新冠病毒大流行下能源和人工智能技术发展的危机与机遇

  全球新冠病毒大流行不仅严重威胁着人们的生命和健康，同时也非常大程度上改变了这样一个世界的运行轨迹。大量国家停摆绝大多数社会活动，要求居民居家隔离，以阻断病毒的传播，但也不可避免的造成了全球经济的停滞甚至衰退。能源消耗量往往被视为经济发展的晴雨表，经济的衰退也造成能源需求量的大幅度减少，能源应用以及能源技术发展也都面临新的挑战。此外，近十余年来火热的人工智能技术，已经推动了所有的领域，产生了革命性的创新。本文旨在讨论在新冠病毒大流行背景下，未来能源和人工智能技术发展所面临的危机与机遇。

  在新冠病毒大流行下，大部分居民主动或被动的居家隔离，大量社会和生产活动暂停甚至倒退，这直接引发了能源供应和使用发生变化。

  2020年一季度，中国全社会用电量同比下降4.2%。从各行业贡献来看，第一(农业)、第二(制造业)、第三(服务业)产业分别增长4%、下降3.1%和下降19.8%，城镇和乡村居民家庭用电量增长5.3%。在大流行期间，人们外出餐饮和娱乐消费大幅度降低，因此第三产业的能源消耗量降幅最大。居家隔离的生活也使得家庭用电量有所上升。

  电力需求的急剧变化直接考验着国家和地区电网的应变能力，而这一能力与电力供应的能源结构直接相关。

  图1显示了2019年印度、中国和德国的电力供应的能源结构。印度四分之三的电力来自煤炭。电力需求的下降直接引发了电厂煤炭使用量的减少。自疫情爆发以来，印度的电力需求下降了30%，导致其煤炭行业面临着严重的问题，许多客户已经拒绝接受供应和支付。中国也面临着类似的情况，因为电力结构中的煤炭占比同样很大。据中国国家统计局数据显示，2020年3月，全国发电量同比下降4.6%，而火电发电量同比下降7.5%。

  除电力外，由于全球制造业和运输业的衰退，新冠病毒大流行还导致石油消费的急剧下降。国际能源署在3月份预计，大流行病期间全球每日石油消耗量将减少250万桶；尽管从长久来看，石油需求预测仍将增加。然而到了4月份，此时全世界疫情较3月更为严峻，国际能源署预计到2020年，除可再次生产的能源外，全球对所有燃料的需求都将出现过去十年来最大的降幅。石油年需求预计将下降9%，这将导致石油消费水平与2012年的水平相当。加之主要石油生产国在大流行初期拒绝减产，导致了国际石油价格大大下跌。西德克萨斯中质原油(WTI)价格从2019年的每桶60美元跌至现在的10-30美元。油价的剧烈波动也给美国、沙特阿拉伯、俄罗斯等产油国造成沉重的打击。新冠病毒大流行将推动全球油气市场由卖方市场向买方市场转变。石油买方的优势将逐步增强，石油和天然气的政治和垄断属性将会削弱。

  世界对煤炭发电的依赖越来越低，而可再次生产的能源可能是这次能源需求历史性下降的唯一赢家。疫情期间，中国积极推动能源供应多元化和本地化。2020年3月，不同于与火电发电量的下降，中国风能和太阳能发电量同比分别增长18.1%和8.6%。英国的能源供应也在经历类似的转变。即使在疫情爆发前，英国的煤炭消耗量已经持续下降。新冠病毒大流行的爆发和温暖的气候共同导致了全英国长达三周的无煤发电。与此同时，可再次生产的能源发电量也创历史上最新的记录。而印度也在积极部署更多的太阳能和水力发电站。

  能源消耗的减少也明显降低了碳排放和空气污染。在2020年2月和3月，中国碳排放预计下降了18%，还在于制造业和运输业的煤炭和燃料消耗会降低。美国国家航空航天局和欧洲航天局发布的卫星图像也显示，自新冠病毒大流行爆发以来，欧洲、美国、中国等地区的氮氧化物和其他空气污染物水平显著下降。但也有学者提出，大流行期间碳排放和污染的减少只是暂时的，在大流行结束后，坏因会迅速反弹。然而这些积极的环境变化仍然可以让我们考虑。减少传统化石能源的使用对改善环境、保障人类的可持续发展至关重要。因此当下正是倡导发展清洁和可再次生产的能源的最佳时机。

  在经济萧条的背景下，发展可再次生产的能源基础设施也被许多国家政府视为大流行后复苏经济的重要发展点。经济复苏也将成为推广可再次生产的能源的又一推动力。作为首个控制住疫情并推动复工复产的国家，中国政府于4月发布了《四部委关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，以鼓励电动汽车进一步商业化和推广使用。国家电网公司也在4月份启动了新一轮充电桩建设，计划部署7.8万个充电桩，将直接带动相关行业的复苏。欧盟还将绿色转型纳入其新冠病毒大流行后的刺激计划，增加光伏发电的应用。以色列政府计划投资71亿美元进行新一轮能源和水基础设施建设，以促进经济从疫情的影响中复苏，其中18亿美元计划用于部署光伏发电设施。

  通过全力发展可再次生产的能源，提高能源多样性，有利于保证国家能源安全，实现人类可持续发展。但与火电和核电相比较，可再次生产的能源在发电方面存在更强的不稳定性，特别是风电和光伏发电，这不仅使电源系统承受了相当大的压力，而且可再次生产的能源发电时间与电力需求往往不同步。因此，在电力结构中，可再次生产的能源占比过高不利于能源安全。

  以德国为例，2019年德国电力结构中可再次生产的能源占比达46%。2019年夏季，欧洲持续高温导致用电量大幅度的增加，而在6月的三天里，德国电网几乎停电。德国冬季的能源消耗量也特别高，而在最近一段时间内由于风的不确定性和阳光的输入不足，导致风力涡轮机和光伏发电系统难以提供足够的电力。也正因为供需的不平衡，德国的电价一度飙升至欧洲最高水平。

  可再次生产的能源发电对天气的依赖性使其难以用于输运和供热。特别是当一个国家或地区遭受突发性灾害，比如当前的新冠病毒大流行。过度依赖可再生能源可能没办法保证能源和电力的稳定供应，进而造成更大的灾难。因此，在发展可再次生产的能源和提升能源多样性的同时，保障能源安全和能源供应稳定性亦十分重要。目前，可以在电力结构中保持化石能源或者核能的恰当配比，当风速或者光照下降时，化石能源或者核能随便什么时间都能介入。今后，化石能源发电比例逐步降低，发展以可再生资源为基础的储能基础设施将成为保障能源供应稳定的主流方式，特别是在发生突发事件的情况下。

  图2显示了当前主流的储能技术。储能技术具有跨电网不同组件提供特定能源服务的能力，很适合应对未来智能电网的快速响应，来提升电网的可靠性和弹性。

  为了电力系统的平衡，配备储能电站将是未来的发展的新趋势。在2015年的《中国制造2025》中，储能技术被视为一项重要的发展技术。国家发改委多次发表推广储能技术的指导意见：“顺应能源分布式、智能化发展的新趋势，推进新能源生产服务与设备制造协同发展。推广智能发电、智慧用能设备系统，推动能源高效管理和交易。发展分布式储能服务，实现储能设施混合配置、高效管理、友好并网。加强工业设施、智能家电等用电大数据分析，优化设计，降低能耗。推动氢能产业创新、集聚发展，完善氢能制备、储运、加注等设施和服务”。

  2020年3月27日，湖南能源监管办提出要求逐步加强可再次生产的能源消纳工作。到4月15日，在此期间，湖南的抽水蓄能电站和电池储能电站分别提供了5.2亿千瓦时和1500万千瓦时的新能源消纳空间。在湖南的最新政策中，风电项目被要求配置比例为20%的储能设备。

  2016年，美国白宫发布了30多项行政行动和私营部门承诺，这会导致至少增加1.3吉瓦的储能采购。在新冠病毒大流行期间，分布式太阳能发电装置和储能设备被美国加州认为是必不可少的基本服务。这些分布式电力设备和储能装置在疫情中为居民提供维持住所必要的电力供应。在可再次生产的能源发电增长背景下，储能部署将会继续获得指数级增长。

  在能源领域，AI已经逐渐融入到各个角落。这些运用主要可大致分为以下三种类型。

  人工智能用于管理设备，包括设备使用的过程中的控制、故障检测和诊断等。例如，2020年1月25日至2月18日，在新冠病毒大流行最严重的湖北省，国家电网利用大数据确定故障点，提前筹备抢修准备，供电抢修平均节约30分钟。人工智能技术在人力资源方面节省了大量资金，提高了紧急修复效率，降低了个人感染的风险。

  人工智能用于预测未来一段时间的能源需求。根据时间间隔，负荷预测一般可分为三类：长期负荷预测（未来一至十年）、中期负荷预测（未来一个月至一年）和短期负荷预测（未来一小时到一天或一周）。这些预测结果可分别用于电力系统的长期规划、电力系统的高效运行维护和电力系统调度。例如，中国多地电网公司上线准确率高的人工智能负荷预测管理系统，利用预测值便可动态调控电力生产和分配。各地电网公司还利用电力使用的大数据来预估居民和企业的复工复产率，并动态调控电价以减免企业的电费。

  人工智能用于预测可再次生产的能源发电量。如上文所述，风能和太阳能发电存在较强的不稳定性，利用人工智能技术预测其未来一段时间的发电量或发电量变化，进而提高整个电力系统的稳定性和安全性。

  新冠病毒大流行已经并将持续影响能源利用、市场和技术。这一流行病尽管对人类社会造成了严重破坏，但它也将促进可再次生产的能源的迅速崛起和人类社会的可持续发展。可再次生产的能源基础设施的建设也将加快后大流行世界的经济复苏。在以可再次生产的能源为主的框架下，建设大型分布式储能基础设施将成为保障能源供应安全的主要手段。人工智能技术也将通过使能源更加清洁、高效和智能的方式，来协助能源领域未来的发展。

  王博文（天津大学），杨子俊（天津大学），宣晋（副主编，拉夫堡大学），焦魁（副主编，天津大学）

  国际学术期刊 Energy and AI （《能源与人工智能》）由天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室联合国际知名学术出版社爱思唯尔Elsevier创办，致力于提供一个快速权威的学术交流和发表平台，传播和促进AI在能源领域应用的最新进展。本期刊聚焦于人工智能技术在能源系统、能源材料、能源化学、能源利用与转换、能源与社会等领域的创新应用，以及人工智能用于解决能源研究中的其他紧迫问题。本期刊也将考虑专门解决能源有关问题的定制式人工智能技术开发，以推进能源技术、实现低碳和可持续化的相关论文。

  Energy and AI 接受论文的类型包括研究(Research)、短讯(Short communication)、展望(Perspective)、综述(Review) 。本期刊于2020年初开放投稿，目前的优惠政策为2020年12月31日前投稿的论文将免除文章出版费用，通过同行评议接受的文章将免费发表于本期刊。欢迎广大学者踊跃投稿。