未來(lái)主力能源是什么

人類社會(huì)的存在和發(fā)展，從物理意義上，是一個(gè)不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交互和能量交互的過(guò)程。從這個(gè)意義上說(shuō)，能源問(wèn)題從來(lái)都是人類社會(huì)發(fā)展的一個(gè)基本命題。人類文明要維持高速發(fā)展，能源問(wèn)題是一個(gè)必須考察的問(wèn)題。

人類的未來(lái)主力能源可能是什么？科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界眾說(shuō)紛紜，從各種角度和立場(chǎng)給出了各式各樣完全不同的回答。但如果不追求精確、細(xì)致的答案，其實(shí)普通人基于一般常識(shí)就足以給出一個(gè)粗線條的、方向性的結(jié)論。

那么，讓我們從未來(lái)主力能源應(yīng)該具備哪些條件開始討論。

未來(lái)主力能源應(yīng)有哪些條件？

首先，未來(lái)主力能源只能是指一次能源，任何二次能源都要排除。

二次能源只是一次能源加工和轉(zhuǎn)化的中間形態(tài)，只是能源利用的方式問(wèn)題，而非能源問(wèn)題本身。

比如有觀點(diǎn)認(rèn)為氫能是極具潛力的未來(lái)能源。如果基于廉價(jià)和充足的電力供應(yīng)，電解水制氫，以氫能取代以化石能源為基礎(chǔ)的汽油、柴油、煤油、煤氣，不僅是有可能的，而且也是更清潔的。但氫能及其所取代的對(duì)象都不是能源本身，只是能源的中間形態(tài)，不能成為未來(lái)能源的討論對(duì)象。

第二，未來(lái)能源必須具有現(xiàn)實(shí)的，至少是明確可預(yù)期的技術(shù)可行性。

反物質(zhì)能源經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中，但在現(xiàn)實(shí)中連理論可行性都沒(méi)有明確回答，顯然不能成為討論對(duì)象?？煽睾司圩?，是人類可知范圍內(nèi)的終極能源，一旦得以突破，從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，那么人類文明很可能進(jìn)入一個(gè)今人難以想象的新階段，未來(lái)能源也就成為基本無(wú)需討論的問(wèn)題了。但在當(dāng)前，其技術(shù)前景即使最頂尖的科學(xué)家也難以預(yù)見，也只能忽略。

實(shí)際上，對(duì)未來(lái)能源的討論只能被限定在已有大規(guī)模應(yīng)用，或至少已經(jīng)有一定產(chǎn)業(yè)實(shí)踐基礎(chǔ)的能源范圍內(nèi)。2017年數(shù)據(jù)，全球一次能源消費(fèi)的大致結(jié)構(gòu)是：煤炭占27%，石油占32%，天然氣占22%，生物質(zhì)能占10%，核能占5%，水力占3%，其他可再生能源合計(jì)約2%。換言之，討論范圍應(yīng)大致限定在，生物質(zhì)能、化石能源、裂變核能、水能，以及其他項(xiàng)中包含的風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐能?/p>

第三，未來(lái)能源在可利用總量上相對(duì)人類當(dāng)前的能源利用規(guī)模，必須有數(shù)量級(jí)提升的潛力。

從能源的角度觀察人類社會(huì)的發(fā)展，人類社會(huì)每一次革命性進(jìn)步都是一次能源利用規(guī)模量級(jí)的提升。

首先是農(nóng)業(yè)革命。從狩獵-采集社會(huì)向農(nóng)業(yè)-畜牧社會(huì)的轉(zhuǎn)變，意味著人類對(duì)環(huán)境能量的利用，第一次由分散、隨機(jī)和基本無(wú)儲(chǔ)積的方式，轉(zhuǎn)變成了集中、有目的和可儲(chǔ)積的方式。盡管都是利用光合作用轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能，但農(nóng)業(yè)和畜牧都是大規(guī)模的、集中的利用作物的光合作用，并把轉(zhuǎn)化的能量通過(guò)果實(shí)或者牲畜儲(chǔ)存起來(lái)。

美洲大陸的狩獵采集文明，100人的部落要維持生存需要的土地面積大約在30平方千米～70平方千米，人均200畝～500畝，單個(gè)部落一般很難超過(guò)300人，300人的部落需要大約100平方千米～200平方千米土地，已經(jīng)達(dá)到狩獵-采集的大致極限范圍。而在農(nóng)業(yè)社會(huì)人均僅需5畝～10畝土地，同樣土地可以支撐的人口規(guī)模擴(kuò)張百倍以上。相應(yīng)的，人類社會(huì)的能源利用規(guī)模提升了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

其次是工業(yè)革命。工業(yè)革命是人類能源利用規(guī)模的第二次量級(jí)提升?；茉吹氖褂茫馕吨祟惪梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)釋放和利用漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期里地球生態(tài)系統(tǒng)所儲(chǔ)積的太陽(yáng)能。直至今天，人類的主要能源仍然是化石能源，盡管可以有更加細(xì)致的時(shí)代劃分，但廣義的說(shuō)，我們?nèi)匀惶幵诠I(yè)時(shí)代。

生物質(zhì)能在工業(yè)革命之前，基本是人類可以利用的全部能量來(lái)源。但在目前，生物質(zhì)能只占人類能源利用總規(guī)模的1/10，考慮到當(dāng)前世界人口規(guī)模已經(jīng)是農(nóng)業(yè)時(shí)代的十倍左右，且普遍享有高得多的營(yíng)養(yǎng)水平。簡(jiǎn)單比較可知工業(yè)文明相較農(nóng)業(yè)文明，能源利用規(guī)模也提升了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

如果我們期待人類文明在未來(lái)仍然會(huì)繼續(xù)躍升，那么我們的能源利用規(guī)模也必需有數(shù)量級(jí)的提升。能源是文明發(fā)展的基礎(chǔ)動(dòng)力。雖然如果能源利用規(guī)模不再擴(kuò)張，增長(zhǎng)仍然是可能的，但這種增長(zhǎng)必然是“內(nèi)卷化”的，很難被稱為發(fā)展。在工業(yè)革命以前，發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)社會(huì)普遍陷入了“內(nèi)卷化”增長(zhǎng)的境地，土地的單位產(chǎn)出無(wú)法獲得大幅度提升，也不存在新的產(chǎn)出方式，只能依靠“精耕細(xì)作”，依靠勞動(dòng)力的密集投入，以求盡可能逼近作物的產(chǎn)出極限。顯然沒(méi)有工業(yè)革命，“馬爾薩斯陷阱”就將一直成立，文明和經(jīng)濟(jì)將被迫保持緩慢的增長(zhǎng)，或者叫做痛苦的停滯。

今天，人類所依賴的化石能源，即使不會(huì)在可預(yù)見的未來(lái)耗盡，也已經(jīng)達(dá)到或者接近利用規(guī)模的極限，之所以文明的發(fā)展還沒(méi)有陷入停滯，那是因?yàn)橐呀?jīng)有新的能源方式在發(fā)展和孕育。

第四，未來(lái)能源必須不存在顯著的環(huán)境閾限。

人類的生存環(huán)境是地球生態(tài)圈，人類的能源利用必須在地球生態(tài)圈的承載閾限之內(nèi)。

但熱力學(xué)第二定律告訴我們，孤立熱力學(xué)系統(tǒng)的熵不減少，總是增大或者不變。人類文明是一個(gè)不斷建造更大規(guī)模、更低熵值的物質(zhì)系統(tǒng)的過(guò)程。人類文明物質(zhì)系統(tǒng)的熵減，意味著外部能量的輸入。但如果這種能量輸入的來(lái)源只局限于地球生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，那也就是說(shuō)，人類社會(huì)的熵減，即是地球生態(tài)系統(tǒng)等量或更大量的熵增，人類的一切發(fā)展，都是地球生態(tài)的等量或更大量的破壞。

幸運(yùn)的是，地球生態(tài)圈有自我修復(fù)能力，因?yàn)樗膊⒎欠忾]系統(tǒng)，有太陽(yáng)能作為穩(wěn)定永續(xù)的能量輸入源。但人類社會(huì)的發(fā)展對(duì)地球生態(tài)的影響整體上是破壞性的，這一點(diǎn)也是確定的結(jié)論，可討論的只是這種破壞性是否還在地球生態(tài)圈的承載閾限之內(nèi)。而一切直接取自地球生態(tài)圈內(nèi)部的能源都是在逼近或者挑戰(zhàn)地球生態(tài)圈的承載閾限。地球生態(tài)圈承載力的確切極限在哪里，無(wú)法被準(zhǔn)確回答，但是，全球變暖、環(huán)境污染，生物多樣性退化等等眾多危險(xiǎn)信號(hào)已經(jīng)給我們亮起了紅燈。即使生態(tài)極限可以被準(zhǔn)確測(cè)量，最好也不要去測(cè)試這個(gè)極限，在懸崖邊起舞是危險(xiǎn)的。

從這個(gè)角度，任何直接取自地球生態(tài)圈內(nèi)部的能源，都不可能是真正具有革命性的，也不可能成為人類未來(lái)能源的理想選擇。

現(xiàn)有的能源選擇

規(guī)模潛力和環(huán)境限制兩個(gè)限定條件足以把現(xiàn)有的大多數(shù)能源方式排除出未來(lái)主力能源的候選范圍。

化石能源顯然不具備這樣的潛力。根據(jù)2016年數(shù)據(jù)，全球化石能源儲(chǔ)量，煤炭?jī)?chǔ)采比為114年，石油為50.7年，天然氣52.8年。而作為我國(guó)主要能源的煤炭?jī)?chǔ)采比更低，僅為31年。隨著勘探、開采技術(shù)的進(jìn)步，也許在較近的未來(lái)，化石能源的儲(chǔ)采比仍然能夠得以維持，甚至略有增長(zhǎng)，暫無(wú)枯竭之虞。但是，化石能源的利用規(guī)模不可能有數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的潛力，仍然是一個(gè)顯而易見的結(jié)論。

另外，化石能源很可能也已經(jīng)達(dá)到環(huán)境閾限。化石能源在采掘、加工、燃燒過(guò)程中難以避免的造成地質(zhì)破壞和環(huán)境污染。更重要的是，無(wú)論如何提升利用轉(zhuǎn)化效率和清潔化使用，化石能源的使用都意味著無(wú)法避免碳排放、加劇地球氣候變暖。盡管對(duì)于細(xì)節(jié)和機(jī)理仍然存在很多爭(zhēng)議，但對(duì)全球變暖本身及其與碳排放之間的關(guān)系，科學(xué)界已經(jīng)建立共識(shí)。盡管存在各種基于政治和經(jīng)濟(jì)因素的干擾，全球?qū)μ紲p排的必要性也已經(jīng)形成共識(shí)。顯然，即使化石能源儲(chǔ)量無(wú)限，其利用規(guī)模也不能大幅度增長(zhǎng)，甚至必須削減。目前主要經(jīng)濟(jì)體大多都做出了碳減排的承諾，其中我國(guó)承諾碳排放2030年左右達(dá)到峰值，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比2005年下降60%～65%，也就是說(shuō)我國(guó)將在2030年左右，進(jìn)入碳排放絕對(duì)量下降的階段，化石能源消費(fèi)量將在不遠(yuǎn)的未來(lái)開始下降。

核能也是一種礦物能源，不可再生且利用規(guī)模極限并不遙遠(yuǎn)。鈾在地殼中豐度大約百萬(wàn)分之2.3，總量非常巨大，但廣泛分布，可開采資源量有限。根據(jù)世界原子能組織數(shù)據(jù)，截止2015年，世界已查明鈾回收成本在130美元/kg之內(nèi)的資源量571.85萬(wàn)噸，高成本級(jí)別的鈾資源回收成本在260美元/kg的資源量為764.15萬(wàn)噸。當(dāng)前鈾資源年消費(fèi)量約7萬(wàn)噸，資源儲(chǔ)采比大致和化石能源處于同一水平，同樣沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能源利用規(guī)模做量級(jí)提升的潛力。事實(shí)上根據(jù)當(dāng)前專家的主流估計(jì)，在2020年代鈾就將出現(xiàn)供給缺口。

水力和風(fēng)力能源同樣沒(méi)有支撐人類能源利用規(guī)模做數(shù)量級(jí)提升的潛力。它們都是太陽(yáng)能在留在地球生態(tài)循環(huán)中的過(guò)程性能源，太陽(yáng)能的大部分都以直接反射和紅外輻射形式返回空間，在地球表面轉(zhuǎn)化為空氣和水的動(dòng)能的部分不到1%。盡管太陽(yáng)能的小部分相對(duì)人類需求也是極為龐大的，但截?cái)嗨锌諝夂退h(huán)，將之全部轉(zhuǎn)化為能源，既不可能，也無(wú)法接受。2017年全球水電發(fā)電量約為41850億千瓦時(shí)，全球水電技術(shù)開發(fā)程度（發(fā)電量與技術(shù)可開發(fā)量的比值）為29%，其中歐洲水電開發(fā)程度為53%，北美州為44%，我國(guó)為56%。全球水電經(jīng)濟(jì)開發(fā)程度（發(fā)電量與經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量的比值）已達(dá)48%，歐洲水電經(jīng)濟(jì)開發(fā)程度達(dá)80%，北美洲達(dá)77%，南美洲為47%，亞洲和環(huán)太平洋地區(qū)為43%，在可預(yù)見的未來(lái)，水力開發(fā)仍有增長(zhǎng)潛力，但開發(fā)規(guī)模極限已經(jīng)并不遙遠(yuǎn)，增長(zhǎng)速度整體上必然不斷趨緩。風(fēng)力開發(fā)程度較低，增長(zhǎng)潛力也較大，但其性質(zhì)與水力類似。陸地上風(fēng)力大于5m/s的地區(qū)中，只有約4%的面積有可能安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)。以我國(guó)為例，具有開發(fā)利用價(jià)值的陸上風(fēng)資源大約為25.3萬(wàn)MW，大體相當(dāng)于中國(guó)水電資源可開發(fā)量的51%。風(fēng)力、水力兩者合計(jì)在人類能源格局中都不可能占據(jù)主要地位，只是因其可再生能源屬性和較高的能量密度和較好的經(jīng)濟(jì)性占據(jù)輔助能源的位置。

生物質(zhì)能，全部直接和間接來(lái)自植物和微生物的光合作用。光合作用對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率因植被情況而有很大差異，較高水平的高產(chǎn)水稻一般為0.4%，自然條件下陸地植物平均效率約0.2%～0.3%。事實(shí)上，生物質(zhì)能主要是人類的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，作為燃料和狹義能源并非主要用途。生物質(zhì)能利用方式多樣，包含生物燃料、垃圾和秸稈發(fā)電、沼氣和薪柴等等，有些是能源價(jià)格波動(dòng)驅(qū)動(dòng)的套利行為，有些是生活和農(nóng)牧業(yè)副產(chǎn)品的精益利用，有些則是傳統(tǒng)生活方式的殘余。本質(zhì)上，生物質(zhì)能是前工業(yè)時(shí)代的能源方式，在今天能源意義仍存，但其本身主要依存于農(nóng)林牧業(yè)，并非一種可以獨(dú)立發(fā)展的能源類型。

另外，水力、風(fēng)力和生物質(zhì)能，都是直接取自地球生態(tài)圈的能源，雖然通常被認(rèn)為是清潔能源，但截?cái)嘟印⑾鳒p風(fēng)力、開墾和擴(kuò)張農(nóng)田，顯然都存在負(fù)面生態(tài)影響。

再排除目前尚不具備真正的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用能力的地?zé)崮芎统毕?，剩下的選項(xiàng)幾乎是唯一的——太陽(yáng)能的直接利用。

目力可見的未來(lái)能源——太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能的規(guī)模潛力毋庸討論。除了核能、尚難以規(guī)模利用的地?zé)岷统毕?，人類使用的其他一切能源都是太?yáng)能在地球生態(tài)圈內(nèi)不同形式的載體。除可控核聚變之外，并不存在可利用資源量超越太陽(yáng)能的其他能源形式。以中國(guó)為例，2019年全年總用電量72255億千瓦時(shí)，按一類資源區(qū)日照能量下限6680MJ/m2，以目前光伏發(fā)電主流產(chǎn)品20%左右的轉(zhuǎn)換效率，需要1.95萬(wàn)km2土地，不到我國(guó)當(dāng)前261萬(wàn)km2荒漠化土地的1%。

太陽(yáng)能的直接利用，基本也不存在環(huán)境閾限。與其他主流的能源方式的最大區(qū)別在于，直接利用太陽(yáng)能事實(shí)上已經(jīng)部分跨出了地球生態(tài)圈的能量循環(huán)，它不依賴生態(tài)圈內(nèi)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換，是對(duì)地球生態(tài)擾動(dòng)最小的能源方式之一，而即使是這些擾動(dòng)，主要的方面對(duì)人類也是正面的。覆蓋了太陽(yáng)能電池的荒漠化地區(qū)就不能再被視為荒漠了，太陽(yáng)能電池板可以近似等效于覆蓋了轉(zhuǎn)化效率約20%的人工植被。由于太陽(yáng)能發(fā)電減弱了地面蒸騰作用，天然具有保水固沙的功能，實(shí)際上，幾乎所有建設(shè)在荒漠化土地的光伏項(xiàng)目都帶來(lái)了當(dāng)?shù)刈匀恢脖坏幕謴?fù)。

在2010年，主流晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率尚在16～18%，目前，主流晶硅太陽(yáng)能電池效率已經(jīng)高于20%，尚未產(chǎn)業(yè)化的新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)29.15%。

在我國(guó)，2020年就是正式取消補(bǔ)貼，光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)全面平價(jià)上網(wǎng)的一年，而在此之前，光伏發(fā)電，在傳統(tǒng)發(fā)電方式面前，缺乏價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，必須依賴政策扶持和補(bǔ)貼。

在此前的2019年，光伏企業(yè)隆基股份總裁李振國(guó)，還曾放出預(yù)言：10年內(nèi)，光伏發(fā)電成本即將全面低于1美分/度電，產(chǎn)能5年內(nèi)達(dá)到400GW。在2020年4月，在阿布扎比的一個(gè)2GW的光伏電站招標(biāo)中，一家中國(guó)光伏企業(yè)和一家法國(guó)企業(yè)聯(lián)合，就投出了0.7934美分/度電的歷史性的中標(biāo)價(jià)格。

伴隨太陽(yáng)能發(fā)電成本的快速下滑，一場(chǎng)新的能源革命可能就近在我們眼前。