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何谓“能源”

2008-02-01 00:00:00 中国能源网   作者: 韩晓平  

如果要问什么是能源?很多人会回答是石油、天然气、煤炭等等,其实这些只是能源的物质载体,是能量存在的一种物质形式,或者说仅仅是物质层面一种能源存在形式。这些资源是太阳的能量转换成为一种具体的物质形态,只有通过再转换成为有用的能量,才是具有实际意义的“能源”。如果一块煤不燃烧,它仅仅是一块煤,只有当它燃烧释放能量产生温度时,才是真正意义上的能源。

所有的化石能源和绝大部分可再生能源都是来自于太阳。石油、煤炭、天然气中的相当一部分是古代的太阳能通过生物过程转化为碳氢化合物储存于地壳之中,而太阳能、风能、水能、潮汐能、生物能则是现实的太阳能通过某种形式的转换而变为能量。也就是说这些能源是来自于太阳,来自于宇宙的。而地热能和核能,以及另一部分甲烷是来自于地球或太阳系形成的过程之中,也可以说是来自太阳或来自宇宙。最终的结论应该说所有的“能源”或者说“能量”都来自宇宙,因为宇宙自身就是一个能量变化的过程。

然而,什么是能源也许大家清楚,但能源是什么确是一个需要我们认真思考的问题。能源的存在不仅是一种物质形式,还是一个物理学层面的概念,同时能源也是政治经济学、哲学和管理科学,以及社会学等领域的问题。能源的科学规律所包涵的内涵甚至是我们认识人类自身、认识物质社会、认识宇宙的基础之基础,决定了我们的世界观。

能源与物理

根据曾经担任国际能源署署长特别助理,现任BP中国公司能源市场与战略副总裁,欧盟中国商会能源与市政产业政策工作组主席陈新华博士在著文《节能工作需要明确理论基础 避免战略误区》中的论述:能源是一个物理学的概念,而能源消耗也是一种物理学现象。要明确区分和理解三个相关的概念:能,能量,能源。在英语词汇里,这三者为同一单词——Energy, 但实际上它们有不同的含义。

物理学中的“能”指的是物体做功的能力,它包括动能、势能、热能、电能、核能、辐射能和化学能等。其中,动能和势能属于机械能,是人类最早认识的能的形式,光能则属于辐射能;能量则是对上述各种能的计量,通常用卡(将1克水加热1℃所需要的能量被确定为1卡)或焦耳(4.18焦耳等于1卡)来衡量。

而对能源的解释目前大约有20多种不同的定义。世界能源大会(WEC)认为,“能源是使系统能够产生对外部活动的能力”,这一定义中的能源实际上指的能,因为英文中能和能源用的是同一个词。《大英百科全书》的解释是:“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风力的术语,人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”,这一定义也并不非常准确。中国的《能源百科全书》说:“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。” 这与《科学技术百科全书》的定义比较接近:“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。总而言之,能源是一种呈多种形式的,且可以相互转换的能量的源泉,是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

国家发展和改革委员会《节能与环保》杂志《2006节能手册》的定义为:“能源是可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源”。在中文“能源”一词中包涵的“能”和“源”两层含意,有源而没有转换为有用的能,则没有意义,即:有源未必有能;且有能而无源,则在世间不存在,即:能必有源。

 然而,上述对于能源的解释是科学家仅仅从物理学层面对于能源的解释,实际上,能源对于人类还有更加深邃的意义,要想正确理解能源的深层含意就需要搞清楚能源与人类进化的基本关系。

能源与人类起源

能源科学技术的进步一直影响着人类世界观的形成,人类的文明就是建立在对于能源的认识以及相关信息的传递上。其实人类与动物的分水岭并非是使用工具和有组织的劳动,根据现代科学观察研究,“劳动创造人”的认识是基本难以成立,因为在自然界中有着无数的动物可以从事有组织的劳动,例如:我们在北美看到海狸鼠们齐心协力利用树枝在河流里建造堤坝,使河水可以流过,而鱼群受阻,以便于它们的捕食;非洲狮群和西伯利亚狼群有组织地围猎活动等等。而使用工具的动物更是大有人在,例如:西班牙乌鸦为了吃到朽木中美味的蠕虫,会随身叼着一根精心挑选的,用起来得心应手的小木棍,用来捅出树洞中的虫子;北美的海狸鼠用挑选顺手的鹅卵石敲碎贝类外壳,品味里面的肉;新的考古发现,非洲的黑猩猩早在远古就开始使用加工过的石锤来砸碎坚果;而最新的科学观察发现非洲塞内加尔的黑猩猩会使用树枝制作矛。由于受到达尔文观察的局限,哲人们的结论自然也受到时代和科学的局限。

事实上,在地球上已知的动物种类繁多,据科学家统计大约有150万种,然而至今为止我们所知道的会使用火的动物仅有一种,而这唯一能够驾驭火的动物就叫“人”。不管这是巧合,还是上帝或外星人的杰作,自从人类能够掌握使用火的信息,并传递这一信息之后,人类就快速的脱离的动物的序列,逐步成为掌控世界的生灵。[page]

正是人类掌握了火的使用信息,并将这一信息传递给自己的种群,人类才摆脱了向猿猴一样爬上树梢果腹的命运,才改变了向虎狼一样生吞活咽的境地。是火转变了人类的饮食结构,食用更易消化、更便于吸收、能量密度更高的熟肉,使人类的体魄更加强悍健壮,寿命延长,大脑迅速进化,生存能力得到前所未有的增强。也正是因为掌握了火,人类的种群才能得以增加。而人口的增加,需要我们的祖先必须不断进行更大规模的有组织的狩猎活动,制造更高效的狩猎武器和工具,进行更加有效的信息交流,建立更复杂的社会组织系统,以及一波一波地迁徙向世界各地的每一个角落。

当人类能够利用火来加工一个更加有效的工具——不怕水和火的陶器时,人类的命运再次发生了质的变化。陶器使人类进入了新石器时代,人类不仅可以更好、更加高效地食用猎物,而且可以将食物扩展到植物蛋白。进一步扩大了食物来源,也进一步扩大了我们的种群,特别是我们的祖先不必因为猎物减少而无休无止地迁移。而掌握木炭的技术使燃料的能流密度得到提高,因此铁器的规模化利用成为现实,而铁制农具的推广使人类进入了更先进的农耕时代。

瓦特发明的蒸汽机使人类进入了早期工业时代,在煤炭和蒸汽机的推进下,人类文明开始了前所未有的加速。接踵而来的是石油和内燃机,以及电力的发明和普及,它们使人类文明一次次出现质的飞跃,进入了今天的后工业时代。毫无疑问,人类文明进步的步伐,始终依靠能源技术进步作为根本的推动力。

能源与热力学第二定律

而对于能源的认识还有更深层的意义。科学家家发现宇宙间的各种运动规律是遵照着能源科学的一些基本规律进行的,特别是热力工程学的一些经典定律可以解释宇宙间和人类社会各种问题的内在规律。对于中国许多从事能源和节能工作的人,有一篇文章曾经对大家影响深刻。世界著名的工程热物理学家,三元流体力学的奠基人,中国科学院主席团执行主席吴仲华先生为解决改革开放之初中国能源供应的瓶颈制约,在1980年8月14日为中共中央书记处举办的科学技术知识讲座上,做了题为《中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途经》的报告。在他根据热力学第二定律的原则,建议当时的党中央采取积极一系列提高能源效率的正确措施,使80~90年代以极小的能源代价创造了中国低能耗经济发展的世界奇迹。尽管过去了近30年,吴先生也已驾鹤西行,但今天当我们阅读此文时,我们会惊讶的发现此文就如同吴先生为帮助我们解决今天中国的能源环境问题而开出的解决办法。吴先生仅仅根据热力学第二定律,将解决方案归结为十六个字:“分配得当,各得所需,温度对口,梯级利用”。他叙述的是一些能源科学的基本规律,这些规律代表着宇宙自身的内在规律,所以它是不会过时。

我们传统的世界观是构筑在19世纪中叶时对科学的认识上,主要的科学依据是牛顿的三个机械定律和热力学第一定律,以及达尔文的“进化论”。基本的观念是“物质不灭”和“能量守恒”,认为“运动着物质的永远循环是宇宙的最终结论”,世界总的方向是从无序向有序发展。我们的目标是建立一个“物质极大丰富”的人类大同社会,地球上的资源和能量将随着技术的发展“取之不尽,用之不竭”。

热力学第一定律虽然支持了这一观点,但它同时还告诉我们能源转换存在一个临界点,99℃加1℃水才能从液态转变为汽态,也就是说物质的转化是存在条件和边际的。热力学第二定律(我们称之为“熵定律”),进一步告诉我们尽管能量是守恒的,尽管物质是不灭的,但是能量的质量将会衰减,有效、优质、便于利用和低成本的能量会越来越少,无效、低品位、难以再利用和成本昂贵的能量将会越来越多。1850年德国科学家克劳修斯总结并表述了热力学第二定律(加入的热量/绝对温度=熵),即:熵为热量与温度之商。他认为:热可以向瀑布一样自发地从高温传向低温,而不会自发地从低温转向高温。能量是有用能量(火用)和无用能量(火无)共同组成的,而只有能够转化出来的、经济和环境可以承受的有用的能量,才有利用的价值能源。

简单地说,一杯热水可以自己变冷,却不会自动变热,除非借助外部更多的能量。能量虽然守恒,但质量却发生了变化,一桶温水可能比一小锅开水所含的热量要多的多,但它永远煮不熟一个鸡蛋。对于一个封闭的独立系统,熵会自发地越来越增加,而不会自动减少。热向何处去了?向更低的温度散去,直到绝对零度(­273℃)。能量一旦散去将难以重新聚积。如若宇宙能量散尽,温差将消失,宇宙将会热寂,能量的总趋势是从有序向无序发展,即有用的能源资源将越来越少,而无法利用的能源资源将会越来越多。要获得任何有效的能源资源,必将付出更多的能源资源代价,或者环境、经济和社会代价。宇宙间无论广义的永动机还是狭义的永动机都不可能存在,即便可以“永动”却不可能输出有价值的能量。

熵正在成为人类的一种新的世界观,因为人类如果不控制地球各种资源的熵增,包括:能源资源、物质资源、清洁的水和新鲜的空气资源等,巨大的代价将使人类无法继续繁衍生息。所以,我们需要一个新的时代,以代取今天肆无忌惮消耗资源和污染环境的重化工业时代。麦克斯韦、爱因斯坦、霍金等伟大的科学家都曾试图推翻熵定律,但最终都未能实现,所有的挑战都是进一步证明这一定律的正确。而正是这些伟大的科学家的挑战和探索精神,在进一步证明熵定律的同时实现了人类科学、社会的进步。

能源与社会科学

宇宙天文学家肯定了这一观点:他们认为熵定律是一切自然定律中的最高定律,因为对于宇宙和太阳的研究中,哈勃在上世纪20年代对宇宙的观察,证明所有的星系正在远离,根据这一观察确立了宇宙大爆炸学说,证明宇宙是从一点及极大的密度和极高的温度爆炸扩散,宇宙也如同一个生命从高温向低温耗散。

这些科学发现越来越证实熵定律的正确无误;物理学家也发现时间的不可逆性,如同熵增和宇宙扩散的趋势也不可逆一样。时间、物质和能量同起源于一点,时间最终指向熵的无限大,时间和能量将在宇宙温差达到­273℃(将氢达到固态)时终结,一旦温差消失,热将不能传递,一切将寂静如逝,这就是热力学第三定律:绝对零度(­273℃)不可超越;生物学家发现生命的过程也在熵定律的涵盖之下,生命就是一个能量的过程,生命的能量过程就是整个宇宙的能量过程中的一部分,生命逝去的过程恰恰就是一个熵增的过程;而环境学家也认为熵增正是地球环境面临的规律性问题,清洁的空气、干净的水正在越来越少;甚至社会学家、历史学家、经济学家、管理学家也在沿用这一定律来分析、认识和解释所遇到各种问题,例如:效能的衰降、朝代的更迭、货币的贬值、企业的寿命周期等等。在企业人力资源管理中,必须保持人员的流动性是所有成功和保持生气的企业都在遵循的原则,例如:微软、英特尔等,他们通过人的流动来控制企业内部的熵增,保持企业的活力和竞争力。

我曾遇到一个陕西的苹果加工大王,他向我津津乐道的叙述了其成功奥秘。他将成片的苹果园里的所有果实全部一次性廉价收购,好苹果作为鲜果供应市场,差一点的制造苹果干和苹果片,将剩下来的质量差的苹果渣苹果汁,先将果汁中的果胶、果糖和果香提炼出来,再将果汁出口,最后将果渣卖给奶牛场。我惊奇地发现这竟然与吴仲华的十六字方针同出一辙,对苹果进行了质量对口的梯级利用。[page]

今天,当我们研究邓小平1978年“改革开放”,为什么会给中国带来了如此巨大的进步能量时,不禁会发现所谓“开放”和“改革”实际遵循了两条热力学的基本规律。热力学第二定律认为,在封闭的系统中熵趋于无限大,也就是说无效的能量将会越来越多。中国闭关锁国就会造成内部的自耗越来越大,而有效的动能越来越少,没完没了的内讧和面临破产边缘的经济使中国不得不寻求新的动力,最简单的办法就是开放系统,直接获取外部的能量。

而“改革”,我们就要研究另一个苏格兰出生的英国工程热物理学家麦克斯韦的假设了。1867年麦克斯韦在《热能理论》一书中认为:信息的流入可能使一个封闭系统出现局部的熵减,因为他认为原子在接受信息之后可能实现某种自组织能力,能够实现局部的、阶段性的负熵,这就是著名的“麦克斯韦妖”。所谓“妖”就是某种具有智能化的因素或信息可能改变熵的过程。麦克斯韦的初衷是想否定熵定律,但是他所延伸出来的“信息”与“自组织”问题确打开了人们封闭的思维系统。一直到1951年,法国物理学家布里渊将信息论与统计物理联系起来考虑,通过信息的负熵原理解答了这一难题。他认为“信息等于负熵”,信息是一种特定意义的能源。为什么说信息也是能源?设想一下,如果我们将能源知识和节能信息有效传递,让更多的人掌握如何节约能源的知识和技术,并建立“熵”的世界观,树立新的道德文化,人类就可能自觉自愿地节约大量能源,并将所节约的能源用于增加社会的能源供应。再者,如果我们能够建立一个数字化电网,使电力线不仅传送电能,同时转送各种信息,我们就可以将各种智能化电器通过控制信息进行协同优化,从而对电力负荷有效控制,这将通过能源需求侧管理在不建设新电源的条件下,增加新的电力供应能力。

“自组织”理论不仅在物理学中具有价值,在化学、生物学、社会学、经济学,甚至政治学中,对实现有序自组织问题上,具有深远的意义。如果我们能够在能源生产消费各环节加入信息,能够转变人们的世界观,使节能环保成为一种自发自愿的行为,通过自组织过程和信息化系统控制,就可能有效地控制熵的增加速率。

这种通过对系统加入信息实现自组织来控制无用能量增加的认识,对于全人类的进步产生了极为深远的影响。英国首相邱吉尔为解决世界的能源问题,曾经开出了一幅著名的灵丹妙药,这就是“多元化”。所谓多元化不仅是能源来源的多元化,能源种类的多元化和能源利用方式的多元化;更重要的是参与解决能源的主体和解决能源问题的机制也需要多元化。邱吉尔多元化的主张是在20世纪70年代两次能源危机之后才真正被世界所共识。在人们深入思考之后,意识到所谓多元化就是调动更多的主体通过市场化进行资源的优化配置,从而建立有效的自组织系统。此后世界各国逐步放弃管制经济,走向市场经济,建立了一个多元化的、多边性的和多层次的全球能源交易市场,并将这一交易延伸到其他资源和环境保护等领域,这一市场化的进程改变的人类很多传统的行为模式,而且波及各个国家和各行各业。而邓小平同志确定的社会主义市场经济改革的方向也与此几乎同出一辙,都是希望通过建立一个能够调动各方面积极性,实现更加有效的自组织系统——市场经济,推动资源和要素优化配置,以此来控制熵的增加。所以说,尽管我们当初并无意识,但中国的市场化“改革”却是利用了热力学中对于信息构筑自组织系统的学说来实现的,因为它符合宇宙的本质规律,所以它必然获得了成功。

能源与未来

麦克斯韦的异想天开不仅对于今天全球方兴未艾的市场化提供了科学认识的基础,而且对于人类是否会进入下一个进程——信息时代,提供了热力学基础的理论依据,因为人类每进入一个新的时代纪元,都必然在能源技术突破上建立一个新坐标,信息化的能源系统就是未来信息时代的能源技术坐标。所谓信息能源,就是利用信息的非物质属性,来控制能源的消费和物质的耗散速度,典型的技术就是智能化的分布式能源系统和数字化电网技术,利用分布在各种能源需求现场和再生资源和废弃资源现场,根据各种能源用户对各种能源的不同需求,利用各种可再生的、低环境代价的和废弃的能源资源,根据“分配得当,各得所需,温度对口,梯级利用”的原则,针对性地生产能源、配置能源和供应能源。

数字化电网是利用电网系统供电的同时传送数据信息,为智能化的电器设备提供负荷、电价等信息,将所有用电单元和设备实现协调优化,从而控制负荷,提高电力设施使用效率,通过技术实现需求侧管理的优化资源配置,从而将资源和能源消耗大幅度降低,并将环境代价不断降低,控制熵增。

而再下一个时代的能源技术坐标将会是什么?能源科学家们正在一些新的技术进步中获得灵感,他们当中更多的人越来越相信新时代将会是生物时代,它的能源技术坐标将会是通过人类培育的某些细菌来分解制造低碳的甲烷(CH4)和无碳的氢气(H2),人类将会在信息能源的基础上,通过生物技术最终获得没有碳排放和环境代价可以进一步降低的新能源系统。应该确信,生物时代的能源坐标将是生物能源技术的巨大进步。

结束语

也许是我们中国人的工科基础太好了,从我们上学之初就在不断求同,我们总希望对能源找到一个如同数学公式一样一目了然的定义,而今天恰恰是这些局限于理论的定义,桎梏了我们的认识和探索。但对于人类,能源是一个动态的含意。在类人猿时代,所谓能源也许仅仅是晒晒太阳,而在我们成为人类后能源就是火;在古代,对于农民能源不过是麦草、稻草,牧民的能源不过是牛粪;而居住在城里的人能源就是能量密度稍高一点的柴薪,逐渐风能和水能的利用也在成为能源;随着人类文明的进步,煤炭以及后来的煤气是早期工业时代的主要能源。然后是发明了电力,水能、石油、天然气,以及能量密度极高的核能都陆续加入到人类能源的序列。接下来当人类逐渐发现难以承受这些工业化能源带来的环境和资源代价后,风电、太阳能、生物能源等再次被我们重视起来。我们为了解决能源问题,历史性地走出了管制经济的阴影,开始接受市场化的社会机制。在这一机制下,节能也成为一种新的能源供应的交易模式,使节能者得到更加优厚的经济补偿,从而更加推动了全社会的节能积极性。在这一机制下,也许一个系统优化控制软件将创造巨大的能量。因为这一软件可以使数十亿计供电和用电的电器设备共同参与能源供需的协调优化,大量减少电力系统的负荷需求,使发电厂实现最优化的节能运行,并腾出更多的电力容量供应新的需求。

最近,高盛高华公司董事长,中国企业投资协会方风雷副会长提出“新能源,新文化”的理念。他认为推广和使用新能源需要一个文化进步氛围作为动力,只有人们将使用新能源作为一种社会进步的标志,作为人的文明尺度,才可能解决好新能源的发展和普及,而所谓的“文化”正是一种信息。例如手机、互联网,使用者真的需要每月支付几百元来维系这一需求吗,难道传统的邮件、电话和每月仅需15元的晚报就真的无法满足一个家庭的信息需求吗?只有当这种信息需求成为某种时尚元素时,人们就会背离传统的价值轨迹,不再从传统的价值观来判断问题,他们会不惜代价地向着一个新文明的目标前进。

接下来,或许在实验室里发明的一试管的菌种就意味着巨大的能量源泉。虽然,人类永远不可能找到一种一劳永逸的能源解决办法,但是我们可以不断进取,不断寻找更加适合的能源资源以及相应的技术,这就是我们文明的根本动力。

对于能源也许我们还可以继续讨论一个世纪,那么究竟应该给予能源一个什么样的定义?新华网的一位总编助理认为:能源就是能量之源、动力之源、生命之源和文明之源,他的观点值得我们深思。对于能源,我们需要了解它的定义,但是不要拘束于这些定义,因为能源不仅是一个物理学的定义,它还在各个科学领域有着宽泛的内容,我们需要建立一个科学的能源观,一个科学的发展观和一个科学的世界观,与时俱进地掌握能源对于人类文明进步的更加深刻的意义,不断驾驭能源的新知识、新技术、新科学和新机制。
 




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责任编辑:中国能源网

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