基于智能能源网的资源开发模式研究

基于智能能源网的资源开发模式研究

随着工业化和城市化进程的加快，社会对能源、能源、天然气、水等能源的消耗需求相对应，对原生资源的掠夺和开发呈现出“不足”的发展趋势。而作为原生资源消耗的附属伴生品,由此而产生的二氧化碳等温室气体的排放问题加速了环境恶化。传统的热、电、气、水各自独立运行的资源开发模式和能源供给途径已不能满足社会发展的巨大需求。在未来的资源开发和能源供给模式中,哪个国家能率先将现有的热、电、气、水等单向运转和资源浪费巨大的能源生产网络改进成能交互运行且资源循环利用率高的生产网络,则哪个国家就能在全球能源生产和其交易体系中获得更大的技术话语权和市场定价权,并能重新定义资源开发和与之相匹配的商业(市场)运行模式的国际标准。因此,以交互高效的资源开发和循环性质的能源转化为目标,构建智能化的热、电、气、水交互开发和协同供应新模式,对实现能源资源的梯次开发、降耗和低碳使用显得尤为重要。“智能能源网”的理论框架及其发展模式,即致力于将热、电、气、水等资源“捆绑”为整体资源,以实现能源的替代与优化,统筹解决有关能源的高效开发和交互利用问题。1智能能源网发展模式智能能源网发展模式的提出旨在为我国可再生能源和新能源的发展奠定并网基础,更大程度地利用可再生能源和发展新能源,以确保我国为应对气候变化于2009年11月提出的“到2020年中国非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右,到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%”这一宏观资源开发、能源利用和节能减排目标的最终实现。《中国智能能源网发展模式和实施方案》课题于同年获批,则标志着我国智能能源网的发展战略正式进入到规划部署阶段。智能能源网发展模式重视能源的可再生和重复利用过程,推动节能减排和应对全球范围内的能源与环境危机。它与相关的热、电、气、水等能源和气象、运输等行业存在着密切的关联和互动关系。智能能源网发展模式的核心要素来源于“系统能效”的提高,即对由“资源开发”到“能源生产”再到“能源供应”三个核心生产过程所组成耦合系统生产效率的提升过程。它通过信息流与能量流、物质流的耦合,形成多品类能源泛能流,构成包括能源生产、储运、应用与再生四个环节在内的智能闭环泛能网络;再通过对泛能流从输入到输出的跨时空协同以及泛能网内部的多角度智能互动,实现对环境势能的高品位吸收和对资源能量的高效利用,产生系统能量在全生命周期的非线性增效,从而输出高品质、高效率、低污染的智能能源。2智能能源网的资源开发模式热、电、气、水是工业发展过程中必须的基本能源,而作为产生以上能源的原生资源——煤炭一直在众多基础资源中扮演着至关重要的角色,火力发电、煤炭炼焦、煤焦气、锅炉炼钢、供暖等过程都离不开煤炭的存在。我国是煤炭资源大国,但在煤炭资源的高效利用方面却并非技术创新强国。很多原煤资源都被直接用于炼焦或直接燃烧,热能损耗率很高,由此产生的大量二氧化碳、二氧化硫等工业废气对环境造成了严重污染。可以说,传统的由煤炭资源直接到热量能源的转化过程,碳交易成本过高且资源开发效率偏低,已不能很好地适应低碳时代对资源开发与环境保护的市场化要求。对基于智能能源网的资源开发模式和新能源发展战略,我国已在基于煤炭资源的低碳能源转化方面取得了一定的科技进步。在高效、清洁、智能的资源开发模式层面,以煤基低碳能源转化为例,说明能匹配于智能能源网的资源开发模式,其具体的资源开发流程见图1。煤基低碳能源的清洁利用,主要分为两个开发层次,一次开发层次包括“地下气化采煤”、“煤催化气化”和“风光互补发电”三个部分。地下气化采煤过程是将处于地下的煤加入气化剂实现可控气化,生成低成本合成气,提供给后续能源产品进行生产。该过程将传统的物理采煤方式转变为化学采煤方式,并对废水进行回收处理,具有投资少、污染少、安全性高和回报效益高等优点。煤催化气化过程属于非燃烧煤气化工艺,通过催化剂的作用,在较低温度下进行气化反应,产生合成气和甲烷。这一气化过程不产生氧化氮、二氧化硫等污染物,可实现煤的清洁气化,与传统的煤制天然气工艺相比具有成本低和工艺简单的优势。风光互补发电过程,主要是为上述的一次开发层次和后续的二次开发层次提供可再生、环保和低碳的电力支持。需要说明的是,风光互补发电过程主要涉及到太阳能源全息集成技术,即充分利用太阳能全波段光谱,贯穿太阳能源从生产、储运、应用和回收四个环节的生命周期。该过程可实现对太阳能源的光、热、电和光化学势能的更全面开发与高效应用。二次开发层次主要是通过将一次开发层次中由催化气化与地下气化两种方式将煤炭转化产生的合成气体再转化为甲烷,二次转化过程中所产生的二氧化碳被微藻生物吸碳和加氢方式吸收利用,分别转化为生物柴油和化工原料。所涉及到的微藻生物吸碳技术主要是将富含油脂和淀粉的微藻通过化学过程转化为生物柴油和燃料乙醇等清洁能源。微藻光合作用的特性是吸收工业生产过程中排放的二氧化碳、氮氧化物等废气,提供高纯度的氧气,同时对氮、磷含量较高的工业废水进行处理。因此,基于智能能源网的煤基低碳能源转化过程,每一个开发层次都充分体现了对原生资源高效开发和低碳生产的考虑。可以预见,符合智能能源网的资源开发流程,可极大地改善我国现有的能源依赖结构,并在更大程度上减少对环境的污染。3技术生态位管理下的价值振兴市场化前初期:价值渗透阶段。这一阶段应以基于智能能源网的开发价值渗透和技术的市场化培育为主。因为在从“技术”到“市场”的成果转化过程中,会遭遇到诸多实验条件下难以预期的特殊情况,有来自技术本身与实际现场方面的纯技术性沟壑,也有来自成果转化和新商品步入市场方面的商业性壁垒。这就需要政府层面发挥引导作用。一方面,结合低碳与信息化的时代背景,对节能减排的资源开发与循环互动的能源转化模式进行宏观布局,积极制定适合能源行业可持续发展的碳排放和交易标准(体系),以分别从主观引导和客观约束层面对基于智能能源网的资源开发模式进行政策铺垫、行政干预和产业渗透。另一方面,针对智能能源网资源开发模式的核心技术在市场化前期抗风险能力弱的特点,政府应积极设立技术生态保护区,对其核心技术进行战略性生态位管理(SUM),以尽量规避技术与市场化过程中可能遭遇到的致命性打击,并成功实现由“技术生态位”到“市场生态位”的价值跃迁。市场化初中期:价值推广阶段。市场对新商品和新模式的进入总是壁垒重重的,这里有消费者对传统商品使用的惯性原因,也有传统利益集团的寡头垄断原因。消费者的购买习惯可经由新商品的使用品质和购买价值得以改变,但对由寡头垄断市场而造成的利益格局再分配则只能由政府层面通过经济与科技体制改革来实现。现阶段,我国能源商品尚属未实质性放开的市场领域,对能源商品从资源开发到能源转化、再到商品销售的整个产业链环节都由政府占据着技术话语权与商品定价权的绝对权重。因此,承接于市场化前期的政策铺垫,政府应在市场化初期继续执行并大力开展对智能能源网的产业基础建设,主要应包括设施基础和模式基础两个层面。同时,政府应将市场化前期和初期制定的碳排放标准及其交易体系积极付诸实际,以加速落后产能与传统低效资源开发模式的市场淘汰,并为基于智能能源网的资源开发模式和能源转化模式开发市场。另一方面,政府层面应从财税减免角度对基于智能能源网的资源开发企业与技术创新进行优惠和补贴,压缩新模式下生产能源商品的价值成本,以从价格区间层面引导市场终端消费者的购买习惯。市场化中后期:价值跃迁阶段。这一阶段,无论是资源开发还是市场培育层面,智能能源网的发展模式都已具备了足够的成长茁壮性和产业链条的梯次匹配性,所以政府无需在市场与资源调控方面再投入更多的行政干预,而应转向尊重市场本身对资源与价格的配置作用转变。市场化后期,为了获得更高位置的全球价值链定位,市场运行模式更应侧重于工艺提升和技术创新本身。但考虑到研发层面突破技术创新瓶颈的周期较长,以及企业自身所能承担对技术创新成本的风险抵抗能力,政府则应从研发资金投入层面,对企业和创新本身给予更加稳定和长期的财税支持,以确保技术创新和价值链的提升能可持续地积累到足够的跃迁动力。4积极应对能源网络资源开发与市场匹配的挑战基于智能能源网的资源开发与市场匹配模式可从根本上改善我国对原生资源低效率、掠夺式的传统资源开发方式,提高从原生资源到能源商品整个过程的资源转化效率,并在极大程度上减少生产过程对环境所造成的碳排放污染。煤基低碳能源转化的资源开发流程更是对其他相关产业起到良好的方案借鉴和技术示范作用。以上模式的实施和推广,需要政府层面大力的政策引导和财政支持。但在具体的政策实施和资源投放过程中,政府仍应积极探寻制度创新。首先,基于智能能源网的资源开发与市场匹配模式,是对传统资源开发模式和现有能源市场利益格局的科技体制改革和经济体制改革,需要建立长效激励机制以维持改革的驱动力。作为政策的实施主体,政府在改革过程中应注意协调好各方利益的重新分配问题,如新能源的接入、碳减排的收益、智能网络租赁以及所有类型能源的调峰利益分配等。同时,政府还应保证在市场化的初中期阶段,能源价格的波动始终处于合理的价格区间内,以有效平衡改革的成本问题。其次,随着基于智能能源网的资源开发模式逐渐成熟,其市场运行模式更应向匹配智能能源网增值服务的方向改进。作为战略性新兴产业中的主要攻关产业,新能源产业的战略发展和市场认可还需得到其附属增值网络,诸如数据通讯子网、能源储能子网和终端智能管理子网用户消费体验的提升。因此,技术创新本身以及如何保证持续高效的技术创新,将是政府在科技体制改革层面需要长期致力的问题。第三,作为促进资本流动和