的天然气区域能源网络。在这种综合网络中的所有用户，包括住宅、医院、超市、楼宇、车辆等都实现能源共享，在共享中通过能源的交换和用量调节，使纳入网络中的各种能源得以充分利用，使区域内的能源用量从整体上达到最佳平衡。另外，共享必然存在共同的利益和责任，这会促使网络中的所有用户在提高各自的能源利用效率方面、在减少对环境的冲击方面，在更经济地获得能源方面积极发挥自己的作用，从而实现整个社会更加合理、高效地利用能源、更加节能、更少排放CO2、对环境更加友善的目标。

同时，从图3还可以看出整个社会对能源的供应和需求正在逐渐向高能密度和低碳密度的方向过渡。

电动汽车的电力应来自再生能源

我国把电动汽车叫做新能源汽车，新能源是指在新技术基础上可以开发利用的能源，如再生能源，包括太阳能、小水电（小水电装机容量不超过50MW，大水电属于常规能源）、地热、海洋能、风能等。我国汽车的动力来自化石燃料，都称不上新能源，也用不起新能源来开汽车。国外把所谓“新能源汽车”称为“替代燃料汽车（Alternative Fuels Vehicle）”或“先进技术汽车（Advanced Technology Vehicle）”，提法比较科学。

其实，发展电动汽车的本意是利用再生能源发电，这是能源互联网的核心问题，可是被误读了。这种来自再生能源发电的电动汽车，环保、绿色、省能、低碳、性能好等等，美好的词语都可以用上，所以说电动汽车是燃油汽车的发展方向，最终走向氢能汽车。电动汽车绿不绿？是看动力来源。由于化石燃料转化为电力需要消耗能源，动力来自化石燃料的电动汽车，都不是绿色的电动汽车，属于在城市“零排放”而在电站集中排放的污染型汽车。请注意杰里米·里夫金提出的第五条柱子：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。这里提及的电动汽车才是实际意义的电动汽车。

楼宇能源联网只是区域能源网络的补充

图3明确表明，工厂、医院、公寓、居家等都可以独自生产电力，并可将多余部分销售给电网公司以获得收益。如果“未来25年将会有数百万人生产绿色能源”并“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”，“传统的石油和煤炭企业死定了”，这是能源互联网的核心，就偏离了的区域性网络的实质。这种“众人拾柴火焰高”、“大兵团作战”方式仍然不能解决问题。

2004年国际能源署（IEA）提出以GWth来统计太阳热能。换算关系为：

1m2装设面积=0.7 kWth  ；1×106m2装设面积=0.7 GWth  ；1 GWth=1.4286×106m2

如果计算替代台湾台中发电厂（Taichung Power Plant）装机容量为7424MW，需要10.6平方公里的太阳电池板。这把天上的玉皇大帝都傻眼了，凡人安装这么多照妖镜做啥子？

这就是说，楼宇能源是光伏电池板或小型风力机产生的能源，其联网仍然比集中式的火力发电、太阳能光伏、太阳能热发电的小。

普及太阳电池板并不难，政策导向很重要。请你注意，我国太阳能热水器（Solar Water Heating）居世界第一，2012年占全球总量的64%，技术先进的美国只占5.8%。当然，这是分散式的，不联网，老百姓很容易接受，一次投资，终身受益。如果人们理解到太阳电池板即可自用电力，又可并网买钱，当不做事只管拿钱的翘脚老板，自然安装得快了。

全球能源互联网正向我们走来了吗？

造地球那个神仙分配化石燃料是很不公正的，给中东和南北美洲分配得特别多，对人口众多的中国给得少得可怜，于是产生了国际贸易。再生能源如太阳引发的太阳能、风能、水能和生物质能还算比较公平，按面积分配，大家差不多。

杰里米·里夫金写了篇短文“只有能源互联网能拯救世界”，说道：“在即将到来的时代，我们将需要创建一个“能源互联网”，让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源。然后，他们可以将这些能源转化为氢气储存，并用绿色电力为自己的楼房、机器和汽车供电。多余的电力则可以与他人分享，就像我们现在网络上分享信息一样。”

这只是能源互联网即区域性能源网络的一个补充。全球经济高速发展靠这点分散式楼宇型能源仍然不行，未来的能源格局像图3表明的一样，呈现多元（种类）化和多源（渠道）化的格局。在能源开发上，以清洁能源替代化石燃料，实现化石燃料为主、清洁能源为辅向清洁能源为主、化石燃料为辅的转变。

区域性能源网络规模由经济效益决定的，但大到其他国家那里去，试图全球形成一个大网络的可能性不大。写写文章，高谈未来是可以的，跑到别国拉电线，那是要钱的；再说，再生能源各处相对均衡。全球能源互联网的话题至少目前不成立。　

【无所不能特约作者，庞名立，曾在中国计量科学院（北京）和中国石油（四川）工作】