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第1章 能源与电网 能源是整个世界经济发展的重要基础，人类社会的发展与能源开发利用是息息相关的，人类历史上每次使经济产生质的飞跃都是从新型能源的利用开始的。经济的发展对能源的需求量越来越多，而今使用的传统化石能源消耗速度远远大于自然自身补给的速度，从而导致传统能源逐渐趋于枯竭，同时由于能源的不合理开发和利用所排放的有害气体导致环境破坏日益严重。从社会的可持续发展战略来看，开发和利用可再生能源替代传统化石能源是能源结构调整的重要发展方向。 电网和能源是紧密联系在一起的，能源的变革必将带来电网结构的变化。与此同时，随着电力负荷的迅速增长，传统的大规模集中式供电已经显现出稳定性和可靠性问题，各个国家相继把发展电能的研究更多地转向利用清洁的可再生能源和分散的能源上，分布式发电得到快速发展，电网结构也经历着由传统大电网向智能化现代电力系统的转变。 本章主要内容如下。 (1)能源现状。 (2)能源利用、转换与存储。 (3)智能化的现代电力系统。 1.1 能源现状 传统能源，又称常规能源，是指在现阶段科学技术水平条件下人们已经广泛使用、技术上比较成熟的能源，如煤、石油、天然气等短期内不可再生的能源，因而人们对此有危机感是很自然的。而新能源，又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、可再生的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。 1.1.1 能源的发展 人类从钻木取火开始自觉地使用能源，直到英国发明家、**次工业革命代表人物詹姆斯 瓦特改良蒸汽机，都称为“柴薪时代”。“柴薪时代”是环境与人类和谐共处的友善时代，但经济发展低下，作为生物燃料的柴薪不但不破坏环境，还能满足人们生产和生活的需要。 瓦特的蒸汽机改良推动了世界经济的发展，煤炭大量涌入能源市场，那时煤炭具有*高的经济价值，称为煤炭时代。煤炭激励了工业发展，同时也造成了环境污染。 17世纪的荷兰曾取得了远高于同时期其他大国的经济成就，这依赖于荷兰蕴藏着大量可供开采的泥炭资源。这种属于煤炭早期形式的特殊燃料，成本低廉，使黄金时代的荷兰工业欣欣向荣，在很大程度上烘托了荷兰的石灰烧制和啤酒酿造两大能源密集型产业。美国环境史学者约翰 R 麦克尼尔认为，荷兰成本低廉的泥炭为这两个行业的发展提供了非常便利的基础，使荷兰成为世界上能源*密集的经济体，并且在18世纪其工业化程度和城市化程度均为全球*高。 到19世纪中叶，波兰药剂师依格纳茨 卢卡西维茨发现了更易获得石油提取煤油的方法，并于1854年在波兰克罗斯诺市附近开掘了世界上**口油井，称为博布尔卡油矿场。19世纪，石油工业发展缓慢，提炼的石油主要用来作为油灯的燃料。20世纪初，随着内燃机的发明，全球的主要能源开始从煤炭变成了石油。由于石油在烃类的价值层次*高，所以其轻易排挤了煤炭，能源很快进入“石油时代”[1]，而这个时代的杰出代表国家便是美国。在20世纪初，美国正是依靠石油，建设了自己的第二个全国运输体系——公路以及小汽车和卡车。而此运输体系的建成促进了美国经济的进一步发展。所以美国经济的繁荣在很大程度上是建立在石油以及围绕石油建立起来的基础设施和运输体系的基础上的。在这个意义上，可以说，美国从第二次世界大战至今一直保持着世界超级大国的地位依靠的是石油提供的能源优势。至20世纪*后十年，美国通过两次海湾战争控制了世界上重要的石油资源产地和运输通道，从中东、拉美等产油国获取了大量石油，从而推动经济迅速发展，成为世界**的超级大国。如今，由于化石能源的枯竭问题，美国已提出了一项关于替代能源的国家安全议题，其目的为降低美国对外国石油的依赖。关于替代能源，从能源的化学结构来考虑，氢含量越高，热值也越高。木材的氢碳原子比为1∶10，其质量能量密度为16.2MJ/kg；煤的氢碳原子比为1∶1，其质量能量密度为24MJ/kg；而石油的氢碳原子比约为2∶1，其质量能量密度为44.4MJ/kg；甲烷的氢碳原子比*高，为4∶1，其总热值为54MJ/kg，比木材、煤和石油都高。正是此性质，人们把天然气作为高效的燃料来使用，而进入氢能时代。 从能源利用的发展进程中可以看出，人类为了生存发展，通过劳动不断从生态系统中获取外界物质、能量，使人类社会逐渐成为一个完整的系统，科技的进步使人类获取外界物质、能量的能力大大增加，输入系统的负熵的绝对值远大于系统内的熵增，推动人类社会向复杂有序的方向演化。从人类社会的能源演变状态来看便是柴薪时期、煤炭时期、石油时期，从人类社会的经济形态来看演变为渔猎社会、农耕社会、工业社会。自从人类进入工业社会后，人类在自我中心主义的支配下，大肆侵占以化石能源为主的非再生能源，无节制地消耗能源，使人类社会系统内的熵呈类指数增加，*终人类社会乃至整个生态系统进入高熵状态[2]。高熵社会无视原有生态秩序，加速物种灭绝速度，改善生态环境，引发生态危机，严重威胁人类的生存状态。为了回归低熵状态，新能源正逐渐变更人类社会能源的基础，取代以化石能源为主体的不可再生能源，使能源发展从高熵到低熵，从高碳到低碳，*终达到清洁能源。 1.1.2 世界能源现状 近年来，世界能源格局发生了重大改变，美国、中国和印度成为能源消费大国，对国际政治产生了深远影响。在各方的利益博弈下，新的世界能源格局正在形成中。 1.能源储量与分布 世界石油生产格局发生了根本性的变化。目前世界十大石油生产国中已经有一半都非欧佩克国家，截至2013年年底，世界石油探明储量为1.6879万亿桶，足以满足53.3年的全球生产需要。中南美洲的储产比仍为全球*高。在过去的十年中，世界石油探明储量上调27%，即3500亿桶。在煤炭资源量中，2013年年底，世界已探明煤炭储量为8600亿t，美国、俄罗斯、中国、澳大利亚、印度和德国是世界前六大煤炭资源国，六国合计占世界煤炭资源的80%。根据*新的数据，截至2013年年底，全球天然气探明储量为185.7万亿m3，足以保证54.8年的生产需要。伊朗取代俄罗斯成为世界**大天然气资源大国。在生产领域，美国取代俄罗斯成为世界上*大的天然气生产国。非化石能源中，核电发展稳中有进，截至2013年年底，全球可运行的核电反应堆有436个，总装机容量为3.72亿kW，从地区分布来看，北美、欧洲和远东仍是核电利用的主要地区。水电发展因地而异，北美和欧洲等地区发达国家的发展重点转移到对已建水电站的更新改造；亚洲、南美等地区的多数发展中国家制订了发展规划，而非洲等地区的欠发达国家，因资金、技术等条件限制，水电开发仍面临诸多困难。风电在欧美发展步伐放缓，但在亚洲各国迅速推进。2013年，欧盟风力发电装机容量达到了1亿kW的里程碑。但因欧洲国家主权债务危机和全球经济不景气的影响，在未来几年关于风机在欧美的需求会保持在一个稳定的水平上；在亚洲，2012年中国风电装机达到6300万kW，其中并网总量达到6083万kW，发电量达到1004亿kW h。亚洲地区国家新增风电装机容量占全球的52.1%。 2.能源消费 新兴经济体在全球能源需求中仍占主导地位。2013年，新兴经济体的能源需求增长占80%。欧盟的能源消费持续减少，达到了自1995年以来的历史*低水平，日本的能源消费也下降到自1993年以来的*低位。 1)石油 2013年全球石油消费增长1.4%，即140万桶/日，仅比历史平均水平高一点。与之对应，全球石油产量只增长了0.6%，即56万桶/日。2013年的全球石油贸易量增长120万桶/日，增幅为2.1%。欧洲和新兴经济体进口量的增加抵消了日本和美国的下降。中国石油净进口量达到700万桶/日，超过美国成为世界**大石油净进口国。 2)煤炭 亚太、美洲、欧洲仍是三大主要煤炭消费区。 3)天然气 全球天然气消费增长1.4%，天然气占一次能源消费的23.7%。中国和美国的天然气消费增量*为显著，分别为10.8%和2.4%，占据全球81%的天然气消费增长。欧盟的天然气消费达到1999年的*低水平，印度消费下滑*多，为12.2%。 2013年全球化石能源消费仍集中在美洲、欧洲和亚太地区，如表1.1所示。 4)非化石能源 即可再生能源，2013年可再生能源占全球能源消费的2.7%，比十年前增长了0.8%。其贡献了全球发电量的5.3%，增长16.3%。中国可再生能源消费增长量*大，其次是美国，而欧洲在可再生能源消费方面的领先者德国、西班牙和意大利则低于平均水平。在全球范围内，风能消费比2012年增加20.7%，再次占据了超过一半的可再生能源发电的增长；太阳能发电上半年增长更为迅速，比2012年增加33%；核能发电占全球能源消费的4.4%，是1984年以来的*低比重。但核能发电量增长了0.9%，是自2010年以来的**次增长。美国、中国、加拿大核能发电量的增长抵消了韩国、乌克兰、西班牙、俄罗斯核能发电量的下滑。核能发电占全球能源消费的4.4%；水力发电量占全球能源消费的6.7%。 据BP公司发布的《2035世界能源展望》预计，从2012年到2035年，全球能源消费将增长41%。据预计，其中95%的增长来源于新兴经济体，而北美、欧亚发达经济体的能源消费增长将非常缓慢，甚至在预测期内后几年有可能会下跌。 1.1.3 中国能源现状 1.能源储备与分布 我国是富煤、贫油、少气的国家，长期以煤炭为主要能源，其能源分布有北多南少、西多东少、高度集中的特点。截至2012年，中国查明剩余煤炭可采储量为1145亿t，估计可再采100多年。我国石油分布较为集中，而目前估计石油可采资源储量为160亿t。由于储量的限制，我国石油大量进口，进口量占到50%。天然气资源较为贫乏，集中分布在中、西部地区，截至2012年年底，可采资源量为4.4万亿m3。而我国的可再生能源中，水力资源蕴藏量可观，随着技术进步，大型水电机组国产化技术必将成熟，水利资源将成为重要补充能源。在2013年中，我国水电消费量为9116亿kW h（2.063亿t油当量），比2012年增加4.8%，占世界水电消费的24.1%。在2013年中，我国核电消费量为1106亿kW h（0.25亿t油当量），比2012年增加13.9%，占世界核电消费的4.4%。我国已在永久冻土区成功获取“可燃冰”，是世界上第三冻土大国，冻土区总面积达215万km2，具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景。相信在十年内，可燃冰的勘探理论与开发技术会得到大突破，成为替代煤炭、石油的重要能源。我国风能资源丰富，内地如内蒙古、甘肃北部、新疆北部、东南沿海及其附近岛屿都是风资源丰富区，我国可开发利用的风能资源总量为1×109t/a。在2013年中，我国风电消费量为1319亿kW h（0.298亿t油当量），比2012年增加37.8%，占世界风电消费的21.0%。而太阳能，我国2/3地区日照小时数大于2200h/a，理论储量折合标准煤达1.7×1012t/a。其开发利用潜力非常广阔，在2013年中，太阳能发电累计装机容量为18300MW，比2012年增加161.4%，占世界太阳能发电装机的13.1%。我国地热资源储备丰富，其储量相当于2000亿t标准煤。高温地热资源主要分布在西藏南部、四川西部、云南西部。高温发电潜力总计为2781MW，准高温地热系统的发电潜力总计为3036MW。但是我国实际地热发电装机容量还很小，不足总能量消费的0.5%。我国的工业性地热电站均分布在西藏自治区，目前作为国内规模*大的西藏羊八井高温地热电站，装机容量为25.18MW。 2.能源消费 根据《BP世界能源统计2014》[3]，总体来看，中国能源消费增长大幅度放缓，截至2013年年