博文
可持续能源系统：IDDD+N原则
|||
21世纪是一个多元化时代，能源供应多元化，转换多元化，分散、集中多元化，终端应用供应一体化。对我国而言，能源种类繁多（煤、油、气、核、风能等可再生能源），应当有一个各种能源相互取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而不是“各打各的仗”、“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个有机整体，是一个各种不同能源的转换、输送，并且以各种不同形式或产品（交/直流电、高/低温热、机械能、化工产品等）服务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。
1 转换整合化（Integration of the Process）
转换整合化就是要打破不同行业之间的界限，按照系统最优原则对如发电、化工、冶金等生产中的物质流和能量流进行充分集成与优化，改变传统的工艺过程，达到系统的能源、环境、经济（3E）效益最优的目的。
广义总能系统从氢碳比（H2/CO）、压力、物质、温度等多个梯级利用层次进行系统优化，从而实现温度对口，成分合适，物理火用（Physical exergy）和化学火用（Chemical exergy）的梯级利用。在多联产这种多输入、多输出系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，根据不同可再生能源的特点来确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。
转换整合化在能源研究领域已做了大量的研究和探索，特别是以煤气化为核心的多联产系统，可以实现电力、液体燃料、化工产品等的联合生产。其它系统还有：煤基–化工/电多联产系统；煤基–钢铁/电能源系统；煤气化+天然气重整系统；煤气化+焦炉煤气（更加合适的H2/CO比，减小水蒸气变化过程的能量损失）；铁矿石+煤气化（消除高污染的煤焦化过程）；冷热电三联产联供（单元容量300MW以上大规模机组回收利用去凝汽器乏汽余热给区域供热）等。
可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因时制宜，因应用制宜，从国家高度一定要把“合适的能源放在合适的地方”。不同可再生能源在整个能源系统中的战略位置应当根据各自的特点进行定义。根据广义能源系统利用的原理，必须考虑可再生能源与化石能源的集成利用，如生物质和煤的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气（建筑能源供应）、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的集成等，均为目前可再生能源的发展找到较“合适的位置”。
多种能源相互整合，各自发挥优势、特长。天然气、煤气化、焦炉煤气、煤层气、再生能源（风能、太阳能、生物质能等），通过不同过程物质、压力、温度等的耦合效率提高的潜力为15%-20%。
2 需求精细化（Differentiation of the Demand）
根据终端用户对用能需求的多样化，因而要对终端用户的用能需求进行精细的分解，按不同的用能需求、需求的不同层次和动态变化，为能源供应、规划和配置提供指导信息和基础。
对热的需求：高温，作为不同的工业利用；中、低温，可用于建筑物冷和热的供应，然而通常利用高温热源来满足此需求。
对电的需求：区分高/低电压、交/直流电的不同需求；稳定、相对稳定（允许一定范围的波动）的电力需求。
对交通的需求：城市公交、城际客车、市郊客车——有固定的行车路线；出租车——相对较短的行驶距离；家庭轿车——各种动力，如电动、混合动力、“插电（Plug-in）”。
对供给稳定性的需求：稳定的供给，大多数的工业过程，一定要求电网供电；允许一定波动的供应，如电解铝或水、海水淡化，以及其它允许较大的波动化工生产过程，则可以用非并网风电或其它不稳定的可再生能源电。
只有在终端需求精细化的基础上，多样化的供应才能更大程度地满足能源系统的需求，可再生能源才能在能源系统中起到较大的作用，也为车用替代燃料（甲醇、二甲醚）的生产和基础设施规划打下基础。不同的终端用户应当根据当地具体的条件使用合适的能源，从而消除能源转化和运输（或传输）过程中不必要的环节。电从清洁、方便和基础设施等方面来说，是能源的最好载体，它可来自于化石能源和可再生能源。
3 供给多样化（Diversification of the Supply）
为满足精细化的需求，可以靠一种或多种形式的能源保障供应，能源形式具有多样化：煤、石油、天然气、核能、水能、太阳能光伏、太阳能热、风能（大、中、小规模）、生物质等可再生能源。各种能源更具有自身的特性，它们应当在整个能源系统中找到各自的合适“位置”，发挥长处，各得其所。因此，能源供给系统中，需要重点研究的不是各种能源能做什么，而是它们在我们的能源系统中应该做什么，这是两回事，并尽量用较少的能耗代价满足终端用户精细化的需求。
如何使多样化的供应满足精细化的需求，基本原则如下：
（1）集中且高能量密度的能源应当集中利用和转化（高效率、低污染），并利用现存的基础设施（如电网、天然气管网等）连接到终端用户；分散且低能量密度的能源应当分散利用，如农村地区的能源供应。
（2）优质能源，用于发电；中、低质能源，应当梯级利用，避免能源转化过程中不必要的环节。尤其要全盘规划和考虑我国品种各异的煤炭资源如何利用的问题，哪些煤种适合气化，哪些煤种适合发电，这些都需做仔细研究，把合适的煤种用在合适的位置上。如我国各地大量的褐煤（高含水量和高灰分）该怎样合理利用，需要做大量研究。
（3）可再生能源由于能量密度低和随机性，应根据当地具体的情况，因地制宜。例如生物质高度分散性和运输困难，适宜分布式就地利用，所以应当首先满足广大农民采暖和炊事的需求，以及中小城镇的工业锅炉。
在供给多样化中，高品位能源高品位利用；低品位能源低品位利用，并尽量减少能源损失；物理能——合适的温度进行匹配，梯级利用；化学能——合适的组分，合理配置，多产出，充分利用原材料中的有用物质。
4 布局分布化（Decentralization of the Grid）
分布式供能系统是中小规模的终端导向的能源系统，能源在当地进行生产、转化和供应，进而满足终端用户多样化的需求。分布式供能系统的特征有：
（1）能源在距离和形式上与终端用户密切结合，能量转化、运输（或传输）等环节效率高、能量损失小。
（2）中小规模的能源系统（微型燃气轮机、内燃机、热泵、风电、太阳能光伏、太阳能集热器等）与不同形式的蓄能系统相结合。廉价且方便的大、中、小型蓄能系统（蓄电、蓄热等）是节能的关键，且急需技术上的突破。
（3）多种能源资源（天然气、液化天然气、城市煤气、焦炉煤气、煤层气，包括可再生能源）可资利用。低能量密度且高度随机性的可再生能源可以更加方便地利用。
通过布局分布化提高系统能效的潜力可达到20%-30%。在广义能源系统中，因地制宜地进行分布式布局，集中电网、分散电网和离网运行相结合，不同种类的能源应当以互补和互相结合的方式进行利用。分布式供能系统可以实现区域性热、电、冷结合，按功率需求的大小采用模块化布局，机动灵活，就地满足用户要求，减少热源多次转化和输送，可以把能源利用效率从40%-50%提升到80%-85%。
5 调度、控制、管理网络化（Network）
在以上提出的转换整合化（Integration）、需求精细化（Differentiation）、供给多样化（Diversification）、布局分布化（Decentralization）的基础上，再加上快速发展的网络信息技术，实现调度、控制和管理的网络化（Network），按上述原则对现有的系统逐步进行改造转化，并按此原则建设新的能源系统，我称之为IDDD+N。
灵活性、可控性、可靠性、在线静态和动态的优化都是能源系统面临的新挑战。快速发展的信息技术可用于促进新的可持续能源系统的建立，如数据搜集、网络传感、在线监测、数据分析、数据挖掘、数据预测（特别是可再生能源）；建立起覆盖面广的能源信息平台和多层次优化的网络（小、中、大、地区、省）；充分利用信息技术，在全国、各省市、各地区全面搜集、整合、细分各种需求和供给信息，进行多层次协调优化，达到动态总量控制的目标。通过调度、控制和管理的网络化的节能潜力至少有50%以上。
建立可持续能源系统是一个渐变过程，但目标要明确，政策要清晰，措施要果断。将IDDD+N的原则和要求，分解成各行业、各地区的实施细则，建立大小不同的可操作的模板和示范工程。弄清现有系统分阶段、分层次向IDDD+N靠拢的路线图（Roadmap）。国家应在多方面加以牵引，向这些模板靠拢，如规章制度、鼓励政策、价格政策、各种国家资助（立项与资金投入）、科研和工程中心建立、人才培养、民间投资引导等。可持续能源系统建立在全生命周期分析方法的基础之上，其核心思想是“把合适的东西放在合适的地方”（Put the right thing on the right place）。
节选自倪维斗等《关于广义节能的思考》，全文发表于《中外能源》 2009年第2期
https://blog.sciencenet.cn/blog-374251-282033.html
上一篇：煤基醇醚燃料的应用和车用动力
下一篇：未来洁净煤利用发展需要重点探讨的问题
1 转换整合化（Integration of the Process）
转换整合化就是要打破不同行业之间的界限，按照系统最优原则对如发电、化工、冶金等生产中的物质流和能量流进行充分集成与优化，改变传统的工艺过程，达到系统的能源、环境、经济（3E）效益最优的目的。
广义总能系统从氢碳比（H2/CO）、压力、物质、温度等多个梯级利用层次进行系统优化，从而实现温度对口，成分合适，物理火用（Physical exergy）和化学火用（Chemical exergy）的梯级利用。在多联产这种多输入、多输出系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，根据不同可再生能源的特点来确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。
转换整合化在能源研究领域已做了大量的研究和探索，特别是以煤气化为核心的多联产系统，可以实现电力、液体燃料、化工产品等的联合生产。其它系统还有：煤基–化工/电多联产系统；煤基–钢铁/电能源系统；煤气化+天然气重整系统；煤气化+焦炉煤气（更加合适的H2/CO比，减小水蒸气变化过程的能量损失）；铁矿石+煤气化（消除高污染的煤焦化过程）；冷热电三联产联供（单元容量300MW以上大规模机组回收利用去凝汽器乏汽余热给区域供热）等。
可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因时制宜，因应用制宜，从国家高度一定要把“合适的能源放在合适的地方”。不同可再生能源在整个能源系统中的战略位置应当根据各自的特点进行定义。根据广义能源系统利用的原理，必须考虑可再生能源与化石能源的集成利用，如生物质和煤的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气（建筑能源供应）、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的集成等，均为目前可再生能源的发展找到较“合适的位置”。
多种能源相互整合，各自发挥优势、特长。天然气、煤气化、焦炉煤气、煤层气、再生能源（风能、太阳能、生物质能等），通过不同过程物质、压力、温度等的耦合效率提高的潜力为15%-20%。
2 需求精细化（Differentiation of the Demand）
根据终端用户对用能需求的多样化，因而要对终端用户的用能需求进行精细的分解，按不同的用能需求、需求的不同层次和动态变化，为能源供应、规划和配置提供指导信息和基础。
对热的需求：高温，作为不同的工业利用；中、低温，可用于建筑物冷和热的供应，然而通常利用高温热源来满足此需求。
对电的需求：区分高/低电压、交/直流电的不同需求；稳定、相对稳定（允许一定范围的波动）的电力需求。
对交通的需求：城市公交、城际客车、市郊客车——有固定的行车路线；出租车——相对较短的行驶距离；家庭轿车——各种动力，如电动、混合动力、“插电（Plug-in）”。
对供给稳定性的需求：稳定的供给，大多数的工业过程，一定要求电网供电；允许一定波动的供应，如电解铝或水、海水淡化，以及其它允许较大的波动化工生产过程，则可以用非并网风电或其它不稳定的可再生能源电。
只有在终端需求精细化的基础上，多样化的供应才能更大程度地满足能源系统的需求，可再生能源才能在能源系统中起到较大的作用，也为车用替代燃料（甲醇、二甲醚）的生产和基础设施规划打下基础。不同的终端用户应当根据当地具体的条件使用合适的能源，从而消除能源转化和运输（或传输）过程中不必要的环节。电从清洁、方便和基础设施等方面来说，是能源的最好载体，它可来自于化石能源和可再生能源。
3 供给多样化（Diversification of the Supply）
为满足精细化的需求，可以靠一种或多种形式的能源保障供应，能源形式具有多样化：煤、石油、天然气、核能、水能、太阳能光伏、太阳能热、风能（大、中、小规模）、生物质等可再生能源。各种能源更具有自身的特性，它们应当在整个能源系统中找到各自的合适“位置”，发挥长处，各得其所。因此，能源供给系统中，需要重点研究的不是各种能源能做什么，而是它们在我们的能源系统中应该做什么，这是两回事，并尽量用较少的能耗代价满足终端用户精细化的需求。
如何使多样化的供应满足精细化的需求，基本原则如下：
（1）集中且高能量密度的能源应当集中利用和转化（高效率、低污染），并利用现存的基础设施（如电网、天然气管网等）连接到终端用户；分散且低能量密度的能源应当分散利用，如农村地区的能源供应。
（2）优质能源，用于发电；中、低质能源，应当梯级利用，避免能源转化过程中不必要的环节。尤其要全盘规划和考虑我国品种各异的煤炭资源如何利用的问题，哪些煤种适合气化，哪些煤种适合发电，这些都需做仔细研究，把合适的煤种用在合适的位置上。如我国各地大量的褐煤（高含水量和高灰分）该怎样合理利用，需要做大量研究。
（3）可再生能源由于能量密度低和随机性，应根据当地具体的情况，因地制宜。例如生物质高度分散性和运输困难，适宜分布式就地利用，所以应当首先满足广大农民采暖和炊事的需求，以及中小城镇的工业锅炉。
在供给多样化中，高品位能源高品位利用；低品位能源低品位利用，并尽量减少能源损失；物理能——合适的温度进行匹配，梯级利用；化学能——合适的组分，合理配置，多产出，充分利用原材料中的有用物质。
4 布局分布化（Decentralization of the Grid）
分布式供能系统是中小规模的终端导向的能源系统，能源在当地进行生产、转化和供应，进而满足终端用户多样化的需求。分布式供能系统的特征有：
（1）能源在距离和形式上与终端用户密切结合，能量转化、运输（或传输）等环节效率高、能量损失小。
（2）中小规模的能源系统（微型燃气轮机、内燃机、热泵、风电、太阳能光伏、太阳能集热器等）与不同形式的蓄能系统相结合。廉价且方便的大、中、小型蓄能系统（蓄电、蓄热等）是节能的关键，且急需技术上的突破。
（3）多种能源资源（天然气、液化天然气、城市煤气、焦炉煤气、煤层气，包括可再生能源）可资利用。低能量密度且高度随机性的可再生能源可以更加方便地利用。
通过布局分布化提高系统能效的潜力可达到20%-30%。在广义能源系统中，因地制宜地进行分布式布局，集中电网、分散电网和离网运行相结合，不同种类的能源应当以互补和互相结合的方式进行利用。分布式供能系统可以实现区域性热、电、冷结合，按功率需求的大小采用模块化布局，机动灵活，就地满足用户要求，减少热源多次转化和输送，可以把能源利用效率从40%-50%提升到80%-85%。
5 调度、控制、管理网络化（Network）
在以上提出的转换整合化（Integration）、需求精细化（Differentiation）、供给多样化（Diversification）、布局分布化（Decentralization）的基础上，再加上快速发展的网络信息技术，实现调度、控制和管理的网络化（Network），按上述原则对现有的系统逐步进行改造转化，并按此原则建设新的能源系统，我称之为IDDD+N。
灵活性、可控性、可靠性、在线静态和动态的优化都是能源系统面临的新挑战。快速发展的信息技术可用于促进新的可持续能源系统的建立，如数据搜集、网络传感、在线监测、数据分析、数据挖掘、数据预测（特别是可再生能源）；建立起覆盖面广的能源信息平台和多层次优化的网络（小、中、大、地区、省）；充分利用信息技术，在全国、各省市、各地区全面搜集、整合、细分各种需求和供给信息，进行多层次协调优化，达到动态总量控制的目标。通过调度、控制和管理的网络化的节能潜力至少有50%以上。
建立可持续能源系统是一个渐变过程，但目标要明确，政策要清晰，措施要果断。将IDDD+N的原则和要求，分解成各行业、各地区的实施细则，建立大小不同的可操作的模板和示范工程。弄清现有系统分阶段、分层次向IDDD+N靠拢的路线图（Roadmap）。国家应在多方面加以牵引，向这些模板靠拢，如规章制度、鼓励政策、价格政策、各种国家资助（立项与资金投入）、科研和工程中心建立、人才培养、民间投资引导等。可持续能源系统建立在全生命周期分析方法的基础之上，其核心思想是“把合适的东西放在合适的地方”（Put the right thing on the right place）。
节选自倪维斗等《关于广义节能的思考》，全文发表于《中外能源》 2009年第2期
https://blog.sciencenet.cn/blog-374251-282033.html
上一篇：煤基醇醚燃料的应用和车用动力
下一篇：未来洁净煤利用发展需要重点探讨的问题
