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社会其它相关论文-科学用能应对能源挑战【摘要】本文为作者2004年12月为积极响应中国科学院技术委员会主任徐建中院士在总结归纳了国内外专家对如何解决中国能源问题有关建议后，根据科学发展观，提出以“科学用能”来应对中国面临的能源挑战的倡议而写的文章。文章从科学使用能源，科学配置能源和科学管理能源等全面的阐述了自己的认识。中国的资源甚至全世界的资源都无力支撑中国按目前的方式实现现代化的目标，中国必须依靠科学的方式，以发达国家今天的技术和发展模式作为未来前进的蓝本，通过科学的使用能源，科学的配置能源和科学的管理能源来解决中国现代化的能源环境瓶颈。【关键词】节能科学用能熵的世界观科学使用能源科学配置能源科学管理能源前言中国科学院技术委员会主任徐建中院士在总结归纳了国内外专家对如何解决中国能源问题有关建议后，根据科学发展观，提出以“科学用能”来应对中国面临的能源挑战。这一建议得到两院院士和能源专家们的普遍支持，认为这是对能源的利用方式的技术进步、资源配置的优化和管理体系的创新提出了一个与时俱进的新目标。已故的著名工程热物理学家、中国科学院主席团执行主席吴仲华院士，早在1980年8月14日中央书记处举办的科学技术知识讲座报告中就预见性地提出了“依靠科学技术解决中国能源问题”的理论，徐建中院士将这一观点根据24年以来的科学和技术进步的成果和趋势进行了系统的发展。今天的中国已经达到GDP人均1000美元的小康目标，按照我们预定的经济发展目标，2020年将全面实现小康，2050年达到中等发达国家的水平，人均GDP达到10,000美元，若按PPP核算方法将达到25,000美元。如果以其他发达国家的发展历程比较，GDP达到1万美元时能源消耗是人均4吨标准油/年，折合5.6吨标准煤。这样，到2050年中国人口达到15亿，将需要60亿吨标准油，折合86亿吨标准煤。这是世界目前能源生产能力的60，是一个无论如何也不可能达到的目标，不要说全球的资源无力支撑，全球的环境也根本无法忍受。怎么办？唯一的出路就是依靠科学技术来解决中国发展面临的能源和环境难题。“科学用能”，主要包涵三个层面-科学使用能源，科学配置能源和科学管理能源。这一观点强调“科学技术是第一生产力”，鼓励采用先进的技术提高包括能源在内的各种资源的综合利用效率，通过“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的方式优化配置资源，建立“能源需求侧管理（DSM）”、“合同能源管理(EMC)”、“能源服务公司(ESCO)”、“综合资源规划（IRP）”，以及环境排放和资源利用的各种“交易机制”等多种符合市场经济规则的管理运营机制，来有效解决中国发展中的能源与环境瓶颈，实现社会和经济的可持续发展目标。资源短缺的现实需要我们建立新的世界观中国正在面临着改革开发以来最严峻的能源挑战，煤炭、油气、电力，以及水资源、土地资源和环境、运力都已经无法支撑目前这种粗放型的GDP高速增长，资源的快速耗散不仅直接威胁到子孙后代的生存空间，也引起了国际间的恐慌。频繁的拉闸限电，煤炭供应不足，油价的飙升，水环境和大气环境的日益恶化，耕地减少引起的粮食供应问题都直接影响到国家的社会进步、经济发展和政治稳定，中国将如何应对这一挑战，不仅是全国人民关注的问题，也成为全世界担忧中国将如何崛起的焦点。中国已经确立了“和平崛起”的目标，但是世界更加关注我们将如何实现这一目标的过程，我们将采取什么办法来应对我们所面临的挑战。能源科学进步一直影响着人类世界观的形成，人类的文明就是建立在对于能源的认识上。人类与动物的分水岭并非是使用工具和劳动，而是对火的认识，目前已知的能够使用工具和能够从事有组织劳动的动物种类是大量的，但是能够使用火的动物只有人类，人类的进步步伐始终依靠能源技术进步作为动力。我们传统的世界观是构筑在19世纪中叶时对科学的认识上，主要的科学依据是牛顿的三个机械定律和热力学第一定律，以及达尔文的“进化论”。基本的观念是“物质不灭”和“能量守恒”，认为“运动着物质的永远循环是宇宙的最终结论”，世界总的方向是从无序向有序发展。我们的目标是建立一个“物质极大丰富”的人类大同社会，地球上的资源和能量将随着技术的发展“取之不尽，用之不竭”。1850年德国科学家克劳修斯总结并表述了热力学第二定律-即“熵定律”（加入的热量/绝对温度熵），他认为：热可以自发地从高温传向低温，而不会自发地从低温转向高温。简单的说，一杯热水可以自己变冷，确不会自动变热，除非借助外部更多的能量。能量虽然守恒，但质量却发生了变化，一桶温水可能比一小锅开水所含的热量要多，但它永远煮不熟一个鸡蛋。熵会自发的越来越增加，而不会自动减少。热向何处去了？向更低的温度散去，直到绝对温度273，一旦散去将难以重新聚积，如若宇宙能量散尽，温差将消失，宇宙将会热寂，能量的大趋势是从有序向无序发展。进入20世纪，科学突飞猛进，人们对宇宙的认识也在不断加深，科学家发现热力学第二定律是一个具有普遍意义的真理，而并非曾被批判的“形而上学”。特别是俄罗斯出生的比利时科学家普利高津，对热力学第二定律进行了广泛的延伸，并创立了著名的“耗散结构理论”。不仅能源科学进一步证实了这一定律的正确无误，资源专家也相信尽管物质不灭，但资源的品位将逐渐失去，最终将无法再次利用。例如：我们将高品位的铁矿资源冶炼为钢材，尽管我们在不断回收再利用，但不可避免地有大量铁分子被氧化而散落在土壤中，永远无法再回收利用，铁的原子总量没有减少，铁的有效资源只会越来越少；宇宙天文学家肯定地认为：对于太阳和地球，熵定律是一切自然定律中的最高定律，因为对于宇宙和太阳的研究，宇宙大爆炸学说的确立，越来越证实这一定律的正确无误；物理学家也发现时间是不可逆的，如同熵增加的过程也不可逆一样，时间和能量同起源于一点，时间最终指向熵的增加；生物学家发现生命的过程也在熵定律的涵盖之下，生命就是一个能量的过程，生命的能量过程就是整个宇宙的能量过程中的一部分，生命逝去的过程恰恰就是一个熵增的过程。而环境学家也认为熵增正是地球环境面临的规律性问题，甚至社会学家和经济学家也在沿用这一定律来分析、认识和解释问题。熵定律正在成为一种新的世界观，它告诉我们物质不灭，但质量在递减；能量守恒，但品位在下降；运动着的物质是具有方向性的，它不可能永远在周而复始；而物质的循环将存在疆界，任何事物都会有终结的一日。这一世界观为人类规范了一道行为界线，我们无法逆转熵的方向，就像无法逆转时间一样，但是可以减缓熵增加的速度和过程，通过我们对自身的生活方式和行为模式的调整和约束，通过科学技术与社会观念的进步，来减缓有效资源和有效能量的耗散速度。20世纪70年代，先后两次石油危机之后使人们更加坚信不移，世界的资源不可能无限制地支持人类的高速发展和肆无忌惮的消费，“物质极大丰富”仅仅是一个美好梦想，社会、经济发展的有序性是由更多的无序来作为代价的。因此，“可持续发展”和“循环经济”等观念开始成为人类文明的主题，影响人类的发展进程。其实，这就是我们所说的“科学发展观”。新华社资深研究院杨元华同志认为：科学发展的核心是什么？是科学；科学发展观的目的是什么？就是可持续发展。科学用能是节能的升华过去的几十年里，我们一直在强调节约能源，努力推动这一工作的落实，也取得了巨大的成效，在一定程度上减缓了经济发展对于能源以及综合资源的压力，实现了经济翻两番，能耗翻一番的目标。尽管如此，我们还是无法承受能源需求的快速增长和环境污染的不断加剧，社会为这种难以维计的发展模式而陷入焦虑和困惑。与发达国家相比，中国确实存在着巨大的差距，丹麦在过去的20年中，GDP实现翻一番，人民的生活品质进一步得到改善，但是整个社会的能耗却没有增加，污染排放反而大幅度减少。丹麦靠的是什么？就是先进的科学技术、先进的科学理念和先进的科学管理方法。苏格兰出生的英国工程热物理学家麦克斯韦发现，信息的流入可能使一个开放系统出现熵的减少，因为分子在接受信息之后存在着某种自组织能力，能够实现局部的、阶段性的负熵，这就是著名的“麦克斯韦妖”。所谓“妖”就是某种具有智能化的因素。这一理论不仅在物理学中具有价值，在化学、生物学、社会学、经济学，甚至政治学中，对实现有序组织问题上，具有深远的意义。如果我们能够在能源生产消费环节加入信息，能够转变人们的世界观，使节能环保成为一种自发自愿的行为，通过自组织过程，就可能有效地控制熵的增加速率。传统的节能观念是无法推动中国实现可持续发展的，为什么？首先，节能工作在传统体系下，仅仅是一种“社会分工”，而没有贯串于社会的每一个部门的每一环节的每一个时刻，它不是一种来自世界观的自发自愿的动力，而是一种为解决现实问题的权宜之计。传统节能工作依靠宣传教育，靠提高人的自觉性或者牺牲生活品质来实现，解决的目标往往是一些现实的短期问题，缺乏可持续的动能和机制，而且只能停留在问题表面和浅层。今天“拉闸限电”了，我们就多宣传节能，搞搞“需求侧管理”；明天电力过剩了，我们又去宣传“电是商品”来“鼓励用电”。需要节能了就“优先”，压力减轻了就向后排，治表不治本，临时抱佛脚。最近，为解决当前能源供应紧张问题，提出了“节能优先”的口号，徐建中院士等一大批科学家认为这种提法并不妥当，节能问题不是一个“排第一，排第二”，“谁优先，谁其次”的问题，而是一个根本性的问题。我们现在消耗的能源是地球几十亿年中积存下来的太阳能，它具有很大的能源流密度和很高的能量品位，这些能量的积蓄，不仅为人类的文明提供了动力储备，而且能量积蓄过程中也固化了大量可能变为温室气体的炭物质，使地球的环境可以适合人类和其他生物的出现、进化和繁衍。一旦将这些宝贵的资源耗尽，不仅人类的文明将失去动力，地球环境也将会发生重大变迁，人类和大多数生物可能再也无法延续繁衍。所以，科学家们提出“节能为本”的新观点，并将这一观点列入了中国科学发展的中长期规划。最近，有关机构已经接受了这一意见，进一步将提法改为“节能优先，效率为本”，更加精确地表述它的内涵。科学用能是依靠科学技术的发展来解决问题，与其说一千次“随手关灯”，不如安装一个声控开关，如果再更换一个节能灯泡，节能效果将出现一次质的飞跃。如果中国普及混合动力汽车，油耗水平可以降低到目前的1/3，汽车保有量就可以实现增加3倍而燃油总量不增加的目标，排放强度还会得到改善。当今的世界，由于信息化使各种技术得到了快速的发展，特别是互联网技术的蓬勃发展，推动了节能技术的发展和应用，以及社会观念的全面更新。使更多的人，更加积极地，自发自愿地参与到节能技术和产品的开发，节能资源的发掘和经营，节能机制的建立和执行。并以科学技术这一第一生产力的发展，来推进一个相适应的生产关系的建立。科学用能-实现“节能优先，效率为本”的基础人类的文明进步最终是科学技术的进步的结果，所以说科学技术是“第一生产力”。尽管熵增的方向无法逆转，但是我们可以通过科学技术的应用和普及，以及人的素质的提高来有效减缓这一过程，控制它的速度，而这就需要我们建立一个新的世界观，采取一系列有效的步骤，通过科学的使用能源，科学的配置能源和科学的管理能源来实现这一目标。1、科学的使用能源：我们需要积极的采用各种先进的技术和理念，来有效使用我们现有的能源，发掘一切可能利用的能源，尽可能提高能源的终端使用效率。在能源利用技术的进步中，由于信息技术的推动，分布式的趋势将是一个不可阻挡的潮流。自20世纪80年代以来，信息技术的进步，特别是互联网技术的发展对于能源工业产生了巨大的启迪，那些分布在千家万户的微型计算机在与网络连接之后创造了一个崭新的时代-信息时代，它不仅代替了超级电脑，而且通过计算机和互联网将全世界的人脑连接起来，掀起了一场知识进步的“人民战争”。随着信息技术的发展，一场“分布式”的革命正在悄然而致，直接挑战后工业时代-重化工业时代的“规模效益”的经济理念。在人类信息整合能力不足时，只有通过规模经济来降低成本，增加效率。实施“大工厂、大生产、大消费、大耗散”的大工业战略或称重化工业战略。当信息技术发展之后，我们可以越发清楚地了解生产销售和最终使用的全部过程，监控整个生产-消费链，从原料的开发，到产品的制造，从消费者的使用，到使用后的资源再利用。人们发现在大多数情况下，规模未必能够带来真正的效益，反而增加更多的资源耗散和环境、资金代价，加速了熵的增加。电力工业就是最好的一个例子，传统上我们认为“大电厂、大电网、超高压”是效率最高的方式，但是这是在转换端来判断问题，而且在“电”这一单一行业条件下分析的结果，如果在需求一侧进行综合资源对比分析，可能结论未必如此。大电厂与小电厂比较当然发电效率是高的，但是由于燃料运输、排放限制、土地资源的制约，大电厂只能远离城市，首先发电之后的余热无法加以利用，其次输变电和配电又要增加电网和线路的损失，到了终端用户的实际资源利用效率必然大打折扣。此外，建设输电走廊和变电站需要消耗大量土地资源，发电之后的灰渣因为远离城市无法制成建筑材料再加以利用。此外，城市不仅需要电力，同时还会需要热力，为解决需求不得不再建设热力厂，将宝贵的资源转换成为低品位的能量进行利用，增加了各种资源的耗散和浪费。因此，在需求侧建立能源梯级利用设施被认为是