分布式能源与我国可持续发展探析论文

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【摘要】熵定律已经成为一种新的世界观，它为人类规范了一种行为界线，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方式的调整和约束，通过科学技术进步和社会观念进步，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”仅仅是一个梦想，社会、经济发展的有序性是由更多的无序作为代价的。因此，“可持续发展”、“绿色GDP”和“循环经济”等等观念开始成为人类文明的主题，影响人类的发展进程。实际上，这就是我们所说的“科学发展观”。

2004年10月27日的早晨，北京又一次笼罩在大气污染的阴霾之中，报纸上和电视、收音机里依旧传来关于煤电油运出现紧张的信息……

这一天，从世界22个国家和地区飞来了近400名能源专家汇集到北京友谊宾馆，探讨采用一种正在全世界兴起的新型能源利用方式--“分布式能源”技术能否帮助中国实现可持续发展的战略目标。

一座飞起的大山

许多年前，现任的北京市长曾经有一个经典的比喻，与中国相比四小龙是几块石头，石头飞过来虽然可怕，但一座山慢慢滚过来将会使你从心底震撼。然而，今天的中国已经不仅仅是一座滚动的大山，而是一座飞起来的大山，而且是一座比石头飞的更快的大山。

中国的崛起引起国际上的高度关注，全世界最想知道的就是这座飞起来的大山将按照什么轨迹，最终将飞向何方？正是因为某种担忧，能源专家们才从世界的四面八方聚集到北京。中国的资源能不能支撑中国的经济高速发展？实实在在已经成为全世界不得不面对的现实问题。长期以来，我们总是以为中国地大物博，资源丰富，国民和政府都未能树立资源危机的意识。然而，中国是世界上人口最多的国家，人均资源水平极低，几乎所有人均资源都低于世界的平均水平。中国矿产资源紧缺矛盾日益突出，石油、煤炭、铜、铁、锰、铬储量持续下降，缺口及短缺进一步加大，中国45种主要矿产的现有储量，能保证2010年需求的只有24种，能保证2020年需求的只有6种，资源瓶颈已经是一个不得不面对的现实。

“和平崛起”是我们对全世界的承诺，走可持续发展之路是我们确定无误的既定方针，但是，似乎全世界并不关注我们的目标和承诺，正像这次来北京参加《世界分布式能源联盟年会》的外国专家所言：关键是过程，你们将采用什么办法来实现你们的目标？

熵的世界观--一个无法回避的问题

我们传统的世界观是建筑在19世纪中叶，主要的科学基础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”，“运动着物质的永远循环是宇宙的最终结论”，认为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”的人类大同世界，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，而低温不会自发的传向高温。简单地说，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，一旦能量散尽，温差将消失，宇宙将热寂，能量实际上是从有序向无序发展。

进入20世纪，科学突飞猛进，人们对世界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，而并非是导师批判的“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，并创立了耗散结构理论。不仅能源科学进一步证实了这些理论的正确性，资源专家也相信尽管物质不灭，但资源的品位将逐渐失去，最终将无法再利用。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，因为对于宇宙和天体的研究，越来越证实这一定律的正确。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转一样，时间和能量起源于一点，时间最终指向熵增加。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着这一定律来分析、认识和解释问题。

熵定律已经成为一种新的世界观，它为人类规范了一种行为界线，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方式的调整和约束，通过科学技术进步和社会观念进步，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”仅仅是一个梦想，社会、经济发展的有序性是由更多的无序作为代价的。因此，“可持续发展”、“绿色GDP”和“循环经济”等等观念开始成为人类文明的主题，影响人类的发展进程。实际上，这就是我们所说的“科学发展观”。

在熵的世界观的感召下，为了落实可持续发展的战略转变，一些以节约资源、保护环境、提高能效为核心的“行动浪潮”在西方发达国家迅速涌起，相应发展出“能源需求侧管理（DSM）”、“合同能源管理（EMC）”、“综合资源规划（IRP）”、“资源环境交易”、“温室气体减排机制”、“能源服务公司（ESCo）体系”等等，这些立足于需求侧的能源优化和以节能环保为盈利空间的市场化运作手段得到了社会和政府的支持，同时也提出了在需求侧和一些小规模资源综合利用现场直接建立相关的能源利用设施的必要性。从此，分布式能源（DE）得到了发展。

何谓“分布式能源”

所谓“分布式能源”是指：在用户附近的或小规模资源综合利用现场建立的能源系统，它包括：能源综合利用和可再生能源设施，以及蓄能系统。在需求或资源现场根据用户对各种能源的不同需求，按照“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的供能方式，尽力扩大资源和温度利用空间，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能与效率的最大化。

形象地说，如果有一个医院需要各种能源，例如：电力、消毒蒸汽、采暖、制冷、空调的除湿和加湿、生活热水、烘干热气，甚至花棚里的气体肥料等。传统的方式是从电网架设电线，保障供电，再安装一台小型应急发电机来保障万一断电时的电力供应；从热力公司铺设热力管道，建设换热站保障冬季供暖；从天然气公司铺设燃气管道，并安装蒸汽和热水锅炉，以及热风机，解决消毒和炊事蒸汽、卫生热水和洗衣房烘干，以及冬季空调加湿的需要；使用电力制冷机组在夏季制冷。而在发达国家最新的解决模式是采用分布式能源系统，他们在医院里安装一台或几台小型或微型模块化发电机组，利用天然气和医院污水处理设施的沼气发电，将发电之后的废热通过余热锅炉转换成为蒸汽，同时利用医院垃圾焚烧进行补充热量，用蒸汽解决消毒、炊事、采暖和加湿的需要，夏季采用蒸汽吸收式机组制冷，并利用更低温度的锅炉废热和制冷机组冷却水中的余热来供应卫生热水，再利用较低温度的余热锅炉排烟作为空调除湿、洗衣房烘干，最后将烟气注入花卉大棚利用其中的二氧化碳作为气体肥料，以及废热和烟气中的合成水。将天然气中的能量“吃光用尽”，把污染变为资源，以这种方式来控制资源的“耗散”和保护环境。使用传统方式，能源利用效率只要30～40％，而使用分布式能源可以将能源的利用效率越高到80～90％，甚至更高。

当然，分布式能源的形式是多种多样的。中国每年有数以千计矿工因为瓦斯爆炸而失去生命，如果允许采用分布式能源在矿区抽放瓦斯发电，而且给予比较优惠的电价收购，使投资抽放瓦斯发电比挖煤更赚钱，不仅可以充分利用资源，减少煤炭消耗；而且可以减少瓦斯中甲烷排空造成的温室气体效应，因为甲烷是二氧化碳温室效应的24.5倍；更重要的是可以挽救成千上万矿工的宝贵生命。

中国是全世界最大的焦炭生产国，每年估计有2亿吨优质煤炭用于生产焦炭。根据炼焦炉型和煤质不同的条件，每吨原煤转化为焦炭时可以产生300～400立方米热值当量1,500～4,500大卡/立方米的焦化煤气，全国每年在炼焦中伴生600－800亿立方米的焦化煤气，粗略估算折合约250－350亿立方米的天然气，超过西气东输工程的热值总量，相当3,000～4,000万吨标准煤。目前这些资源不是通过火炬头燃烧，就是直接放散，能够利用的非常有限，不仅造成资源的大量浪费，也严重污染环境。如果能将这些分散的焦化厂所产生的焦化煤气就近发电并实现热电联产，可以形成1500～2000万千瓦的发电能力，同时满足5亿平米建筑的采暖。

信息时代的能源系统

自20世纪80年代后期以来，信息技术的快速发展，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。实现“大工业、大生产、大市场、大消费、大消耗”。当信息技术发展之后，我们可以更加清楚地了解生产销售和最终使用的全部过程，人们发现在大多数情况下，规模未必能够带来效益，反而增加更多的资源耗散和环境代价--熵增加。

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”这一单产品一条件下的分析结果，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、排放的限制，大电厂只能远离城市，首先发电之后的余热无法利用，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采暖能量进行利用，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解决问题的关键方法。1978年，美国为此修改的《公共事业法》允许这一类能效水平更高的用户热电联产设施并网发电。随之，欧洲、日本都相继效法修改法律，使他们的法律体系和政府的管理机制能够顺应这一时代的发展趋势。

此后，由于天然气的开发利用，使人们更加认识到应对天然气的能源设施并非越大越有效，首先因为天然气比煤更加昂贵，中间环节的浪费变的不可忍受，同时它被利用之后的环境代价更小。此外，对于天然气的利用技术非常灵活，人们可以根据用户对于热电冷多种能源的综合需求，按照综合效益最大化来确定规模，并向搭积木一样组合系统，实现了以效益定规模的理想化的飞跃。

为了利用一切可以利用的能源来有效降低资源的耗散速度，人们开始积极利用一些可再生能源，并对各种资源实现综合利用，由于资源量，能流密度和需求量的限制，社会需要一种更加便捷合理的系统来构筑我们的能源体系。例如，垃圾壜癯『臀鬯沓У恼悠捎汀⒘队椭械陌樯缶咚购兔翰闫こШ透殖У目扇挤掀约肮こХ先取⒀共畹鹊龋换褂刑裟埽厝饶埽⌒退埽缒埽镏誓艿瓤稍偕茉吹取I缁嵋笳匦虢⒁恢旨饶芄睦蠹一褂谜庑┳试矗帜鼙U鲜褂谜叩睦娴哪茉丛诵泄芾砘啤U庋桓龌剖紫仍谂分薜玫酵晟疲迸饭彝ü那恐聘稍ず徒⒒肪衬茉此笆栈频龋行Ф糁屏死醋约鹊美婕诺淖枇Γ拐庵窒冉哪茉蠢梅绞?-分布式能源成为一种时尚和荣耀。此后，日本和美国也在积极地进行社会观念上的转变。

在需求侧建设能源设施并非新鲜事，实际上世界上最早的电厂--爱迪生在纽约珍珠街建立的人类第一个发电厂就是一个需求侧电源。但是，今天的分布式能源已经是一种全新的概念，因为它融入信息技术的成果，将追求一个更新的目标。首先，分布式能源系统都拥有智能化的控制系统，并将多个系统或者各个子系统进行数据链接，其中包括发电设施、制冷换热设施、储能设施等等。这种链接一边与用户需求进行实时信息交互，实行互动优化运行；另一边，与相关的电网、燃气管网、甚至环境排放监控系统，以及周边的分布式能源设施进行链接，实现多元协同优化，这一目标的实现，不仅使用户的系统更加经济有效，也使整个能源环境系统随时可以得到优化。

也许有人认为这是天方夜谭，从你的口袋里掏出你的手机看看，就会知道这并不遥远，就信息技术而言，这根本算不了一会事，关键是我们是否决心朝着之一目标去努力。其实，无论我们是否选择分布式能源，它都将是我们的必经之路，因为资源快速耗散的现实是不以我们的意志为转移的。信息时代的关键是每一个人可以通过互联网和PC机直接参与其中，而分布式能源也是可以调动每一人、每一个家庭、每一个企业的积极性，让民众直接参与到资源的高效利用和环节污染的减排行动之中，分布式能源是一场人类可持续发展的“人民战争”。

分布式能源同时还依赖于社会化的服务体系的建立，由于它跨越了我们传统的工业化社会分工，将暖通空调、发电、供热制冷、燃气、配电等不同的学科进行横向整合，而每一个分布式能源项目又都很小，所以需要专业公司的支持，在国外这一产业被称之为“能源服务公司(ESCo)”。能源服务公司与用户签订节能服务合同，或者直接投资用户的能源设施并管理它们，用专家来解决用户的能源利用问题，通过信息和服务网络来运营用户的系统。将节能作为一个盈利市场加以经营，再靠竞争来优胜劣汰，实现节能工作的可持续发展。

分布式能源解决中国可持续发展问题的钥匙

最近，中国社会科学院和中国科学院的专家和科学家们不断向中国政府建议：应积极发展分布式能源技术，来解决中国的能源和环境问题。总理非常重视，先后两次批示有关部门认真研究，并将意见告知他本人。

国家发展与改革委员会能源局就此问题认真研究后，向温总理报告中指出：

分布式能源是近年来兴起的利用小型设备向用户提供能源供应的新的能源利用方式。与传统的集中式能源系统相比，分布式能源接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电，可大大减少线损，节省输配电建设投资和运行费用；由于兼具发电、供热等多种能源服务功能，分布式源可以有效地实现能源的梯级利用，达到更高能源综合利用效率。分布式能源设备起停方便，负荷调节灵活，各系统相互独立，系统的可靠性和安全性较高；此外，分布式能源多采取天然气、可再生能源等清洁能源为燃料。较之传统的集中式能源系统更加环保。热电联产是目前典型的分布式能源利用方式，在发达国家已得到广泛的推广利用。例如丹麦在八十年代前主要依靠几座大型电站供电，目前，丹麦电力的40％转由风电和分散的小型热电联产电厂供应，能源利用效率高达80％以上。

总体来看，国际分布式能源系统主要以天然气资源为主，由于天然气管网的发展和天然气燃料的良好环保性能，以天然气为燃料的燃气蒸汽联合循环热电联产系统发展很快，是目前分布式能源的主要内容。同时，风力发电、太阳能光伏发电、生物质能发电等可再生能源发电系统，也是分布式能源的重要组成部分，目前，分布式能源的发展十分迅猛，在能源系统中的比例不断提高，正在给能源工业带来革命性的变化。特别是近年来，随着户用分布式能源系统的发展（如屋顶太阳能光伏发电和燃料电池发电技术等），家庭已不再单纯是能源的消费者，同时也成为能源的生产者和销售者。有专家预计，正如个人微型计算机进入家庭，并逐渐取代巨型计算机的统治地位一样，在不远的将来，分布式能源有可能取代集中式能源，成为未来能源工业发展的主力军之一

我们将结合深化电力体制改革的要求，研究促进分布式能源发展的政策和措施，对于工业生产用热，将支持采用小型背压式热电联产机组，对于规模较小的县城地区，将结合秸秆等生物质资源利用，支持生物质为燃料的热电联产机组的发展，力争到2020年，全国建成2000万千瓦生物质发电机组。同时，将研究支持天然气热电联产、沼气发电、太阳能光伏发电等小型分布能源系统发展的政策和措施、促进我国分布式能源系统的发展，充分有效利用能源资源，提高能源利用效率，促进我国经济和社会的可持续发展。