系統(tǒng)內(nèi)生能源理論提出與研究領(lǐng)域分析

姜苗苗,任一鑫,李 躍,趙友寶

(山東科技大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院,山東 青島 266590)

能源經(jīng)濟研究

系統(tǒng)內(nèi)生能源理論提出與研究領(lǐng)域分析

姜苗苗,任一鑫,李 躍,趙友寶

(山東科技大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院,山東 青島 266590)

針對于循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展以及能源利用效率提高的要求,提出了內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換機理研究的必要性,并依據(jù)系統(tǒng)能源已有研究成果以及遇到的瓶頸,推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究需要突破的方向,以期通過對系統(tǒng)內(nèi)生能源涉及的九大研究領(lǐng)域的深入探究,找到提高能源利用效率的方法,將過程能源循環(huán)化、將損失能源最小化、將有害能源循環(huán)化與最小化,達到系統(tǒng)能源高效利用以及國家對于節(jié)能減排的要求。

系統(tǒng)內(nèi)生能源;能源利用效率;循環(huán)經(jīng)濟

一、引言

系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化節(jié)能是當(dāng)前節(jié)能研究的重點領(lǐng)域。而目前系統(tǒng)節(jié)能主要從系統(tǒng)能源利用視角,研究系統(tǒng)如何優(yōu)化組合實現(xiàn)能源的合理流動與利用、能源輸入、能源利用、能源輸出等問題,同時對如何提高技術(shù)水平提高能源使用效率,節(jié)約能源等方面進行了研究。經(jīng)過實踐證明,能源利用效果有所提高,但進一步提高系統(tǒng)能源利用效率遇到瓶頸,雖然目前對系統(tǒng)能源綜合利用問題也進行了研究,尤其是技術(shù)方面研究,但是效果不佳,其原因是對系統(tǒng)能源使用運行規(guī)律研究存在缺失,導(dǎo)致無法以這些規(guī)律為基礎(chǔ)開展相關(guān)利用研究。而系統(tǒng)輸入能源在被系統(tǒng)使用過程中產(chǎn)生的能源,除被初次有效利用的部分外,其余均可看作系統(tǒng)內(nèi)生能源,包括:初次利用有效輸出的新能源、新能源循環(huán)利用產(chǎn)生的次級新能源、以及系統(tǒng)內(nèi)所有能源利用過程中產(chǎn)生的損失能源(可控損失與不可控損失,可控損失可循環(huán)利用),因此,系統(tǒng)內(nèi)生能源的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與利用正是解決能源利用效率問題的關(guān)鍵,為此,提出研究系統(tǒng)內(nèi)生能源問題。

二、系統(tǒng)能源研究現(xiàn)狀

節(jié)約能源、提高能源使用效率是研究系統(tǒng)能源的主要目的,依據(jù)當(dāng)前對系統(tǒng)能源的認知程度,主要把系統(tǒng)能源流動分成三個階段:系統(tǒng)能源輸入階段、系統(tǒng)能源使用階段及系統(tǒng)能源輸出階段。對輸入方面的研究,主要包括對能源輸入方式、輸入設(shè)備、輸入技術(shù)等方面進行創(chuàng)新、管理以便達到降低輸入、轉(zhuǎn)換損耗,提高能源利用效率的目的[1-4];對使用方面的研究,主要包括能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、用能設(shè)備設(shè)施技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、能源轉(zhuǎn)化等[5-9],這是系統(tǒng)能源利用效率研究的核心部分。而隨著循環(huán)經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟理念的興起,系統(tǒng)能源循環(huán)利用、綜合利用、低碳利用等研究也隨之開展[10-17];對輸出方面研究,主要包括輸出的技術(shù)、輸出方式、輸出設(shè)備設(shè)施等技術(shù)創(chuàng)新和管理水平的提高等[18-21]。這樣就構(gòu)成目前系統(tǒng)能源研究的基本體系:能源輸入——能源利用——能源輸出。

不難看出,目前對于系統(tǒng)能源的研究主要集中在如何通過能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新、以及管理創(chuàng)新,來提高能源利用效率方面,主要側(cè)重能源輸入、使用等的研究,也涉及到能源輸出的研究,但對系統(tǒng)能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換研究較少,而能源在利用中產(chǎn)生是客觀存在的事實,能源利用效率低下主要原因是對內(nèi)生能源產(chǎn)生耗費規(guī)律研究不透徹,對內(nèi)生能源利用研究不完全。如果將內(nèi)生能源研究透、利用好,對提高能源安全、解決能源危機、節(jié)約能源等有重要的意義,為此,應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)研究相關(guān)理論,開展系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究,建立內(nèi)生能源利用體系。

三、系統(tǒng)內(nèi)生能源的提出依據(jù)

1.能量守恒定律視角。能量既不能被創(chuàng)造,也不能被消滅,只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。流經(jīng)系統(tǒng)的能源耗費基本方式是由高質(zhì)能源蛻變?yōu)榈唾|(zhì)能源,在特殊要求或情況下,能夠使低質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為高質(zhì)能源。但無論怎樣轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)總能量守恒,并且流經(jīng)系統(tǒng)的能源一定大于有效輸出與對外有效做功的能源,也就是說總輸入大于總輸出,有一部分輸入的能源沒有得到利用,發(fā)現(xiàn)并利用這部分能源是提高能源利用效率的關(guān)鍵,并且這也是提出系統(tǒng)內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換問題的源頭,同時是系統(tǒng)內(nèi)生能源研究過程中最容易忽略的一部分,在這里將這部分能源定義為“系統(tǒng)差額能源”。按照能量守恒定律,這部分仍屬于系統(tǒng)能源的一部分,該部分能源在系統(tǒng)中經(jīng)過運行轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌绞降哪茉?這些能源以什么方式產(chǎn)生或存在,品質(zhì)、數(shù)量如何,能否被利用,要明確這些內(nèi)容,就需要對系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換與產(chǎn)生問題進行研究(圖1)。

圖1 內(nèi)生能源提出的依據(jù)——系統(tǒng)差額能源

2.熱力學(xué)第二定律視角。熱力學(xué)第二定律揭示能源在利用過程中經(jīng)過利用與轉(zhuǎn)換,由高品質(zhì)能源向低品質(zhì)能源轉(zhuǎn)換。能源輸入系統(tǒng)后,一部分被有效利用,也有一部分轉(zhuǎn)換為其他形式的能源或生成其他能源被循環(huán)利用,還有一部分能源在有效利用或者循環(huán)利用的過程中損失。這些能源擴散到什么領(lǐng)域、品質(zhì)如何、數(shù)量如何、以什么形式擴散,只有明確這些信息才能進行系統(tǒng)能源的有效利用,這正說明了進行系統(tǒng)內(nèi)生能源研究的必要性。特別是,在實際運行中,為了保護設(shè)備設(shè)施的轉(zhuǎn)換,需要采用一定的方式加快轉(zhuǎn)換或產(chǎn)生的其他能源的擴散,如機械設(shè)備撒熱裝置、煤炭生產(chǎn)降溫設(shè)備、高爐降溫裝置、電廠煙氣擴散裝置、煉油廠的氣體外排等,這些措施不僅運行需要能源,而且同時也把大量的能源散排到大氣中,造成能源浪費的同時,也造成對生態(tài)環(huán)境的污染。為了節(jié)約能源、減少污染,就需要研究這些能源的利用問題,就需要研究內(nèi)生能源產(chǎn)生的規(guī)律與機理,在摸清能源耗費規(guī)律的同時,也要研究能源產(chǎn)生方式、渠道等,研究能源利用過程中轉(zhuǎn)換規(guī)律,尤其是能值變化的方式與規(guī)律,為合理開發(fā)利用內(nèi)生能源提供分析依據(jù)和方法(圖2)。

3.循環(huán)經(jīng)濟視角。在可持續(xù)發(fā)展理論指導(dǎo)下,以“3R”為原則的循環(huán)經(jīng)濟得到長足的發(fā)展,實踐取得了豐碩的成果。其中,減量化是指如何減少資源使用量,如何減少資源投入量,如何減少廢棄物的產(chǎn)生量;資源化指如何將產(chǎn)生廢棄物資源化,包括原級資源化和次級資源化;再利用或循環(huán)利用是指采用什么方式利用資源,或循環(huán)利用資源,循環(huán)利用、梯級利用、層級利用、替代利用、互補利用、組合利用是其主要的方式。資源能夠按照品質(zhì)等級進行循環(huán)利用、梯級利用是資源利用的主要方式之一,能源作為資源之一也不例外。要對能源進行梯級利用、循環(huán)利用就需要研究系統(tǒng)能源利用及耗費規(guī)律,摸清能源產(chǎn)生的規(guī)律,掌握能源品質(zhì)變化規(guī)律以及能源產(chǎn)生量,研究能源之間關(guān)系、能源與利用領(lǐng)域之間的關(guān)系,以便為研究綜合利用、能源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)(圖3)。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換

圖3 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——能源循環(huán)利用

4.能源利用效率視角。能源利用效率衡量方法是能源有效利用量(轉(zhuǎn)換量)除以輸入能源的總量。能源利用效率的高低關(guān)鍵取決于能源有效利用量,而經(jīng)過系統(tǒng)的能源一部分直接做功,被有效利用了,另一部分轉(zhuǎn)換成新的能源,或生產(chǎn)出其他形式的能源。產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換的能源中一部分作為能源對系統(tǒng)外進行有效輸出,被系統(tǒng)外其他使用領(lǐng)域使用,另一部分擴散到生態(tài)環(huán)境中,損失了。要提高能源的利用效率,就需要研究擴散損失能源的利用問題,如果把這部分能源充分利用起來,將提高能源的利用效率,因此,需要研究內(nèi)生能源的開發(fā)利用問題,更需要研究內(nèi)生能源產(chǎn)生的機理(圖4)。目前我國能源利用效率比較低,主要是因為系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換的能源開發(fā)利用程度比較低,為此,應(yīng)該把內(nèi)生能源的產(chǎn)生與開發(fā)利用作為研究的重點。

四、系統(tǒng)內(nèi)生能源的研究領(lǐng)域

關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)生能源研究領(lǐng)域的探究,本文從系統(tǒng)能源的利用出發(fā),根據(jù)利用領(lǐng)域的不同將系統(tǒng)內(nèi)生能源的研究分為內(nèi)生能源的耗費機理與產(chǎn)生機理,進而研究不同機理下內(nèi)生能源的產(chǎn)量、品質(zhì)與相互之間的關(guān)系,以便明確內(nèi)生能源的利用受什么因素影響、如何利用內(nèi)生能源,此外,對于內(nèi)生能源研究的最重要目的就是提高系統(tǒng)能源利用效率,因此,必須對內(nèi)生能源利用情況進行客觀評價,具體研究思路如圖5所示。

1.對系統(tǒng)能源利用情況研究思路的轉(zhuǎn)變。受研究基礎(chǔ)的局限性,把能源利用率的研究目標往往局限在如何提高能源利用的效率上,對系統(tǒng)能源研究以三個部分進行:輸入系統(tǒng)能源、在系統(tǒng)內(nèi)如何有效利用能源、能源對系統(tǒng)外的輸出,沒有對能源損失問題進行研究。目前世界能源有效利用率不到50%,這說明大量的能源在輸入、利用、輸出過程中損失了。依據(jù)能量守恒定律損失的能源應(yīng)該轉(zhuǎn)變成其他形式的能源,既然有能源損失或者說進入系統(tǒng)能源總量大于有效利用量與對外有效輸出量的總和,那么就說明在系統(tǒng)內(nèi)部有能源的轉(zhuǎn)換或新形式能源的產(chǎn)生。這些能源以什么方式產(chǎn)生、產(chǎn)生的數(shù)量如何、品質(zhì)如何、以何種方式消散或排放需要進行研究。為此,對系統(tǒng)能源的研究應(yīng)該由“輸入——利用——輸出”發(fā)展到“輸入——利用——轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)——輸出”等研究上來,并把系統(tǒng)內(nèi)生能源產(chǎn)生、使用、耗損等作為研究的重點。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)生能源提出的依據(jù)——能源高效利用

圖5 系統(tǒng)內(nèi)生能源研究體系圖

2.系統(tǒng)能源耗費機理。能源是推動系統(tǒng)運行的動力,能源經(jīng)過系統(tǒng),最初是以什么方式流動,以什么方式耗費;在系統(tǒng)中經(jīng)過使用、轉(zhuǎn)換、新生后的所有能源(包括不斷循環(huán)利用的能源和損失能源)又將以何種方式耗費;流經(jīng)系統(tǒng)的所有能源耗費方式、途徑等能否通過某種方法而發(fā)生變化,使之向盡可能多地被有效利用的方向發(fā)展,這些都是系統(tǒng)能源耗費機理研究中應(yīng)該考慮的問題。也就是說,對于系統(tǒng)能源的耗費機理的研究不能僅僅停留在對輸入能源耗費機理的研究,更應(yīng)該進一步地了解過程能源(輸入能源使用與耗費過程中經(jīng)過轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的新能源、新能源循環(huán)利用而產(chǎn)生的次級新能源)的耗費機理,此外,在輸入能源與過程能源的使用與耗費中,必定存在損失能源,對損失能源再利用的研究也可以從其耗費機理的分析中尋找控制損失最小化的方法。通過對能源耗費的機理或規(guī)律進行研究,從而明確如何更好地利用輸入能源、過程能源、損失能源,提高能源利用效率,進行能源綜合利用。

3.內(nèi)生能源產(chǎn)生機理。依據(jù)能量守恒定律的理念,能源經(jīng)過系統(tǒng)后,除了對外有效做功的部分外,必然轉(zhuǎn)化成其他能源輸出或損失。而能源利用系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)具有相似性,寄生、伴生、共生也是內(nèi)生能源產(chǎn)生的方式,這也就說明了內(nèi)生能源產(chǎn)生過程的不確定性,因此,為了提高能源的利用效率,明確提高能源利用效率的途徑,就必須研究能源經(jīng)過相關(guān)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)后,通過什么方式產(chǎn)生,又以何種方式轉(zhuǎn)換成什么種類和品質(zhì)的能源,何種能源產(chǎn)生后能被循環(huán)利用,何種能源產(chǎn)生后容易損失等。為此,需要對能源產(chǎn)生的機理進行研究歸納。

4.內(nèi)生能源產(chǎn)量計算。內(nèi)生能源與單純能源生產(chǎn)有明顯的區(qū)別,單純能源生產(chǎn)是提高能源的產(chǎn)量為主要目標,研究的是如何利用投入的原料,通過相關(guān)技術(shù),完成能源產(chǎn)量,計算方法比較簡單。內(nèi)生能源是以能源利用與轉(zhuǎn)換為主,能源產(chǎn)生為輔助,內(nèi)生能源產(chǎn)生受許多因素影響,除了受技術(shù)、管理水平等因素影響外,主要受系統(tǒng)主要用能主體的能力及各環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)能力限制。經(jīng)過相關(guān)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)的能源能夠產(chǎn)生的能源種類多,數(shù)量少。內(nèi)生能源能否被利用取決于品質(zhì)與數(shù)量,為此需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況及系統(tǒng)內(nèi)部等結(jié)構(gòu)建立關(guān)聯(lián)模型計算能源的數(shù)量。

5.內(nèi)生能源品質(zhì)評價研究。熱力學(xué)第二定律表示輸入系統(tǒng)的能源經(jīng)過系統(tǒng)后,會經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成其他能源,新能源品質(zhì)會降低,或發(fā)生變異,尤其熱能、壓力等能源的能值等會隨著使用路徑的延長而不斷降低。不同使用領(lǐng)域?qū)δ茉雌焚|(zhì)及數(shù)量都有要求,為了使內(nèi)生能源得到合理的利用,就需要建立模型對內(nèi)生能源的品質(zhì)進行評價,為研究其使用領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ),同時也要對內(nèi)生能源品質(zhì)變化的規(guī)律進行分析研究,以便根據(jù)品質(zhì)變化規(guī)律對能源進行合理的配置利用。

6.內(nèi)生能源關(guān)系研究。內(nèi)生能源以寄生、伴生、共生等方式產(chǎn)生,其種類多,數(shù)量、品質(zhì)差異較大,由于內(nèi)生能源在系統(tǒng)中不是主要能源,處于輔助、從屬的地位,因此多數(shù)內(nèi)生能源只能通過替代、互補、組合、梯級、循環(huán)等方式利用。為使內(nèi)生能源合理的利用,就需要摸清內(nèi)生能源之間、內(nèi)生能源與外輸能源之間、能源與利用領(lǐng)域之間的關(guān)系,為能源配置利用奠定基礎(chǔ)。

7.內(nèi)生能源利用影響因素分析。內(nèi)生能源是否能被有效利用也受許多因素的影響,因此,在對研究領(lǐng)域進行研究的同時,更要對影響因素進行歸納研究。根據(jù)影響因素,研究內(nèi)生能源利用渠道,研究內(nèi)生能源優(yōu)化利用配置的方法,比如內(nèi)生能源的集成利用研究。

8.內(nèi)生能源利用方式研究。傳統(tǒng)的能源利用效率評價模型是以能源有效利用量與總使用量兩項指標進行評價,能源有效利用量是能源利用效率高低的關(guān)鍵指標,有效利用量占總使用量的比重大,利用效率就大,反之則反。既然經(jīng)過系統(tǒng)的能源在被利用的同時能夠轉(zhuǎn)換或生成其他新的能源,如果把這部分能源再利用起來,就能夠大大提高能源利用的效率,為此在對內(nèi)生能源研究的過程中要依據(jù)內(nèi)生能源產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的規(guī)律、數(shù)量、品質(zhì)、用能領(lǐng)域需求等情況研究內(nèi)生能源利用問題,這方面研究包括組合、替代、層級等方式,更要研究內(nèi)生能源如何結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)外的特點進行利用的問題。

9.內(nèi)生能源利用評價。內(nèi)生能源作為輔助能源,其利用受主要能源利用環(huán)境的影響,更受其自身品質(zhì)、消費數(shù)量和利用方式等的約束。主要能源的利用渠道、環(huán)節(jié)、領(lǐng)域等的不同導(dǎo)致內(nèi)生能源產(chǎn)生的方式、品質(zhì)、數(shù)量存在差異,而這種差異性就使得其利用程度、利用領(lǐng)域等存在差異,并且不同的渠道、環(huán)節(jié)、領(lǐng)域等對同種類的內(nèi)生能源的利用程度和要求也不盡相同。因此,內(nèi)生能源能否被利用,在相關(guān)領(lǐng)域利用是否合適,利用效果如何,都成為需要關(guān)注和解決的問題。為此,就需要建立能生能源利用評價模型,創(chuàng)建方法對內(nèi)生能源利用問題進行評價。

五、結(jié)語

本文基于對熱力學(xué)兩大定律的思考,發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生能源的存在性,又針對于循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展以及能源利用效率提高的要求,提出了內(nèi)生能源產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換機理研究的必要性,并依據(jù)系統(tǒng)能源已有研究成果以及遇到的瓶頸,推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)生能源理論研究需要突破的方向,以期通過對系統(tǒng)內(nèi)生能源涉及的九大研究領(lǐng)域的深入探究,找到提高能源利用效率的方法,將過程能源循環(huán)化、將損失能源最小化、將有害能源循環(huán)化與最小化,達到系統(tǒng)能源高效利用以及國家對于節(jié)能減排的要求。此外,文中的一些觀點還有待于進一步地深入研究,最終建立完善科學(xué)的內(nèi)生能源理論體系。

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[責(zé)任編輯:劉 煒]

10.3969/j.issn.1672-5956.2016.06.007

2016-05-24

姜苗苗,1990年生,女,山東威海人,山東科技大學(xué)碩士生,研究方向為能源管理、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟,(電子信箱)jiurimaimiao@163.com。任一鑫,1962年生，男,山東萊西人,山東科技大學(xué)教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為能源管理、循環(huán)經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和礦區(qū)生態(tài)經(jīng)濟。

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1672-5956(2016)05-0045-06