姜苗苗,任一鑫,李 躍,趙友寶

(山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,山東 青島 266590)

能源經(jīng)濟(jì)研究

系統(tǒng)內(nèi)生能源理論提出與研究領(lǐng)域分析

姜苗苗,任一鑫,李 躍,趙友寶

(山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,山東 青島 266590)

針對于循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及能源利用效率提高的要求,提出了內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換機(jī)理研究的必要性,并依據(jù)系統(tǒng)能源已有研究成果以及遇到的瓶頸,推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究需要突破的方向,以期通過對系統(tǒng)內(nèi)生能源涉及的九大研究領(lǐng)域的深入探究,找到提高能源利用效率的方法,將過程能源循環(huán)化、將損失能源最小化、將有害能源循環(huán)化與最小化,達(dá)到系統(tǒng)能源高效利用以及國家對于節(jié)能減排的要求。

系統(tǒng)內(nèi)生能源;能源利用效率;循環(huán)經(jīng)濟(jì)

一、引言

系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化節(jié)能是當(dāng)前節(jié)能研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。而目前系統(tǒng)節(jié)能主要從系統(tǒng)能源利用視角,研究系統(tǒng)如何優(yōu)化組合實(shí)現(xiàn)能源的合理流動與利用、能源輸入、能源利用、能源輸出等問題,同時對如何提高技術(shù)水平提高能源使用效率,節(jié)約能源等方面進(jìn)行了研究。經(jīng)過實(shí)踐證明,能源利用效果有所提高,但進(jìn)一步提高系統(tǒng)能源利用效率遇到瓶頸,雖然目前對系統(tǒng)能源綜合利用問題也進(jìn)行了研究,尤其是技術(shù)方面研究,但是效果不佳,其原因是對系統(tǒng)能源使用運(yùn)行規(guī)律研究存在缺失,導(dǎo)致無法以這些規(guī)律為基礎(chǔ)開展相關(guān)利用研究。而系統(tǒng)輸入能源在被系統(tǒng)使用過程中產(chǎn)生的能源,除被初次有效利用的部分外,其余均可看作系統(tǒng)內(nèi)生能源,包括:初次利用有效輸出的新能源、新能源循環(huán)利用產(chǎn)生的次級新能源、以及系統(tǒng)內(nèi)所有能源利用過程中產(chǎn)生的損失能源(可控?fù)p失與不可控?fù)p失,可控?fù)p失可循環(huán)利用),因此,系統(tǒng)內(nèi)生能源的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與利用正是解決能源利用效率問題的關(guān)鍵,為此,提出研究系統(tǒng)內(nèi)生能源問題。

二、系統(tǒng)能源研究現(xiàn)狀

節(jié)約能源、提高能源使用效率是研究系統(tǒng)能源的主要目的,依據(jù)當(dāng)前對系統(tǒng)能源的認(rèn)知程度,主要把系統(tǒng)能源流動分成三個階段:系統(tǒng)能源輸入階段、系統(tǒng)能源使用階段及系統(tǒng)能源輸出階段。對輸入方面的研究,主要包括對能源輸入方式、輸入設(shè)備、輸入技術(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新、管理以便達(dá)到降低輸入、轉(zhuǎn)換損耗,提高能源利用效率的目的[1-4];對使用方面的研究,主要包括能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、用能設(shè)備設(shè)施技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、能源轉(zhuǎn)化等[5-9],這是系統(tǒng)能源利用效率研究的核心部分。而隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)理念的興起,系統(tǒng)能源循環(huán)利用、綜合利用、低碳利用等研究也隨之開展[10-17];對輸出方面研究,主要包括輸出的技術(shù)、輸出方式、輸出設(shè)備設(shè)施等技術(shù)創(chuàng)新和管理水平的提高等[18-21]。這樣就構(gòu)成目前系統(tǒng)能源研究的基本體系:能源輸入——能源利用——能源輸出。

不難看出,目前對于系統(tǒng)能源的研究主要集中在如何通過能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新、以及管理創(chuàng)新,來提高能源利用效率方面,主要側(cè)重能源輸入、使用等的研究,也涉及到能源輸出的研究,但對系統(tǒng)能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換研究較少,而能源在利用中產(chǎn)生是客觀存在的事實(shí),能源利用效率低下主要原因是對內(nèi)生能源產(chǎn)生耗費(fèi)規(guī)律研究不透徹,對內(nèi)生能源利用研究不完全。如果將內(nèi)生能源研究透、利用好,對提高能源安全、解決能源危機(jī)、節(jié)約能源等有重要的意義,為此,應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)研究相關(guān)理論,開展系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究,建立內(nèi)生能源利用體系。

三、系統(tǒng)內(nèi)生能源的提出依據(jù)

1.能量守恒定律視角。能量既不能被創(chuàng)造,也不能被消滅,只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。流經(jīng)系統(tǒng)的能源耗費(fèi)基本方式是由高質(zhì)能源蛻變?yōu)榈唾|(zhì)能源,在特殊要求或情況下,能夠使低質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為高質(zhì)能源。但無論怎樣轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)總能量守恒,并且流經(jīng)系統(tǒng)的能源一定大于有效輸出與對外有效做功的能源,也就是說總輸入大于總輸出,有一部分輸入的能源沒有得到利用,發(fā)現(xiàn)并利用這部分能源是提高能源利用效率的關(guān)鍵,并且這也是提出系統(tǒng)內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換問題的源頭,同時是系統(tǒng)內(nèi)生能源研究過程中最容易忽略的一部分,在這里將這部分能源定義為“系統(tǒng)差額能源”。按照能量守恒定律,這部分仍屬于系統(tǒng)能源的一部分,該部分能源在系統(tǒng)中經(jīng)過運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌绞降哪茉?這些能源以什么方式產(chǎn)生或存在,品質(zhì)、數(shù)量如何,能否被利用,要明確這些內(nèi)容,就需要對系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換與產(chǎn)生問題進(jìn)行研究(圖1)。

圖1 內(nèi)生能源提出的依據(jù)——系統(tǒng)差額能源

2.熱力學(xué)第二定律視角。熱力學(xué)第二定律揭示能源在利用過程中經(jīng)過利用與轉(zhuǎn)換,由高品質(zhì)能源向低品質(zhì)能源轉(zhuǎn)換。能源輸入系統(tǒng)后,一部分被有效利用,也有一部分轉(zhuǎn)換為其他形式的能源或生成其他能源被循環(huán)利用,還有一部分能源在有效利用或者循環(huán)利用的過程中損失。這些能源擴(kuò)散到什么領(lǐng)域、品質(zhì)如何、數(shù)量如何、以什么形式擴(kuò)散,只有明確這些信息才能進(jìn)行系統(tǒng)能源的有效利用,這正說明了進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)生能源研究的必要性。特別是,在實(shí)際運(yùn)行中,為了保護(hù)設(shè)備設(shè)施的轉(zhuǎn)換,需要采用一定的方式加快轉(zhuǎn)換或產(chǎn)生的其他能源的擴(kuò)散,如機(jī)械設(shè)備撒熱裝置、煤炭生產(chǎn)降溫設(shè)備、高爐降溫裝置、電廠煙氣擴(kuò)散裝置、煉油廠的氣體外排等,這些措施不僅運(yùn)行需要能源,而且同時也把大量的能源散排到大氣中,造成能源浪費(fèi)的同時,也造成對生態(tài)環(huán)境的污染。為了節(jié)約能源、減少污染,就需要研究這些能源的利用問題,就需要研究內(nèi)生能源產(chǎn)生的規(guī)律與機(jī)理,在摸清能源耗費(fèi)規(guī)律的同時,也要研究能源產(chǎn)生方式、渠道等,研究能源利用過程中轉(zhuǎn)換規(guī)律,尤其是能值變化的方式與規(guī)律,為合理開發(fā)利用內(nèi)生能源提供分析依據(jù)和方法(圖2)。

3.循環(huán)經(jīng)濟(jì)視角。在可持續(xù)發(fā)展理論指導(dǎo)下,以“3R”為原則的循環(huán)經(jīng)濟(jì)得到長足的發(fā)展,實(shí)踐取得了豐碩的成果。其中,減量化是指如何減少資源使用量,如何減少資源投入量,如何減少廢棄物的產(chǎn)生量;資源化指如何將產(chǎn)生廢棄物資源化,包括原級資源化和次級資源化;再利用或循環(huán)利用是指采用什么方式利用資源,或循環(huán)利用資源,循環(huán)利用、梯級利用、層級利用、替代利用、互補(bǔ)利用、組合利用是其主要的方式。資源能夠按照品質(zhì)等級進(jìn)行循環(huán)利用、梯級利用是資源利用的主要方式之一,能源作為資源之一也不例外。要對能源進(jìn)行梯級利用、循環(huán)利用就需要研究系統(tǒng)能源利用及耗費(fèi)規(guī)律,摸清能源產(chǎn)生的規(guī)律,掌握能源品質(zhì)變化規(guī)律以及能源產(chǎn)生量,研究能源之間關(guān)系、能源與利用領(lǐng)域之間的關(guān)系,以便為研究綜合利用、能源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)(圖3)。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換

圖3 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——能源循環(huán)利用

4.能源利用效率視角。能源利用效率衡量方法是能源有效利用量(轉(zhuǎn)換量)除以輸入能源的總量。能源利用效率的高低關(guān)鍵取決于能源有效利用量,而經(jīng)過系統(tǒng)的能源一部分直接做功,被有效利用了,另一部分轉(zhuǎn)換成新的能源,或生產(chǎn)出其他形式的能源。產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換的能源中一部分作為能源對系統(tǒng)外進(jìn)行有效輸出,被系統(tǒng)外其他使用領(lǐng)域使用,另一部分?jǐn)U散到生態(tài)環(huán)境中,損失了。要提高能源的利用效率,就需要研究擴(kuò)散損失能源的利用問題,如果把這部分能源充分利用起來,將提高能源的利用效率,因此,需要研究內(nèi)生能源的開發(fā)利用問題,更需要研究內(nèi)生能源產(chǎn)生的機(jī)理(圖4)。目前我國能源利用效率比較低,主要是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換的能源開發(fā)利用程度比較低,為此,應(yīng)該把內(nèi)生能源的產(chǎn)生與開發(fā)利用作為研究的重點(diǎn)。

四、系統(tǒng)內(nèi)生能源的研究領(lǐng)域

關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)生能源研究領(lǐng)域的探究,本文從系統(tǒng)能源的利用出發(fā),根據(jù)利用領(lǐng)域的不同將系統(tǒng)內(nèi)生能源的研究分為內(nèi)生能源的耗費(fèi)機(jī)理與產(chǎn)生機(jī)理,進(jìn)而研究不同機(jī)理下內(nèi)生能源的產(chǎn)量、品質(zhì)與相互之間的關(guān)系,以便明確內(nèi)生能源的利用受什么因素影響、如何利用內(nèi)生能源,此外,對于內(nèi)生能源研究的最重要目的就是提高系統(tǒng)能源利用效率,因此,必須對內(nèi)生能源利用情況進(jìn)行客觀評價,具體研究思路如圖5所示。

1.對系統(tǒng)能源利用情況研究思路的轉(zhuǎn)變。受研究基礎(chǔ)的局限性,把能源利用率的研究目標(biāo)往往局限在如何提高能源利用的效率上,對系統(tǒng)能源研究以三個部分進(jìn)行:輸入系統(tǒng)能源、在系統(tǒng)內(nèi)如何有效利用能源、能源對系統(tǒng)外的輸出,沒有對能源損失問題進(jìn)行研究。目前世界能源有效利用率不到50%,這說明大量的能源在輸入、利用、輸出過程中損失了。依據(jù)能量守恒定律損失的能源應(yīng)該轉(zhuǎn)變成其他形式的能源,既然有能源損失或者說進(jìn)入系統(tǒng)能源總量大于有效利用量與對外有效輸出量的總和,那么就說明在系統(tǒng)內(nèi)部有能源的轉(zhuǎn)換或新形式能源的產(chǎn)生。這些能源以什么方式產(chǎn)生、產(chǎn)生的數(shù)量如何、品質(zhì)如何、以何種方式消散或排放需要進(jìn)行研究。為此,對系統(tǒng)能源的研究應(yīng)該由“輸入——利用——輸出”發(fā)展到“輸入——利用——轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)——輸出”等研究上來,并把系統(tǒng)內(nèi)生能源產(chǎn)生、使用、耗損等作為研究的重點(diǎn)。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——能源高效利用

圖5 系統(tǒng)內(nèi)生能源研究體系圖

2.系統(tǒng)能源耗費(fèi)機(jī)理。能源是推動系統(tǒng)運(yùn)行的動力,能源經(jīng)過系統(tǒng),最初是以什么方式流動,以什么方式耗費(fèi);在系統(tǒng)中經(jīng)過使用、轉(zhuǎn)換、新生后的所有能源(包括不斷循環(huán)利用的能源和損失能源)又將以何種方式耗費(fèi);流經(jīng)系統(tǒng)的所有能源耗費(fèi)方式、途徑等能否通過某種方法而發(fā)生變化,使之向盡可能多地被有效利用的方向發(fā)展,這些都是系統(tǒng)能源耗費(fèi)機(jī)理研究中應(yīng)該考慮的問題。也就是說,對于系統(tǒng)能源的耗費(fèi)機(jī)理的研究不能僅僅停留在對輸入能源耗費(fèi)機(jī)理的研究,更應(yīng)該進(jìn)一步地了解過程能源(輸入能源使用與耗費(fèi)過程中經(jīng)過轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的新能源、新能源循環(huán)利用而產(chǎn)生的次級新能源)的耗費(fèi)機(jī)理,此外,在輸入能源與過程能源的使用與耗費(fèi)中,必定存在損失能源,對損失能源再利用的研究也可以從其耗費(fèi)機(jī)理的分析中尋找控制損失最小化的方法。通過對能源耗費(fèi)的機(jī)理或規(guī)律進(jìn)行研究,從而明確如何更好地利用輸入能源、過程能源、損失能源,提高能源利用效率,進(jìn)行能源綜合利用。

3.內(nèi)生能源產(chǎn)生機(jī)理。依據(jù)能量守恒定律的理念,能源經(jīng)過系統(tǒng)后,除了對外有效做功的部分外,必然轉(zhuǎn)化成其他能源輸出或損失。而能源利用系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)具有相似性,寄生、伴生、共生也是內(nèi)生能源產(chǎn)生的方式,這也就說明了內(nèi)生能源產(chǎn)生過程的不確定性,因此,為了提高能源的利用效率,明確提高能源利用效率的途徑,就必須研究能源經(jīng)過相關(guān)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)后,通過什么方式產(chǎn)生,又以何種方式轉(zhuǎn)換成什么種類和品質(zhì)的能源,何種能源產(chǎn)生后能被循環(huán)利用,何種能源產(chǎn)生后容易損失等。為此,需要對能源產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究歸納。

4.內(nèi)生能源產(chǎn)量計(jì)算。內(nèi)生能源與單純能源生產(chǎn)有明顯的區(qū)別,單純能源生產(chǎn)是提高能源的產(chǎn)量為主要目標(biāo),研究的是如何利用投入的原料,通過相關(guān)技術(shù),完成能源產(chǎn)量,計(jì)算方法比較簡單。內(nèi)生能源是以能源利用與轉(zhuǎn)換為主,能源產(chǎn)生為輔助,內(nèi)生能源產(chǎn)生受許多因素影響,除了受技術(shù)、管理水平等因素影響外,主要受系統(tǒng)主要用能主體的能力及各環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)能力限制。經(jīng)過相關(guān)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)的能源能夠產(chǎn)生的能源種類多,數(shù)量少。內(nèi)生能源能否被利用取決于品質(zhì)與數(shù)量,為此需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況及系統(tǒng)內(nèi)部等結(jié)構(gòu)建立關(guān)聯(lián)模型計(jì)算能源的數(shù)量。

5.內(nèi)生能源品質(zhì)評價研究。熱力學(xué)第二定律表示輸入系統(tǒng)的能源經(jīng)過系統(tǒng)后,會經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成其他能源,新能源品質(zhì)會降低,或發(fā)生變異,尤其熱能、壓力等能源的能值等會隨著使用路徑的延長而不斷降低。不同使用領(lǐng)域?qū)δ茉雌焚|(zhì)及數(shù)量都有要求,為了使內(nèi)生能源得到合理的利用,就需要建立模型對內(nèi)生能源的品質(zhì)進(jìn)行評價,為研究其使用領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ),同時也要對內(nèi)生能源品質(zhì)變化的規(guī)律進(jìn)行分析研究,以便根據(jù)品質(zhì)變化規(guī)律對能源進(jìn)行合理的配置利用。

6.內(nèi)生能源關(guān)系研究。內(nèi)生能源以寄生、伴生、共生等方式產(chǎn)生,其種類多,數(shù)量、品質(zhì)差異較大,由于內(nèi)生能源在系統(tǒng)中不是主要能源,處于輔助、從屬的地位,因此多數(shù)內(nèi)生能源只能通過替代、互補(bǔ)、組合、梯級、循環(huán)等方式利用。為使內(nèi)生能源合理的利用,就需要摸清內(nèi)生能源之間、內(nèi)生能源與外輸能源之間、能源與利用領(lǐng)域之間的關(guān)系,為能源配置利用奠定基礎(chǔ)。

7.內(nèi)生能源利用影響因素分析。內(nèi)生能源是否能被有效利用也受許多因素的影響,因此,在對研究領(lǐng)域進(jìn)行研究的同時,更要對影響因素進(jìn)行歸納研究。根據(jù)影響因素,研究內(nèi)生能源利用渠道,研究內(nèi)生能源優(yōu)化利用配置的方法,比如內(nèi)生能源的集成利用研究。

8.內(nèi)生能源利用方式研究。傳統(tǒng)的能源利用效率評價模型是以能源有效利用量與總使用量兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價,能源有效利用量是能源利用效率高低的關(guān)鍵指標(biāo),有效利用量占總使用量的比重大,利用效率就大,反之則反。既然經(jīng)過系統(tǒng)的能源在被利用的同時能夠轉(zhuǎn)換或生成其他新的能源,如果把這部分能源再利用起來,就能夠大大提高能源利用的效率,為此在對內(nèi)生能源研究的過程中要依據(jù)內(nèi)生能源產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的規(guī)律、數(shù)量、品質(zhì)、用能領(lǐng)域需求等情況研究內(nèi)生能源利用問題,這方面研究包括組合、替代、層級等方式,更要研究內(nèi)生能源如何結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)外的特點(diǎn)進(jìn)行利用的問題。

9.內(nèi)生能源利用評價。內(nèi)生能源作為輔助能源,其利用受主要能源利用環(huán)境的影響,更受其自身品質(zhì)、消費(fèi)數(shù)量和利用方式等的約束。主要能源的利用渠道、環(huán)節(jié)、領(lǐng)域等的不同導(dǎo)致內(nèi)生能源產(chǎn)生的方式、品質(zhì)、數(shù)量存在差異,而這種差異性就使得其利用程度、利用領(lǐng)域等存在差異,并且不同的渠道、環(huán)節(jié)、領(lǐng)域等對同種類的內(nèi)生能源的利用程度和要求也不盡相同。因此,內(nèi)生能源能否被利用,在相關(guān)領(lǐng)域利用是否合適,利用效果如何,都成為需要關(guān)注和解決的問題。為此,就需要建立能生能源利用評價模型,創(chuàng)建方法對內(nèi)生能源利用問題進(jìn)行評價。

五、結(jié)語

本文基于對熱力學(xué)兩大定律的思考,發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生能源的存在性,又針對于循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及能源利用效率提高的要求,提出了內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換機(jī)理研究的必要性,并依據(jù)系統(tǒng)能源已有研究成果以及遇到的瓶頸,推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究需要突破的方向,以期通過對系統(tǒng)內(nèi)生能源涉及的九大研究領(lǐng)域的深入探究,找到提高能源利用效率的方法,將過程能源循環(huán)化、將損失能源最小化、將有害能源循環(huán)化與最小化,達(dá)到系統(tǒng)能源高效利用以及國家對于節(jié)能減排的要求。此外,文中的一些觀點(diǎn)還有待于進(jìn)一步地深入研究,最終建立完善科學(xué)的內(nèi)生能源理論體系。

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[責(zé)任編輯:劉 煒]

10.3969/j.issn.1672-5956.2016.06.007

2016-05-24

姜苗苗,1990年生,女,山東威海人,山東科技大學(xué)碩士生,研究方向?yàn)槟茉垂芾怼a(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì),(電子信箱)jiurimaimiao@163.com。任一鑫,1962年生，男,山東萊西人,山東科技大學(xué)教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槟茉垂芾?、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和礦區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)。

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1672-5956(2016)05-0045-06