能源革命的困境和前景

吳慶

摘要：新能源（如風(fēng)能、太陽能）取代化石燃料（如煤、石油、天然氣）的趨勢似乎勢不可擋且近在咫尺，連綿數(shù)十公里的風(fēng)電場和一望無際的光伏發(fā)電站用他們寬廣的身軀向人們展示一場預(yù)謀已久、熱火朝天的能源革命。

關(guān)鍵詞：能源革命；環(huán)保；再生能源

身處中國北方的居民在冬日的霧霾中迫切地期待這一轉(zhuǎn)變的發(fā)生。燃燒化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖和所引起的環(huán)境問題吸引了更多目光，人們都在思考面對這一挑戰(zhàn)，人類將如何應(yīng)對。早在2008年，環(huán)保主義者戈?duì)柧托麄鳎涸谑陜?nèi)，完成以新能源來驅(qū)動整個美國的目標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)濟(jì)上亦可承受的；2009年斯坦福大學(xué)的馬克·杰克布森教授刊文《2030年前，通往可持續(xù)能源的道路》，提出在20年內(nèi)將所有能源轉(zhuǎn)換為可再生能源的方案。

戈?duì)柕氖曛谝训?。根?jù)美國能源信息管理局2018年前1至8月數(shù)據(jù)顯示，可再生能源（包括水電、風(fēng)能、太陽能、生物能等）占整個一次能源中的比例為11.55%，化石燃料占79.99%，核能占8.46%。相較于2008年可再生能源7.27%的占比，美國的能源結(jié)構(gòu)已發(fā)生可觀的變化，但很明顯距戈?duì)柕暮陚ツ繕?biāo)依然任重而道遠(yuǎn)。

距馬克·杰克布森教授的二十年之期尚遠(yuǎn)，但我們不妨引用自1997年到2017年的這二十年間能源結(jié)構(gòu)的變化作為參考。2017年化石燃料在世界一次能源結(jié)構(gòu)中的比例為85.19%，較1997年90%的比例下降了不到5%。顯然要在一代人的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)性的改變絕非易事。

以上的數(shù)據(jù)著實(shí)讓人沮喪，看來能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變并非一蹴而就，也并非在一代人的時間內(nèi)即可完成的。我們以人類已經(jīng)完成的兩次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔河赡静牡矫禾?，再由煤炭到石油。通常我們?%的占比作為成為主要能源的門檻值。1840年，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到5%，在之后的70年中煤炭逐步取代木材成為最重要的能源，并于一九一零年代到達(dá)峰值55%。石油在取代煤炭的過程中也經(jīng)歷了類似的變化，1915年，石油在能源結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到5%，隨后逐步替代煤炭，直到1965年石油方才超過煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的比例，于1975年左右到達(dá)40%。

能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變?nèi)绱酥且驗(yàn)椴煌囊淮文茉葱枰煌目萍技凹夹g(shù)對該能源進(jìn)行開采、生產(chǎn)，不同的機(jī)械設(shè)備和設(shè)施將它們轉(zhuǎn)化為二次能源，不同的配送渠道將能源輸送到最終的用戶手中。因此任何新能源要想在能源結(jié)構(gòu)中取代傳統(tǒng)能源的主導(dǎo)地位，都需要在世界范圍內(nèi)作大量的投資和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這些通常需要50年到75年才能完成。

同時向可再生能源的轉(zhuǎn)換將更具挑戰(zhàn)，主要由于以下原因：

一、目前的能源消耗的規(guī)模是以前任何時代都無法比擬，且正在不斷增長。

2017年全球消耗的能源為5.657×1020焦耳，這一數(shù)字是十九世紀(jì)九十年代當(dāng)煤取代木材時能源規(guī)模的25倍，假設(shè)用目前的可再生能源設(shè)施供給十九世紀(jì)九十年代的能源消耗，將綽綽有余。新能源的開采、配送以及轉(zhuǎn)化，每一個環(huán)節(jié)都需要史無前例的投資。僅僅設(shè)想將全世界所有的汽車都換成電池驅(qū)動，都將是一場浩大的工程。同時我們應(yīng)該認(rèn)識到，如果能夠降低我們總的能源需求，也將會對能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換提供極大的便利。

二、風(fēng)能及太陽能不連續(xù)及不可靠的特性

現(xiàn)代社會需要的是不間斷的可靠電網(wǎng)。夜間的供電量在不斷的增加以滿足地鐵、電動汽車充電、空調(diào)、大城市照明等用電設(shè)備需求。因此用風(fēng)能和太陽能提供基本負(fù)荷的成本及難度大大增加。例如德國，風(fēng)能和太陽能已取得實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。在一些多風(fēng)且晴朗的時間段內(nèi)，風(fēng)能和太陽能幾乎能實(shí)現(xiàn)50%的電力供應(yīng)；但也存在一定的時間段內(nèi)，風(fēng)能和太陽能只能提供很少一部分的電力供應(yīng)，這將會對德國甚至周邊國家的電網(wǎng)的潮流方向產(chǎn)生很大的影響，同時造成煤炭和天然氣發(fā)電廠頻繁的負(fù)荷增減，而這些都對電網(wǎng)的可靠運(yùn)行構(gòu)成威脅，同時對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的要求也大大提高。

而且風(fēng)能和太陽能的可用時間段也很難與高峰負(fù)荷時間段相吻合。于是如何大量、廉價地存儲風(fēng)電場和太陽能發(fā)電站在波谷時發(fā)出的多余的能源就顯得十分重要。不幸的是，在經(jīng)歷的數(shù)十年的探究后，已知最有效的存儲方式是將多余的電能驅(qū)動水泵將水由水庫的下游抽回水庫以便在高峰時用于發(fā)電。

三、多方利益的糾葛

目前的能源結(jié)構(gòu)仍然以化石燃料為主，要想用可再生能源替代化石燃料必將觸動利益集團(tuán)的利益。近期澳大利亞的電網(wǎng)公司就以光伏發(fā)電無法提供持續(xù)、可靠、廉價的電能，產(chǎn)生大量諧波對已存在電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行安全構(gòu)成威脅為由拒絕許多新建家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)。

雖然困難重重，但我們應(yīng)當(dāng)保持信心應(yīng)對所有的挑戰(zhàn)。因?yàn)樵诿媾R以上困難的同時我們也有很多的優(yōu)勢。

一、高效而便利的二次能源通道——電網(wǎng)。電網(wǎng)為能源的輸送提供了十分迅速而便捷

的通道。依賴現(xiàn)存的電網(wǎng)設(shè)施，我們只需將一次能源轉(zhuǎn)換為電能即可輸送到幾乎每一個用戶手中。

二、與以往的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的迫切性不同，化石燃料造成的環(huán)境污染、全球變暖等問題

已經(jīng)威脅到人類的生存。在面對生死存亡的問題時，人類必然會團(tuán)結(jié)一致共同應(yīng)對挑戰(zhàn)。

三、科技的日新月異。當(dāng)代科技的飛速發(fā)展為我們提供了更多應(yīng)對危機(jī)的方法和途徑。

在能源的開發(fā)、存儲、傳輸和利用的統(tǒng)籌安排和效率方面，我們?nèi)杂芯薮蟮倪M(jìn)步空間，這些都可以通過科技進(jìn)步得以改善。

總之，由化石燃料到可再生能源的轉(zhuǎn)換過程絕非一路坦途、一蹴而就，這需要數(shù)代人、每一個人共同努力與協(xié)同合作。