能源互联网：一个美丽的梦.doc

能源互联网：一个美丽的梦？郑长征 原创 | 2012-11-12 20世纪70年代石油危机后，能源问题一直受到世界各国的普遍关注。近日，美国未来学家杰里米?里夫金在其新著第三次工业革命提到将分布式可再生能源和互联网技术相结合的“能源互联网”将出现，并预言第三次工业革命即将到来，人类从此摆脱能源、资源、环境的束缚，令“活着是为了游乐”。“能源互联网”使用可再生能源，采用分布式能源采集系统，充分采集散落在地球各个角落的微小可再生能源，通过氢或其他存储技术存储间歇式能源，聚少成多，利用互联网和智能终端技术构建智能能源共享网络。“能源互联网”究竟何时能够实现或者仅仅只是一个美丽的梦想？她真的离我们这么近吗？一、人类之梦能源互联网（一）人们将不再因能源的日益匮乏而夙夜难寐20世纪70年代爆发的石油危机使人类猛然警醒。或50年，石油将远离人类而去；或400年，人类将难以找到煤炭的影子。可预见的化石能源危机使人们对未来充满了焦虑，甚至导致世界能源主要供应地区战争频发。能源互联网使我们看到未来曙光。按照里夫金的构想，未来能源将转向风能、太阳能、生物质能等可再生能源。通过能源互联网，可再生能源将更容易转化为可利用的能量，接入能源供应系统。只要保证一定的能源转化效率，以及日采集总量与消耗总量相匹配，太阳能、风能等能源相当于是无尽的。再配合以水能、地热能、核裂变能及未来很可能突破的核聚变能，人类可使用的能源将是取之不竭的。届时人类将不再为能源而犯愁，不会为争夺能源而战争，人们将在充足的能源供应中悠然生活。（二）人类将重新看到洁净的天空1952年伦敦的“烟雾”事件导致4000多人死亡的惨剧，让几代人对化石能源燃烧产生的环境污染带来的健康隐患忧心忡忡。虽然，各国在不懈地探索替代化石能源的清洁能源，但目前可供使用的风能、太阳能等存在品质不稳定、过于分散、转化和使用成本偏高等问题，全面替代化石能源存在瓶颈。能源互联网的实现有望将人类清洁能源的理想变成现实。一方面，能源互联网通过储能技术、能源采集技术及智能控制技术将有效地解决风能、太阳能等清洁能源转化为电能后，品质不稳定、难以接入电力主干网的问题。另一方面，通过信息技术和控制技术实现能源的精确采集、传输和分配，大幅提升能源使用效率，不仅节约能源，更能减少能源转化过程中的污染物排放。届时，那些被污染困扰的城市上空将重现一片洁净的天空。（三）我们将实现梦幻般的生活能源互联网一旦实现，人类将获得充足的能源供应，保证生活必须的基础设施、交通工具及生产设备的正常运转。在巨大需求推动下，信息技术、智能控制技术、用能技术、能源采集技术、储能技术、动力技术、材料技术的将快速发展，新能源、动力设备、智能产品、生产设备、新材料等领域技术将不断取得新突破。科幻电影为人类勾画的梦幻般的未来将得以实现。各种类型的机器人和智能化设备为人提供全方位的服务和高质量的产品，各种高速交通工具帮助人类穿行地球的各个角落，甚至进行星际旅行。“活着是为了游乐”不再是梦。二、世界一直在努力事实上，在能源互联网构想提出之前，各主要国家已经开始在这一领域的探索，并着手规划和实施智能电网、智能能源网等。（一）美国：以智能电网建设为先导推动能源网络建设2001年，美国提出名为“智能电网”的新电力能源供应系统概念，并于2003年正式展开研究。智能电网采用先进的材料技术、高温超导技术、储能技术、可再生能源发电技术、微型燃气轮机发电技术等，构建一张全美骨干电网、区域性电网、地方电网和微型电网等多层次的电力网络，以实现、自动化、高效安全、稳定、可靠、灵活应变及品质有保障的电力供应。该智能电网建设计划在2030年完成。（二）英国：规划智能电网的长远发展近两年英国政府大力支持智能电网的建设，制定了详细的以实现可再生能源发电和强互动性智能配电为主要目的的智能电网建设计划，并制定出到2050年的智能电网线路图及实施方案。该输电网多采取互动供电模式，需求侧可将剩余的电力逆向输入电网，但需要对电网实施双向保护，给电网的稳定控制和调度管理带来很大困难，技术尚待突破。（三）德国：大力发展E-Energy在美英智能电网建设热火朝天之时，德国另辟蹊径，提出E-Energy概念，并于2008年年底开始投资实施该计划。有观点认为这是德国的智能电网，实则不然。德国是借此打造一个基于信息和通信技术的能源供应系统，这更像是里夫金能源互联网构想的一个实践。为此，德国专门开设一个网站，在向公众宣传E-Energy优势，并及时公布该项目的进度，使E-Energy计划更广泛地被接受。（四）中国：率先推出智能能源网2009年11月27日，“国家十二五中国智能能源网发展模式和实施方案课题组”在北京成立，正式开始筹划智能能源网。2010年7月15日，由中国工程院、中国能源研究会、国家能源专家咨询委员会等机构的有关专家组成评审委员会，评审并通过了中国智能能源网发展模式及实施方案课题研究成果。智能能源网是通过将水、电、气，甚至热力等不同能源品种网络有机整合，形成跨能源品种的能源生产、流通（交易）、消费网络，并采用信息化集成技术构建一个与生产和输送侧相对称、相互动的需求侧、用户端的智能能源运转体系。它包括智能化的集中分层式能源生产和输送系统、先进的储能系统、智能终端能源系统、智能能源服务系统四大系统；涉及智能燃气网、智能电网、智能水务网、智能热力网、智能建筑、智能交通、智能工业管理和智能交互架构管理等八个子网络建设。根据测算，智能能源网将把我国能源效率提高至少15%，实现能源产业双网或多网的互动配置、能源总网架优化管理，并带动IPv6、微电网、纳米能源产品、传感器、储能、智能控制等能源支持产业的变革。三、能源互联网需要什么尽管能源互联网的构想给了我们一个未来美好的愿景，但是要真正实现能源的互联互通，尚需要解决众多的技术难题。能源转化、超导体、电力网与互联网融合、能源存储等关键技术如不能突破，能源互联网将只能是一个美丽而遥远的梦。（一）高效、低能耗能源采集和转换设备亟待突破分布式可再生能源系统使得能源采集和生产小型化，并更贴近需求，其实现依赖于低能耗、高转换效率的可再生能源的采集和转换设备。现有设备和技术远不能满足要求。一是太阳能的采集、转换为电能的效率仍较低。目前，在实验室研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池的最高转换效率为29%，即便采用太阳能电池堆叠技术，也仅实现41.1%的转换率，在太阳能并网发电中应用能实现25%的系统效率；聚光时化合物的最高转换效率为43.5%。用于建筑太阳能一体化的有机膜太阳能电池的最高转换效率为11.0%。二是小容量、低损耗的变压器、稳压器、逆变器等转换设备的亟待开发。我国变压器的总损耗占发电量的10%左右，每年有近千亿度电浪费在升压降压转换中。能源互联网时代，分布式能源系统的普及，尤其是安装在建筑物上的太阳能电池板输出电力均为低电压直流电，需要巨量小容量的转换设备支撑。现有技术条件的大量换转设备将消耗海量能源，这将完全蚕食掉分布式能源系统中微小能源采集单元生产的电力。（二）能源互联传输所需的超导材料和技术突破尚没有时刻表发展新型输电材料常温超导材料是能源互联网实现的关键。能源互联网一个关键设想是充分利用太阳能和风能等可再生能源，使每栋建筑都成为一个微型的发电厂，供本建筑使用外，可对主干网输出多余的电力。这个大胆的设想，需要有新的电力传输材料和技术加以支撑。由于输电线路存在电阻，传输过程中，功率和电压均会存在损耗。相同规格的导线，采用220V输电的功率损耗是采用110KV输电功率损失的2500倍。因此，在传统电力输送中，主干网采用超高压输电，只在末端采用低电压短距离输送。采用常规材料和低电压传输方式，能源互联网中各个分散在生活或生产单元的发电单元的微小余电将在传输线路上损耗殆尽，根本无法上传到主干网，无法实现能源的回收，能源的互联便无从谈起。要实现电力在低压传输过程中有效输送和回收，充分利用各分布式小功率能源采集和生产单元的余电并网，必须使用常温超导体。在可预见的未来几十年时间内，常温超导材料（工作温区在355K，即80左右）很难取得实质性突破。1911年，卡末林-昂内斯发现水银在4.18K（即-268.98）时超导现象，即电阻突然消失后，人类对超导材料和技术的探索从未间断过，但过程却是艰辛的。1986年，铜氧化合物高温超导体的发现，将超导体的工作温区从液氦温区（临界转变温度Tc30K），推进到了液氮温区（77K），但这条路走了漫漫75年。目前，我国超导临界温度已提高到153K左右（-120），处于该领域的前沿。但是，高温超导体需要消耗巨大能源将其工作温度维持在低温状态，利用高温超导体实现能源的互联不具有现实意义。从高温超导到常温超导的发展仍需一段较长的时间，我们仍需不懈努力。（三）能源互联互通仍存在技术障碍利用电力网加载高频信号实现信息通信，是当前研究热点之一。尽管小范围、小规模的传输数据已经进入实际应用。如电力猫可以实现电力线传输数据，但局限于同一个电表内，大规模、广域网的大数据传输尚有待技术突破。一是输送速度低，难以承载海量数据。能源互联网实现时，将产生千万亿甚至是上万亿的能源采集生产单元和用能终端。对这些终端实时反馈控制，实现电力智能调度，将产生当前人类难以想象数量级的海量数据，即便是下一代互联网恐怕也难以承受。现有技术水平下，采用在金属导线上加载高频信号传输数据，最高可实现200Mb/s的传输速度，远低于主流光纤的10Gb/s传输速度，短期内无法替代光纤。尽管未来技术的进步可能能实现更高的传输速度，但突破尚需时日。二是传输范围有限，无法实现全网传输。在常温超导未实现的情况下，为减少线损，电力的传输必须通过变压器层层升压，再层层降压来完成。高频信号无法通过变压器传输，信息只能在同一个变压器的电力子网内传输。在可以预见的未来几十年内，这将是信息在全网传输不可逾越的鸿沟。（四）新型能源存储材料发展面临瓶颈如何对间歇式的可再生能源进行洁净存储和提取，保持能源供应系统的稳定性，是能源互联网得以实现面临的又一巨大挑战。一是小型化、大功率、安全性好的电池研发和商用尚需时日。大功率锂电池尚未进入实用阶段，且安全性仍有待提高。钒电池虽具有功率大、容量大、效率高、寿命长等特点，但是由于工作需要电解液，占地面积过大，不适合作为分布式能源系统的小型化存储设备。钠硫电池虽具储量大、能量和功率密度大、充放电效率高、不受场地限制、维护方便等特点，但正、负极活性物质的强侵蚀性，对电池资料、电池构造及运转前提的要求苛刻，且存在安全、寿命、处置难等问题。二是作为终极储能的“氢储能”，由于氢制备成本高、存储困难，仍属于亟待攻克的技术难题，“氢储能”之路仍很遥远。气态储氢能量密度低，且安全性差；氢液化消耗能量巨大，是氢热值的30%，且对储罐的绝热性能要求高，能源可再利用率低。金属氢化物，配位氢化物，纳米材料吸附等固态