电力矩阵：应对日益复杂的能源挑战

全球化进程使得各种边界和界线不断地模糊和消失，世界正在变得越来越小。各个国家自身国情的差异，使得其未来能源体系的打造面临复杂的挑战。确保本国可持续能源供应的解决方案，必须根据各国经济发展程度、可用资源等因素量身定制。

当前，随着类似风电、太阳能光伏等小型电厂、分布式电厂越来越多，能源结构日益复杂，电网设施也在发生着天翻地覆的变化。比如在德国，传统的能源链已不足以囊括数不清的参与者和电力枢纽，必须代之以电力矩阵。

西门子公司提出的电力矩阵，不同于传统能源链，它不仅仅单指发现、占有并充分利用能源及其衍生技术，而是将能源链扩展至产品及服务生产过程中涉及的一切能源及其所有相关利益方。电力矩阵囊括了不同能源来源的电力供应商、电力消费者、电力存储、电网等。这里的供应商不仅包括传统的集中式大型发电厂，还包括新型的分布式小型电厂，而且创造了产销者（Prosumers）这一传统能源链中并不存在的参与方。在面对日益复杂、多元、各异的不同国家能源结构时，电力矩阵更高效、经济。

各国能源结构现状一个国家的能源政策取决于很多因素，包括工电力矩阵：应对日益复杂的能源挑战《能源思考》编辑部 郭占凯 整理业化水平、人口、国民经济及技术水平。全球金融危机、电气化推进以及二氧化碳减排已经并将持续影响能源市场，通过技术创新，人们已经有相关办法来应对和解决这些问题。各国不同的能源现状和能源政策，使得其未来将面临不同复杂程度的能源体系。

图1 部分国家2009/2010年发电能源结构（据Living Energy数据整理绘制）

作为世界最大石油出口国，沙特阿拉伯巨大的电力市场却有着令人难以置信的独特之处：比如全部源自石油、天然气，大部分沙特居民消耗一度电只需支出1美分。沙特阿拉伯490万个家庭正推动着沙特的电能消费量，居民用电占据2010年总供电量的51%。而沙特目前正在落实的一项住宅建设计划，旨在满足年轻人不断增长的住房需求，这会让居民用电需求继续增加。沙特在抑制用电增长率的同时，也在大力推进传统和可替代能源的发电建设：沙特阿拉伯电力公司计划未来十年投资800亿美元，新增30GW使用化石燃料的装机容量；另外还有拟建的16个核反应堆及尝试性的太阳能项目和光伏电厂。

巴西2009年总发电量的84%来自水力发电，每兆瓦时的水电成本大约是热力发电的一半，仅为40美元，该国有着最清洁的能源矩阵。但同时，过度砍伐森林也使其成为全球第四大碳排放国。巴西有着世界领先的生物燃料研发和消费，这让巴西成为石油净出口国。但另一方面，大力发展水电，亚马孙流域的新大坝给生物多样性和当地土著居民带来了明显压力。为准备2014年世界杯和2016年奥运会，巴西基建和楼宇建设增势强劲，电力需求增长明显。

虽然核电依旧是美国能源政策的核心，但由于较高的成本，它在电力矩阵中只占20%。2010年美国煤炭发电约占总发电量的45%，但不断攀升的煤炭价格和将要出台的环保政策，使得煤炭电厂面临倒闭压力。虽然可再生能源发展蓬勃，30个州各自实施可再生能源组合标准，能源部推出“太阳计划”，但在其形成规模之前，2035年产量将达到全美天然气总产量47%的页岩气有望成为过渡燃料。

印度激增的经济下，很多小城镇和村庄却依然缺乏电力。目前印度65%的电力来自化石燃料，煤炭占54%，天然气约为9%，原油占1%。化石燃料主要依赖进口，使得印度对发展可再生能源充满兴趣。印度政府目前在建5个核反应堆，2025年之前再建18个，力争2050年将核电比例提升至25%。

未来十年，煤炭依旧将是主导，但可再生和核电能源的投资会增加。

丹麦作为欧盟唯一的石油净出口国，在北海拥有丰富油气资源。但目前国内油气的使用虽然确保了能源供应安全，却也同时放慢了其向可再生能源转变的步伐，阻碍了其太阳能、地源热泵等可持续技术的发展。2050年成为“碳中合”的目标也使得丹麦必须摆脱不断降低但比例依然较大的煤炭，提高海上风电并采取措施减少能耗。

中国一边保持着能源生产的增长，一边节能减排，控制排放。丰富的煤炭使得其在中国电力矩阵中占据绝对地位，为控制碳排放，中国不断加大对高效燃煤电厂的投资，采用新技术将能效等级提高45%。虽然当前中国核能在能源结构仅占1%，但全世界在建核电站有近一半在中国，但日前中国核电政策使不少在建项目停滞。可再生能源在总发电量中占据一定比例，但资源与用户的地理距离，以及不够高效的传统输电方式，让不少可再生资源电力白白浪费，比如中国三北地区弃风严重。

一向资源匮乏的日本，电力矩阵相对均衡。虽然福岛核电站事故让支持核电的民众变得寥寥无几，但核电一直并将继续在日本电力结构中占据重要地位，2020年预计核电将满足日本近40%的用电需求。但同时，日本会将加强可再生能源的发展，提升太阳能、风电、生物质能的重要性。

俄罗斯富产天然气，其电力结构中，近一半的电力即来自天然气。俄罗斯政府正在解决电力严重依赖天然气的问题，计划2030年将其发电占比限制在43.1%，同时提高能源效率，以满足大幅增长的电力需求。在俄国的能源结构中，核电和水电分别占据17%和18%，而风电、太阳能不据重要地位。

电力矩阵

一般来讲，能源链指的是发现、占有并充分利用能源及其衍生技术。能源链的竞争一直伴随整个国际体系演进。能源链的连续而完整，价格波动控制在一个合理的范围之内，关乎着国际能源体系的未来发展也关系着能源消费大国和生产大国的切身利益。而西门子公司提出的电力矩阵将能源链扩展至产品及服务生产过程中涉及的一切能源及其所有相关利益方。如图2所示，以往的大型发电厂至消费者的能源链变成了电力矩阵，小型电厂日益增多，同时无数的节点将能源关系方纳入。

图2 电力矩阵

在能源矩阵里，传统的集中火电厂效率得到提高，并为断断续续的风能和太阳能提供后备支持。而更为突出的是产销者的出现，分布式的接入。作为产销者的家庭，参与着小规模的市场，既是电力的生产者，将其屋顶太阳能电池板或其他小型发电设备生产的剩余电力回输电网，又是电力的消费者，在自产电力无法满足需求时，接受电厂提供的电能。

多数业内人士认为电力将成为二十一世纪占据主导地位的能源，电力需求会不断增加。但日趋减少的化石燃料，使得如何满足全球的巨大能源需求这一问题仍待解决，唯一的变化是人们已经开始注意到问题的解决不能单纯依赖单一的发电技术。电力需要做出更多。需要抛弃以往的大型发电站为国家电网供电输往消费者的模式，转向更复杂的电力矩阵。

在电力矩阵里，电力供应商应该既包括核电站等传统电厂，也包括基于风能、太阳能等可再生能源的新型电厂。分布式电厂，如热电联产、屋顶光伏等，应该纳入大型集中式发电站的补充体系，接入中低压电网。而伴随着上文提到的发电系统的分散化，消费结构也会发生转变，消费者将有更多用电方式和时间的自由选择。

当前的问题不是讨论传统能源链中的单一能源，而是适合不同国家、地区和大洲的电力能源结构。目前全球发电设备装机容量大约为5800GW，未来有望在20年内翻一番至10000GW，急剧攀升的电力显然不是单一能源来源可以满足，它需要的是一整套的电力能源结构，应该包括核能、天然气、煤炭、石油以及可再生能源。电力矩阵将是满足这些的解决方案，它不但包括能源来源，还包括强大的电网，以整合高压直流输电、柔性输电、先进的仪表设备和控制技术。因为风能、太阳能等可再生能源为代表的分布式电厂将发挥愈加重要的作用，虽然集中电厂仍将长期存在。这些不同的电力能源需要以高效、经济的方式有机结合起来。

由于各国的不同特点，甚至国家内不同地区的差异，各异的电力需求将在未来更趋多元。如中国当前的电力能源结构，使得需要重点考虑能源安全和石油供应，伊朗在其能源矩阵中有着无法忽视的地位；而日本能源资源匮乏的现实，核电在其能源矩阵中不可或缺，对于其近年对其海底蕴藏丰富的可燃冰进行的可行性勘探，目前仍会以研发、掌握技术为主，短期内难以占据重要位置。但必须认识到，未来的能源结构将日趋多元，单一来源的能源链将逐渐失去市场，取而代之的，是可以应对复杂能源机构、保障能源多元供给的电力矩阵，在加强能源安全的同时，更经济、高效地提供电力能源。