尹穎堯

在《科技創(chuàng)業(yè)》雜志（Technology Review）2012年TR35（全球35歲以下35位頂尖發(fā)明家）評(píng)選中，來(lái)自清華大學(xué)電機(jī)系的陳啟鑫，因開(kāi)發(fā)電力預(yù)測(cè)軟件和優(yōu)化電廠運(yùn)行軟件而當(dāng)選?！犊萍紕?chuàng)業(yè)》由麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦，自2005年以來(lái)，每年都會(huì)開(kāi)展TR35評(píng)選。前往麻省理工學(xué)院。參加頒獎(jiǎng)典禮的前一天晚上，陳啟鑫接受了本刊的專(zhuān)訪。

碳預(yù)測(cè)

《科技創(chuàng)業(yè)》介紹陳啟鑫所取得的成就時(shí)，標(biāo)題相當(dāng)顯赫——《解決中國(guó)電力問(wèn)題》（Solving Chinas power problem）。對(duì)此，陳啟鑫說(shuō)，他的研究重點(diǎn)是降低中國(guó)電力行業(yè)的碳排放和煤耗，所采取的主要方法是優(yōu)化火力發(fā)電廠的開(kāi)停機(jī)次數(shù)和運(yùn)行水平。為了向工商業(yè)和居民送電，火力發(fā)電廠需要經(jīng)常開(kāi)停發(fā)電機(jī)組，而每開(kāi)停一次，需要燃燒大量的燃料，“機(jī)組啟動(dòng)一次要花幾十萬(wàn)元，啟動(dòng)階段電廠不向電網(wǎng)送電，等啟動(dòng)結(jié)束了才能與電網(wǎng)連接、送電。這個(gè)過(guò)程往往要花上大半天的功夫?！币簿褪钦f(shuō)，開(kāi)停機(jī)次數(shù)越多，火力發(fā)電廠會(huì)消耗越多的能源。

陳啟鑫的研究就是在滿(mǎn)足用電量的情況下，盡量降低開(kāi)停機(jī)次數(shù)。為此，他首先要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)用電量。

為什么火力發(fā)電廠要開(kāi)停發(fā)電機(jī)組呢？因?yàn)?，白天和晚上的用電量不一樣；即使在白天，用電量在不同的時(shí)間段也有差別。火力發(fā)電廠啟動(dòng)了發(fā)電機(jī)組就要發(fā)電，這些電很難被大規(guī)模地儲(chǔ)存起來(lái)，這就要求發(fā)電量與用電量之間的差距越小越有效，“在用電量上，工業(yè)和商業(yè)占80%以上，通過(guò)分析各行業(yè)用電量之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)用電量?！?/p>

預(yù)測(cè)了用電量和開(kāi)停發(fā)電機(jī)組的次數(shù)，陳啟鑫所在的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了軟件，“幫助省電網(wǎng)公司做決策，確認(rèn)各火力發(fā)電廠開(kāi)停機(jī)的次數(shù)和時(shí)間點(diǎn)?！标悊Ⅵ螐?qiáng)調(diào)，他們的軟件并不是針對(duì)火力發(fā)電廠，而是被安裝在省電網(wǎng)公司內(nèi)部，“通過(guò)省電網(wǎng)公司控制省內(nèi)的各家火力發(fā)電廠?！睘榱俗岊A(yù)測(cè)和決策達(dá)到最佳效果，陳啟鑫的軟件還有自我修復(fù)功能，“比如，一直以來(lái)預(yù)測(cè)都挺準(zhǔn)，突然有一天不準(zhǔn)了，那么，系統(tǒng)會(huì)把這個(gè)不準(zhǔn)信息自動(dòng)反饋給系統(tǒng)本身，自我修正系統(tǒng)的常數(shù)。這個(gè)修復(fù)工作完全靠系統(tǒng)本身，不需要人工操作?！?/p>

除了通過(guò)減少開(kāi)停機(jī)次數(shù)達(dá)到減少能耗外，陳啟鑫的軟件也能優(yōu)化火力發(fā)電廠的運(yùn)行，從而減少能耗。據(jù)陳啟鑫介紹，火力發(fā)電廠的運(yùn)行與家用電冰箱的運(yùn)行有相似之處。每臺(tái)家用電冰箱都有額定功率，并且有一個(gè)最佳值，在這個(gè)最佳值上運(yùn)行，電冰箱屬于節(jié)能運(yùn)行，超出了一定的界限，冰箱的用電量就高。而火力發(fā)電廠也是如此，比如一家每小時(shí)發(fā)60萬(wàn)千瓦的火力發(fā)電廠，最佳的運(yùn)行點(diǎn)往往為55萬(wàn)千瓦左右，“我們盡量減少開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)，但是，不能讓電廠總在較低水平上運(yùn)行，這樣會(huì)產(chǎn)生更高的能耗?！?/p>

近幾年，風(fēng)力發(fā)電日益增長(zhǎng)，給火力發(fā)電用電量的預(yù)測(cè)帶來(lái)了不小的麻煩，“風(fēng)電不可控，現(xiàn)在的用電量=風(fēng)電+火電。風(fēng)電的波動(dòng)也帶動(dòng)火電的波動(dòng)。”陳啟鑫直言，他的軟件在理論上可以預(yù)測(cè)風(fēng)電，離實(shí)際運(yùn)用卻存在差距，“我們做過(guò)實(shí)驗(yàn)，效果不錯(cuò)。但是，還沒(méi)有運(yùn)用到實(shí)際工業(yè)中。一項(xiàng)技術(shù)不可能一招鮮吃遍天，運(yùn)用到其他領(lǐng)域需要進(jìn)行改變。”預(yù)測(cè)風(fēng)電，陳啟鑫認(rèn)為要考慮氣象等復(fù)雜因素，這是一個(gè)新課題，“氣象不穩(wěn)定，而用電量的波動(dòng)往往有規(guī)律，它與人們的用電習(xí)慣，以及與各行業(yè)的需求波動(dòng)、宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和CPI等相關(guān)。雖然天氣變化也影響用電量，但影響的幅度遠(yuǎn)小于天氣對(duì)于風(fēng)電的影響?！睘榱藴p少能耗，陳啟鑫要對(duì)用電量和火力發(fā)電廠的開(kāi)停機(jī)次數(shù)進(jìn)行更精確的預(yù)測(cè)。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)軟件幫助電網(wǎng)公司做出決策和優(yōu)化火力發(fā)電廠的運(yùn)行，陳啟鑫團(tuán)隊(duì)的軟件替電網(wǎng)公司創(chuàng)造了效益，同時(shí)也減少了煤的消耗，“從而減少了碳排放?！?/p>

碳排放

2001年進(jìn)入清華大學(xué)學(xué)電力，至今，在電機(jī)系任教的陳啟鑫已算“老清華”了。他真正關(guān)注碳排放，是2008年的事兒。雖說(shuō)這與他的專(zhuān)業(yè)和課題組的研究方向相關(guān)，更重要的是，陳啟鑫有過(guò)在英國(guó)的工作經(jīng)歷以及我國(guó)有關(guān)碳排放的政策讓他淘到了“金磚”。

讀博期間，陳啟鑫曾在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工作了七個(gè)月，“我們的課題組與對(duì)方有合作項(xiàng)目，2008年曼徹斯特大學(xué)聘我為助理研究員?！痹谟?guó)，陳啟鑫接觸了低碳經(jīng)濟(jì)，“這個(gè)概念首先由英國(guó)提出來(lái)的，我出國(guó)前，中國(guó)尚未提過(guò)低碳經(jīng)濟(jì)的概念?！标悊Ⅵ伟l(fā)現(xiàn)，英國(guó)的工業(yè)界和政界都重視低碳經(jīng)濟(jì)，英國(guó)的報(bào)紙和學(xué)術(shù)界也經(jīng)常討論這個(gè)概念，“還有碳捕集技術(shù)——火力發(fā)電廠在排放氣體前把其中的二氧化碳收集起來(lái)，給我的觸動(dòng)挺大的?！标悊Ⅵ伪闼妓鳎褐袊?guó)電力行業(yè)應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)低碳化發(fā)展？回國(guó)后，陳啟鑫與導(dǎo)師夏清教授、康重慶教授討論了以“低碳”作為博士論文主題的想法，“我的想法得到了導(dǎo)師們的大力支持。”當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始討論低碳話題，“2007年，中國(guó)提倡節(jié)能，國(guó)家出臺(tái)了一些政策，對(duì)電網(wǎng)提出了很高的節(jié)能減排的要求?！标悊Ⅵ沃赋?，“中國(guó)碳排放總量的百分之四十多來(lái)自于電力行業(yè)?！?/p>

在國(guó)家政策的指引下，陳啟鑫對(duì)中國(guó)電力行業(yè)未來(lái)數(shù)十年的二氧化碳排放規(guī)模、發(fā)展趨勢(shì)、來(lái)源和解決途徑進(jìn)行了綜合分析，“分析的結(jié)果是：挺有發(fā)展前景的。如果把電機(jī)系現(xiàn)有的技術(shù)運(yùn)用于電網(wǎng)中，會(huì)產(chǎn)生很好的結(jié)果?！?/p>

陳啟鑫指出，他和團(tuán)隊(duì)的軟件技術(shù)并不是憑空得來(lái)的，而是建立在清華大學(xué)電機(jī)系及其課題組已有的研究和技術(shù)之上。此前，他的研究方向是如何確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，“火力發(fā)電廠一旦開(kāi)停發(fā)電機(jī)組，就涉及到生產(chǎn)安全。比如，居民開(kāi)燈，發(fā)電廠就要供給足夠的用電量。要是送電量小于居民的用電量，家里的燈會(huì)忽暗忽明，這種狀態(tài)會(huì)對(duì)家用電器產(chǎn)生傷害。如果送電量和用電量之間的差距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致停電?！卑l(fā)電、電網(wǎng)和用電三者是相關(guān)的，這就要求對(duì)火力發(fā)電廠的開(kāi)停機(jī)次數(shù)進(jìn)行安排，其中就涉及到安全，“但是，之前我們還沒(méi)有將其與碳減排聯(lián)系起來(lái)。”

陳啟鑫和團(tuán)隊(duì)對(duì)原有的技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)、改造，“了解火力發(fā)電廠的碳排放，掌握影響兩者之間關(guān)系的各項(xiàng)因素?！敝螅悊Ⅵ瓮ㄟ^(guò)合適的數(shù)學(xué)方式和工具，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了軟件。從理論上分析，陳啟鑫認(rèn)為通過(guò)預(yù)測(cè)、優(yōu)化，可減少中國(guó)電力系統(tǒng)碳排放總量的5～10%，“這個(gè)數(shù)字很大，相當(dāng)于中國(guó)碳排放總量的2～4%，這個(gè)規(guī)模幾乎達(dá)到了法國(guó)一年的碳排放總量?！?/p>

近年來(lái)，陳啟鑫的軟件已在我國(guó)電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，“實(shí)際減少的碳排放量與理論上的減少量，兩者之間還是有差距的，但是，成效非常明顯?！逼瘢悊Ⅵ螆F(tuán)隊(duì)的軟件在河北、河南、山西、陜西、山東、江西、廣西、廣東、云南等十個(gè)省份二百個(gè)城市運(yùn)行，“僅在山東省，一年就節(jié)約成本3000多萬(wàn)美金（約2億人民幣），相當(dāng)于減少了24萬(wàn)噸的煤炭損耗（約60萬(wàn)噸碳排放）?！敝劣谄渌》菟鶆?chuàng)造的效益，“我們沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)，無(wú)法給出量化估計(jì)。但是，也達(dá)到了相似的效果?！?/p>

碳捕集

陳啟鑫的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是碳捕集技術(shù)。

火力發(fā)電廠排放的氣體，類(lèi)似于汽車(chē)排放的尾氣，“發(fā)電廠排放的氣體中大多數(shù)是氮?dú)?，剩下的是氧氣和二氧化碳。碳捕集技術(shù)就是把二氧化碳從混合氣體中單獨(dú)拿出來(lái)?！逼鋵?shí)，二氧化碳本身不算污染，只是它的排放會(huì)引起溫室效應(yīng)，導(dǎo)致了全球氣候變化。如何從混合氣體中單獨(dú)提出二氧化碳，陳啟鑫認(rèn)為有多種方法，“這里面涉及化學(xué)、材料工藝，比如通過(guò)加熱把二氧化碳逼出來(lái)，之后壓縮、儲(chǔ)存二氧化碳?！钡?，這并不是陳啟鑫的研究重點(diǎn)，“發(fā)電廠是一套系統(tǒng)，碳捕集是另一套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，會(huì)發(fā)生各種復(fù)雜關(guān)系。”這些關(guān)系就是陳啟鑫的研究重點(diǎn)。更確切地說(shuō)，如何提高火力發(fā)電廠的運(yùn)行效率、減少碳排放量仍是他的關(guān)注點(diǎn)。比如，從火力發(fā)電廠的排放氣體中提取二氧化碳需要消耗能源，“這個(gè)能源很大，占到發(fā)電廠發(fā)電量的近百分之二十。我不研究碳捕集技術(shù)本身，研究重點(diǎn)是它與發(fā)電廠之間的關(guān)系，借此提高發(fā)電廠的運(yùn)行效率?！?/p>

在碳捕集技術(shù)方面，陳啟鑫認(rèn)為，現(xiàn)在的研究工作大多都處于理論研究階段，他也不例外。但是，他看好碳捕集技術(shù)的前景，“理論上可以實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)70%的碳減排，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于中國(guó)碳排放總量的30%。目前，英國(guó)與歐盟已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策，規(guī)定2012年以后新建的燃煤發(fā)電廠必須具有碳捕集能力?！?/p>