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​未来城市的能源从哪里来,要怎么用|未来城市大哉问

2022-12-16 18:50

腾讯研究院&澎湃研究所&清华大学建筑学院龙瀛课题组


如果能源可以不受限——比如,人类从自然界获取能源的效率大幅提高,远远超过自身生存发展所需,那么,城市的运行方式一定会更奇妙。试想一下,跟随信息流的召唤,能源流可以任意倒腾折换,从发电装置到储能设备再到耗能电器,哪怕每个环节耗损九成以上,都可忽略不计。可用的能源总量无比巨大,人类社会将真正进入新的时代。

人类的能源需求永远在增长。创新和想象力都需要消耗更多能量。众所周知,化石能源形态稳定,燃烧利用最方便。但人们也认识到,这些有机物自远古沉积而来,如果在短短百余年内不加节制地燃烧殆尽,就会有大量二氧化碳排放到空中,加剧大气层中的温室效应,地表的温度随之变化,进而改变大气和水体的流向。倘若如此,人类最终或许也将无法呼吸,和地球上的其他生物一同归于沉寂,成为下个世代的化石。

要让多余的碳回归土地,而不是留在空中。这可视为“双碳”目标的题中之义,也是未来城市处理能源问题的大前提。如何不依赖化石能源,采用基于自然的风能、光能、生物质能等,这确是一项挑战。大自然风起云涌,有无穷的能量不断流转。关键在于,自然界中能量密度低、存在形式不稳定的能源,如何能为城市所采集、传输、存储和利用。    

在更远的未来,人类取用能源的瓶颈也许会彻底解决。比如,核聚变技术如果成熟,人类就相当于有了可控的太阳 。近期世界首次激光核聚变点火成功,但离投入应用还需几十年当下我们还不能以此为前提,对未来城市的远景做过分浪漫的畅想,而是需要考虑,在现有技术条件下,如何更好地开源和节流。

设计未来城市,并使其能够生长,就要思考和理解城市。针对有关城市的大问题,我们访谈了许多处在前沿的思考者和实践者,包括建筑与城市规划研究者、人文地理学者、技术史学者、互联网法学者、经济学者、公共管理学者、未来学家、政府决策咨询专家,以及从事城市服务的企业管理者,试图得到一些答案和线索,能够更好地前行。


智慧用能

站在能源的视角看,针对一座城市的方方面面,都做出精准预测,不仅没有必要,更重要的是做不到。智慧的技术必然消耗更多能量,在可预见的未来,能源系统无法支持这样的运算。也就是说,在微观层面,要想预测复杂系统的走向,消耗的能量将过于庞大。

具体而言,研究者指出,信息负荷自身能耗展现出动态复杂系统的“蝴蝶效应”,比如,通常移动终端每产生1个单位的信息,端到端能耗则至少增加10倍。在数据驱动方法中采用最恰当数据集(justenough),达到系统状态感知和优化控制,是未来信息能源领域中重要的研究课题。

不过,我们仍可立足当下,设想一座城市未来的生产生活将是怎样的,所匹配的又应当是怎样的能源系统。 

一座小城市未必一二三产业齐全,但必然存在相对高密度的集聚。以现有的能源结构而言,北京大学城市与环境学院教授吕斌认为,高密度的城市,无法单靠自身实现碳中和。尽管源头上使用清洁能源,能解决很大一部分问题,但最后还有20%左右的碳,需要通过节能减少。这就要构建城乡协同的社会生态共生系统,也就是说,城市并非独立存在,需要以都市圈或都市区为单元,进行城乡协同,通过乡村的农作物,来提供碳汇。

农作物的生态化种植,秸秆还田,让更多碳排放回到土壤,即可视为碳汇。在城市里,也可以促成这类闭环。尽管物质循环和能源流动,往往被分列不同学科体系之中加以审视,但在城市生产生活的终端,它们往往对应同一件事。比如,食物是人摄取能量的载体,而垃圾是新陈代谢的产物——何为物质,何为能量,无从区分;对应到城市之中,食物和垃圾,分别是家家户户的冰箱和垃圾桶,工业园区的食堂或资源回收处。也就是说,针对这些系统,可以采取一些办法,让物质当中的能量,向可持续造福人类的方向流动。

谷歌的sidewalk实验室此前对多伦多quayside的计划中,就有这类考虑。在当时的计划中,每栋楼的每一层,都有智能垃圾回收桶,鼓励居民环保地处理垃圾。如果所在楼层每个人都做得很好,一些节省下来的钱就发还给居民。如果整栋楼都做得很好,当月租金就会得到减免。这样的方案对民众有明显的吸引力。因为,当地每个人都知道,有意义地解决气候变化,是一件大事,即便生活成本高一些,只要能够实现社会目标,没有人会对这样的做法提出反对。碳排放的问题是被置于中心的。

另一方面,智能化也可对节能做出贡献。如前所述,相比传统的生产生活方式,智能化意味着,需要调动更多能源去计算。虽然计算工作本身耗能,但对整体流程而言,可以提高效率,节约时间和成本。这对应着减少了单位能耗。而如果面向节能的目标进行计算,也就是在运作过程中,进行能源的计量,就可能在整体上更为节能。

日本工程院院士沈振江对我们说到,日本的智慧城市建设,就是在绿色的基础上强调低碳,然后追求智慧的目标。比如,日本城市规划就是通过大数据,测度人的行为,根据1分钟中内人的行为,评估不同智慧技术条件下建筑节能的效果。更多考虑结合传感器,让能量浪费尽可能减少。一个简单的例子是,研究发现,空调每运行一小时,再关闭半小时,对人的身体感受影响较小。因此,可以通过智能控制空间来减少用电。


创新节流

低碳的线索贯穿在城市之中。让城市的运转与能源的流动更好地呼应。不但需要开发新的技术,还要让这些技术流转起来,在不同的条块网络中,相互激发出新的可能性。

比如,城市需要能够促成各种人群的交流,以及各种要素的流动。无论如何,交通工具必不可少。基于电池技术的发展,我们可以把电动车当作移动的储能设施,而不只是消耗电力的出行工具。有需要的时候,这些电动车能反向向电网输电,辅助调节电网负荷。这也能减少能源在转化中的效率损失。这种分布式的储能模式,可视为在能源系统、交通系统和城市空间之间搭建连接,会更好地适应未来城市的需求。

让能源在用户侧响应,针对实时需求削峰填谷,也是虚拟电厂的意图所在。在未来的城市中,居民也许可以选择不同供电商,电价根据一系列指标波动,以智能的手段去进行识别和选择,谁发电就要谁的电,有需求就给出价格信号,保证高峰期消纳掉电网中的负荷。

规模大小直接决定了运算量是否可行。现在的技术水平,更适合可自封闭型技术系统的模拟、运转和调控。针对当下能源流与智能技术的应用,清华大学建筑学院教授尹稚,对我们举出智慧社区中全感知和自动调控的封闭技术系统的例子。他介绍说,浙江智能电网在社区尺度上做了一个实验平台。其中包含传统能源、新能源等多种能量来源,根据与碳相关的指标,可实现每十五分钟更新一次,高碳的部分调控为高电价,针对实时需求,进行反馈与智能调控。这样一来,会改变人们的用电习惯。而这一类的全智能化管控,在很多示范性小区都有所实现。 

数据中心也是消耗能源的重要部门,当下很多时候不得不使用化石能源来满足消耗。这方面的节流手段,需要更多地考虑基于自然的方法。这与建筑物里的机房类似。机房需要散热降温,建在冷的地方,增加对流,可以省掉一些冷却用电。当下的一种创新策略,是采用液冷手段降温,让服务器浸入水底。微软把数据中心放到海底,facebook将数据中心靠近北极圈,都是这方面的考虑。虽然技术成本高,但耗能极低,辅助设备用能极少。中国一些地方和部门也有相应举措


人的意识

对于能源问题,我们关注的一大部分是碳排。如果不使用化石能源,就可以不用计算排放。碳捕捉技术(ccus)未来可期,但目前尚不能过分乐观。因为,虽然已有示范项目,但还缺乏足够的经济性,只适用于特殊条件。

也许,还是要回归到人的意识上。信息流与能源流,最终作用于人。碳账户更大的作用,并不是少排放这一点点碳,而是让人更多地去看到和意识到自己的行为对城市、对地球的影响。 

科幻作家陈楸帆最近写的一本书《零碳中国》,正是写给小朋友的。书中的主人公从当下污染相对严重、面对极大挑战的年代,去到2060年,进而看到,未来人们用怎样的技术和机制,去实现碳中和。

陈楸帆把对未来社会的设想,写入中国承诺当年碳达峰的时点。陈楸帆说到,在那个时候,应该已经有了一种机制,让人们在做每个消费决策时,能直观看到所产生的碳排放,进而可以自主选择更为低碳的方式,比如一个不同的包装材料,又比如骑车、走路或坐公共交通,而不是开私家车,等等。就是这样一些赋能的方式,令城市中的人最终可以理解,要做什么样的努力,维持这样可持续发展的社会。

陈楸帆说到,能源是最后的问题,也是解决包括地缘政治等很多问题的核心。但长期而言,还是需要更多科技上的突破,包括材料科学——如果能够维持低廉的成本,又能以某种方式降低对环境的影响,那就会是革命性的发明。

这也恰如深圳大学建筑与城市规划学院研究员张宇星所说,宏观架构不确定性更大,微观规则策略有更大的灵活性,反而有可能改变未来。因此,改变未来的可能是一些颗粒状的小事情,而非宏大的理想。

或许,我们不妨就从这里开始,让市民在日常的生活中,能够广泛应用普遍的碳积分计算,并与城市系统的其他部分相互作用,进而让人更直接地感受到自身与自然、与环境的联系。未来城市处理能源问题,这应该是第一步,也是最根本的一步。也许游戏也是一个重要的入口。

(澎湃新闻记者 王昀 执笔)



wecityx团队总结:
风光发电和储能技术,成本上已与传统化石能源发电方式相当,而中国的大规模生产和应用对此贡献巨大。在全球能源短缺和双碳战略背景下,能源革命进程将继续加速。能源,尤其是分布式可再生能源的应用,可能是未来改变城市形态最重要的因素,数字技术的连接和调控能力,将在这个过程中扮演不可替代的作用。一张新的能源互联网正在展开,同时会改变建筑、交通等系统的形态。在技术进步的同时,每个人的意识和参与更为重要。从主动节能到低碳生活,进而成为能源的生产者和调控者,您准备好了么?

吕斌 中国城市规划学会副理事长、北京大学城市与环境学院教授

沈振江 日本工程院院士,日本国立金泽大学教授,博士生导师
张宇星 深圳大学建筑与城市规划学院研究员,本原设计研究中心副主任,趣城工作室(arcity office)创始人兼主持设计师,深圳“趣城计划”和深港城市/建筑双城双年展发起人之一
陈楸帆 科幻作家、中国作家协会科幻文学委员会副主任
尹稚 中国城市规划学会副理事长,清华大学建筑学院教授,清华大学城市治理与可持续发展研究院执行院长

未来城市大哉问:


  发起:腾讯研究院

出品:腾讯研究院 澎湃研究所 清华大学建筑学院龙瀛课题组
wecityx特约观察:澎湃研究所
访谈执行: 刘琼 李瑞龙 窦淼磊 王鹏 刘莫闲 徐一平 张翼 李孜 王昀 龙瀛 张炜仑 李伟健 张恩嘉
视觉设计:帝都绘
插画:耿乐彤 罗渣
媒体支持:澎湃新闻、腾讯新闻、北京城市实验室bcl、国匠城、一览众山小——可持续城市与交通、全球知识雷锋、city 、爱范儿
社区支持:广宇宙


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