1.1 能源可持續利用時代圖景概覽

當人類社會進入21世紀的第二個10年，在現代科技的推動下，能源結構正在經歷深刻變革，具有資源再生稟賦的新能源開始步入舞臺中央，開啟了能源可持續利用時代的大幕。在這樣的時代，人類使用的終端能源——電能、熱能和（化學能）燃料，其生產和輸配模式都在經歷著重大變革，這種變革肇始于20世紀末。

1999年8月30日，美國最具影響力的商業雜志《商業周刊》刊登了一組系列文章，總題為“21世紀的21種設想”，其中第一篇是關于能源的設想，題目是“我是你的地方電站”。下面通過其中的幾個段落一窺當時的設想。

到21世紀，差不多人人都有個人的渦輪機。它們以棕櫚油或沼氣為動力，確保家電設備正常運轉，假如你的電力能自給有余，你還可以把多余的電出售給當地電網。

這是2009年的夏天，我家有兩只電表，分別顯示電力的“輸入”和“輸出”。顯示電力“輸入”的電表在絕大多數情況下都在轉動，不過偶爾在電力不足或電價上漲時，我家地下室里的一臺小型發電機就會運轉起來。它發出的電力不僅能帶動家里所有的電器設備，而且還可以把多余的電力賣給當地的電網。我喜歡看著自己的“輸出”電表轉圈兒……

我正在考慮在屋頂上加裝太陽能電池板，它將使我成為一個地地道道的電力銷售商，當然只是盡我所能……

以上描述的能源生產方式與傳統能源生產方式相比，最大的變化是個人成為了電能的生產者，人們不再需要完全依賴大電網和大電廠給自己家供電。但設想如何轉化為現實呢？答案就是“分布式發電”與“智能電網”的融合。

分布式發電，簡單來說就是利用集成的或單獨的小型發電裝置產生電能。這些發電裝置裝機容量小，通常安裝在終端用戶的住房、辦公室、工廠等場所，或者這些場所附近。另外，這些小型發電裝置的主人已不再局限于發電公司，還可以是個人，也就是說每個人都可以成為電力生產者。分布式發電為電力生產由“壟斷”向“民主”轉變奠定了基石。

智能電網，是以物理電網為基礎，高度集成現代先進技術而形成的新型電網，這些技術主要包括傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術等，電網智能化趨勢參見圖1.1。智能化使電網運行控制更加靈活、經濟，并能適應大量分布式電源的接入。

分布式發電與智能電網的結合，使得終端用戶不僅能夠用上自己生產的電，而且還能和他人共享電力，這將從根本上挑戰長期居于壟斷地位的集中式能源系統，改變其自上而下的單向供能方式，即電能由大電廠經大電網再到終端用戶的方式。

以上就是設想中的電力系統藍圖。當時間進入21世紀的第二個10年，新能源的迅猛發展正在使當初的設想變為現實。

首先來看新能源的先行者德國。早在20世紀末，德國政府就提出了太陽能屋頂發展計劃，圖1.2是作者2006年拍攝于德國鄉間的一張照片，它是德國“十萬太陽能屋頂計劃”的一個縮影。該計劃的順利推行得益于其電價補貼政策，根據政策，德國電力公司回購太陽能發電的價格為0.5歐元/（kW·h），而其售電價格只有0.1歐元/（kW·h）。

為鼓勵國民使用太陽能，日本政府對民眾安裝太陽能發電設備的基礎投資給予補貼，并且太陽能發電的上網電價高于居民用電價格。在此政策激勵作用下，僅2006年日本就有8萬個屋頂新裝了太陽能發電設備。

2012年，我國家庭光伏發電并網實現了破冰。當年10月26日，國家電網發布了《關于做好分布式光伏發電并網服務工作的意見》，鼓勵分布式光伏發電分散接入低壓配電網，承諾對6MW以下的分布式光伏發電項目免費接入電網，并全額收購富余電力。這一年，普通電子工程師徐鵬飛的名字上了央視新聞，起因是他在自家樓頂上安裝的光伏電站正式并入電網，成為“中國首例居民光伏”。2015年，我國開始將分布式光伏作為一項扶貧技術在全國進行大范圍推廣，當年全國光伏扶貧試點建設規模達1836MW，產生了巨大的社會效益。

與此同時，我國集中式光伏電站建設也進入了快車道。2012年青海省啟動了海南州生態光伏園區建設項目，園區規劃占地面積298.9km²，總裝機容量10000MW（圖1.3）。經過5年的快速發展，先后有40家企業入駐該發電園區，2017年園區光伏發電總裝機容量累計達3225MW。2017年6月，青海省開啟連續168h清潔能源供電試驗，這是我國首次嘗試在一個省級行政區域內全部由可再生能源供電。

從全球發展情況看，新能源發電已進入持續增長階段，與此同時化石燃料發電份額在日益降低。根據國際能源署（International Energy Agency，IEA）報告，2014年，全球可再生能源發電投資基本與化石燃料發電投資持平（圖1.4）。

新能源不僅可以滿足電能生產，還可以滿足人類對燃料的需求。煤、石油和天然氣等不同形態的化石燃料都能找到對應的生物燃料替代品。目前，生物燃料已在交通、采暖和供熱等領域得到廣泛應用。

“Cows make fuel for biogas train”，這是2005年英國BBC NEWS一則新聞的標題。這則新聞的主角是一列火車（圖1.5），其特別之處在于它是世界上首列由沼氣驅動的火車，該火車從瑞典的斯德哥爾摩南部城市林雪平（Linkoping）開往波羅的海沿岸城市韋斯特維爾（Vastervik），全程600km。牛與火車兩件看似風馬牛不相及的事物，通過沼氣聯系在了一起。

燃料乙醇，這是生物燃料的另一主角。在美國、巴西和中國，燃料乙醇已成為汽油的重要替代品，其推廣應用實現了能源效益和環境效益的有機結合，將秸稈等農業廢棄物轉化為燃料乙醇是該結合的具體體現。2013年10月，全球首個以秸稈為原料生產燃料乙醇的工業化裝置，在意大利北部克雷申蒂諾市正式啟動（圖1.6）。這家示范廠隸屬于貝塔可再生能源公司，設計燃料乙醇產能為5000000L/年，并配備裝機容量13MW的燃木質素電廠。該示范廠的投運意味著纖維燃料乙醇進入商業化生產階段。與采用糧食為原料的燃料乙醇技術不同，這家乙醇廠以小麥秸稈、水稻秸稈以及種植于非耕地上的高產能源作物蘆竹為原料，而且乙醇生產的副產品木質素被用于發電，其所發電力不僅可以滿足工廠自身電力消耗，還可將剩余的電力出售給電網。

生物燃料還可用作航空燃料（圖1.7）。2011年10月28日，一架加載航空生物燃料的現役波音747-400型客機在北京首都國際機場首飛成功，這是由中國國航、中國石油、波音公司和霍尼韋爾UOP公司共同合作完成的項目。2015年我國首次使用生物航油進行了載客商業飛行，3月21日，使用生物燃料的海南航空HU7604航班搭載150名乘客從上海飛抵北京，開啟了生物燃料商業化應用于中國民航的時代。

發展新能源已被許多國家列入國家戰略。曾經的世界能源消費第一大國美國，為降低對國外石油的依賴，實現能源自給，圍繞新能源及可再生能源的發展制定了一系列計劃。例如，奧巴馬為全美政府機關設定了一個目標，在2020年之前實現可再生能源發電電力使用比例達到20%。在政府支持下，新能源在美國能源結構中的占比不斷增加。美國2014年的能流圖（圖1.8）顯示，美國當年能源消耗量約為98.3×10¹⁵ Btu[1]，其中太陽能、風能、生物質能和地熱能4種新能源的消耗量為7.139×10¹⁵ Btu，在總能源消耗量中的占比已達7.26%，而2007年該比例還僅僅只有4.3%。

在推動新能源發展方面，能源消耗量占全球1/5的歐盟力度最大，處在全球領跑地位。2007年3月，歐洲理事會通過《能源和氣候變化一攬子計劃》，為歐盟確定了三大目標，即到2020年，溫室氣體在1990年的基礎上減排20%、新能源份額提高到20%、能源效率提高20%。2008年，歐盟通過了戰略能源技術計劃，提出發展風能、太陽能和生物質能技術，將歐盟經濟發展建立在“低碳能源”基礎上。2010—2011年，歐盟先后推出《2020能源戰略》和《2050能源路線圖》，后者提出到2050年，歐盟的溫室氣體排放量比1990年的排放量降低80%～90%，實現這一目標的途徑之一就是大力支持可再生能源發展，2050年可再生能源比例最高將達到75%，97%的電能將來自可再生能源。

我國已超越美國，成為能源消耗第一大國，2015年我國一次能源消耗占全球的22.4%。作為世界第一人口大國，我們面臨著艱巨的發展任務。為了應對挑戰，2010年國務院發布了《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，提出要重點培育和發展七大戰略性新興產業，包括節能環保、新能源、新能源汽車、新一代信息技術、生物、高端裝備制造和新材料產業。在國家政策支持、經濟發展和環境保護等的聯合推動下，近年來我國新能源取得了長足發展。根據IEA《中期可再生能源市場報告2014》，我國已經是可再生能源發電市場的絕對主力，見圖1.9。