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        能源革命

        2012-12-31 00:00:00趙建凱
        IT經(jīng)理世界 2012年21期

        這既是一場(chǎng)關(guān)于能源自身的革命,也是一場(chǎng)由能源而引發(fā)的最后一次工業(yè)革命。

        真實(shí)的分布式能源應(yīng)用其實(shí)并不遙遠(yuǎn),就是現(xiàn)在!只不過(guò),所應(yīng)用的地方有點(diǎn)讓人意料不到——美國(guó)監(jiān)獄。

        Santa Rita 監(jiān)獄位于美國(guó)加利福尼亞州阿拉米達(dá)縣,關(guān)押著4000名囚犯。在最近,這所監(jiān)獄完成了一項(xiàng)分布式能源應(yīng)用。監(jiān)獄內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能電池板、燃料電池所產(chǎn)生的電力被集合在一起,形成一個(gè)脫離集中供電的大型電網(wǎng)而獨(dú)立運(yùn)作的微型電網(wǎng)。在遇到大電網(wǎng)斷電的意外情況時(shí),微型電網(wǎng)可以為監(jiān)獄繼續(xù)供應(yīng)電力,每年能為監(jiān)獄節(jié)約10萬(wàn)美元。而當(dāng)大電網(wǎng)遇到用電高峰時(shí),微型電網(wǎng)還可以把自己多余的電力出售給電力公司。

        這是個(gè)典型的分布式能源應(yīng)用,其最大不同之處在于把電壓很不穩(wěn)定的、時(shí)斷時(shí)續(xù)的風(fēng)能與太陽(yáng)能電力,同常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池電力融合在了一起,形成一個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)。

        這個(gè)微電網(wǎng)既不同于常規(guī)的緊急備用電源系統(tǒng),也不是獨(dú)立的一大塊蓄電池,更不是風(fēng)能、太陽(yáng)能電網(wǎng),而是在這幾者的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一步。在無(wú)風(fēng)或太陽(yáng)落山時(shí),可以供電;在柴油發(fā)電機(jī)使用受限制時(shí),也可以供電——這些都在于微型電網(wǎng)把不同能源電力整合在了一起使用。這除了得益于數(shù)千塊電池組成的超級(jí)陣列外,更為重要的是靠專門的電力電子設(shè)備及控制軟件把多個(gè)能源系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備整合在一起,進(jìn)行不間斷供電。這個(gè)微電網(wǎng)中每個(gè)能源點(diǎn)處與大電網(wǎng)的連接處都安裝了如同大型計(jì)算機(jī)大小的網(wǎng)絡(luò)控制器。能調(diào)整不同能源電力頻率和電壓的設(shè)備,則可以用來(lái)協(xié)調(diào)來(lái)自風(fēng)能、太陽(yáng)能電池、柴油發(fā)電機(jī)和其他能源的電力。專門的軟件系統(tǒng),用于幫助微電網(wǎng)從每個(gè)電源都盡量獲取最多的電力,并對(duì)用電需求做出反應(yīng),比如在大電網(wǎng)用電高峰時(shí)為其補(bǔ)輸電力。

        顯然,這個(gè)美國(guó)目前為止最大的微型電網(wǎng),也是一個(gè)最先進(jìn)的智能電網(wǎng)。這種分布式能源微電網(wǎng),雖然在現(xiàn)在還只是作為傳統(tǒng)能源大電網(wǎng)的備份補(bǔ)充,但幾年之后在某些地區(qū)完全可成為傳統(tǒng)電網(wǎng)的替代品。因?yàn)橐虢鉀Q當(dāng)下能源價(jià)格高企,以及增加能源開發(fā)和利用過(guò)程中的安全性和高效性,唯有改變整個(gè)的能源系統(tǒng),掀起一場(chǎng)能源革命。一場(chǎng)既是關(guān)于能源自身的革命,也是一場(chǎng)由能源而引發(fā)的最后一次工業(yè)革命。

        能源創(chuàng)新之困

        安迪·凱斯勒在自己的著作《我們?nèi)绾蝸?lái)到現(xiàn)在:商業(yè)、技術(shù)與金融趣史》的第一句話是:“一切都始于工業(yè)革命?!边@句話或許需要再延伸一下:一切都始于能源所驅(qū)動(dòng)的工業(yè)革命。無(wú)論是最初人類用蒸汽機(jī)動(dòng)力煉鐵、紡織、運(yùn)輸(蒸汽機(jī)車),還是后來(lái)在電力大規(guī)模廣泛應(yīng)用后掀起的第二次工業(yè)革命的高漲及持續(xù),以及被稱為最后一次工業(yè)革命的第三次工業(yè)革命都與能源相關(guān)——無(wú)論是能源的開采(生產(chǎn))、交易,還是應(yīng)用、創(chuàng)新。

        但現(xiàn)在來(lái)看,人類與能源的關(guān)系似乎陷入了一個(gè)怪圈:在最開始,人類拼命地開采、使用能源,賺了很多錢;也就在三、四百年后的現(xiàn)在,人類用之前賺到的錢應(yīng)對(duì)自己當(dāng)初對(duì)能源的過(guò)度開采和使用帶來(lái)的種種危機(jī),彌補(bǔ)錯(cuò)失。與當(dāng)初人類在發(fā)現(xiàn)煤、石油、核動(dòng)力時(shí)的欣喜若狂形成鮮明對(duì)比的是,現(xiàn)在的人類苦惱于能源創(chuàng)新,苦惱于如何探索種種新能源。確切地說(shuō),真正苦惱于如何探索出一種性價(jià)比更合適的、更清潔的電力產(chǎn)生和利用方式。至于究竟是哪種能源產(chǎn)生的,在一些人看來(lái)其實(shí)并不重要。所以說(shuō),人們關(guān)心的并不是有哪些類似太陽(yáng)能、風(fēng)能新能源出來(lái),而是苦心尋找現(xiàn)有能源電力的生產(chǎn)、利用方式。但這并不容易!

        能源及電力網(wǎng)的創(chuàng)新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IT、互聯(lián)網(wǎng),美國(guó)的一些能源創(chuàng)新中心往往都是用10年的時(shí)間集中解決一個(gè)問(wèn)題,而創(chuàng)新成果至少需要在50~60年后才能產(chǎn)生影響。另一方面,其所需要投入的研發(fā)費(fèi)用與失效率也高得離譜,“美國(guó)國(guó)會(huì)在授權(quán)新能源項(xiàng)目貸款時(shí),就已經(jīng)知道會(huì)有失敗,并另會(huì)專門劃撥出100億美元來(lái)彌補(bǔ)損失。”美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文如是說(shuō)。更有人預(yù)計(jì),能源創(chuàng)新資金的失效率普遍會(huì)超過(guò)90%,“在你投入研發(fā)上的金額和你收回的金額之間,沒(méi)有明確的映射關(guān)系,而資金不足還會(huì)拖延進(jìn)展速度?!?/p>

        實(shí)際上,正如我們看到的Santa Rita 監(jiān)獄的分布式能源應(yīng)用,能源創(chuàng)新是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù),能源創(chuàng)新之困是技術(shù)之困。風(fēng)能、太陽(yáng)能電力之所以一直坐在替補(bǔ)席上,根本的原因就是沒(méi)有解決掉技術(shù)難題,比如傳輸并網(wǎng)、儲(chǔ)能等。能源創(chuàng)新需要全球成千上萬(wàn)家的芯片、軟件、電力設(shè)備、能源開采、儲(chǔ)能等眾多行業(yè)的技術(shù)公司參與其中,嘗試新技術(shù)應(yīng)用,增加成效率。想想看愛迪生在找到鎢絲之前,嘗試過(guò)多少種材料吧。

        能源自身的革命

        能源自身的革命是由技術(shù)驅(qū)動(dòng)的一場(chǎng)革命。

        人類應(yīng)用電力以來(lái),就習(xí)慣了“大集中”。電力靠大發(fā)電廠集中生產(chǎn),然后又靠大電網(wǎng)集中傳輸,但在最終使用時(shí)卻是分散的。在分散應(yīng)用時(shí),根據(jù)需求的不同才需要調(diào)電壓,才需要變電站。這種由生產(chǎn)方來(lái)控制需求方的方式,有悖于正常的供應(yīng)關(guān)系,但它之所以一直存在,根結(jié)在于人們?cè)诿?、石油、水利、核能的開采及電力生產(chǎn)方式一直都是技術(shù)密集型的,單獨(dú)個(gè)人或一家一戶是做不來(lái)的。而風(fēng)能和太陽(yáng)能之所以被人們看做新能源來(lái)應(yīng)用,在于其開采、生產(chǎn)方式的技術(shù)允許個(gè)人、一個(gè)家庭來(lái)做。

        諾伯特·羅爾斯(Norbert Leurs)是德國(guó)的一名農(nóng)夫,他以種馬鈴薯和養(yǎng)豬維持全家生計(jì)。幾年前,一家小型風(fēng)能公司在他的土豆田里豎起了一座70米高的風(fēng)機(jī)。這讓羅爾斯在收獲土豆的同時(shí),每年還可以得到風(fēng)能公司6%的電力銷售收入,約9500美元。羅爾斯正考慮在田里再多增加2到3臺(tái)風(fēng)機(jī),每個(gè)都有140米高。不僅如此,羅爾斯還貸款在自家的豬圈、谷倉(cāng)和房屋頂上都安裝了太陽(yáng)能電池板,生產(chǎn)的電力除了自己用之外,還可以出售給當(dāng)?shù)氐碾娏Σ块T,這讓羅爾斯每年可以賺到28萬(wàn)美元,預(yù)計(jì)在還清貸款后可以獲得200萬(wàn)美元的收入。

        最近羅爾斯又得知,美國(guó)一家公司正在研究制造一種新型的太陽(yáng)能電池板薄膜,能使電池板的成本降低一半以上,這就讓太陽(yáng)能發(fā)電足可與化石燃料電力競(jìng)爭(zhēng)。這種新材料能使太陽(yáng)能電池更有效,生產(chǎn)出更多的電力只需要一定量的材料和設(shè)備,同時(shí)還能降低安裝成本,因?yàn)橹恍枰^少的太陽(yáng)能電池板。

        對(duì)于自己一直所擔(dān)心的電池板朝向及采光問(wèn)題,羅爾斯發(fā)現(xiàn)一種解決辦法,在每個(gè)電池面板上安裝一個(gè)2美元的微處理器,以此對(duì)那些成片的鏡子或光電板進(jìn)行優(yōu)化,讓它們更輕、更可靠,能源效率更高。這些微處理器可以控制面板的朝向,能讓每塊板都獨(dú)立地跟蹤太陽(yáng),以取代過(guò)去使用更多鋼材、更大的齒輪和齒輪箱的系統(tǒng)。羅爾斯正在考慮換裝這種新型電池板。

        新技術(shù)讓羅爾斯這樣的家庭實(shí)現(xiàn)電力自給自足的同時(shí),還能把多余電力出售出去,讓羅爾斯家由以前單純的電力用戶變?yōu)橛脩?、電力生產(chǎn)者、利益獲得者。所以,現(xiàn)在的關(guān)鍵是要把分散的用戶變成生產(chǎn)者,把更多的小型風(fēng)機(jī)、新型太陽(yáng)能電池板安裝在地間地頭、房屋屋頂,讓每一間房屋、每一棟樓房都成為一個(gè)小發(fā)電廠——但這還不夠!要想將每一大洲的每一棟建筑都轉(zhuǎn)化為微型發(fā)電廠,還需要解決智能控制問(wèn)題。

        虛擬“發(fā)電站”

        Santa Rita 監(jiān)獄微電網(wǎng)的工作原理與IT中的云計(jì)算非常類似,把不同的能源電力匯集使用,多余的能源部分被外部電網(wǎng)回收,共享給更多的人來(lái)使用,其分布式能源應(yīng)用的先進(jìn)之處在于其對(duì)微電網(wǎng)電力的生產(chǎn)、利用的控制能力。這個(gè)微電網(wǎng)雖然只是一個(gè)樣本,但卻已經(jīng)掀開能源革命的一角,即用虛擬發(fā)電站。

        萊茵-魯爾地區(qū)在歷史上除了是兵家必爭(zhēng)之地,還是德國(guó)的重工業(yè)區(qū),并且是德國(guó)人口密度最高的區(qū)域,這里的狂野空地上矗立著風(fēng)電渦輪機(jī)、建筑屋頂上鋪蓋著太陽(yáng)能電池板,還有其他一些可再生性的新能源設(shè)備。德國(guó)四大發(fā)電公司之一RWE集團(tuán)正在通過(guò)一套智能軟件系統(tǒng)統(tǒng)籌安排該地區(qū)各種能源設(shè)備的電力輸出,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電,并獲得政府補(bǔ)貼。

        依靠這套軟件系統(tǒng),RWE可以控制數(shù)量眾多的能源設(shè)備或分布式儲(chǔ)能站,協(xié)調(diào)它們的電力輸出。軟件系統(tǒng)會(huì)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的可再生能源發(fā)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)字監(jiān)控,將它們產(chǎn)生的電力集結(jié)在一些,當(dāng)形成較大的供應(yīng)量時(shí),再通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行交易,在能源市場(chǎng)上出售。

        這套軟件的根本目標(biāo)就是把區(qū)域內(nèi)數(shù)千個(gè)單獨(dú)供電時(shí)都不可靠的可再生能源,轉(zhuǎn)換成電力部門可以信賴的巨大網(wǎng)絡(luò),一張能源互聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源電力而言,這套系統(tǒng)讓它們的電力有能力與天然氣、煤炭和核能發(fā)電站展開合同競(jìng)爭(zhēng)。

        可以肯定的是,隨著人們對(duì)大數(shù)據(jù)處理能力的提高,人們已經(jīng)可以借助智能化軟件系統(tǒng)來(lái)計(jì)算可用電力供給的詳細(xì)數(shù)據(jù)以及對(duì)這些信息進(jìn)行提前預(yù)測(cè)。這就不需要再為解決太陽(yáng)能發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)不能提供穩(wěn)定均勻電力問(wèn)題,而苦心鉆研大規(guī)模能源存儲(chǔ)技術(shù)。

        有了這種虛擬電廠,在必要時(shí)電力公司可以集結(jié)全區(qū)域、全國(guó)內(nèi)的所有的儲(chǔ)能電池、??康碾妱?dòng)汽車、家庭用發(fā)電機(jī)組,以及為大型建筑供電力的大型機(jī)組,來(lái)制造電力供電。在德國(guó),5%的用電量可通過(guò)這種方式解決。

        最后一次工業(yè)革命

        分布式能源得以根本應(yīng)用,完全在于智能化控制技術(shù)的應(yīng)用。智能化控制技術(shù)把微電網(wǎng)、大電網(wǎng)變成了另一種可以傳輸電力信息的的能源互聯(lián)網(wǎng)。而在經(jīng)濟(jì)學(xué)家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)看來(lái):當(dāng)通信革命和能源革命相結(jié)合時(shí),就會(huì)出現(xiàn)一次新的工業(yè)革命。

        第一次工業(yè)革命時(shí)期(18世紀(jì)60年代~19世紀(jì)40年代),通信技術(shù)發(fā)生了革命性變化,從手工印刷到蒸汽機(jī)動(dòng)力印刷,后者可以實(shí)現(xiàn)低成本大量印制和傳播信息,類似今天互聯(lián)網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的變化。于是出現(xiàn)公立學(xué)校,大量識(shí)字勞動(dòng)力。這時(shí)出現(xiàn)了新的通信系統(tǒng)去管理以煤炭為基礎(chǔ)的新能源系統(tǒng)。第二次工業(yè)革命時(shí)期(19世紀(jì)70年代-20世紀(jì)初),通信與能源再度攜手,集中的電力、電話以及后來(lái)的無(wú)線電和電視機(jī),可以管理更復(fù)雜的石油管道網(wǎng)、汽車路網(wǎng),進(jìn)而為城市文化的興起提供了可能性。里夫金認(rèn)為,“現(xiàn)在第二次工業(yè)革命正在死去,以能源為主要支柱的第三次工業(yè)革命正在到來(lái)。”里夫金的著作《第三次工業(yè)革命》中提到,第三次工業(yè)革命有五個(gè)支柱分別是:1.向可再生能源轉(zhuǎn)型;2.以建筑為單位的小型電站;3.擴(kuò)展到所有基礎(chǔ)設(shè)施上的能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存;4.充電式交通系統(tǒng)從互動(dòng)式電網(wǎng)中獲取電能;5.能源互聯(lián)網(wǎng)。

        在這最后一次工業(yè)革命中,一些大企業(yè)必然要消亡,另外一些要想不“死去”,必須轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)型的企業(yè)要從初級(jí)生產(chǎn)(Primary Production)轉(zhuǎn)為聚合者(Aggregator)的角色。

        以電力公司為例,他們必然要拋棄掉過(guò)去一直所習(xí)慣的制造、分配、售賣電力的舊模式。隨著數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的個(gè)體來(lái)自己創(chuàng)造綠色電力,把綠色電力回輸?shù)诫娋W(wǎng),這就迫使電力公司接受一個(gè)新現(xiàn)實(shí):我們都在制造新電力,你的角色要怎么調(diào)整?你要來(lái)怎么經(jīng)營(yíng)這個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)?

        現(xiàn)在的電力公司應(yīng)該把角色轉(zhuǎn)變到為中小企業(yè)管理綠色電力流(Energy Flows)上來(lái),要降低他們的能源成本,提高熱能動(dòng)力效率。電力公司的客戶現(xiàn)在要與其一同分享生產(chǎn)力提升帶來(lái)的收益。在歐洲,一些電力公司已經(jīng)在向這個(gè)新模式轉(zhuǎn)型,但它們并未放棄舊模式,而是采用兩個(gè)組合,逐漸拋棄舊的集中模式,讓新模式用20~30年時(shí)間內(nèi)逐漸應(yīng)用起來(lái)。

        在這最后一次工業(yè)革命中,個(gè)人、企業(yè)、社區(qū)都通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來(lái),能源互聯(lián)網(wǎng)可以超越地域局限,實(shí)現(xiàn)整個(gè)大洲范圍內(nèi)的連接,白天太陽(yáng)照射的地區(qū)把剩余能源分享給已經(jīng)是黑夜的其他地區(qū),風(fēng)能、生物能、潮汐的能源也實(shí)現(xiàn)分享。最終,提高能源互聯(lián)網(wǎng)水平方向上的規(guī)模效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支持整個(gè)大洲經(jīng)濟(jì)的作用。

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