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解决之道，始于城市

虽然城市只占地球表面积很小一部分，但却消耗了全世界大约三分之二的能源，排放了**大约三分之二的温室气体。因此，要寻找应对气候变化和自然资源日益**等问题的解决方案，城市的作用十分关键。焦点在于节能增效技术。

城市是人类文明的摇篮。无论是在美索不达米亚、罗马帝国、古埃及还是在中国，城市始终是文化、贸易、艺术、手工艺和人类进步的缩影。

然而，从古至今，人类的生活格局已发生了巨大变化。200年前，全世界只有3%的人口居住在城市。现如今全世界一半以上的人——**过35亿——在城市生活。

目前，世界较大的600座城市创造了**一半左右的经济产值。相应地，城市消耗的能源约占**总量的三分之二，排放的温室气体约占**总量的70%——尽管它们只占地球表面积的2%。

因此，在寻求解决当今较紧迫的问题——尤其是气候变化问题以及自然资源日益**问题——的解决方案时，我们必须首先从城市着手。由于城市人口密度非常之大，因此，提升城市发电、配电效率以及市区建筑与交通系统的用电效率的潜力巨大。也就是说，确保人类未来发展的关键在于人类文明的发祥地——城市。

令人欣慰的是，许多城市开始勇敢地承担这一重任，正在采取措施减轻其环境影响。在这方面，走在**的是哥本哈根和墨尔本。丹麦首都哥本哈根计划在2025年之前将二氧化碳净排量降低为零，而澳大利亚*二大城市墨尔本也希望在2020年之前达到相同的减排目标。下面的例子阐明了为实现上述减排目标可采取的各种措施：

清洁能源。据西门子估算，从现在到2030年，**电力需求将增长三分之二左右，在此期间，预计将新建总装机容量为70亿千瓦的发电厂，其中三分之一以上将使用不含碳的可再生能源，比如风能、水电与太阳能，但燃煤和燃气电站等传统发电厂仍占该装机总量的45%左右。也就是说，今后20年内，采用化石燃料的发电厂的装机容量将增加50%左右。这种增长将主要发生在亚洲和美国，因为这两个地区目前正在大力发展更加高效的燃气发电，其中部分电厂将采用西门子的技术。

今后数年内，燃煤发电，尤其是现有发电厂，仍将是**电力生产行业的主力。过去五年来，尽管**新建了总装机容量为3.5亿千瓦的先进燃煤发电厂，但**传统燃煤发电厂的总装机容量**过16亿千瓦，其中很大一部分为服役时间较长的老电厂。比如，在俄罗斯，80%以上的燃煤发电厂服役期在20年以上，其中部分发电厂的发电效率只有23%。也就是说，这些发电厂每发一度电的二氧化碳排放量是发电效率在45%以上的现代化发电厂的两倍。

如果能对**各地数以千计采用化石燃料的发电厂进行现代化改造，其效率可增加若干个百分点。这还可大幅降低它们的二氧化碳排量，从而有助于保护气候。此外，现代化改造还可降低发电厂的运营成本、延长其使用寿命、增强其综合竞争力。

常驻佛罗里达州奥兰多市、负责协调西门子能源**服务业务的Steve Welhoelter指出，“仅在美国，2000年以来对100多台蒸汽轮机进行的升级改造，每年可减排2000万吨二氧化碳。”

对清洁能源发电而言，另一个至关重要的因素是大幅增加可再生能源资源的使用量。比如，预计到2050年，土耳其的人口总量将从目前的7500**增至9500**，同期，该国能源耗用量预计也将大幅增长。为了减轻对于进口天然气的依赖，该国计划对电力行业进行结构调整，尤其是促进本国优势能源（比如风能）的开发和利用。自2008年以来，土耳其的风电装机容量增长了十倍，达到350万千瓦。

低损耗输配电。然而，可再生能源使用量的大幅增加，还将为**能源体系带来新的挑战。

与通常建在靠近能源需求中心的传统发电厂不同的是，使用可再生能源的发电厂通常建在替代能源储量比较丰富的地方。也就是说，太阳能电站一般建在阳光充足的地区，而风电场则建在高原或海上，因此，需要建设更多的远距离输电线路。

比如在中国，由西门子提供设备的一条高压直流（HVDC）输电线路，以仅仅百分之几的损耗，将零碳水电输送到1500公里以外的东南沿海地区。传统交流输电线路的输电损耗是直流输电线路的两三倍。

此外，其他国家也在采用西门子设备建设类似的高压直流输电系统，比如英格兰和苏格兰之间以及西班牙与法国之间的输电线路等。印度也在采用西门子设备建设新的输电线路。印度电网运行质量非常差，通常无法将电能输送至真正有需要的用户。从蒙德拉到Mahendragarh城的输电线路长约1000公里，几乎没有任何电能损耗。依照《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC），这条线路所采用的西门子输电技术已被认定为可以选择绿色技术。该输电线路可为**过100万印度住户输送充足的电力。

优化能源使用。确保能源供应安全的较可靠和较环保的方式是减少能源耗用量。在城市，这一点尤其适用于建筑物。城市建筑物的耗能量占**总耗量的40%，而且城市建筑物因使用电能和热能而排放的温室气体约占**排放总量的20%。采用能效较高的照明系统、空调系统、IT系统与安防系统，能够将城市建筑物的能源需求量减少30到40%。

工业设施是另一个耗能大户。在这里，采用可降低能源需求的智能化解决方案同样至关重要。由于能源价格不断上涨，采用这类解决方案可为企业节约大量成本，从而增强其竞争力。以汽车行业为例，它的主要目标之一是降低工厂的基础用电负荷。设在奥地利林茨的西门子工业能源管理系统公司的负责人Rudolf Traxler解释说：“即使是没有生产的停工日，汽车厂的能源需求也非常高，通常相当于正常工作日的30%。”装有大量传感器的西门子尖端能源管理系统，可展示一幅更加清晰的能源需求图景，并将标出能够节约成本的环节。比如，设在奥地利斯泰尔市的宝马汽车发动机车间在停工期的基础用电负荷已从8000千瓦降至5000千瓦。

所有这些例子都表明，采用现有的技术，我们已可提出众多节能减排方案。联合国环境规划署（UNEP）较新发布的气候报告显示，自2000年以来，**温室气体排量已增加20%左右。尽管如此，联合国环境规划署执行主任阿希姆?施泰纳在2012年底召开的卡塔尔联合国气候变化大会（COP18）上仍然认为，在国际层面上，采取果断行动能够改变一切：“2006年时谁会想到，我们有能力将全世界可再生能源的占比从当时不到4%的水平增加到目前的20%？”

取得上述进步的关键在于相关国家、城市和行业能够让气候保护与其自身利益协调一致。这也是西门子多年来遵循的、取得了巨大成功的战略。2012财年，西门子环保相关业务组合的高效技术与解决方案为公司创造了332亿欧元的营收，同期使用上述技术和解决方案的西门子客户减排了大约3.32亿吨二氧化碳，大致相当于德国2010年二氧化碳总排量的41%。

换言之，西门子的环保业务树立了又一个环境效益和经济效益兼收的**。但是，人类仍面临着一个重大挑战。由于世界人口快速增长、经济日益繁荣、对自然资源的需求不断增长，我们能否在21世纪做到可持续发展？我们的城市必须首先作答。而且城市对这一问题的答案将决定它们能否继续成为人类发展的光辉榜样。

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如何模拟智能电网

开发面向未来智能电网的技术，研究工作仍任重道远。西门子*研究院的工程师们正在设计相应软件，以期在电力网络中整合各类分布式发电厂。

未来的电网将如何处理来自为数众多的太阳能电站和风电场的波动电量？实事求是的说，无人知晓这个问题的答案。未来电网面临的主要问题包括价格的不确定性和供需的多变性。不过西门子*研究院的Christian Glomb开发的一款软件对于解决这些问题可能会有所助益。Glomb的软件可对智能电网作为输电网络和通信网络的容量进行模拟。该项目是西门子对“2020软件平台嵌入式系统”（SPES）的贡献。SPES是德国联邦教育与研究部拨款开展的项目，在该项目中，西门子负责模拟德国锡根的一个虚拟智能电网。SPES的初衷是为嵌入式系统开发程序，例如可以安装在设备中并用于管理交通系统或电网的控制软件。

该软件以常规电网模拟为基础，增加了系统组件之间的通信模拟和系统控制功能模拟功能。它囊括电网正常稳定运行所需的所有重要组件和程序。例如，由于通信网络可能是容易出现问题的薄弱环节，那么尽量加强系统在这方面的可靠性就十分重要。

利用关于输电和通信网络、发电厂和电力用户的数据，软件可以预测系统组件的行为。举例而言，在天气晴朗的星期日，光伏电站的发电量会很高，但是企业基本不用电，这种情况下软件可以识别电压何时**过上限，何时需要启动调压变压器来缓冲电涌。“在系统操作之前，软件可以告诉我们系统的预期行为。”Glomb表示。

模拟并未细化到电器，尽管这并非不可行。该软件假设家庭或企业连网点的整体负载曲线。否则，将无法驾驭控制功能的复杂性。Glomb用了一年时间来编写基本模拟程序，随后又用几周时间来构建具体的电网模型。Glomb和维也纳的西门子同事初期构建了奥地利Eberstalzell智能电网的模型。按计划，该电网将于2013年投入运行，它包含150到200个连网点，多达70个光伏电站以及大约同等数量的电动汽车。该模拟软件还可以用于模拟包含数千个连网点的大型电网。

若说到智能电网技术，Wildpoldsried已然率先步入未来。利用光伏、风电和生物质发电设施，这个风景秀丽的德国南部小镇可以生产出三倍于自身需求的电力。在一个名为IRENE的项目中，当地电力公司Allg?uer überlandwerke（AüW）和西门子正在探索智能电网如何应对大量的可再生能源并网发电。AüW技术总监Michael Fiedeldey表示，为迎接新能源时代的到来，智能电网必须提升智能化水平。他呼吁，“与其多建电网，不如发展智能技术。”这不仅可以节省建设新的输电线路的高昂成本，而且还将为AüW带来新的服务商机，开辟新的创收渠道。

该现场试验的核心是西门子开发的一套智能软件系统。这款能源自动化系统叫做SoEasy，它可以创建一个虚拟市场，这样生物质发电厂和光伏电站的运营商可将电力出售给中间商。在IRENE项目中，AüW便是这个中间商。该项目的重点是分布式电厂与电动车并网。系统将优化并网能源（电能、热能和天然气）存储设施的管理，从而避免电网高峰或过载。

SoEasy借助软件代理运作，它们可作为经纪人，自动交易电量和确定价格。目前有以下几种代理：

PEA（个人能源代理）：无论是电力生产者，还是电力用户，连入智能电网的每个设施都将配备这个小装备。它内置一台计算机，并配备与设施通信的接口以及互联网接口。电厂运营商可以通过计算机*电力所有者希望出售的电量、出售时间以及能接受的较低电价。PEA每15分钟（也可以设置其他时间间隔）利用Balance Master（平衡仪）进行一次电力交易，并确定价格。

Balance Master（平衡仪）：此软件代理安装在电力公司，它可以根据电网的需求决定接受适当的PEA报价，避免电网中出现供不应求的状况。对于与PEA相连的电厂，关于其技术运作和定价策略的详细信息并不会被提供给Balance Master，此类信息仍然掌握在电厂运营商的手中。根据规则，系统可以规划未来24小时的交易，但也可以设定更短的周期来参与即日市场交易。

Area Administrator（区域管理员）：此代理可帮助电网运营商维护网络的稳定性。只有当电压**出上**，该软件才会进行干预。例如，如果有过多的太阳能电力上网，Area Administrator可以通过向其PEA发送命令调整从其他渠道送入的电量，或者调整配电变压器的变压比。**套Area Administrator即将在Wildpoldsried投入使用。

NTA（网络传输代理）：此代理集中收集来自电厂、电表和电网的数据，并在网络运营商的控制室中以可视形式显示这些数据。NAT将这些信息提供给Area Administrator，以便其判断是否需要进行干预。同时，这些信息还将提供给Balance Master，后者据此决定应接受哪份报价才不会致使电网过载。

Energy Police（能源警察）：此代理可确保市场参与方遵循所有的协议，电厂运营商提供其个人能源代理承诺的电能，不得非法私自缩减供应。

“IRENE项目的软件代理并不进行真金白银的交易。”西门子*研究院工程师Michael Metzger博士介绍道。Metzger在该系统的研发过程中发挥了重要作用。“从技术角度上讲，SoEasy能够支持数十万家电厂并网，所以将来它应该可以用于真正的电力市场交易。”

Metzger正与西门子智能电网集团的同事合作，将现场试验的功能与组件转化为西门子的产品和服务。比如，IRENE的某些组件已在其他成功案例中得以应用，其中包括丹麦波尔霍尔姆岛上的一个项目。与此同时，IRENE还利用了西门子*研究院其他研究项目的技术成果。例如，德国Harz地区的一个类似项目便提供了可以集成和自动实现通信协议的模块。

在Harz项目中，西门子*研究院的研究人员正在对一个叫做“电力桥”的迷你盒子进行试验。电力桥可以充当一个通信接口，用来支持电网与各类独立的分布式发电厂和电力用户之间的通信。支持的对象包括热电联产厂、燃料电池和游泳池等。但凡是电厂向电网送电的地方，以及可以通过开闭蓄能设施或电力负荷来稳定电网的地方，都有电力桥的用武之地。这些设施可以自动登录到智能电网。“我们借鉴了互联网服务提供商的做法，他们利用自动配置DSL路由器来实现这一点。”嵌入式网络研究小组组长J?rg Heuer表示。

电力桥有两个接口：一个面向电力生产商或电力用户，另一个面向公共电网。电厂运营商告知特定电力桥自身是否有额外的发电量或电力需求。然后，这些数据以所有电厂通用的数据模型形式传输至控制中心。控制中心再通知相应电力桥自身希望接受的额外产量或需求量。电力桥不会收到有关电厂运营商如何完成此订单的相应生产过程的信息。此外，电力桥同样不会了解到电厂运营商的实际运营情况，包括任何仪表数据，也不会了解到运营商的成本计算方式。电力桥也不会成为电厂的直接控制者。相反，它相当于一个网关，可以保护电厂详细运营信息及运营安全，防止外界看到这些信息，同时又可以作为运营商的市场工具，帮助其把当前发电量投向市场。