导读：最近，一场国际性的电力短缺让能源问题重新成为公众关注的焦点。这一轮能源危机不仅受到能源价格高企的传统因素影响，还受到能源结构转型过程中能源供应不确定性的影响。欧洲作为可再生能源激进转型的代表，遭遇了国际市场天然气价格飙升、风力发电不足的大气候，而欧洲严格的环保政策限制了核电和燃煤的发展，进一步推高了电价。能源专家Smill研究能源转化已有多年。他从文明史的角度看待能源转型，指出人类目前经历的第四轮能源转型远远大于历史，转型的渐进性是由成本、供给和基础设施决定的。然而，围绕可再生能源和去碳化目标发展起来的各种“执念”掩盖了能源结构的基本现实：我们的文明仍然是以化石燃料为主的文明，能源转型需要几代人的时间。基于这一现实，Smill强调要关注能源公平、能源效率的提高以及能源供应的安全性和稳定性。发展中国家仍然需要大规模提高人均能源消费来提高生活质量，而发达国家人均能源消费已经到了拐点，处于不同的历史阶段。在另一次采访中，Smill认为能源问题没有全球性的解决方案，必须因地制宜。这些观点启发我们思考如何从中国的实际出发，平稳过渡到新能源模式。这篇文章最初发表在《美国科学家》上，由欧亚系统科学学会编辑。仅代表作者本人观点。
全球能源：最新的困扰
本文由Vaclav Smil撰写。翻译：记叙文。来源：美国科学家对全球能源事务的关注意味着他在不断应对新的困扰。50年前，媒体对原油漠不关心(一桶卖一美元多一点)。西方公共事业公司全神贯注于每年两位数的电力需求增长，似乎永无止境。所以很多人认为只有大规模发展核电才是电力发展的未来，导致了核反应堆建设的大跃进。20年后，伊朗的霍梅尼上台，直接引发了第二次能源“危机”。原油价格上涨已成为一个关乎生死存亡的全球性问题，电力需求的增长已降至个位数。法国成为唯一认真发展核能的国家。1985年，世界原油价格暴跌(有时低于每桶5美元)，SUV开始在美国迅速普及。最后，重达近3.5吨的民用版美军突击车悍马H1开始流行，大家都开着这款车去超市买日用品。在整个20世纪90年代，跨国石油公司是表现最差的股票。在21世纪的第一个十年，事情发生了变化，人们开始担心全球石油产量即将饱和(在某些版本的话语中，这相当于西方文明的“关灯”)，化石燃料将引发全球变暖的灾难性后果，二战后的世界秩序即将解体。上述变化促使人们不断呼吁世界创新，创造更加光明的能源未来。这种追求导致了一系列对新的、据称完美的解决方案的“痴迷”:汽车燃料将首先被生物燃料取代，然后是燃料电池和氢气，最后是混合动力汽车。现在是电动车(雪佛兰，特斯拉，日产等。)和他们的拥护者(沙伊阿加西、埃隆马斯克等。)引起媒体关注。发电的脱碳将通过核能的复兴或无处不在的风力涡轮机来实现(就连德州老石油商布恩皮肯斯也屈服于风能的召唤)，而另一些人则预测，一旦大规模碳捕获和封存的想法付诸实践，化石燃料的未来仍将大有可为。如果上述尝试不幸全部失败，我们还可以利用太空阴影调节地球气候，让船只释放雾气或者让飞机在高空喷洒硫化物。这样的地球工程可以冷却变暖的地球，拯救我们。(注：地球工程，一种通过模仿火山爆发带来的降温效应来改变地球环境的工程措施)这一切让我想起了莱缪尔格列佛在拉加多学院看到的：同时进行的项目不少于500个，永远期待成功只有一步之遥。正如这位从事了八年从黄瓜中提取阳光的发明家所相信的那样：“再过八年，他就能够了，但他总是抱怨原材料的缺乏，并恳求格列佛“给他一些东西来鼓励他的创造力。“诚然，新能源开采的想法目前并不在这500个项目之列，但它们的范围让拉加多的发明者感到羞愧：热情倡导的解决方案包括从热带海洋表面和深海之间20开尔文的微小温差中提取能量(即海洋热能转换)，在月球上进行太阳能光伏发电，并通过微波传输到地球上的巨型天线接收站。
《格列佛游记》中国拉加多大学发明人
又过了八年，这种不断希望以低成本取得成功的想法，就像18世纪虚构的拉加多一样狂热。有许多说法可以创造廉价的解决方案来征服市场，无论是燃料电池还是纤维素乙醇，快速增殖反应堆还是拴系风力涡轮机。能源研究永远无法获得足够的资金来满足其资助者的需求：2010年，美国总统顾问委员会建议将美国的能源研究投入增加到每年160亿美元；考虑到挑战的严峻性，这个数字其实太小了，但考虑到人们极其不愿意采用许多现成的、高效的现有解决方案，这个数字就太多了。
“在大多数人达到体面的生活水平之前，亚洲、拉丁美洲，特别是非洲等发展中国家的人均能源供应仍需要至少翻两番。”
上述美国应该减少能源使用的批评可能会被忽略，你可能会认为对长期解决方案的探索注定是低效的。但我看到的是一个更基本、因此也更令人担忧的问题。从能源的全球角度来看，有两件事是明确的：大多数人仍然需要消耗更多的能源，才能过上合理健康的生活，享受一点繁荣；相比之下，富裕国家，尤其是美国和加拿大，应该减少过度的能源使用。虽然第一个结论似乎是显而易见的，但许多人认为第二个结论是错误的或令人反感的。
人类发展指数和人均能源消耗
2009年，我写道，为了保持其全球角色和经济地位，美国应该“提供一个具有全球吸引力的政策榜样，同时促进创新能力，以稳健的金融基础加强经济，并帮助改善全球环境。美国过高的人均能耗与之背道而驰。这是一笔糟糕的交易，因为过度消费对美国日益有限的财力造成了巨大的经济消耗，但并没有让它变得更安全，也没有实现比其他富裕国家更好的生活质量。”我知道这在美国能源政策的辩论中会被视为异想天开：任何限制或减少北美能源使用的呼吁都会遭到拒绝或嘲笑，但我认为这一要求比以往任何时候都更可取。美国和加拿大是仅有的两个人均年能耗超过300千兆焦耳(相当于近8吨或50多桶原油)的主要经济体。这是欧盟和日本等最富裕经济体平均水平的两倍。但是很明显，匹兹堡或洛杉矶的人们没有波尔多或柏林的人们富有、健康、受教育、安全或快乐两倍。即使气候、出行距离、经济结构的差异经过多次调整，美国和欧盟的人均消费数据差异依然不变：柏林的供暖天数比华盛顿多，冷藏卡车从安达卢西亚到赫尔辛基的运输距离与加州中央谷到伊利诺伊州的运输距离相同。德国能源密集型机械和运输设备产品的出口在绝对值上甚至超过了美国的销售额。另外，那些坚持美国人均能源消费应该进一步提高的人可能没有意识到，由于种种原因，美国能源消费的增长已经到了一个稳定期，由于种种原因，任何大幅度的提高都是极不可能的。2010年，美国人均年能耗约为330吉焦，比1970年下降了近4%。即使在2007年(危机前)，人均355吉焦的比率也低于1980年人均359吉焦的比率。这意味着美国的人均一次能源消费在超过一代人的时间里基本保持不变，英国的能源消费也是如此。通过关注一个关键的消费领域——，即客运行业，我们可以展示它可以减少多少。1985年后，美国搁置了进一步提高企业汽车燃油效率(CAFE)，鼓励大规模普及燃油效率极低的SUV，未能效仿其他现代国家建设高铁网络。40年来，美国汽车的平均效率与提高效率的大趋势背道而驰：1974年的平均效率(13.4 mpg)甚至比30年代中期还要低！到1985年，燃油效率标准使新乘用车的效率提高了一倍，但随着这些标准的取消以及SUV、面包车和轻型卡车的涌入，2006年两轴四轮车辆系统的平均能耗效率不到26 mpg，比1986年好不了多少。燃油效率的不断升级，新型超低排放柴油发动机(比汽油动力汽车至少提高25-30%的效率)的推广和混合动力汽车的早期推出，本可以轻松将能源消耗效率提高到35英里/加仑以上，甚至40英里/加仑，这意味着在21世纪的第一个十年，美国可以节省1.5万亿美元的原油进口成本。认为美国幅员辽阔，人口密度低，就不能用高铁加入越来越多的国家俱乐部，这是错误的。美国东北部的大都市区(波士顿-华盛顿)人口超过5000万，平均人口密度约为每平方公里360人。近十几个主要城市沿着长度不到700公里的相对狭窄的沿海走廊排列。为什么这个地区不如欧洲高铁先驱法国适合建高铁？法国人口6500万，全国人口密度只有每平方公里120人左右。显然，美国人更喜欢痛苦的机场之旅、安检和航班延误，而不是时速300公里从市中心直达市中心的高铁。在一个由长期回报驱动的理性世界里
相比之下，亚洲、拉丁美洲，尤其是非洲等发展中国家远远落在后面。即使拥有最先进的能源转换技术，这些国家的人均能源供应仍需要至少翻两番，才能达到大多数人体面生活水平的门槛，缩小巨大的国内经济差距。比如印度的起点是2010年人均20吉焦左右；它的人均能源消耗需要增加——的数量级。埃塞尔比亚目前的人均现代能源消费量仅为2吉焦。在这条道路上，中国比其他任何现代国家都走得更远、更快。1976年(毛泽东去世那年)，中国人均能源消费不到20吉焦；1990年(邓小平现代化后的第一个十年)，还不到25个吉焦；十年后，人均能源消耗刚刚超过30吉焦。到2005年，接近55吉焦，2010年达到70吉焦，相当于上世纪70年代一些较贫穷的欧盟国家的消费量。尽管中国已成为原油进口大国(目前是世界第二大进口国，仅次于美国)，并将很快进口大量液化天然气，并计划大规模开发其加氢潜力，但其消费增长大多来自煤炭开采的空前扩张。美国的煤炭年产量不到10亿吨，而中国的原煤产量在2001年到2005年短短四年间增加了10亿吨，到2010年增加了近10亿吨，年产量30亿吨。中国和印度的煤炭爆炸以及亚洲和中东强劲的整体能源需求是最近二氧化碳排放量上升的主要原因：中国在2006年成为世界上最大的排放国。经济危机后，2010年全球化石燃料二氧化碳排放总量创新高，超过每年320亿吨(中国约占24%)。当考虑到低收入国家所需的潜在能源消耗的增加和国际上有约束力的减排协议进展不佳(参见京都、巴厘岛、哥本哈根和坎昆的接连失败)时，技术修复路线似乎是最小化未来对流层温度上升的最佳解决方案也就不足为奇了。
“能源转化本质上是一个长期的事情，其持续时间是以几十年或几代人来衡量的，而不是几年。”
2可再生能源：激进转型不幸的是，可再生能源的预期被夸大了，并非出于现实的评估。即使排除一部分狂热的宗派主义者迷恋未来几十年经济效益不佳的——可再生能源转换，因为其局限性、极度分散或难以捕捉(激流、海浪)，这也是正确的。短期内最有希望的新型可再生能源是现代生物燃料(乙醇和生物柴油)、风能和太阳能发电。然而，这些新能源的倡导者并没有充分考虑到全球能源转型的一些重要物理前提：转型的规模、可能的持续时间、新转换器的单位容量以及可再生能源流动固有的低功率密度和随机性导致的对基础设施的巨大需求。转型所需的规模是巨大的。我们的文明仍然是以化石燃料为主的文明：2009年，88%的现代能源来自石油、煤炭和天然气，这些能源的全球市场份额惊人地接近，分别为35%、29%和24%。这些燃料的年燃烧量现已达到100亿吨油当量或约420 AJ。化石燃料的年通量是20世纪初的近20倍，当时生物质燃料的划时代变革刚刚过了临界点(煤和石油在20世纪90年代末开始占全球能源供应的一半以上)。能量3354从主要能源或能源组合到新能源供应装置3354的转变本质上是长期的事情，并且其持续时间以几十年或几代而不是几年来测量。从煤炭和石油到天然气的全球能源供应的最新变化表明，过渡的渐进速度取决于确保充足的供应、发展必要的基础设施和实现有竞争力的成本：自20世纪70年代初开始商业开采以来，天然气用了大约60年时间达到全球能源市场的5%，55年后达到所有一次能源供应的25%。率先使用天然气的美国，用的时间很短，但还是很可观：53年5%，再31年25%。用可再生能源取代今天三分之一的化石燃料消耗将是一项具有挑战性的任务。现代生物燃料、风能、光伏发电的最新份额可以证明，可再生能源还有很长的路要走。2010年，乙醇和生物柴油仅提供了全球约0.5%的一次能源，风能发电量约占全球的2%，而光伏发电(PV)占比不到0.05%。与此形成对比的是各种法定或期望的目标：到2020年，德国18%的总能源和35%的电力将来自可再生能源，到2025年，美国10%的电力将来自光伏，到2030年，30%来自风能，到2020年，中国可再生能源将占其总电力的15%甚至20%。新转炉的单位产能也是个问题。燃煤发电机的额定功率为500-800兆瓦，大型燃气轮机的容量为200-300兆瓦，而大型风力涡轮机的典型额定功率要小两个数量级，在2-4兆瓦之间。世界上最大的光伏电站需要超过100万块电池板才能达到80兆瓦的峰值容量。此外，负载差异将始终保持在较高水平。2009年，美国燃煤电厂平均负荷率为74%，核电站平均负荷率为92%，风力发电机平均负荷率仅为25%，而欧盟在2003年至2007年间低于21%。阳光明媚的西班牙最大的光伏电站年容量系数只有16%。在我写这篇文章的时候，通常多风的北美中心地带正处于高电压的控制之下，这带来了持续的低温无风天气：如果马尼托巴或北达科他严重依赖风力发电(幸运的是，马尼托巴的主要电力供应来自水电和外部输入)，他们在此期间都要进口大量电力，但中部大陆没有东西向的高压输电线路。因此，风力发电和光伏发电的份额越来越大。既要把风力最强、阳光最充足的地方连接到主要用电区域，又要保证无法准确预测的能流不间断供应。
由于涉及的距离横跨大陆——，无论是从多风的平原到东海岸，还是按照欧洲沙漠计划的要求，这些从阳光明媚的撒哈拉沙漠到多云的德国3354的昂贵的新超级电网都不可能在几年内建成。那些思考新智能电网即将带来的好处的人应该记得，2009年美国基础设施的成绩单将现有的美国电网评为D级，接近失败。
南电北送的欧洲“沙漠工程”设想
唯一经过充分测试并成功推向市场的非化石发电技术是核电，但我们不能指望它做出实质性贡献：核裂变目前产生的电力约占全球的13%，其中法国占75%，美国占20%。核工程师一直在寻找优秀(高效、安全、廉价)的反应堆设计，因为很明显，第一代反应堆设计并不是第二波、更大的核扩张浪潮的最佳选择。早在1984年，阿尔文温伯格就在一篇论文中设计了第二核时代的安全反应堆。爱德华泰勒去世时(2003年)，他正在设计一个以钍为燃料的地下发电厂。洛厄尔伍德认为他设计的行波增殖反应堆是以贫化铀为燃料的，美国目前拥有大约70座。但自2005年以来，全球每年仅新开工约12座反应堆，其中大部分在中国，核电仅占中国总发电量的2%。2011年初，西方没有核电复兴的迹象。除了田纳西河流域管理局的瓦茨巴2号机组(1988年废弃，计划2012年投产)，美国没有其他在建核电项目。芬兰的欧洲型号项目3354 Olkiluoto和法国的Flamanville——完工但成本超支，类似80年代美国核工业的恐怖故事。接着，2011年3月，日本发生地震和海啸，导致福岛核电站冷却剂流失，反应堆厂房被爆炸和辐射泄漏摧毁；无论这场灾难的最终结果如何，这些事件都将对核电的未来投下长期的阴影。
“这是一个经济、政治和社会不确定的时代。新改革的必要性是显而易见的，但有效的行动未能跟上所需改革的紧迫性。”
3碳捕获和封存技术：不切实际的期望因此，新能源的转换不太可能足够快地减少碳排放，以防止大气二氧化碳浓度上升到超过450 ppm(2010年底接近390 ppm)。这种认识促使人们热情地探索碳捕获和封存的可能性，并声称即使他们只对了一半，也可以保证未来没有碳的担忧。例如，一位土壤科学家声称，到2100年，生物炭封存(将作物残渣，主要是谷物秸秆，转化为混合到土壤中的木炭)可以储存比燃烧世界上所有化石燃料排放的碳更多的碳。这些建议大多属于理论思考的领域：例如，将二氧化碳隐藏在印度德干玄武岩层及其下(尽管这些岩石的风化和断裂已经很严重)，或者在西雅图附近的渗透性海底玄武岩中(但首先，我们必须将宾夕法尼亚、俄亥俄和田纳西的燃煤电厂的排放物运输到太平洋西北部)，或者在阿曼沙漠中利用裸露的橄榄岩通过加速碳化来吸收二氧化碳(想象一下，所有从中国和欧洲装载二氧化碳的巨型油轮都在阿曼汇合)。其中一个异想天开的想法实际上已经在小范围内尝试过了。2009年3月至4月，在迄今为止最大的海洋表面铁富集实验中(旨在刺激浮游植物的生长，并将碳封存在沉入深渊的细胞中)。一支印度-德国的探险队在西南大西洋300平方公里的海域进行了——次施肥，但由此产生的浮游植物被大量的片脚类动物(类似小虾的浮游动物)吞噬。这就是为什么实现碳捕获和封存的最佳时机是与成熟的工程实践相结合：自20世纪30年代以来，用含水胺洗涤二氧化碳已经实现了商业化。在许多美国油田中，通过管道运输天然气并将其用于提高石油采收率是常见的做法。管道建设工程与美国天然气开采的扩展相匹配。20世纪60年代或70年代的天然气管道可以在大型固定二氧化碳源和封存天然气的最佳沉积地层之间建立大量连接。然而，大幅度减少排放所需的努力规模、安全考虑、公众对可能泄漏高浓度有毒气体的永久性地下储存的接受程度以及持续清除和掩埋数十亿吨压缩气体的资金和运营成本相互叠加，导致进展非常缓慢。为了解释我们必须付出多大的努力，我做了一个启发性的类比：假设我们承诺在2010年只隔离化石燃料燃烧排放的20%的二氧化碳。二氧化碳气体被压缩到类似原油的密度后，将占据约80亿立方米的空间。与此同时，2010年全球原油产量约为40亿吨，约合47亿立方米。
二氧化碳封存的设想
这意味着，为了封存目前仅五分之一的二氧化碳排放量，我们必须创造一个全新的全球吸收-收集-压缩-运输-储存行业，其年吞吐量必须比目前全球原油行业的年吞吐量大70%左右。然而，全球原油行业的巨大油井、管道、压缩机站和仓库等基础设施建设需要几代人的时间。技术上是可行的，但在二氧化碳达到450 ppm之前的期限内无法实现。此外还有一个重要问题：石油行业投资巨大的基础设施以获取利润，但富裕国家的纳税人将不得不为任何大规模碳捕获和存储项目的巨额资本成本和运营负担买单。这是一个经济、政治和社会不确定的时代。新改革的必要性似乎显而易见，但有效的行动未能跟上所需改革的紧迫性，特别是在北美、欧洲和日本等富裕的民主国家，因为他们的头脑中充满了账户透支、经济衰退、人口老龄化和全球影响力下降。从这个意义上说，寻找新的能源模式是更广泛变革的一部分，其结果将决定世界主要经济体和整个全球文明后代的命运。没有人能预测新能源安排的最终轮廓，但这个世界上最富有的国家永远不会因为试图在能源使用上更加克制而犯错误。更多信息请关注国海图志研究院。
暂无讨论，说说你的看法吧
