1.1 能源可持续利用时代图景概览

当人类社会进入21世纪的第二个10年，在现代科技的推动下，能源结构正在经历深刻变革，具有资源再生禀赋的新能源开始步入舞台中央，开启了能源可持续利用时代的大幕。在这样的时代，人类使用的终端能源——电能、热能和（化学能）燃料，其生产和输配模式都在经历着重大变革，这种变革肇始于20世纪末。

1999年8月30日，美国最具影响力的商业杂志《商业周刊》刊登了一组系列文章，总题为“21世纪的21种设想”，其中第一篇是关于能源的设想，题目是“我是你的地方电站”。下面通过其中的几个段落一窥当时的设想。

到21世纪，差不多人人都有个人的涡轮机。它们以棕榈油或沼气为动力，确保家电设备正常运转，假如你的电力能自给有余，你还可以把多余的电出售给当地电网。

这是2009年的夏天，我家有两只电表，分别显示电力的“输入”和“输出”。显示电力“输入”的电表在绝大多数情况下都在转动，不过偶尔在电力不足或电价上涨时，我家地下室里的一台小型发电机就会运转起来。它发出的电力不仅能带动家里所有的电器设备，而且还可以把多余的电力卖给当地的电网。我喜欢看着自己的“输出”电表转圈儿……

我正在考虑在屋顶上加装太阳能电池板，它将使我成为一个地地道道的电力销售商，当然只是尽我所能……

以上描述的能源生产方式与传统能源生产方式相比，最大的变化是个人成为了电能的生产者，人们不再需要完全依赖大电网和大电厂给自己家供电。但设想如何转化为现实呢？答案就是“分布式发电”与“智能电网”的融合。

分布式发电，简单来说就是利用集成的或单独的小型发电装置产生电能。这些发电装置装机容量小，通常安装在终端用户的住房、办公室、工厂等场所，或者这些场所附近。另外，这些小型发电装置的主人已不再局限于发电公司，还可以是个人，也就是说每个人都可以成为电力生产者。分布式发电为电力生产由“垄断”向“民主”转变奠定了基石。

智能电网，是以物理电网为基础，高度集成现代先进技术而形成的新型电网，这些技术主要包括传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术等，电网智能化趋势参见图1.1。智能化使电网运行控制更加灵活、经济，并能适应大量分布式电源的接入。

分布式发电与智能电网的结合，使得终端用户不仅能够用上自己生产的电，而且还能和他人共享电力，这将从根本上挑战长期居于垄断地位的集中式能源系统，改变其自上而下的单向供能方式，即电能由大电厂经大电网再到终端用户的方式。

以上就是设想中的电力系统蓝图。当时间进入21世纪的第二个10年，新能源的迅猛发展正在使当初的设想变为现实。

首先来看新能源的先行者德国。早在20世纪末，德国政府就提出了太阳能屋顶发展计划，图1.2是作者2006年拍摄于德国乡间的一张照片，它是德国“十万太阳能屋顶计划”的一个缩影。该计划的顺利推行得益于其电价补贴政策，根据政策，德国电力公司回购太阳能发电的价格为0.5欧元/（kW·h），而其售电价格只有0.1欧元/（kW·h）。

为鼓励国民使用太阳能，日本政府对民众安装太阳能发电设备的基础投资给予补贴，并且太阳能发电的上网电价高于居民用电价格。在此政策激励作用下，仅2006年日本就有8万个屋顶新装了太阳能发电设备。

2012年，我国家庭光伏发电并网实现了破冰。当年10月26日，国家电网发布了《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，鼓励分布式光伏发电分散接入低压配电网，承诺对6MW以下的分布式光伏发电项目免费接入电网，并全额收购富余电力。这一年，普通电子工程师徐鹏飞的名字上了央视新闻，起因是他在自家楼顶上安装的光伏电站正式并入电网，成为“中国首例居民光伏”。2015年，我国开始将分布式光伏作为一项扶贫技术在全国进行大范围推广，当年全国光伏扶贫试点建设规模达1836MW，产生了巨大的社会效益。

与此同时，我国集中式光伏电站建设也进入了快车道。2012年青海省启动了海南州生态光伏园区建设项目，园区规划占地面积298.9km²，总装机容量10000MW（图1.3）。经过5年的快速发展，先后有40家企业入驻该发电园区，2017年园区光伏发电总装机容量累计达3225MW。2017年6月，青海省开启连续168h清洁能源供电试验，这是我国首次尝试在一个省级行政区域内全部由可再生能源供电。

从全球发展情况看，新能源发电已进入持续增长阶段，与此同时化石燃料发电份额在日益降低。根据国际能源署（International Energy Agency，IEA）报告，2014年，全球可再生能源发电投资基本与化石燃料发电投资持平（图1.4）。

新能源不仅可以满足电能生产，还可以满足人类对燃料的需求。煤、石油和天然气等不同形态的化石燃料都能找到对应的生物燃料替代品。目前，生物燃料已在交通、采暖和供热等领域得到广泛应用。

“Cows make fuel for biogas train”，这是2005年英国BBC NEWS一则新闻的标题。这则新闻的主角是一列火车（图1.5），其特别之处在于它是世界上首列由沼气驱动的火车，该火车从瑞典的斯德哥尔摩南部城市林雪平（Linkoping）开往波罗的海沿岸城市韦斯特维尔（Vastervik），全程600km。牛与火车两件看似风马牛不相及的事物，通过沼气联系在了一起。

燃料乙醇，这是生物燃料的另一主角。在美国、巴西和中国，燃料乙醇已成为汽油的重要替代品，其推广应用实现了能源效益和环境效益的有机结合，将秸秆等农业废弃物转化为燃料乙醇是该结合的具体体现。2013年10月，全球首个以秸秆为原料生产燃料乙醇的工业化装置，在意大利北部克雷申蒂诺市正式启动（图1.6）。这家示范厂隶属于贝塔可再生能源公司，设计燃料乙醇产能为5000000L/年，并配备装机容量13MW的燃木质素电厂。该示范厂的投运意味着纤维燃料乙醇进入商业化生产阶段。与采用粮食为原料的燃料乙醇技术不同，这家乙醇厂以小麦秸秆、水稻秸秆以及种植于非耕地上的高产能源作物芦竹为原料，而且乙醇生产的副产品木质素被用于发电，其所发电力不仅可以满足工厂自身电力消耗，还可将剩余的电力出售给电网。

生物燃料还可用作航空燃料（图1.7）。2011年10月28日，一架加载航空生物燃料的现役波音747-400型客机在北京首都国际机场首飞成功，这是由中国国航、中国石油、波音公司和霍尼韦尔UOP公司共同合作完成的项目。2015年我国首次使用生物航油进行了载客商业飞行，3月21日，使用生物燃料的海南航空HU7604航班搭载150名乘客从上海飞抵北京，开启了生物燃料商业化应用于中国民航的时代。

发展新能源已被许多国家列入国家战略。曾经的世界能源消费第一大国美国，为降低对国外石油的依赖，实现能源自给，围绕新能源及可再生能源的发展制定了一系列计划。例如，奥巴马为全美政府机关设定了一个目标，在2020年之前实现可再生能源发电电力使用比例达到20%。在政府支持下，新能源在美国能源结构中的占比不断增加。美国2014年的能流图（图1.8）显示，美国当年能源消耗量约为98.3×10¹⁵ Btu[1]，其中太阳能、风能、生物质能和地热能4种新能源的消耗量为7.139×10¹⁵ Btu，在总能源消耗量中的占比已达7.26%，而2007年该比例还仅仅只有4.3%。

在推动新能源发展方面，能源消耗量占全球1/5的欧盟力度最大，处在全球领跑地位。2007年3月，欧洲理事会通过《能源和气候变化一揽子计划》，为欧盟确定了三大目标，即到2020年，温室气体在1990年的基础上减排20%、新能源份额提高到20%、能源效率提高20%。2008年，欧盟通过了战略能源技术计划，提出发展风能、太阳能和生物质能技术，将欧盟经济发展建立在“低碳能源”基础上。2010—2011年，欧盟先后推出《2020能源战略》和《2050能源路线图》，后者提出到2050年，欧盟的温室气体排放量比1990年的排放量降低80%～90%，实现这一目标的途径之一就是大力支持可再生能源发展，2050年可再生能源比例最高将达到75%，97%的电能将来自可再生能源。

我国已超越美国，成为能源消耗第一大国，2015年我国一次能源消耗占全球的22.4%。作为世界第一人口大国，我们面临着艰巨的发展任务。为了应对挑战，2010年国务院发布了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，提出要重点培育和发展七大战略性新兴产业，包括节能环保、新能源、新能源汽车、新一代信息技术、生物、高端装备制造和新材料产业。在国家政策支持、经济发展和环境保护等的联合推动下，近年来我国新能源取得了长足发展。根据IEA《中期可再生能源市场报告2014》，我国已经是可再生能源发电市场的绝对主力，见图1.9。