能源4.0：产业能源互联网重塑中国经济结构

能源4.0战略的实施，将推动一个高效、绿色、共享、可持续发展、零边际成本、高效率时代的到来。 

本书是未来中国能源、环境、食品安全和经济结构等重大挑战的前瞻性、实证性、启发性论著。这本著作中，用能源4.0的理论作为工业4.0的原动力，引导未来中国完成城市化、工业化、城乡现代劳动保障体系进程；实现途径是以能源4.0产业能源互联网这一新系统，突破人类工业革命以来传统经济学的禁痼，全面释放（引爆）改革开放特别是近年来一系列经济政策和科学技术成果积聚的生产力，推动中国乃至世界经济走出低迷，开始新一轮效率优先、兼顾速度的新常态、新发展。本书可供政府部门、能源行业、互联网行业及金融行业的从业人员和高校相关的专业师生、研究人员参考。

顾为东，博士、教授，南京大学首席研究员，江苏省非并网风能与高载能工程实验室主任，江苏省宏观经济研究院院长。先后毕业于江苏大学和南京农业大学，获博士学位。

 

章 能源的历史沿革 / 1
节 工业1.0和工业2.0：从煤炭到石油 / 2
一、工业1.0：煤炭与蒸汽机 / 2
二、工业2.0：石油与内燃机 / 3
第二节 工业3.0：互联网与可再生能源大融合 / 4
一、第三次工业革命：新经济模式改变世界 / 4
二、制造业数字化革命与3D打印 / 5
第三节 工业4.0：互联网与能源协同化 / 11
一、工业4.0：德国国家战略 / 12
二、一个网络、两大主题、三项集成 / 14
三、智慧工厂与机器人 / 16
第二章 重塑世界经济结构：从工业4.0到能源4.0 / 28
节 能源是工业革命的基础 / 29
一、工业革命的动力来源 / 29
二、能源4.0的模式和超越 / 31
第二节 互联网是能源4.0的基础 / 32
一、产业能源互联网颠覆了传统电网供电模式 / 33
二、能源4.0的五大特征 / 34
第三节 能源4.0和产业能源互联网革命 / 36
一、改革：打破原有平衡，建立新的平衡 / 37
二、能源4.0：建立产业能源新平衡 / 39
第四节 工业4.0引发全球格局调整 / 42
一、美日工业4.0较量：工业互联网和人工智能 / 42
二、德日工业4.0比较：从历史到今天 / 48
三、中国工业4.0战略：“中国制造2025” / 55
第三章 能源理论体系 / 61
节 能源研究与社会变革 / 62
一、科学家成长记：梦想照进现实 / 62
二、永不停歇的追梦人：数十年如一日的研究历程 / 64
三、一脉相承理论体系：从非并网风电到能源4.0 / 68
第二节 我国能源现状和思考 / 73
一、全球风电发展的指数时代 / 73
二、中国风电快速发展背后隐藏危机 / 77
三、中国弃风限电现象的理性思考 / 89
第三节 当前困境和阻碍 / 94
一、能源结构和电网构造对煤的过度依赖 / 94
二、新能源发展对电网、经济和环境的负效益 / 97
三、产业层次对产业发展的路径依赖 / 99
第四章 能源4.0的智慧体现 / 101
节 认知诞生理论 / 102
一、构想：风能资源开发苏北滩涂 / 102
二、理论：走向世界的非并网风电系统 / 104
三、应用：非并网理论与海上风能开发 / 108
四、非并网风电在中国 / 111
五、非并网风电在美国 / 117
六、非并网风电在非洲 / 120
第二节 逻辑产生智慧 / 123
一、新理念催生新科技：智能供电系统特性 / 123
二、新科技催生新成果：智能供电系统开发 / 125
第三节 协同演化多元化 / 127
一、能源4.0的非并网多能源协同供电系统 / 127
二、能源4.0的智慧能源体系 / 128
第五章 能源平衡与构建高效零边际成本社会 / 132
节 传统电网适应能力遇到严重挑战 / 133
一、一个挑战：电网调峰能力严重不足 / 133
二、一个思路：开发大规模蓄能技术装备 / 136
第二节 高耗能产业浴火重生，用户侧管理成为新型蓄电池 / 137
一、华丽转身、用户侧管理：高耗能产业成为电网的大型
调峰电站 / 137
二、战略意义：高耗能产业功能升级推动供应侧改革 / 140
第三节 新型智能产业调峰与零边际成本时代的到来 / 147
一、能源4.0的“三个颠覆、两个重塑” / 147
二、产业能源互联网与零边际成本社会 / 149
三、创新要有文化基础，要形成学派 / 152
第六章 能源4.0时代，开放型经济放飞新梦想 / 155
节 突破美日TPP、TTIP、TISA全面竞争和扼制的利器 / 156
一、“修昔底德陷阱”下的中美关系 / 156
二、中美“惠国待遇”的十年较量 / 158
三、WTO框架下的中国国际化进程 / 161
四、加入WTO的成功要素：中美关系微妙变化 / 164
五、重返亚太：美国二次全球化的序幕 / 167
六、TPP、TTIP、TISA：对中国的连续扼制和制衡 / 168
七、中国对策：“一带一路”外部突破、练好内功，实现全球
价值链再分工 / 171
八、“一带一路”战略：中国已成净投资国，外部战略框架
必须重构 / 175
九、能源4.0战略：中国练好内功的关键 / 177
第二节 新35年改革构建开放型经济新机制 / 178
一、“大包干”星火燎原的启示 / 179
二、全面深化改革急需战略突破口 / 181
三、两个弊端转化为比较优势 / 183
四、能源4.0与工业4.0的协同、协调关系 / 185
五、能源4.0水滴石穿的作用 / 188
第三节 能源4.0，“一带一路”的路条和护身符 / 192
一、“一带一路”构建长效合作机制 / 193
二、“一带一路”的风险要素和风险规避 / 194
三、“一带一路”的能源互联互通战略和机制 / 195
四、“一带一路”背景下的产业能源互联网 / 199
第四节 能源4.0时代，雾霾将自生自灭 / 201
一、雾霾产生于中国能源现状 / 202
二、美国新能源：页岩气革命 / 203
三、能源4.0时代的雾霾将自生自灭 / 204
第七章 中国能源4.0塑造全球产业、能源新格局 / 206
节 智能供电大型铝电池零边际成本调峰电站 / 207
一、智能供电大型铝电池零边际成本调峰电站的新理念 / 207
二、经济效益、社会效益、环境效益三位一体 / 219
三、从实验室到产业化，从中国到世界 / 222
第二节 氯碱工业实现电网零边际成本调峰 / 225
一、氯碱工业零成本调峰原理和机制 / 225
二、真理易被勇于实践者所掌握 / 232
第三节 风生水起：海水淡化零边际成本与零排放 / 236
一、淡水危机困扰全球 / 236
二、取之不尽 用之不竭=风生水起 / 241
三、政府对新能源海水淡化的垂青和支持 / 256
四、非并网风能海水淡化一体化成套装备的实现和人类梦想 / 263
第四节 新能源汽车系统与零电费 / 268
一、零边际成本的高效智能供电制氢系统 / 269
二、新能源汽车与中国沿海氢能高速公路 / 277
三、新能源汽车将迎来零电费时代 / 290
第五节 绿色冶金清洁化 / 292
一、快速增长的产业与日益严重的污染 / 292
二、新思维推动产业绿色化、清洁化转型 / 295
第六节 城市污泥取暖制冷与污水回用 / 301
一、全球污泥、污水治理形势与趋势 / 301
二、湿式空气氧化法污泥处理工艺 / 308
三、污泥、污水和新能源智能一体化利用新系统 / 312
第七节 新能源嫁接传统能源与温室气体“零”排放 / 317
一、新能源 煤化工=绿色加工材料产业 / 317
二、开辟一条非石油的烯烃产业路线 / 336
第八节 城市牧场、城市粮仓与农业生物大革命 / 341
一、有机农业引领生态地球的重要基础：微生物工程 / 341
二、城镇化、人口增长与粮食安全 / 344
三、SCP，人类蛋白质的新来源 / 346
四、城市牧场、城市粮仓：新理念推动农业工业化大革命 / 353
后 记 / 361

2015年，中国政府实现经济增长6.9%，也就是说，中国经济进入发展新常态后，仍将保持较高速度增长。而随着“一带一路”和“亚投行”的成立，中国也将拥有一个国际化的大舞台，那么究竟是什么可以支撑起中国的新一轮发展呢？
首先，我们应该明白：按照目前中国的能源结构现状，中国经济的增长速度与能源消耗是成正比的。而长期以来，由于中国能源的过度消耗，已经给我们的环保带来很大压力，雾霾已经成为中国经济高速发展的副产品，并且非常深刻地影响到了人们生活的方方面面。
因此，在转变经济发展方式的同时，怎么样能够更加充分、健康地利用既有能源，也将是我们应该考虑的重大问题！
2015年，习近平总书记两次提及“能源革命”，将其与科技革命、产业革命并列为新一轮全球性的“革命”。总理也提出了“互联网 ”的崭新概念，这是一个经济与社会发展的大平台，在这个平台上将演绎一场波澜壮阔、大众创新、万众创业的现代史诗。因此，我们要充分利用 “互联网 ”这一概念，“互联网 ”的本质其实就是把互联网当成像水和电一样的基本工具。在这种思想指导下，笔者将自己的思考凝炼，提出第四次能源革命（产业能源互联网）的战略定位和理论思想，简称“能源4.0”。
令人欣慰的是，历史又给予了中国新的机会。在能源4.0方面，中国在基础理论研究和探索实践方面走在了世界前沿。随着第四次工业革命的到来，互联网化、协作化、智能化是世界工业发展的大势所趋，而中国能源事业的发展也在这一过程中找到了立足点，并且引领了世界能源事业的大方向。能源4.0是“互联网 ”这一指导思想在能源领域的重大应用，也可称为“智慧能源”。
该怎么认识能源4.0呢？
能源与工业是一对兄弟，我们先从世界工业史说起。
纵观人类历史上的工业革命，每一次工业革命均有重大的能源革命与之伴生，并成为推动工业革命的原动力。在18世纪中叶，人类开始大规模使用煤炭替代薪柴，实现了次能源革命，可称为能源1.0；它促使主要以煤炭为动力源的蒸汽机得以推广和普及，并促成了次工业革命，可称为工业1.0。到19世纪中后期，人类开始大规模使用石油，人类社会实现了第二次能源革命，即能源2.0，促使以石油为动力源的内燃机得以推广和普及，并促成了第二次工业革命，即工业2.0。进入21世纪以来，人类通过互联网技术与可再生能源融合，将分散式的新能源和可再生能源进行集中使用，人类社会进入能源3.0时代，由此掀起了第三次工业革命浪潮，即工业3.0。简言之，能源1.0，使煤炭和蒸汽机结合，促成了工业1.0；能源2.0，使石油和内燃机结合，促成了工业2.0；能源3.0，使互联网技术和可再生能源结合，促成了工业3.0。
如今，德国提出第四次工业革命，即工业4.0，它利用互联网信息技术与先进的精密机械工业相结合的手段，实现制造业向智能化转型。作为以智能制造为特征的工业4.0，必然需要可持续的绿色能源和节能、环保、低成本的基础材料做支撑。
我们知道，工业4.0的颠覆性在于“智能化”生产，这种智能依靠的是数据、运算和连接，实现了机器和材料、机器和机器、机器和产品的“无缝协作”，发挥了1 1远远大于2的综合性效应。那么不同性质的能源之间，是否可以通过互联网互通互联统一协作起来，并实现这种效应呢？就好像工业4.0并不是某种新设备、新机器的发明，而是整个工业系统在运作方面的升级一样，能源4.0并不在于某种“新能源”的开采和运用，而在于整个能源系统的升级！
这就如同在工业4.0时代，工厂需要直接对接消费者，随时按照消费者的要求进行生产，而在能源4.0时代，能源端也需要直接对接用户端，根据用户端的需求调节能源的供给。
无论是太阳能、风能、地热能，还是核能，每种能源都有它自己的优势和不足。如果能够通过一个调节系统将这些能源平衡起来，制衡能源彼此间的差异，这些能源的能量就能累加起综合效应，势必爆发一场能源大革命！这就是能源4.0！
移动互联网的去中心化、大数据的可预见性、互联网的无缝连接、云计算的超级运算等组合在一起，会将碎片化、多元化的能源组成一个“能源互联网”，其中互联网是“智慧能源”的基础，它利用先进的传感器和软件程序将能源生产端、传输端、消费端等数以亿计的设备连接起来，形成一个大能源生态系统。而大数据分析、云计算则使“智慧能源”具备了独立思考能力，它可以整合资源数据、环境数据、气象数据、电网数据、市场数据等，统一进行数据分析和运算，包括负荷运算、储备运算、转化运算、平衡运算，使能源系统成为一个有机整体。
能源4.0不仅实现了多种能源的累加综合效应，还实现了能源从消耗到产生之间的环环相扣。它将具备“智慧、协作、进化”的生命体特征，因此也就成为“智慧能源”。
对于能源4.0的提出，笔者在此想多用一些笔墨。人们常说“兴趣和爱好是好的老师”，我自小热爱科学，对科学充满憧憬，20世纪70年代在农村插队时克服重重困难进行了十余项科学实验，并于1978年获得江苏省政府“先进科技工作者”殊荣。“非并网风电”也是1980年我在家中做实验时，无意中发现的一种自然现象，即在特定条件下多种电流不仅可以共融而且互不干扰，当给予特定的信号源时可以实现按序输出电能的现象。当时我根据实验做的线路图，后经我国风电产业发展奠基人戴昌辉教授、农村能源（新能源）专家吴湘淦教授的指导，构建了多能源协同供电原理性模型，首次提出了“非并网风电”的概念。
当时确定其学术名称为“多能源协同”，但为了便于和“离网”、“并网”相区别及内在联系，就简称为“非并网”。经多年研究、宣传和实践，“多能源协同”已在全世界广为传播，成为目前分布式电源和智能微电网的理论基础。
1980—1986年，我先后在《中国风能》、《江苏工学院学报》、《太阳能学报》等刊物上发表论文。直至2006年3月25日，在清华大学原副校长倪维斗院士、钱易院士及电力电子实验室主任柴建云教授的支持、协调下，在清华大学电力电子实验室用现代化的设备仪器和严谨的科学方法，重新演示了1980年我在家中做的实验。实验过程中，倪维斗院士、柴建云教授等反复实验，重复实现、验证了多能源协同效果，实验报告认为：“该实验数据准确，方法科学，结果可信。非并网风电直接应用于高耗能产业是一个值得探讨的方向，可在此基础上进一步进行工业性中试。”
这次清华园的验证圆满成功，为发展具有中国特色的风电产业走出了一条创新之路，也为构建能源4.0—产业能源互联网理论奠定了基础。
非常庆幸，在2007年，我作为项目首席科学家承担了国家“973”计划“大规模非并网风电系统的基础研究”（2007CB210300），经过数十年的研究已经取得产业化成果，促使我国在宏观经济和能源科技发展的结合上，在能源4.0的战略框架下，对全球能源发展改革和经济结构调整开始思考，并将重塑我国乃至世界的经济结构！
能源4.0超越了以太阳能为核心的第三次能源革命的范畴，它构建了一个有机的高效、低成本、可持续、可调控的网络系统。一方面，能源4.0的核心是产业能源互联网，是互联网技术与智慧能源、智能电网、智能产业的结合，为工业4.0提供绿色、可持续的智慧能源和节能、环保的加工材料；另一方面，能源4.0为工业4.0提供清洁原材料，通过生产清洁产品，实现动态平衡生产，消除以传统能源实现工业4.0带来的“原罪”。
对于中国而言，当前经济与社会发展面临的国际、国内环境已比前35年改革开放时发生了根本性的变化，人口红利、环境红利和资源红利已基本消耗殆尽，这就要求我们在把握全球经济与社会发展的全局中，找准新一轮经济新常态发展的战略定位，并引领经济与社会的发展，顺利实现新常态。作为科研工作者，有责任为解决国家重大战略需求，为实现中华民族伟大复兴中国梦做出贡献。
在能源4.0时代，雾霾失去依附，将自生自灭。而研究能源4.0的价值和意义不仅在于对能源领域的认知，更在于其原理背后有深刻的生活原理，如如何协作、如何差异化、如何分配资源等，这将对我们今后的工作和生活起到一定的指导作用。
在这里还需要强调的是，我们的能源还可以利用“亚投行”进行融资生产，利用“一带一路”进行产能输出，这就把能源4.0上升到了国际战略！
中国人历来崇尚“和而不同”，只有“不同”才能产生“和”。但是在工业4.0之前，这种情况很难发生。因为大部分产品都是标准化产品，标准化产品的区别是等级之别，有高有低，有三六九等，产品的等级造成各种等级。在一个等级遍布的社会，其实是很难和谐的，但是工业4.0就会制造出各种“不同”。
同样，在能源4.0时代，各种能源也会彼此协作，依托互联网的连接和大数据、云计算的应用，形成一个由各种能源组成的能源生态体系。
在《周易》里，事物的境界是“群龙无首”。其实我们往往都把这个词曲解了，将其理解成混乱而没有带头人的局面。实际上这个词的意义是：一条条的龙首尾相接，在天上盘旋。既然是首尾相接，也就不再有前后之分，大家地位平等，只是位置不同，彼此协作但又没有等级。“群龙无首”被认为是大吉之相，但是需要经过前面曲折的过程才能实现，如“飞龙在天”指的是事物发展的鼎盛阶段，“亢龙有悔”指的是事物鼎盛之后的低调，后才是“群龙无首”的境界。
而能源4.0就是中国能源的境界！
能源4.0为我们建设低成本或零边际成本社会奠定了基础！
2014年年底，《第三次工业革命》的作者里夫金又出版了《零边际成本社会》一书，并在书中预言：“在分布式太阳能和风能等得到充分发展和利用的未来，人们可能可以像今天通过互联网近乎免费地生产和消费信息一样，借助能源互联网近乎免费地生产和消费能源。”
能源4.0让“零边际成本”由概念到实践脱颖而出。在这一系统中可供挖掘的大数据和可以共享的丰富资源，提供了近乎免费且充分多样化和个性化的商品和服务，能够降低边际成本，有时甚至接近于零边际成本。因此，我国广袤、高耗能的传统行业一旦插上移动互联网的翅膀，站在风口上的“猪”也会飞上天。
通过对新能源的革命研究，发现科技创新是实现