本网视点要建成能源互联网我们还差不止五个半诺奖

来源:厦门市节能监察中心 发布时间:2014年10月11日 阅读(205) 分享

    本文将尝试从建立一个具有理想功能的能源互联网模型入手,提炼一些能源互联网建设过程中需要满足而尚未能够满足的关键需求。希望有助于大家更好的了解能源互联网建设的现状,并明确建设过程中亟待攻关的诸多问题。

【无所不能 文|李司陶】

    一个多月以来,两件大事让“能源互联网”概念持续高热。 先是在9月2日的APEC能源部长会议中,国家电网董事长刘振亚作了主旨为“构建全球能源互联网,服务人类社会可持续发展”的发言。之后,中国互联网巨头阿里巴巴于9月19日在纽交所上市,融资近220亿美元,成为全球有史以来规模最大的IPO。   

  如果说刘振亚董事长的讲话,代表了趋势预判的专业声音;那么阿里巴巴的商业奇迹无疑是让一切跟“互联网”沾边的东西都变得诱人起来。其中当然也包括了能源互联网,它也被认为是“第三次工业革命”的重要组成部分。

  于是,人们对于能源互联网的热情迅速高涨了起来:一方面,人们对其帮助解决能源领域的一系列棘手问题,寄予了极大希望。仿佛清洁能源的高效普及、可持续的能源利用、环境保护等“老大难”,都有了救命稻草。另一方面,人们也对其中蕴藏的财富价值进行了极为大胆的想象,甚至直接喊出了“下一个阿里巴巴一定出在能源互联网”的口号。

  但如果我们冷静的对比各界对于能源互联网的预期,与当下能源产业中科学技术、商业模式等软硬条件的现状,也许将得出一个较悲观的结论:我们离真正建成一张能解决实际问题的能源互联网,在各方面条件上都还欠缺甚多。建成在规模、商业价值上也堪比信息因特网的能源互联网,更是难上加难。

  如果将信息互联网看做网络本身(包括了它的硬件基础和运行规则,作为一个平台)与“信息”这一主要“有效载荷”(或者说“主要内容”)的结合。那么可以说其系统化程度、调配分发效率、个体间交流效率、普及程度等等方面,已经达到了相当的高度。而“能源互联网--能量”这对组合,离到达这一高度还有一系列障碍需要克服。这些障碍中有一些是技术性的,可以随着我们科学技术的发展被逐渐解决。但还有很多障碍是根源性的,搭建一个能源互联网本身就比信息互联网要困难。

  本文将尝试从建立一个具有理想功能的能源互联网模型入手,提炼一些能源互联网建设过程中需要满足而尚未能够满足的关键需求。希望有助于大家更好的了解能源互联网建设的现状,并明确建设过程中亟待攻关的诸多问题。

  首先,我们谈论的的能源互联网,到底什么样?

  由于能源互联网这一概念还有相当大的前瞻性,其定义、架构、组成和主要功能都还在逐渐完善,业界对此尚没有统一的标准。本文选择美国学者杰里米·里夫金的著名著作《第三次工业革命》中的设想作为蓝本。里夫金是最早提出“能源互联网”的专家之一,他的理论基本覆盖了当下人们对于能源互联网各个方面的设想。

  里夫金认为能源互联网应具有以下四大特征:

  ①以可再生能源为主要一次能源

  ②支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入

  ③基于互联网技术实现广域能源共享

  ④支持交通系统的电气化,即由燃油汽车向电动汽车转变

  沿用上文中的思路,我们尝试直接将这些应用场景中的“能量”替换成“信息”。也就是说,我们假设信息互联网和能源互联网在功能需求上是高度相似的,只不过“载荷”由信息换成了能量。在对这些场景的模拟中,我们可以发现哪些过程,尚无法用我们目前掌握的技术支撑。

  这样假设的合理性在于,我们对于能源互联网的功能预期,就是系统化的解决间歇式可再生能源的调节与接入、能量生产和存储的合理调配、定制化需求的响应等问题。这和信息互联网对于信息的主要作用显然是基本一致的。

  所以,我们不妨将这四大特征与“信息互联网-信息”模型中的一些场景进行对比,看看问题在哪?

  ①“以可再生能源为主要一次能源”:

  以数据形式存在于信息互联网上的信息,其实是非常廉价,而且几乎无穷无尽的。因为信息除了可以从现实世界中“挖掘”(如摄制照片和视频、撰写或转载新闻及其他文学作品等等),还可以“创造”(如网络社区和网络游戏的用户每天都在产生大量的信息,并引起其他人乐此不疲的进行消费)。更何况,信息本身的可传递性和可共享性就很强。

  这是信息互联网能够迅速普及,并发展出成熟商业模式的重要前提。在网络上运行的“主要载荷”或“有效内容”,其本身如果不是无穷无尽的,至少也不能“供应紧张”。网络的展不能在这一步就遇到瓶颈。

  但是,能源互联网的主要载荷--能量(显然电流或压缩天然气只是它的一个载体),却只能从自然界中开采。而且还存在着存量年限、成本高(相比信息而言)等等问题。

  所谓巧妇难为无米之炊,要保障我们精心构建的“能源互联网”有米下锅,必须让它能消化基本“无穷尽”供应的风能与太阳能。但由于这些渠道的能量供应有非常强的随机性、间断性和模糊性。目前将它们成功的并入电网,或用其他形式高效利用起来,还是一件很困难的事情。

  有人认为德国电力产业的成功,已经说明了这个问题可以比较好的克服。但我们必须正视这样的事实:《法兰克福汇报》今年5月报道,德国以26.36欧分/千瓦时的平均电价高居世界各工业国电价之首。这个价格比北京市的商业电价还高两倍左右,世界上绝大多数经济体是走不起这条路的。

  ②“支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入”

  依靠PC、智能移动设备的等个人接入者,在信息互联网接入者的数量上占绝大多数;而且由于UGC(用户生成内容)等模式的普及,他们在信息(数据)生产量上的份额优势也越来越大。

  这种小散用户的高参与水平,是建立在一个成熟的信息调度、整合、存储系统上的。信息互联网本质上是一个错综复杂,同时规模巨大的信息吞吐平台。IT业者用了几十年时间构建了一套由通讯协议、路由器、交换机、数据库、服务器等等一系列软硬件设施组成的庞大系统。以遍布全球的13个根服务器为支柱的高速信息网络,是人类文明迄今为止最伟大的成就之一。

  如果能源互联网想要达到这样的运筹水平和运转效率,需要的技术准备只多不少:首先需要一个极强的信息流处理能力,用来预测和监视消费者的需求变化、极端不稳定的能量生产供应变化(因为接入了大量风能、太阳能等“不靠谱”的清洁能源)。在供应侧,这个网络有大量分布式能源的接入,它们小、散且波动很大;另一方面,能源互联网消费者的数量也有着天文级的规模,他们彼此之间的消费特征同样千差万别。同时它还要指挥相应的能量调配部门完成上载与下载能源的分流与整合。仅实时掌握供应功率和需求功率的动态,加上短期预测,工作量就不会亚于重建一张信息互联网。

  然后,还需要一个极强的能量流处理能力。以目前被置于能源互联网基础地位的智能电网为例,在设想中,它需要7*24小时完成功率以亿千瓦计的电流变、输、配调节(如果我们想要一张国际能源互联网,则需要以十亿千瓦计),而且还必须满足实时的供需平衡(由电能特性决定)。还要再引入分布式清洁能源和市场竞争两个超复杂的变量……

  智能电网目前已经有了不少成功的案例,学界和产业界也积累了很多技术和经验。但如果将其应用规模和功率再扩大成百上千倍,估计又要遇到数不尽的麻烦。就算技术上的问题都解决了,能否以可接受的价格在世界范围内普及,又是一个问题。

在某些设想中,如果未来社会的电气化程度不如预期,则需要再加上一个包括了油气管道、煤炭运输线路在内的亿吨级物质流。

  ③“基于互联网技术实现广域能源共享”

  信息互联网的一大魅力就在于它能够打破地域的限制,真正的实现“天涯若比邻”。这是因为信息传输的门槛和成本都相对比较低。当我们以电磁场传递信息时,无论传递过程中发生了怎样的衰变,只要接受方还能分辨出“1”或“0”的二元状态就没有问题;当我们以光信号(光纤)传递信息时抗衰变的能力就更强了。

  但当我们开始依靠现有的技术输送能量的时候,损耗问题就相当严重了。于是人们在运输能量时,不得不十分原始的搬运化石燃料;或者采用特高压等技术手段来降低损耗。这些方法要么单位成本极高(如直接运输,这个过程本身就要消耗大量的燃料),要么建设成本和科研成本极高(如特高压输电技术)。

  我们目前可能觉得这笔“损耗税”尚在可承受范围内。但能源互联网的应用,会使得对于长途能量调剂的需求成几何式增长,到时这个窟窿就会大的吓人了。

  相对于信息的传播,能量成本还是高了太多。在互联网领域,除了视频网站等少数企业,现在已经很少有人为带宽不足或网络拥堵头疼。毕竟铺一条跨越太平洋的海底光缆,也不过几亿美元就可以搞定。但在能源领域内,油气管道、运煤交通线、特高压输电等话题永远不会离开话题榜的前几名。这样的设施建设往往伴随着庞大的资金规模,数年的建设周期,艰难的科研攻关。

总之,现在的能源互联网基本还停留在延迟极高、资费吓人的跨洋长途时代,离Skype或QQ视频的境界还差的远。

  ④“支持交通系统的电气化,即由燃油汽车向电动汽车转变”

  移动互联是目前互联网产业的一个重要趋势。移动互联这个新兴领域的蓬勃发展基于三项技术的突破:1.智能芯片小型化技术的普及。2.固态存储设备小型化技术的普及。3.无线通讯技术的普及。

  但是类比到能量上,就完全是另一回事了。

  1.可以便携的能量转换装置,要么效率太低(如内燃机),要么太贵且用起来麻烦(如燃气机),要么就是我们“喂不饱”(如电机);2.储能问题是老生常谈的老大难;3.无线充电技术虽然在已经能够给很多小的智能设备充电了,但是大规模应用上仍然问题多多,最简单的一问:那么多电磁能量散播到空间里,辐射谁受得了?

  话再说回电动车:我们给与特斯拉再多的期许与鼓励,它的航程、可靠性等等,真能和同价位传统的汽油车一比了么?

  小结一下:能源互联网在技术储备上还差五个半诺贝尔奖级成果

  (1)能源的光纤:大容量、低成本的能量输送通道

  华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯,因在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面(即光纤技术)取得了突破性成就,荣获2009年诺贝尔奖。光纤的伟大之处就在于它让信息的远距离高效传播成为可能。因为光信号在光纤中损耗低,衰变小,很适合远距离传播信息。而且其本身成本并不高。2014年8月,谷歌与中国移动等其他5家公司投资的一个跨太平洋光缆工程,投资不过三亿美元,两年即可完工。

  光纤系统的意义就好比铁轨之于铁路,柏油之于公路。对于能源互联网来说,目前还没有这样低损耗、低成本的传输方式。当下被人们给予厚望的特高压输电系统耗资巨大,技术上也不完善。同时建设周期长,杆塔、线路体积大。真正能在损耗比例上和光纤系统输送信息媲美的超导输电技术,更是尚处于科幻范畴。

  能够真正让能量的传输,达到光纤系统传输信息一样便捷、廉价的技术突破,斩获一个诺贝尔奖并不为过。

  (2)大容量、低损耗的储能设施(硬盘)

  没有巨磁电阻效应的发现,人类就不可能将海量的数据压缩在一块名叫硬盘的小方盒子内。信息本身无法汇总贮存,信息革命也就无从谈起。这也就是为什么2007年的诺贝尔物理学奖授予了发现巨磁电阻效应的费尔和格林,这一自然现象正是大容量数据存储技术的基础。但是对于能量,人们还没有好的办法来对它进行高密度的压缩储存。以至于只能以大自然原本赠与我们的形态来保存它:修建一座座巨大的煤仓、天然气储气罐。

  人类最梦寐以求的高密度电能存储设备,目前还遥不可及。无论是传统的化学电池还是新兴的燃料电池,其转换效率或储存密度都远远达不能令人满意。

  如果这项技术能够获得突破,至少两个能源领域的难题能够迎刃而解。1.随机性很强的光伏、风电等清洁能源将可以先被集中收集起来,然后再均匀的对外供出。2.电动车普及的最大障碍将被扫除。

  (3)能源的海量、廉价供应方法

  标题里说我们至少还差五个半诺贝尔奖,那为什么小标题只有四个?因为一个“能源的海量、廉价供应方法”,至少值三个“诺大头”奖牌。

  2007年度诺贝尔化学奖授予了德国化学家格哈德·埃特尔(Gerhard Ertl),理由是他发现了哈伯-博施法合成氨的作用机理。而之前,1918年,德国化学家弗里茨·哈伯已经因为发明合成氨方法而获得诺贝尔化学奖。1931年,卡尔·博施又因为改进合成氨方法获得诺贝尔化学奖。

  合成氨正是化肥生产的技术基础。这项技术突破颠覆性的提升了人类粮食生产的效率水平(粮食生产本身就是一个能量收集、转化的过程,从太阳能到生物质能)。

  而能量的大规模、高效率的生产搜集技术,其意义比化肥只高不小:如果说化肥只是让农作物的生长速度、光合作用水平提升了;那么能源量的大量廉价供应将使得农业完全脱离“靠天吃饭”的尴尬状态。在工业、物流业和服务业中占比巨大的能源成本也将被大幅削减,直接提升人类社会发展的速度和加速度。

  虽然目前最被看好的能量来源是光伏与风电等清洁能源,他们在理论上是“廉价、海量”供应的。但从“生物能(牲畜、人力)-化学能(燃烧化石能源)-物理能(聚变与裂变核能)”的科技史规律来看,以后真正能担起重任的将会是核能。因为它寓于更高层次的物质规律,在宇宙空间中的基础也更广泛。毕竟光伏和风能归根结底都来自太阳的能量,而太阳的能量来自其内部的核聚变反应。

  (4)智能、可靠的能量调度、分配机制(路由器与通讯协议)

对于一个智能且可靠的能量调度、分配机制,最重要的可能不是其硬件设施。而是规范它运行的数学模型、运行逻辑。它需要雄厚的数学和其他自然科学技术基础来支撑。

  就像前文提到的那样,能源互联网需要整合的信息资源碎片化、随机化严重;对处理的效率和可靠性也要求极高;同时规模空前。诺奖的评奖规则可能很难照顾到这方面的重大突破,但是一旦出现能够真正解决问题的成果,一个菲兹奖、高斯应用数学奖或图灵奖,一定不用愁。

  除此以外,在商业环境、推广环境上,能源互联网也会有一些软性的问题,试举一例:

  互联网行业目前很喜欢提的一个词是“颠覆式创新”。意思是通过互联网行业在技术、效率上的优势,砸掉传统行业中低效运行部门的饭碗。就像余额宝对银行、淘宝对线下商城、亚马逊对书籍出版商、网络媒体对纸媒那样。

  我们会发现,这种情况在国内发生的远比在国外多。因为国内社会中有很多很多的行业,由于历史原因发展的并不健全,比如银行业、零售业、山寨手机,所以会很快被支付宝、淘宝、小米式互联网手机这样的后来者严重威胁。而在国外,虽然也有亚马逊重塑出版业这样的经典案例,但是总的来讲还是少得多。这是因为国外如零售、银行这样的传统产业成熟度很高,经营水平和科研实力也不俗。

  那么这些对于能源互联网发展的指导意义是什么呢?如果说信息互联网带来的洗牌,威胁的既得利益者是零售、出版等等传统行业的巨头;那么能源互联网所带来的这轮洗牌,将直接针对一些完全不同概念的庞然大物:油气及其他能源巨头。

  虽然“西方世界的各大油气巨头过去几十年操纵了无数场战争”之类的观点大多数被当成了阴谋论。但是一个谁也不能否认的事实是:这些巨头与我们之前提到的那些零售业、出版业或制造业巨头,在影响力和资本实力上,要高出不止一个级别。

  这就带来两个问题。问题一:如果这些巨头不愿意见到能源互联网蓬勃发展,甚至主动设置障碍来阻止其发展,那么我们对于能源互联网的愿景要如何实现?

  问题二:如果这些能源巨头也认可了能源互联网的重要意义,那么他们显然将能够轻而易举的获得游戏规则的制定权,甚至能够完全按照自己的意愿操控这个强大的公共设施。那么这样的能源互联网还会是我们所憧憬的那种么?

  总结:

  经过上面这些对比,我们不难发现:我们所设想的能源互联网应用功能,很好的切中了能源领域目前的几个发展瓶颈,如分布式清洁能源的并网难、储能难、能量的调配与输送难等等。但同时,能源互联网这一概念的前瞻性和理想性,也就必然导致它离现实应用还有一段距离。

  概括来讲,能源互联网建设的难题可以归结为三点:

  1.多流并行:信息流+能量流。能源互联网要同时保证两种载荷的交错运行,并且要求必须高效、海量,成本还要控制在可普及的程度。

  2.基础性技术缺失:对于信息流,大数据、云计算等能够应对能源互联网需求的先进技术,多数还在成熟过程中。对于能量流,能量的储存、高效运输技术,还远远达不到普及能源互联网所需的程度。

  3.市场条件不好:能源互联网建设成本高,周期长,且洗牌效应明显。其节能环保的效果预期远离很多人的生活,尤其是某些拥有雄厚技术和资本实力的西方国家。还有一些能源禀赋较好的国家,对现在国际社会上的节能减排努力都不温不火,更不要提积极参与能源互联网建设这样耗资巨大、可能削弱自己竞争力的事业了。

  本文列举了很多能源互联网建设过程中的困难和障碍,但笔者并不认为这足以让我们停下脚步。在互联网的发展过程中,也有很多重要的突破是伴随着发展逐渐展开的。如果我们不去积极的推进,用需求来刺激研究,那满足所求的可能性只会更小。

【无所不能特约作者,李司陶,华北电力大学】