能源系统工程Energy Systems Engineering:

能源系统工程专业委员会是中国能源研究会的第一个专业委员会。

中国能源研究会的每一届理事长都是部长级官员,还有副总理曾培炎任顾问,可见这是国家的重要领域。

《能源与环境系统工程概论》一书定义能源系统工程是分析能源系统,通过对能源系统施行最优设计、最优规划、最优控制和最优管理,来创建满足经济发展所需要的系统。如此主要研究手段是能源模型。能源模型是用数学表达式来描述实际能源系统的结构及其变量间的相互关系,易于改变和控制能源系统中的参数和变量,对能源系统进行定量研究。能源系统工程是关于能源系统的预测、规划和管理的技术。能源系统是包括能源的开发、供应、转换、储备、调度、控制、管理、使用等环节的大系统。

能源系统与社会经济、交通运输、资源、科技发展等方面都有相互影响。能源系统工程是依靠数学控制论、数量经济学以及复杂网络系统等相关的专业学科,以定量的方法或定性与定量相结合的方法,研究世界、国家、地区、部门和企业等不同层次的能源的需求、供应、转换、节约和新技术开发,以及对能源政策进行评价等问题。能源问题在时间上存在着长周期特性,在空间上与周围环境有密切的关联,能源系统工程是解决能源开发和节能问题的重要方法。能源系统工程的主要研究手段是能源模型。能源模型是用数学表达式来描述实际能源系统的结构及其变量间的相互关系,易于改变和控制能源系统中的参数和变量,对能源系统进行定量研究。

发展历史:

20世纪4050年代开始应用数学方法来研究能源问题。1973年出现世界性的石油危机,人们开始认识到过度耗费能源的政策会带来严重后果,许多国家和国际软科学研究机构开始重视从能源系统的战略角度出发,应用系统工程方法来全面研究和评价未来能源的供需问题,希望提出相应的能源战略和政策。1974年美国布鲁克黑文国家实验室在能源系统网络图的基础上,应用线性规划方法首先提出国家能源模型(BESOM)1977年,美国又提出由国家能源模型、伊利诺伊大学的能源投入产出模型和赫德森-乔根森宏观经济模型联接组成的国家能源系统模型,用以预测未来的能源供需形势。1977年世界替代能源战略研究组经过 3年左右时间的研究提出全球能源系统模型(WAEA)。这个模型把世界划分成能源进口区和出口区,根据不同的世界经济发展速度、油价和能源政策等,用线性规划方法研究未来世界能源的供需形势和燃料替代战略。1978年世界能源大会提出世界能源模型(WEC),用预测方法对未来 40年的能源需求进行预测。国际应用系统分析研究所(IIASA)经过7年时间的研究,1981年发表了有一定影响的世界能源模型,用系统工程方法研究未来50年的世界能源形势,就未来替代能源系统的建立及其有关技术工艺、资金和时间等提出了分析意见。欧洲共同体委员会在1975年开始组建能源系统分析与建模的研究组织,并于1977年提出欧洲能源系统模型 (EEC),对欧洲共同体地区的未来能源供需协调进行预测。苏联在70年代也提出了由动态投入产出、能源系统优化、能源发展动态等模型组成的国家能源系统模型。中国能源系统工程研究始于1980年,先后采用了宏观经济模型、投入产出模型、计量经济模型、数学规划模型、投资分析模型、效应分析模型,以及由其中若干模型联合组成的能源系统模型,对中国未来能源形势和政策进行预测和分析评价。

能源系统网络图

能源系统网络图是表示能源系统的活动与关系的一种工具。它描述能源需求估计、能源转换工艺、燃料构成以及为了满足这些要求所需要的资源等,构成一个参考能源系统。它是描述一个国家或地区某一年的实际能源系统的几何模型。由能源系统网络图可以推导出最优能源结构和能源投入产出模型。最优能源结构:能源系统网络图中各个环节可以有多种不同的组合,每个环节由于所用设施和处理工艺不同而有不同的效率、费用和排污量。同一种能源需求,可以经过不同环节从不同资源取得能源,因此可以构成多目标线性规划模型。它的解是流过不同环节的能源量,称为一个国家或地区的最优能源结构。能源投入产出模型:能源系统网络图上各个环节可以分布在一个国家或地区的不同地点,各环节的活动又涉及交通运输、经营管理、计划分配、进出口贸易和技术革新等,所以能源系统是一个大系统,但又是国民经济的有机组成部分。通过能源投入产出模型可表示它与其他部门的关系。

能源需求预测:

能源系统模型的主要内容包括能源需求预测和能源供应预测两个方面。能源需求预测:如给定了预测期内一个国家的经济发展速度和人民生活水平提高速度,就可以用投入产出模型来预测一个国家在预测期内的能源需求量和能源构成。如果在预测期内一个国家的经济体制和技术水平没有突变,还可以用时间序列法、回归分析法和部门分析法进行能源预测。用一个国家的能源消费弹性系数也可推测未来的能源需求量。能源供应预测:用能源储量分析法、趋势预测法、能源系统分析法等对一个国家或地区的能源供应量的可能范围作出推测。

能源规划模型

用以选择能源战略和制订能源政策,并在此基础上提出能源开发和供应计划的逻辑框图或数学模型。能源规划按规划期长短可分为近期 (510)、中期(1020年)、长期(2050年)和远期(超过50年)数种。

能源数据库:

能源数据库是能源系统模型的基础。能源系统是变量多、关系复杂的大系统。它可能使用几万个甚至几十万个数据和变量,需要用到多种计算程序,还必须逐年增添统计数据,在一定时期还要根据条件的变化而修改某些参数。能源系统模型,特别是国家级能源模型一般都具有多种功能,可供预测、规划和政策分析之用。为了便于能源系统的分析运算,必须为各类能源模型配备能源数据库。能源数据库中存储的能源数据分为历史数据和技术数据两类。历史数据包括以往年度、季度和月度的能源统计数据。它们构成能源数据库的主要部分。此外还存储有关未来的能源预测数据。技术数据包括效率、安全性、污染等有关能源系统的各个工艺过程的信息。技术数据本身也可分为历史统计数据和未来的预测数据。

倪维斗院士,清华大学热能系