增加供求系统负熵促能源转型

  [中国石化新闻网2018-11-29]能源转型的基础是提供能源供求系统更多的负熵，增加负熵的政策措施将有助于能源转型这一战略的实现。提高能源利用效率、提高对可再生能源的消费比重、开采利用新型能源和促进废弃资源的循环再利用等，都属于能源转型的负熵举措。
  能源供求系统向来依托于传统的经济学思想，市场通过供求关系来决定价格，管制方也可以通过对市场价格的指导来调整供求，但一直没有属于能源系统自身的理论。如何从能源系统本身的发展来考虑能源生产与消费之间的关系和寻求更适宜的能源生产与消费以实现能源转型是我们所关注的问题，在此情况下，“熵”作为一种自然科学的理论给我们提供了新思路。
  熵的定义和发展
  “熵”在物理学上代表着一种无序或混乱程度，起源于热力学第二定律，即热量能自然地从高温物体转移到低温物体，但不能在无外力作用的情况下从低温物体传导到高温物体，也称熵增加原理，即孤立系统中的熵只会随着时间的增加而增加或不变，绝不会减少。熵，指无法利用的热能除以最佳温度所得到的商，熵的值越高，代表系统中损耗越多，无用功越多，系统中增加的熵，永远不会低于零，即孤立系统中的熵，不会自动减少，若过程可逆，则熵值保持前一状态不会增加，若过程不可逆，则系统里的熵增产生。
  熵的概念最早由鲁道夫?克劳修斯在1865年提出热力学第二定律时产生，同时熵增原理也伴随而生。鲁道夫?克劳修斯还结合了热力学第一定律和第二定律并应用于整个宇宙，提出了“热寂说”这一观点：宇宙的熵，越接近某一最大的极限值，那么它变化的可能性越小，宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。此后，熵的概念被发展并衍化到了许多其他的学科领域中。
  1873年吉布斯发表了《流体热力学的图解方法》一文，用几何图解释了体积与温度、熵、压强和内能等因素相关，开始将熵的概念与几何方法结合起来。
  1889年玻尔兹曼将熵，从宏观角度扩展到微观角度。他认为，熵在粒子系统中表示原子和分子之间无序的排列程度，即熵越多，系统里粒子排列越无规则、越混乱；熵越小，则整个系统越有序，且系统某一状态下的熵与系统在该状态下对应的热力学概率的对数成正比，由此正式地将熵与统计物理学结合起来。
  944年薛定谔将熵应用到生物学领域。薛定谔在《生命是什么——活细胞的物理观》一文中认为生命状态本身是一种高度有序的状态，即低熵状态，但同时生命有机体在不断地增加熵，当熵达到最大值时生命便处于死亡状态，生命过程就是通过新陈代谢，不断吸收低熵排出高熵，延迟高熵进程的过程。
  1948年，香农发表了《通信的数学原理》一文，首次将熵的概念引入信息论中，认为在对信息的获取过程中，同样体现了知识的不断增加，即信息熵的不断增加。
  1969年以普利高津为代表的布鲁塞尔学派提出了新的科学理论——耗散结构理论，认为熵增原理只存在于孤立系统中，而开放系统是可以实现熵减的。
  1987年杰里米?里夫金和特德?霍华德在所著的《熵：一种新的世界观》一书中将熵这一物理概念应用到哲学等文化领域。
  此后熵更是不断发展，同时也伴随着各种争议，对熵的进一步研究更多地注重在更为具体的各个系统中而非学科领域。如果把能源供求系统视作一个整体，同样可以将熵引入其中，从新的角度重新审视能源消费与生产，促进能源转型。
  熵在能源供求系统中的应用
  封闭的系统都会遵循熵增定律，然而事物都有相对性，从耗散结构理论开始，负熵这一概念初显雏形。熵本身是和熵增定律相伴出现的，在一个孤立的封闭系统中，熵只会随着时间流逝和事情发展而不断增加，但实际上这只是一个理想状态，许多系统都是开放的，是可以在与外界的交换过程中实现自身的熵减，即负熵。负熵表示的是熵增的对立面——有序。
  负熵和熵一样，被扩展应用到许多其他领域，在经济学中熵增指经济活动本身所创造的价值低于其实际消耗成本，例如生产一些农作物，而农产品的生长过程中消耗了大量的阳光、雨露和劳动力成本，加上投入的种子和肥料等物质成本，总价值是要大于农产品的售价的。但这是站在整个地球的角度来考虑的，将不需在市场上交易、不存在货币价值的自然资源视作了成本的一部分。抛开这些因素，不考虑动植物成长系统与其他系统的资源交换，农作物的生长在本系统内是一种有价值的负熵。但根据熵增原理，在不可逆过程中，系统势必发生熵增，某子系统达成的负熵代表着必有其他子系统产生了更多的熵增，故母系统最终会因子系统的活动呈现出更多的熵增。
  负熵只在开放系统中存在。若将能源供求系统狭窄地定义成最常用的传统化石能源的集合，则能源供求系统是一个封闭的系统。能源的消费以化石能源为主，化石能源主要包括煤炭、石油和天然气，属于一次能源，也是开采技术最成熟和使用最广泛的能源，是由古代生物的化石经千百万年时间沉积而来，故化石能源是有总量限制的。随着人类生活生产的需要，化石能源被不断地开采和使用，所剩可利用能源越来越少，我们可以从行为上将能源消费理解成使有序退化成无序的一种熵增行为，将能源生产理解成使别处的无序，化成此处的有序的一种半负熵行为（并不能完全称之为负熵，因为能源生产耗用了其他系统的资源，违背了系统封闭原则）。虽然目前是供应量大于消费量，但考虑代际关系，总体依然是所需的消费量趋近于或大于生产量，即熵增大于负熵，若熵增不断发生直至最大值则会出现能源枯竭，能源供求系统开始灭寂。
  若考虑能源转型的要求，非常规油气资源和可再生能源在能源供求系统中的地位将更加突出，能源供求系统从广义上理解，则处于一个非封闭的状态。我们可以从整体上，将一切不断降低能源消耗速度，延长能源可用年限，提高原有能源储量的行为都理解成负熵。在开放的系统中，能源的总量并非是固定的，是能够随着人们的认知水平和技术能力的进步而不断扩大的，但能源消费总量也会随之扩大，甚至其增长速度可能会超过技术进步的速度，熵增同样会不断地发生，但较之封闭系统，开放系统的负熵行为更加多元化，更能延缓能源供求系统的衰竭。
  无论是从狭义上还是从广义上，能源供求系统中的熵增定理都是指社会生活的进步和便利，是以能源的不断使用和消耗换取的，是能源资源终将消耗殆尽的发展趋势。在更贴近现实的非封闭状态的能源供求系统里，促进能源转型与实现负熵发展的理念不谋而合，同样可以延长系统的寿命期。
  从负熵的角度促进能源供求系统的能源转型
  生命活动和经济活动都以熵增为发展趋势，但又依赖负熵为生。当我们将各个系统分隔开来，忽视其中的资源交换，就会在某些方面发现系统并不遵循熵增定律，原因在于在现实中，各系统常常并不是孤立的，子系统和母系统必然存在交集，不同子系统间也存在关联，这并不符合熵增定律的原始假设。又恰恰是这开放的系统状态，才能利用系统外的资源帮助实现系统内的熵减，以减缓系统熵增的速度。
  在能源供求系统中，要实现负熵不外乎两点：扩大总的能源供给量和减少经济发展的单位能耗。以我国为例，如何在能源供求系统中不断降低能源消耗速度，延长能源可用年限，促进能源转型，我们可以从以下四个方面着手。
  第一，提高技术水平，提高能源利用效率。单位GDP能耗是反应能源消费水平和节能降耗状况的主要指标，是能源消耗总量与国内生产总值的比率。发达国家能源利用效率约为46%，而我国能源利用效率仅有36%。改善这一困境我们可以（1）改变能源消费构成，煤炭发电效率就比天然气发电效率低，损耗更高，在可以选择的情况下，优先使用能效更高的能源产品；（2）增强技术创新，促进技术设备更新进步，减少中间环节的损耗，直接提高能源使用效率；（3）转变经济增长方式，粗放型经济增长方式比集约型经济增长方式的能效低，单位GDP能耗更大；（4）调整产业结构，第二产业较之第一产业和第三产业来说能耗高，故发展第三产业或科技行业是降低能耗的好的选择。能效的提高可以有效减少能源需求量，减少熵增。
  第二，提高科技成果转化应用水平，提高对可再生能源的消费比重。近年来我国能源消费结构中煤炭高居首位，占比约62%，石油紧随其后约占19%，水电以9%排列第三，天然气占6%，可再生能源约占3%，核电比重最低约1%。能源消费结构以传统化石能源为主，但如果能够增加对可再生能源的使用，就可以减少对化石能源的消耗，且可再生能源如太阳能并非由地球本身生成，而是由太阳不间断地向地球提供能量，即能量来自于系统之外且太阳能的丰富程度远超当前消费水平下人类的能源消耗总量，对太阳能的使用也丝毫不会占用其他系统资源，对其他系统造成损害。对可再生能源的利用可以增加能源供求系统里的能源供给，延缓熵增速度。
  第三，提高开采水平，寻找并开采利用新型能源。人类对能源的使用主要依赖于化石能源，消费重心从煤炭转至石油，可见地球上可被利用的能源是能够随着技术水平的发展而不断丰富的。如可燃冰，它是分布于深海沉积物或陆域永久冻土中的一种天然气水合物，是一种类冰形态的结晶物质，遇火可以燃烧，是比天然气还高效环保的新型能源，储量非常丰富，但因目前人类技术水平的限制，难以对可燃冰进行开发利用，多数停留在试采阶段，距离正式投入市场还有很长一段路程。可燃冰被公认为是石油、天然气等传统化石能源的替代能源，只要能够在石油等传统能源资源枯竭之前实现技术突破，同样可以减缓能源消费的熵增趋势。对新型能源的开发利用可以增加系统里的能源总量，总基数增加，熵增势必减缓。
  第四，提高环保水平，促进废弃资源的循环再生利用。实现能源供求系统里的负熵除却对自然的各种索取，也可以依赖现有资源，通过增强民众的环保意识提高社会环保水平。将废弃资源分类回收循环再利用可以最大化地发挥能源的使用价值。对能源的循环利用，我们可以关注：（1）开发过程中的循环利用，煤炭开采过程中产生的煤层气是一种有害气体，容易造成瓦斯事故，但也可以作为高效的能源进行开采利用；（2）生产加工过程中的循环利用，我国陕西榆林府谷县就实现了将当地煤炭加工废弃物低温蒸馏成“兰煤”用于铁合金等的循环利用；（3）使用过程中的循环再利用，我国青岛董家口循环经济区有一个青钢循环经济配套项目，生产钢铁需要消耗大量煤炭，该项目将燃烧煤炭过程中产生的热气和加热后的热水转化成电力和供热，实现了废弃物的循环再利用。对废弃资源的循环利用可以减少能源消耗总量，最大化发挥每单位能源的作用，增加系统里的负熵。
  能源供求系统中的负熵就是通过扩大可用的能源供给和减少不必要的能源消耗，在保持经济正常运行的情况下促进能源转型，推动能源系统的可持续发展。但是值得注意的是，此刻的能源供求系统是一个开放的系统，与外界存在资源交换，能源供求系统里的负熵的发生正是由其他交换系统里更大的熵增所换来的。
  注：本文得到国家自然科学基金项目（编号：71874202/71874201）资助。
  作者单位：中国石油大学（北京）