第一节
能源开发利用史纵览

全球变暖的根本原因是人类对化石（或者以碳为基础的）燃料的开发利用导致二氧化碳等温室气体的排放。1750年地球大气中二氧化碳的浓度为280ppm，而到2020年达到390ppm。 人类若不采取措施，根据气候模型，到2100年，预计全球气温平均将提高3～5℃，随之而来的后果将使人类不复存在。从人类的前途命运出发，如何开发利用能源值得我们认真反思。未来，除非经济增长有重要的减缓（减缓程度甚至超出2020年全球新冠肺炎疫情带来的经济衰退），否则面向碳中和目标的能源转型才是人与自然可持续发展的途径。

一、能源与工业革命

历史上，工业化和经济发展一直与人类利用自然能源改善自身状况的能力密切相关。人类活动的动力，是以碳为基础的能源。在工业革命之前，全球人口稀少，且经济增长缓慢，许多能源还没有得到大规模的开发和利用，所以对气候的影响并不大，可以通过自然调节恢复均衡。18世纪和19世纪发生了两次工业革命。第一次工业革命以瓦特改良蒸汽机为标志。蒸汽机结束了人类对畜力、风力和水力的长久依赖转而利用煤炭，催生了利用热能为机械提供动力的手段。第二次工业革命以电器、内燃机的发明和使用为标志。人们广泛利用煤炭（第一次革命）和石油（第二次革命）等自然资源驱动机器生产，其产出水平远远超过人类或动物的肌肉力量所能达到的产出水平。这两次工业革命后，人口剧增，能源大量使用，经济高速增长。20世纪发生了第三次工业革命，以电子计算机的发明和使用为标志。综观这三次工业革命，可以说能源推动了人类社会的历史进程，人类对能源的利用体现着社会、经济与科技的发展水平。

工业革命通常被认为是由技术进步引发的，但实际上是在技术进步基础上由技术商业化带来的技术大规模扩散引起的。以第一次工业革命为例：第一次工业革命发生在18世纪60年代到19世纪40年代，以英国人瓦特改良蒸汽机为标志，由一系列技术革命引发从手工劳动向动力机器生产转变。由于以瓦特改良蒸汽机为标志，人们因此把“工业革命”与技术革命等同起来。但早在100多年前，伽利略等就已提出蒸汽机的生产原理，后经不断尝试，在1672年惠更斯造出一台蒸汽机。后来，蒸汽机又不断得到改进，最终由瓦特基于各种积累起来的进步造出改进的机器。瓦特蒸汽机的意义在于实现了蒸汽机商业上的可行性，而技术原理、技术创新和技术进步理念都是现成的。第一次工业革命的历程突出了商业应用对技术推广的重要性。

经过前三次工业革命，人类发展进入社会经济繁荣的时代，但也伴随着全球能源、资源的过度消耗，为此所付出的环境生态成本使人与自然间的矛盾持续加剧。工业革命后，伴随着人类对化石燃料（煤炭、石油等）消费的快速增长和资源开采对森林植被的大量破坏，二氧化碳等带来的温室效应日渐增强。截至2018年，在全球一次能源消耗中，化石能源占比高达84.7%。

自工业革命以来二氧化碳浓度上升超过40%，地表平均温度上升1℃，气候变化成为人类面临的最严峻挑战。按照IPCC的评估，仅在刚过去的20世纪（1900—1999年），全球表面平均温度就上升了0.3～0.6℃，全球海平面上升了10～25厘米。全球气候变化给人类及地球生态系统带来一系列灾难，如极端天气、永久冻土层融化、海平面上升、生态系统改变、旱涝灾害增加、致命热浪等。对化石能源的过度开发利用注定是不可持续的。

人类追求可持续发展，需寻求替代化石能源的新能源。风能、太阳能等可再生能源被认为是清洁能源，对这些能源的最大化利用可以最大限度地减少环境污染。

二、能源互联网与工业4.0

进入21世纪，人类面临前所未有的全球能源危机、生态环境危机、气候变化危机、地区发展不平衡等多重挑战，由此引发了第四次工业革命——通常被称为“工业4.0”，也被称为“绿色工业革命”。第四次工业革命（工业4.0）的概念起源于德国，旨在利用信息化技术促进产业变革，发展智能制造。因此，工业4.0也被称为“数字智能时代”。人们普遍认为，工业4.0可能会为应对当前和即将到来的重大全球挑战（如环境退化或经济停滞）提供新解决途径。

工业4.0描述了生产优化中集成和互联技术的使用，例如，网络物理系统（Cyber Physical Systems，CPS）、IoT、大数据（BD）、高端制造（AM）和服务互联网（IoS）。工业4.0包含的其他先进技术包括云计算（CC）、虚拟现实（AR）、系统集成（SI）、仿真、网络安全和智能机器人，如图2-1所示。

工业4.0概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，从而建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生转变，产业链分工也将被重组。

工业4.0的目的是将工业与互联网连接起来，使工厂更经济、更智能、更高效。工业4.0的核心是先进技术的融合——网络物理系统和制造过程的自动控制（Scalabre，2019）。物理信息系统可实现物理世界和信息世界的双向互动，推动工业从自动化升级为智能化。工业4.0的设计原则是纵向集成、横向集成、互操作性、实时能力和去中心化，构成一套允许工业实体确保数字化转型成功的必要条件，并实现工业4.0承诺的竞争力（Machado，Winroth and Ribeiro da silva，2020）。这种新的技术场景将改变当前工业运作方式，并可能通过改变产品和材料的设计、运营及运输来影响所有部门。工业4.0是对拥有自主和互联制造技术的高端产业的彻底颠覆。

新科技革命突飞猛进，使得人类社会从传统社会逐步向数字化社会演进。更节能、更便宜、更具个性化，也更智能的产品源于工业4.0时代更优化的生产流程以及更高的能源利用效率。

数字技术变革彻底改变了能源行业。工业4.0基于物联网的互联特性，要求工业价值网络的所有组件都拥有数字身份，并持续实时交换数据。工业4.0通过收集、结合和挖掘能源相关数据，实现能源信息的知识化使用，并促进开发智能化能源意识管理系统，以寻求更优化的能源消耗。工业4.0主要通过使能源行业重塑其运营格局，并享受更先进、智能和复杂的能源生产和分配设备，为能源可持续发展做出贡献。能源需求部门的数字化、制造业的数字化以及引入更智能和更可持续的产品，都是工业4.0为能源可持续发展带来的主要机遇。

工业4.0数字技术的引入可以提高生产运营的可视性，并更好地跟踪整个制造与供应网络的资源和能源利用情况。除了支持能源效率外，工业4.0还提供了将可再生能源整合到未来智能工厂的巨大机遇，尤其是AI、IoT、大数据分析、区块链等现代数字技术融入能源互联网的发展中，如虚拟电厂可能提供更高效的能源利用方法。

作为工业4.0的核心应用，能源互联网力图结合可再生能源技术与信息通信技术，推动分布式可再生能源（DER）的大规模利用与分享，促进电力、交通、天然气等多种复杂网络系统相互融合，推动商业模式创新，最终改变能源利用模式。

工业4.0对能源可持续性的贡献主要是能源行业的数字化转型和不同行业生产方法的改进。工业4.0对能源可持续性的贡献不仅在于促进了能源供应部门的智能化，也加速了能源需求部门的数字化。其具体体现在能源需求行业数字化转型、能源部门数字化转型、生产方法改进、生产管理改善、生产计划和控制优化、价值链数字化等方面。

（一）能源需求行业数字化转型（EDSD）

数字化交通运输、电动车、智能建筑、远程医疗技术和其他数字化转型的趋势为服务行业提供了巨大的能源消费可持续发展机会。例如，在航空领域，现代喷气客机都装备了大量的智能传感器，每次飞行都会产生数百GB的数据，以优化日常操作和维护活动。同样，如今的商用飞机也普遍受益于大数据分析和云服务，以优化航线规划，并协助优化飞行决策，减少燃油消耗。另外，物联网在建筑数字化中的商业应用，如智能照明或智能恒温器，可以显著优化建筑的能源使用。尽管各种能源最终使用部门的数字化可能会引发能源反弹效应 ，使总体能源使用激增，但数字化过程将提高提供数字化商品和服务的能源效率。

（二）能源部门数字化转型（EST）

自信息化时代以来，能源部门一直是数字技术的早期采用者（Motlagh et al.，2020）。作为工业4.0时代工业数字化的一部分，能源行业的实体基础设施与数字基础设施的日益融合将导致电厂的数字化。更多可持续能源系统的数字化部署将形成能源互联网，从根本上改变能源的生产、交付和消费方式。大数据分析、工业模拟和基于传感器的状态监测等应用为基础设施维护管理、电网可靠性、动态生产计划提供了大量机会，这些因素直接导致发电、输电和配电效率提升。更重要的是，新型数字技术，如基于区块链的E2E电力交易、智能充电技术和云需求响应系统，可以促进可再生能源的开发和集成，如住宅太阳能光伏板和储能设备。

（三）生产方法改进（IMP）

工业4.0的底层数字技术，如人工智能、虚拟现实、工业物联网、3D打印、云计算、模块化制造、工业机器人，促进了能源利用效率提升，并加速了可再生能源在制造业中的部署。减少产品重量、提高运输效率、最小化资源浪费和提高制造灵活性是模块化制造的关键特征，直接改善能源利用效率。Verhoef等（2018）预测，到2050年，模块化制造的广泛应用将使全球能源消耗减少20%以上。工业机器人使制造商能够为生产进行能源可持续实践，例如，工业机器人可以在黑暗和寒冷的环境中持续稳定工作，从而减少不必要的照明和取暖。工业智能机器人也正在革新可再生能源领域。智能机器人在高效生产用于开发利用可再生能源的产品方面扮演了至关重要的角色，因为这些产品的制造任务通常需要智能机器人所具备的极高的机器精度或材料处理能力，如制造大部分水力涡轮机部件、焊接导叶。

将农业与可再生能源技术和现代信息通信技术相融合，农林牧渔的传统生产方法也得到改进，如光伏养鱼、光伏温棚等。

（四）生产管理改善（IPM）

工业4.0的生产监控能力，如实时生产监控、设备可用性评估和智能质量控制，可以显著促进工业环境中的能源管理。工业数字化通过减少浪费、确保生产的可靠性、保证卓越的质量，可提高能源效率。在智能工厂设置中，配备传感器的机械部件可以持续实时诊断能源消耗。此外，基于云的数据管理工具和集成反馈系统能够对整个工厂的能源消耗进行系统跟踪。受益于智能工厂设置中的实时生产管理和过程监控能力，早期检测系统可以测量、预测与避免即将发生的机器故障和产能波动。这种能力在生产运营过程中提供了包括能源在内的资源节约机会。

（五）生产计划和控制优化（IPPC）

在生产计划指导和控制做保障的前提下，制造商进行战略统一部署，使他们的操作和生产过程尽可能高效、有效和经济。制造商实施生产计划和控制策略的方式也会影响能源效率。传统的生产计划和控制措施通常追求生产时间的优化、减少瓶颈、准时制（Just in Time，JIT）理念、库存优化和提高劳动生产率来间接地解决能效优化问题。在工业4.0和数字化制造环境中，提升能源利用效率不仅在部件（如机器、基础设施和设备）层面得到体现，在工厂层面也被视为战略目标。数据挖掘和人工智能（特别是机器学习）使现代制造商能够实施创新的战略规划，如能源导向的调度，并显著提高能源效率。此外，数字孪生和工业生产模拟如今使制造商能够实现物流可视化、模拟自动化，识别潜在瓶颈，甚至在能效优化的同时虚拟地规划整个制造过程。由此产生的虚拟调试有助于排除故障、优化生产线或储能，实现能源利用效率提升。

（六）价值链数字化（VCD）

工业4.0颠覆了传统的价值链。随着数字供应网络的出现，整个价值创造网络正经历着数字化转型。制造商与供应商和客户之间数字化整合的新方式，提供了宝贵的能源友好型机会，如产品个性化定制能力或高效的产品开发流程。价值链数字化提供了供应链企业协作消除不必要功能和业务的机会，对能源可持续性有着深远的影响。价值链数字化能使供应链伙伴协作进行过程能力评估和标准测试，并更好地识别与制定能源可持续战略。价值链数字化和数字伙伴关系为能源可持续性提供了合作知识管理、实时透明的E2E数据、信息共享、能源审计标准化和能效合作建模等机会。此外，工业物联网、人工智能和数据分析的应用，以及客户需求和市场数据的预测分析，使供应链伙伴能够进行更精确的客户需求预测，实现更高的供应链敏捷性水平。另外，数字化的供应链大幅度增加了供应链整体的灵活性，为价值网络带来更高的能源效率。

总之，工业4.0必将加快促进能源可持续性，使能源行业能够越来越多地融合物联网、数据分析、云服务和人工智能，以改善调度决策、优化运营模式。工业4.0下的数字化促进了智能互联能源系统的发展，打破了能源供应和最终使用部门间的传统界限。工业4.0的互联和互操作特征是构建能源互联网的主要基石。智能工厂作为工业4.0的重要设计之一，其特点是组件互联、数据透明、互操作性和敏捷性。工业4.0通过全面改进生产管理实践、生产计划控制和跨制造网络的决策过程来进行智能工厂层面的能源效率分析，实现能源可持续发展功能。能源互联网商业模式创新之一——虚拟电厂就是一种智能工厂。

工业4.0的开放互联特性支持新的以服务为导向的商业模式发展，如制造即服务（MaaS）、产品即服务（PaaS）、个性化制造或精益数字化生产，带来生产率和能源效率的显著提升。增量制造、柔性自动化的出现将大规模个性化商业模式变为现实。制造商不仅可以个性化生产他们的产品，也可以从根本上简化供应链、减少库存水平、缩短交付渠道、简化订单处理流程、优化协同产品设计，并最终提高企业效率，实现更优化的能源消耗和能源可持续性。工业4.0的创新技术及其工业应用正在催生“精益4.0”的概念。运用精益生产思维，能源互联网中的工业物联网、CPS，以及智能工厂设置中机器、人、设备和控制系统间的无缝实时通信，使制造商能够获得生产的整体视图，更好地实施有利于能源可持续性的精益方法。

表2-1将当前正发生的工业4.0与前三次工业革命的能源开发利用特征进行了比较。

能源互联网旨在建立一个更清洁、更灵活和负担得起的能源系统，刺激更多的低碳能源投资、商业模式创新并改善客户能源消费选择。能源互联网的发展受到多方力量的驱动，主要因素包括：在能源转型碳减排方面缺乏进展、传统输电方案的高成本（与替代方案的降低成本形成对比）、消费者偏好的改变（转向可再生能源自主发电和自我消费）等。

能源互联网与社会经济系统和生态环境系统紧密相连，构成一个由相互作用、相互依赖、相互区别并具有特定功能和共同目的的无数子系统组合而成的有机集合体。通过能源互联网，可使全球能源系统的整体功效和价值达到最大、最优，成就人与自然和谐可持续发展的生态文明。工业文明与基于能源互联网的生态文明的比较见表2-2。