能源转型中的工业变革

能源转型是实现碳中和的关键因素，全球一半以上的温室气体排放来自能源行业，从历史维度看，能源转型与工业变革几乎是同步进行的。在人类历史上，工业生产曾经历了三次颠覆性变革。第一次工业革命发生在18 世纪末，蒸汽机进入了工厂，使得那些对体力要求最高和重复性最高的工作进一步机械化，极大提高生产率和降低生产成本，进而提高生活水平和工厂周边城市的发展。同时，蒸汽机也促进了印刷机和印刷术以及铁路的发展，人、物品和信息可以比以往更快地、更大范围地流动。第二次工业革命发生在19 世纪末，采用了从石油和天然气中提取电能作为动力的装配线，从而大大提高了生产效率，推动了规模化生产。第三次工业革命发生在20世纪70年代，电子信息和通信技术在制造业的应用推动了自动化和工程技术发展，进一步提高了生产力。

当前，工业生产正在经历另一个根本性的转变（Herrmann等，2014；Kang等，2016）。新一轮工业变革的愿景是推动工业生产的物理世界与信息技术的数字世界融合在一起，形成数字互联的工业生产系统。在全球不同地区，这一愿景以不同的名称引发热议，在德国，通常被称为工业4.0，而在美国，它被称为工业互联网、先进制造或数字制造。越来越多的国家和地区制定了应对新一轮工业变革的发展战略，如德国的工业4.0平台（Plattform Industrie 4.0），美国的工业互联网联盟（The Industrial Internet Consortium），其他很多国家也有类似的倡议，比如日本的产业价值链倡议（Industrial Value-Chain Initiative）、法国的未来商业（Usine du Futur）等。与以往不同的是，此次工业变革非常重视环境保护，提倡使用可再生能源。在净零目标下，工业变革要适应能源转型需求：一是实现能源结构调整，由化石能源向可再生能源转型，从能源生产、输送、转换和存储全面进行改造或者调整，形成新的能源体系，全面提升可再生能源利用率；二是加大电能替代及电气化改造力度，推行终端用能领域多能协同和能源综合梯级利用，推动工业节能减排，提升能效水平。

因此，当下的工业革新与可持续能源转型密切相关，两者都受到技术创新的高度影响，依赖于新的合适的基础设施和法规的发展，也是新商业模式的潜在推手。工业4.0的一个关键特征是制造过程的数字化。这种转变可以提供节能的机会。例如，通过优化算法来控制大量相互连接的机器人的行为，从而降低它们的能量消耗，通过最小化机器人的加速度，他们的能源消耗可以减少高达30%，而不增加整体生产时间。创新的数字技术也为取代传统的能源密集型制造流程提供了机会，如快速成型技术（Rapid Prototyping）。同时，一种更节能的生产模式是转换业务流程，实行精准客制化。整个产业链和价值链的数字化已经打开了与客户直接连接和整合用户体验的途径，在未来的产品或服务的开发中，通过客制化方式，按需定制的产品在技术上变得可行，为消除不必要的功能提供了机会，从而降低能耗。此外，结合可持续能源和工业4.0这两种趋势尤为重要，在将可持续能源概念纳入数字工厂方面有许多机会和潜力。其中一些方法可以归入能源储存的范畴，储能能力对于不稳定的能源系统非常重要，无论是为了能源供应的安全还是弹性。能源存储还有利于更有效地利用现有的基础设施，如通过储能减少峰值负载。对于生产中具有高热容量或以蒸汽为基础过程的一些行业，“电转热”技术对于消纳新能源及移峰填谷具有重要意义，它是指将多余的可再生能源转换成可以存储或直接使用的热能（如蒸汽），通过此方法暂时替代燃气加热过程，从而降低能源价格，提升能源利用率。与之相类似的方法是“电转气”技术，多余的可再生能源被用来生产天然气，最常见的是甲烷或氢气。一般来说，电转热的效率高于电转气，但后者的优势是它可以用于大规模存储，而且后期可以很容易地重新转化为电力。对于拥有氢基础设施的工厂来说，采用“电转气”技术可以是一个更适宜的应对双碳约束的选择。