尹穎堯

在《科技創(chuàng)業(yè)》雜志（Technology Review）2012年TR35（全球35歲以下35位頂尖發(fā)明家）評選中，來自清華大學(xué)電機系的陳啟鑫，因開發(fā)電力預(yù)測軟件和優(yōu)化電廠運行軟件而當(dāng)選?！犊萍紕?chuàng)業(yè)》由麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦，自2005年以來，每年都會開展TR35評選。前往麻省理工學(xué)院。參加頒獎典禮的前一天晚上，陳啟鑫接受了本刊的專訪。

碳預(yù)測

《科技創(chuàng)業(yè)》介紹陳啟鑫所取得的成就時，標(biāo)題相當(dāng)顯赫——《解決中國電力問題》（Solving Chinas power problem）。對此，陳啟鑫說，他的研究重點是降低中國電力行業(yè)的碳排放和煤耗，所采取的主要方法是優(yōu)化火力發(fā)電廠的開停機次數(shù)和運行水平。為了向工商業(yè)和居民送電，火力發(fā)電廠需要經(jīng)常開停發(fā)電機組，而每開停一次，需要燃燒大量的燃料，“機組啟動一次要花幾十萬元，啟動階段電廠不向電網(wǎng)送電，等啟動結(jié)束了才能與電網(wǎng)連接、送電。這個過程往往要花上大半天的功夫?！币簿褪钦f，開停機次數(shù)越多，火力發(fā)電廠會消耗越多的能源。

陳啟鑫的研究就是在滿足用電量的情況下，盡量降低開停機次數(shù)。為此，他首先要準(zhǔn)確預(yù)測用電量。

為什么火力發(fā)電廠要開停發(fā)電機組呢？因為，白天和晚上的用電量不一樣；即使在白天，用電量在不同的時間段也有差別?；鹆Πl(fā)電廠啟動了發(fā)電機組就要發(fā)電，這些電很難被大規(guī)模地儲存起來，這就要求發(fā)電量與用電量之間的差距越小越有效，“在用電量上，工業(yè)和商業(yè)占80%以上，通過分析各行業(yè)用電量之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測用電量?！?/p>

預(yù)測了用電量和開停發(fā)電機組的次數(shù)，陳啟鑫所在的研究團(tuán)隊設(shè)計了軟件，“幫助省電網(wǎng)公司做決策，確認(rèn)各火力發(fā)電廠開停機的次數(shù)和時間點?！标悊Ⅵ螐娬{(diào)，他們的軟件并不是針對火力發(fā)電廠，而是被安裝在省電網(wǎng)公司內(nèi)部，“通過省電網(wǎng)公司控制省內(nèi)的各家火力發(fā)電廠?！睘榱俗岊A(yù)測和決策達(dá)到最佳效果，陳啟鑫的軟件還有自我修復(fù)功能，“比如，一直以來預(yù)測都挺準(zhǔn)，突然有一天不準(zhǔn)了，那么，系統(tǒng)會把這個不準(zhǔn)信息自動反饋給系統(tǒng)本身，自我修正系統(tǒng)的常數(shù)。這個修復(fù)工作完全靠系統(tǒng)本身，不需要人工操作?！?/p>

除了通過減少開停機次數(shù)達(dá)到減少能耗外，陳啟鑫的軟件也能優(yōu)化火力發(fā)電廠的運行，從而減少能耗。據(jù)陳啟鑫介紹，火力發(fā)電廠的運行與家用電冰箱的運行有相似之處。每臺家用電冰箱都有額定功率，并且有一個最佳值，在這個最佳值上運行，電冰箱屬于節(jié)能運行，超出了一定的界限，冰箱的用電量就高。而火力發(fā)電廠也是如此，比如一家每小時發(fā)60萬千瓦的火力發(fā)電廠，最佳的運行點往往為55萬千瓦左右，“我們盡量減少開關(guān)機次數(shù)，但是，不能讓電廠總在較低水平上運行，這樣會產(chǎn)生更高的能耗?！?/p>

近幾年，風(fēng)力發(fā)電日益增長，給火力發(fā)電用電量的預(yù)測帶來了不小的麻煩，“風(fēng)電不可控，現(xiàn)在的用電量=風(fēng)電+火電。風(fēng)電的波動也帶動火電的波動?！标悊Ⅵ沃毖裕能浖诶碚撋峡梢灶A(yù)測風(fēng)電，離實際運用卻存在差距，“我們做過實驗，效果不錯。但是，還沒有運用到實際工業(yè)中。一項技術(shù)不可能一招鮮吃遍天，運用到其他領(lǐng)域需要進(jìn)行改變。”預(yù)測風(fēng)電，陳啟鑫認(rèn)為要考慮氣象等復(fù)雜因素，這是一個新課題，“氣象不穩(wěn)定，而用電量的波動往往有規(guī)律，它與人們的用電習(xí)慣，以及與各行業(yè)的需求波動、宏觀經(jīng)濟(jì)形勢和CPI等相關(guān)。雖然天氣變化也影響用電量，但影響的幅度遠(yuǎn)小于天氣對于風(fēng)電的影響?！睘榱藴p少能耗，陳啟鑫要對用電量和火力發(fā)電廠的開停機次數(shù)進(jìn)行更精確的預(yù)測。

準(zhǔn)確預(yù)測、設(shè)計軟件幫助電網(wǎng)公司做出決策和優(yōu)化火力發(fā)電廠的運行，陳啟鑫團(tuán)隊的軟件替電網(wǎng)公司創(chuàng)造了效益，同時也減少了煤的消耗，“從而減少了碳排放?！?/p>

碳排放

2001年進(jìn)入清華大學(xué)學(xué)電力，至今，在電機系任教的陳啟鑫已算“老清華”了。他真正關(guān)注碳排放，是2008年的事兒。雖說這與他的專業(yè)和課題組的研究方向相關(guān)，更重要的是，陳啟鑫有過在英國的工作經(jīng)歷以及我國有關(guān)碳排放的政策讓他淘到了“金磚”。

讀博期間，陳啟鑫曾在英國曼徹斯特大學(xué)工作了七個月，“我們的課題組與對方有合作項目，2008年曼徹斯特大學(xué)聘我為助理研究員?！痹谟悊Ⅵ谓佑|了低碳經(jīng)濟(jì)，“這個概念首先由英國提出來的，我出國前，中國尚未提過低碳經(jīng)濟(jì)的概念。”陳啟鑫發(fā)現(xiàn)，英國的工業(yè)界和政界都重視低碳經(jīng)濟(jì)，英國的報紙和學(xué)術(shù)界也經(jīng)常討論這個概念，“還有碳捕集技術(shù)——火力發(fā)電廠在排放氣體前把其中的二氧化碳收集起來，給我的觸動挺大的。”陳啟鑫便思索：中國電力行業(yè)應(yīng)如何實現(xiàn)低碳化發(fā)展？回國后，陳啟鑫與導(dǎo)師夏清教授、康重慶教授討論了以“低碳”作為博士論文主題的想法，“我的想法得到了導(dǎo)師們的大力支持。”當(dāng)時，國內(nèi)已經(jīng)開始討論低碳話題，“2007年，中國提倡節(jié)能，國家出臺了一些政策，對電網(wǎng)提出了很高的節(jié)能減排的要求?！标悊Ⅵ沃赋?，“中國碳排放總量的百分之四十多來自于電力行業(yè)?！?/p>

在國家政策的指引下，陳啟鑫對中國電力行業(yè)未來數(shù)十年的二氧化碳排放規(guī)模、發(fā)展趨勢、來源和解決途徑進(jìn)行了綜合分析，“分析的結(jié)果是：挺有發(fā)展前景的。如果把電機系現(xiàn)有的技術(shù)運用于電網(wǎng)中，會產(chǎn)生很好的結(jié)果?！?/p>

陳啟鑫指出，他和團(tuán)隊的軟件技術(shù)并不是憑空得來的，而是建立在清華大學(xué)電機系及其課題組已有的研究和技術(shù)之上。此前，他的研究方向是如何確保電網(wǎng)運行的安全性，“火力發(fā)電廠一旦開停發(fā)電機組，就涉及到生產(chǎn)安全。比如，居民開燈，發(fā)電廠就要供給足夠的用電量。要是送電量小于居民的用電量，家里的燈會忽暗忽明，這種狀態(tài)會對家用電器產(chǎn)生傷害。如果送電量和用電量之間的差距過大，會導(dǎo)致停電?！卑l(fā)電、電網(wǎng)和用電三者是相關(guān)的，這就要求對火力發(fā)電廠的開停機次數(shù)進(jìn)行安排，其中就涉及到安全，“但是，之前我們還沒有將其與碳減排聯(lián)系起來?！?/p>

陳啟鑫和團(tuán)隊對原有的技術(shù)進(jìn)行了升級、改造，“了解火力發(fā)電廠的碳排放，掌握影響兩者之間關(guān)系的各項因素?！敝螅悊Ⅵ瓮ㄟ^合適的數(shù)學(xué)方式和工具，對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了軟件。從理論上分析，陳啟鑫認(rèn)為通過預(yù)測、優(yōu)化，可減少中國電力系統(tǒng)碳排放總量的5～10%，“這個數(shù)字很大，相當(dāng)于中國碳排放總量的2～4%，這個規(guī)模幾乎達(dá)到了法國一年的碳排放總量?！?/p>

近年來，陳啟鑫的軟件已在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，“實際減少的碳排放量與理論上的減少量，兩者之間還是有差距的，但是，成效非常明顯?！逼?，陳啟鑫團(tuán)隊的軟件在河北、河南、山西、陜西、山東、江西、廣西、廣東、云南等十個省份二百個城市運行，“僅在山東省，一年就節(jié)約成本3000多萬美金（約2億人民幣），相當(dāng)于減少了24萬噸的煤炭損耗（約60萬噸碳排放）?！敝劣谄渌》菟鶆?chuàng)造的效益，“我們沒有進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計，無法給出量化估計。但是，也達(dá)到了相似的效果。”

碳捕集

陳啟鑫的另一個關(guān)注點是碳捕集技術(shù)。

火力發(fā)電廠排放的氣體，類似于汽車排放的尾氣，“發(fā)電廠排放的氣體中大多數(shù)是氮氣，剩下的是氧氣和二氧化碳。碳捕集技術(shù)就是把二氧化碳從混合氣體中單獨拿出來?！逼鋵崳趸急旧聿凰阄廴?，只是它的排放會引起溫室效應(yīng)，導(dǎo)致了全球氣候變化。如何從混合氣體中單獨提出二氧化碳，陳啟鑫認(rèn)為有多種方法，“這里面涉及化學(xué)、材料工藝，比如通過加熱把二氧化碳逼出來，之后壓縮、儲存二氧化碳?！钡?，這并不是陳啟鑫的研究重點，“發(fā)電廠是一套系統(tǒng)，碳捕集是另一套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)結(jié)合時，會發(fā)生各種復(fù)雜關(guān)系。”這些關(guān)系就是陳啟鑫的研究重點。更確切地說，如何提高火力發(fā)電廠的運行效率、減少碳排放量仍是他的關(guān)注點。比如，從火力發(fā)電廠的排放氣體中提取二氧化碳需要消耗能源，“這個能源很大，占到發(fā)電廠發(fā)電量的近百分之二十。我不研究碳捕集技術(shù)本身，研究重點是它與發(fā)電廠之間的關(guān)系，借此提高發(fā)電廠的運行效率?！?/p>

在碳捕集技術(shù)方面，陳啟鑫認(rèn)為，現(xiàn)在的研究工作大多都處于理論研究階段，他也不例外。但是，他看好碳捕集技術(shù)的前景，“理論上可以實現(xiàn)電力行業(yè)70%的碳減排，這個數(shù)字相當(dāng)于中國碳排放總量的30%。目前，英國與歐盟已經(jīng)出臺相關(guān)政策，規(guī)定2012年以后新建的燃煤發(fā)電廠必須具有碳捕集能力。”