中國新型城鎮化建設中能源互聯網應用研究

左宗文 姚新超

摘要：能源是城市發展的重要物質基礎。在強調轉變經濟增長方式，實現綠色、低碳、科學發展的中國，能源問題在中國新型城鎮化建設中顯得尤為重要，隨著大量農業人口轉移進入城市所帶來的用能量的增加，城鎮化面臨新的挑戰。文章結合多種能源和信息互聯網來分析中國新型城鎮化城鎮和農村居民生活用能需求、城鎮化發展中用能問題，如何利用能源互聯網提高能源利用效率，豐富能源供應結構，解決城鎮化建設中能源消耗和利用問題。

關鍵詞：新型城鎮化；能源消費；能源互聯網；分布式能源

一、 中國新型城鎮化居民用能需求狀況

中國目前與世界大部分發達國家在城市化進程中經歷一樣，迎來了人均能源消費量的較快增長和能源結構快速變化的過程。之前的諸多文獻對中國未來的能源消費或利用大多是從工業化角度，忽略了城鎮化進程中生活能源消費的巨大增量。

中國的城鎮化和英國城市化、美國和北美城市化、拉美及其他發展中國家城市化（歐美國家一般使用城市化概念）差異很大，中國人口規模大、貧困人口多、城鎮化速度低、城鄉戶籍制度，加上全球化、信息化，中國城鎮化進程既要符合先行歐美國家所沒有遇到的嚴格的環保和低碳排放要求，又不能像第三階段拉美國家采用移民的方式進行。與歐美國家相比，中國城鎮化的突出特征是政府主導、大范圍規劃、整體推動、土地的國家或集體所有、空間上有明顯的跳躍性、民間社會尚不具備自發推進城鎮化的條件等特征。這些特殊性意味著中國必須根據自身條件選擇一條不同的城鎮化發展道路。

起點低、速度快是改革開放三十多年來中國城鎮化的發展主要特征。在1980年～2013年期間，中國常住城鎮人口從1.9億人增加到7.3億人，年均提高1個百分點，農業人口移入城鎮年均1 600萬（見圖1）；城市數量從193個增加到658個，建制鎮數量從2 173個增加到20 113個。在快速發展中，舊模式的城鎮化出現了土地城鎮化快于人口城鎮化、城鄉差距加大、東中西部城鎮差異拉大等問題。新型城鎮化建設目標是重質量輕速度、一體化統籌、縮小城鄉差距、城市結構合理和城市群體系趨于成熟等。

能源總消耗量的大規模上升是中國城鎮化的發展中必然要面對的挑戰，一個農業人口轉移進入城市，其生活用能消費水平將提升至原來的3倍及以上。而城鎮居民的生活能源消費由直接用能量和間接用能量兩部分構成。居民的間接用能量遠遠大于直接用能量，前者又是后者的2倍～3倍以上。根據《中國能源統計年鑒2013》數據，中國在1980至2012年期間，中國城鎮人口和農村人口直接用能量都呈現增長態勢，但城市人均生活用能量一直高于農村人口的消費量（圖2），過去33年間城鄉差值在93千克～272千克標準煤。伴隨城鎮化的發展，同時拉動城市基礎設施建設，城鎮居民生活用能總量將進一步增長，且間接用能量增速也高于直接用能量。

農村人口向城鎮人口轉變所引起的居民生活用能量的增加量取決于城鄉居民生活用能量的差值。西方發達國家城市化發展歷程表明，當其人均生活水平和質量進入發達國家行列，其人均能源消耗量不低于4 000千克標準煤，人均直接生活用能量大都在1 000千克～1 800千克標準煤之間。根據十八大報告提出2020年“國內生產總值和城鄉居民人均收入倍增目標”，屆時的能源需求總量將達到53億噸標準煤。按國家發展目標，中國將在2050年進入中等發達國家水平，城鎮單位用能消耗將在目前的基礎上提高15倍～20倍，屆時即使中國人均能效達到目前能效水平最高的日本的水平，能源需求也將接近77億噸標準煤。如此高的能源需求，迫使中國需要改變當前的能源生產和消費方式，尋找開發新能源之路，實現社會持續發展。

二、 影響新型城鎮化建設的能源問題

自中國2011年超過美國成為世界上最大的能源生產和消費國，能源問題已成為中國城鎮化進一步發展的瓶頸。目前國內能源主要受三方面約束：化石能源國內供應有限，能源效率較低；石油、天然氣對外依存度高；高強度能源開發對生態環境造成巨大壓力；產能和用能中心在地理上布局不均衡。能源是支撐一個國家國民經濟與社會發展的物質基礎，，更是中國新型城鎮化建設的和發展的重要物質基礎，中國當前面臨的常規能源有限供應能力挑戰和嚴重的生態環境危機，亦是當前世界各國需要共同面對和解決的能源問題。

1. 能源效率低。與發達國家相比，中國目前能源的效率比較低。每生產1 000美元GDP，中國需要消耗273千克油當量，而美國僅需要171千克，韓國為184千克，日本則為125千克。國際經驗表明，一個國家或地區的城鎮化率在30%～60%之間時，是這個國家城鎮化加快階段，而城鎮化發展速度和城市能源需求兩者關聯密切。

統計數據顯示，截至2013年，中國石油、天然氣、煤炭、核能、水力發電、可再生能源等一次性能源消費所占比例分別為17.8%、5.1%、67.5%、0.9%、7.2%、1.5%。中國是目前世界上唯一的以煤炭為主的能源消費大國，煤炭能源在中國能源結構中仍舊處于主導的地位。

2013年中國能源總體消費情況，總能耗是34.2億噸標煤（電熱當量計算法），能源集中生產和供應中上述標煤41.7%用于發電、4.7%用于供熱、14.9%用于煉油，其他用途9.1%、損失29.6%，而發電使用效率34.6%、供熱使用效率74.5%煉油使用效率97.9%。煤炭作為主要的化石能源，通過火車、汽車、船運送到城市去，其中在運輸過程中所產生的能耗就占到了總能耗的20%以上，能源的集中式生產以發電、供熱、煉油為主，但集中式發電、供熱效率非常低。如熱電廠，要劃分一個供熱半徑，以供熱半徑內的最高負荷來建熱電站，但是供熱范圍內的用戶不可能同時開啟所有的用能設備，所以其整體的供電供熱效益在40%左右，而且終端用戶在建筑、工業的能源利用效率低于國際先進水平至少20%左右。

2. 廢水、垃圾處理難和空氣污染重。廢水、垃圾處理和空氣污染是城鎮化建設中與能源問題密切相關的另外兩方面。中國目前城市環境矛盾凸顯，600多座大中小城市中，有70%被廢水、垃圾所包圍，一些重點流域、海域水污染嚴重，部分區域和城市大氣灰霾現象突出，形成“垃圾包圍城市”的局面，許多城市和地區的主要污染物排放量超過環境容量。2012年城市生活垃圾清運量1.7億噸，比2011年增加4.2%；城鎮生活污水排放量462.7億噸（見表1），比2011年增加8.1%，占全國廢水排放總量的67.6%。預測到2030年，中國城市垃圾年產總量將達到4.09億噸，城市廢水、垃圾總量增速堪比當前國家GDP增長速度。而城市空氣污染問題，根據國家統計年鑒顯示的31個主要城市2012年主要廢氣污染物排放統計數據，這些城市年均二氧化硫排放11.19萬噸，氧氮化物14.36萬噸，煙塵5.28萬噸。而同年北京的上述三種廢棄污染物排放分別為9.38萬噸、17.75萬噸和6.68萬噸，PM10年均值每立方109微克，2013年北京PM2.5年均值是每立方90微克。根據2012年國家頒布的空氣質量新標準，PM2.5年均值達到每立方米35微克以下才算二級良好水平。

在全球化、信息化的今天，中國如何在新型城鎮化建設中解決上述影響城市發展的能源問題，如何優化能源結構、提高能源效率、充分利用可再生能源，能源互聯網是未來能源生產和利用模式方展方向，是解決未來可再生能源大規模有效利用的重要基礎設施。

三、 利用能源互聯網，提高能源消費結構和效率

能源互聯網是美國學者杰里米·里夫金在《第三次工業革命：新經濟模式如何改變世界》中提出的愿景。他的書中提出了第三次工業革命，十九世紀蒸汽產生動力帶動第一次工業革命，內燃機產生電力帶動第二次工業革命，到了二十一世紀進入互聯網時代，是否利用互聯網形成新的一次工業和產業革命？2008年美國國家科學基金（NSF）項目未來可再生電力能源傳輸與管理系統中明確提出了能源互聯網這一學術概念。

1. 能源互聯網定義界定。能源互聯網是一種構建在化石能源和可再生能源發電，通過分布式能源采集和儲存等裝置，運用先進的電力電子技術、信息技術和智能能源管理技術，將多能源網絡和信息互聯網結合起來新型電網結構，實現能源和信息雙向流動的交換與共享網絡。以可再生能源發電為基礎，常規化石能源為重要補充對能源互聯網絡進行構建，通過云計算智能網管理系統實現實時、高速、雙向的電力數據讀取和可再生能源的接入。該網絡具有能源種類多樣化、能源來源的區域分布廣、多種類能源互聯、能源網絡共享、系統自愈功能、運行高效、綠色環保等特點。

2. 能源互聯網核心技術構成。能源互聯網由若干個能源局域網相互連接構成。能源局域網由能源路由器、發電設備、儲能設備、交直流負載組成，可并網工作，也可脫網獨立運行。能源路由器由固態變壓器和智能能源控制系統組成；智能能源控制系統根據收集的能源局域網中發電設備，儲能設備和負載等信息做出能量控制決策，然后將控制指令發送給固態變壓器執行，即智能能源控制系統管理信息流，固態變壓器控制能源流。為保證能源互聯網的可靠安全工作，能源局域網的上一級干線具有智能故障管理功能，提供能源互聯網故障的實時檢測，快速隔離等自愈功能。

3. 能源互聯網面臨的技術挑戰。發展能源互聯網需要技術跟進，現有技術面臨更大的挑戰。首先，能源互聯網系統中的多能源網絡架構和云計算信息融合機制。能源路由器是能源互聯網實現的核心，但能源的路由比信息要復雜得多，如何對多種能源收集、儲存和控制管理；其次，要實現能源互聯網控制，電力電子技術是主要手段，根據居民用能的實際需求以指定電壓和頻率控制電力的傳輸是技術關鍵和難點，電力電子變壓器比傳統變壓器效率高，但其容量和安全可靠性等方面是需要解決的關鍵問題；最后是分散協同式的能源控制管理，傳統的能源管理系統和可再生能源管理最終在能源互聯網的平臺上通過云計算智能網實現統一的多種類能源生產、收集、儲存和傳輸等信息實時采集、處理、分析與決策的產能用能，國家和企業對如何促使電網的智能化和信息化結合，信息能源基礎設施的一體化發展，是互聯網時代能源基礎設施進行變革的新挑戰。

四、 能源互聯網在新型城鎮化建設中的實踐

《國家新型城鎮化規劃（2014-2020年）》中提出，新型城鎮化建設中城鎮清潔可再生能源消費比重由2012年的8.7%提高到2020年的13%，能源種類多樣化、安全化、高效使用，推進新能源示范城鎮建設以及智能微電網示范工程建設，支持分布式能源的接入，提高居民和企業用能的智能管理。

1. 平衡能源結構及供應。目前，化石能源，比如天然氣，其供應穩定、存儲方便，但其使用將會產生碳排放，同時化石能源的存儲量在急劇的減少；而可再生能源，具有清潔及低運營成本的優勢，但其斷續和生產的不確定性又將影響能源供應的可靠性和穩定性，比如光伏到了晚上就不能發電，影響供能可靠性。采用兩者優勢互補的原則來綜合的利用。同時，生產生活過程中會產生的廢棄物垃圾、污水、污泥、廢熱和生物質廢料充分的回收利用并轉化成能源作為補充，利用循環的理念來減少化石能源的需求。

2. 技術實踐體系。同時利用傳統化石能源和可再生能源，使用集中式能源供應和分布式能源系統兩種能源結構。具體做法：多元能源結構，優先使用可再生能源，化石能源為支撐；供應模式：分布式為主，集中式為輔；最后實現能源供需互動，有序配置，節約高效的平衡用能方式。

首先，在應用端，每個客戶在用能的過程中同時也是產能者，利用節能技術在不斷降低能源消耗和提升能源利用效率的基礎上，充分回收不同用能單元在用能過程中所產生的余能、廢能。其次，采用集中式和分布式能源生產結合的方式，利用以分布式發電機組為核心的分布式能源站，因地制宜利用可再生能源，不足部分再由集中式能源補充，貼近用戶，根據用戶對能量的品質和數量的不同需求，提供相匹配的能源和能量。在控制層面，以智能能量管理作為核心形成分布式能源控制網絡，充分借助人的智慧對能源系統進行整體的優化和控制，進一步提升整體系統的能源效率。最后，以云服務平臺為核心的多種能源運營管理系統，將能源的生產商、服務商、運營商、用戶有機的結合在一起，通過對多能源的協同調度、監管、交易和智能化服務，形成真正意義上的能源互聯網的交換和多方共贏。

3. 物理布局在區域內如何實現。從物理布局上來看，在一個小型區域內，以四環節循環生產形成區域分布式能源系統，終端用戶盡量利用節能技術，減少能源需求，再利用分布式能源站來匹配他們的冷、熱、電、氣、生活用水等多能源需求，同時利用不同能源的存儲，回收垃圾、余熱、廢熱、廢氣及終端用戶的工業余能，可實現季節、晝夜能源峰谷的調節，來降低能源的投資和運營費用。

以一個小型的區域為示例，實踐中在主干網上會有多個區域，它們都掛在主干網絡之下，由現有的國家電網、中石油、中石化、中海油來負責主干網的運營，通過這多各區域之間進行多能源的互補和匹配供應，來減少能源的主干網絡晝夜、季節的峰谷壓力，降低能源峰谷之間的差距（夏季供冷所需的電負荷非常大，而燃氣在夏天基本只是用來做飯做菜，但冬季則相反，燃氣供暖消耗的負荷急速增長，國家電網或者是中石油中石化等作為單一的運營商只能提供單一的電或者是單一的燃氣是無法解決多能源季節峰谷調節問題）。

五、 結論

在中國新型城鎮化建設過程中，多種能源可持續發展的實現應當遵循如下幾點：一是以開發利用太陽能、風能和生物能等可再生的能源資源為主，提高現有技術，積極創新，通過規?；l展提高可再生能源利用的經濟性；二是向環境中排放的廢水、垃圾和廢氣等廢棄物不應超過生態環境的吸收能力，減少污染環境，改善人居城鎮環境；三是對常規化石能源包括煤炭、石油、天然氣等不可再生的能礦資源，制定合理的能源配置規劃，提升生產領域能效，提高能源效率，開發新的儲量補充；加快改變中國以煤炭為主的能源生產和利用模式，提高清潔、低碳能源占一次性能源消費比重，減輕環境壓力。

在解決新型城鎮化能源問題的技術領域，加強與歐美發達國家國際能源機構合作，政府制定合理政策和規劃，國家、專業化的能源企業和民眾形成有效的合作機制，積極研究新能源技術，發展能源互聯網，大力發展分布式能源，提高能源管理技術。能源互聯網是互聯網信息技術與傳統化石能源、可再生能源相結合的產物，為解決傳統能源與可再生能源相結合的平衡有效利用問題，提供了可行的思路與技術方案。本文分析了中國新型城鎮化發展水平及趨勢，城鎮人口及農村人口用能需求和當前城市發展的用能問題，初步討論了如何將信息互聯網和多種能源物網結合在一起，為解決中國新型城鎮化建設中能源問題，破解城市發展困局提供一定借鑒。

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基金項目：國家社會科學基金重點項目“全面提高開放型經濟水平研究”（項目號：13AZD006）。

作者簡介：姚新超（1963-），男，漢族，山東省榮成市人，對外經濟貿易大學國際經貿學院教授、博士生導師，研究方向為國際商務與合作；左宗文（1973-），女，漢族，安徽省五河縣人，對外經濟貿易大學國際經貿學院博士生，安徽財經大學講師，研究方向為外商直接投資、能源經濟。

收稿日期：2015-02-21。