能源岔路口，該往哪里走？

王安逸

從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后一直到今天，全球大多數(shù)國家的國民生產(chǎn)總值和能源消耗水平的增減趨勢基本同步，這說明能源很大程度上充當(dāng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展這臺發(fā)動機(jī)的燃料。地球人口的膨脹、全球工業(yè)化程度的提高和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得人類越來越無法擺脫對能源的依賴。煤炭、石油、天然氣等化石燃料屬于一次性能源，不可再生性決定了其無法作為長久能源使用。另外，燃燒化石燃料釋放出的溫室氣體嚴(yán)重影響氣候，導(dǎo)致各種極端天氣的出現(xiàn)頻率上升。2014年世界衛(wèi)生組織在一份報告中指出，燃燒化石燃料造成的空氣污染導(dǎo)致人類發(fā)病率和死亡率上升是化石燃料的隱性成本。化石燃料的種種缺點(diǎn)促使人類轉(zhuǎn)而使用更清潔的可再生能源。此外，全球石油價格牢牢掌控在幾個石油輸出國手中，使用更多可再生能源可以擺脫能源價格牽制，也是實(shí)現(xiàn)國家能源安全必須采取的舉措。

世界各國都在盡可能地減少碳排放。2015年召開的巴黎氣候峰會上，參會國就限制全球平均氣溫變化達(dá)成了新約定。除了減少碳排放，提高可再生能源的使用率也是預(yù)防氣候變化的有效手段。目前可再生能源中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的有水能、風(fēng)能和太陽能，其他常見的可再生能源還包括海洋能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等。雖然使用鈾來發(fā)電的核能并不屬于化石能源，但是由于鈾礦儲藏量也是有限的， 所以現(xiàn)行核裂變發(fā)電不算是可再生能源。據(jù)國際能源署的報告，截至2016年底，在全球發(fā)電總量中超過24%的電力來自可再生能源，其中水能發(fā)電占17.5%，風(fēng)能發(fā)電占4%，太陽能發(fā)電占1.5%。盡管如此，一場從主要使用化石能源到主要使用可再生能源的革命正在全世界興起。

間歇性和波動性問題

清潔的可再生能源存在一些先天不足的問題。作為重要可再生能源的風(fēng)能和太陽能都存在間歇性問題，這是風(fēng)能和太陽能發(fā)電發(fā)展的障礙之一。相比燃燒煤炭、石油和天然氣的火電廠，風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠無法24小時穩(wěn)定輸出電力，因?yàn)轱L(fēng)有時會停，夜間也沒有太陽光。電力輸出的波動性是可再生能源電廠的另一問題，水能、風(fēng)能、太陽能等自然能時大時小，不可能維持發(fā)電廠的平穩(wěn)電力輸出。為了解決間歇性和波動性的問題，電網(wǎng)專家提出了分布式能源網(wǎng)的解決方案。

以煤炭、石油、天然氣、水能、太陽能和核能為能源的大型發(fā)電廠屬于集中發(fā)電站。相對于集中發(fā)電，分布式發(fā)電是一種由較靠近負(fù)載端且發(fā)電容量較小的小型發(fā)電設(shè)備所組成的系統(tǒng)。常見的分布式發(fā)電類型主要有熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電和燃料電池。熱電聯(lián)產(chǎn)電廠除了生產(chǎn)電能，還可以利用已經(jīng)向葉輪做過功的蒸汽為用戶供暖。可再生能源的分布式發(fā)電在避免長距離傳輸帶來高電能損耗的同時，也方便了一些距離大型電廠較遠(yuǎn)地區(qū)的用電。分布式電網(wǎng)也存在缺陷，最大的問題在于發(fā)電效率大大低于集中發(fā)電廠，由此帶來的問題是電價過高。并且分布式電網(wǎng)需要單獨(dú)的系統(tǒng)和維護(hù)人員，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，短期內(nèi)很難從別處調(diào)度電力。

電力工程師們在分布式電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，又提出了微電網(wǎng)的解決方案。微電網(wǎng)是把分布式電源和它所供能的負(fù)荷以及能量轉(zhuǎn)換、保護(hù)、監(jiān)控等裝置作為一個系統(tǒng)，形成一個小型的完整電網(wǎng)，以儲能設(shè)備或者微型燃?xì)廨啓C(jī)之類可控的電源維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相連，當(dāng)微電網(wǎng)無法自給自足時，可以從大電網(wǎng)調(diào)配電力補(bǔ)償；當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)電有盈余時，又能將多余的電送回大電網(wǎng)。但從目前的數(shù)據(jù)看，世界范圍內(nèi)的微電網(wǎng)數(shù)量不超過1000個，且大多無法做到和大電網(wǎng)之間的無縫切換，目前微電網(wǎng)要解決的技術(shù)難題還有很多。

多余的能源怎么儲存？

僅在2014年，我國棄水、棄風(fēng)、棄光損失電量超過300億千瓦時。如果能將這部分浪費(fèi)掉的電能儲存起來，將大大提高可再生能源的利用率，同時也能有效解決可再生能源發(fā)電廠間歇性和波動性的問題。常見的儲能方式包括電池、儲能飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣儲能等。目前最先進(jìn)的鋰離子電池的能量密度（每千克能源物質(zhì)中蘊(yùn)含的總能量）平均只相當(dāng)于汽油的1/100左右。儲能飛輪技術(shù)不如電池成熟，而且目前只能做到分鐘級的蓄能。較為普遍的儲能方式是抽水蓄能，抽水蓄能站將用電低谷期多余的電力以重力勢能形式儲存起來，需要時再用這部分重力勢能來發(fā)電。

目前，抽水蓄能在儲能市場中占據(jù)絕對優(yōu)勢，不過壓縮空氣儲能已顯現(xiàn)出趕超的勢頭。在用電低谷期間，壓縮空氣儲能站利用多余的電能驅(qū)動壓縮機(jī)，將空氣壓縮至高壓并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來，然后在用電高峰期將高壓空氣和天然氣混合，驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。但是，目前只有美國和德國有投入商業(yè)運(yùn)營的壓縮空氣儲能站。大規(guī)模儲能站至少要保證20～30年的穩(wěn)定運(yùn)行，對儲能站的可靠性要求極高。其次，儲能站的增減產(chǎn)要足夠靈活，同時要考慮儲能成本。因此，儲能技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到市場的路還很長。

能量密度讓人頭疼

要讓可再生能源完全替代化石能源，還要解決交通工具使用能源的可再生化——畢竟全球用于發(fā)電的能源消耗量只占能源總消耗量的22%。石油是人類目前最大的能源來源，幾乎所有交通工具都要使用到石油燃料。交通關(guān)系到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和貿(mào)易，因此交通業(yè)直接關(guān)系全球市場。在煤炭、石油和天然氣這三大化石能源中，石油耗盡的一天可能會最先到來。很可惜，能夠完全代替石油的高能量密度可再生能源目前還沒有出現(xiàn)。

全球幾個有影響力的大國先后公布了停止生產(chǎn)和銷售燃油汽車的最后截止日，而且都在研發(fā)電動汽車技術(shù)。我們目前只能做到汽車的電動化，而且電動汽車在可預(yù)見的未來絕對無法100%占領(lǐng)汽車市場。這是因?yàn)殡姵氐哪芰棵芏冗h(yuǎn)遜于液態(tài)化石燃料，因此目前電動汽車無法長距離行駛。電動汽車所使用的鋰離子電池能夠儲存和使用的能量密度為每千克0.36～0.875兆焦耳，汽油的能量密度為每千克44兆焦耳，柴油則為每千克48兆焦耳。因?yàn)槟壳半姵氐哪芰棵芏忍停胍@得與液態(tài)化石燃料相當(dāng)?shù)哪芰浚托枰哟箅姵氐臄y帶量。鋰離子電池是目前人類能夠使用的能量密度最高的電池之一，但是鋰離子電池除正負(fù)極的物質(zhì)外，還需要電解液、隔離膜、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體等材料，這些材料占整個電池重量的40%左右，限制了鋰離子電池的能量密度。

越大的交通工具，電動化改造難度越大。按照目前的電池重量計算，如果要滿足一架跨大西洋航班飛機(jī)的能量需求，飛機(jī)上需要攜帶的電池將重達(dá)1000多噸，而一架波音737-800飛機(jī)的最大起飛重量只有78噸（機(jī)身、燃料、貨物和乘員的總重量）。瑞士研發(fā)的第二代“陽光動力”太陽能飛機(jī)已經(jīng)可以完全依靠太陽能進(jìn)行不間斷環(huán)球飛行。太陽能飛機(jī)搭載17000塊太陽能面板，在夜間飛機(jī)能依靠鋰電池續(xù)航。它的飛行時速為140千米，只相當(dāng)于一輛小汽車的時速。雖然其翼展超過普通商業(yè)干線飛機(jī)，但只能搭載一名飛行員，這顯然不適合商業(yè)飛行。

其他可再生能源的出路

從十年前開始，能源界開始推崇用生物質(zhì)燃料代替汽油。常見的生物質(zhì)燃料有“纖維素乙醇”，這是一種從木材、草和農(nóng)作物不可食用部分的纖維中制取出的乙醇。與此齊名的還有從藻類體內(nèi)提煉油脂制造出的“生物柴油”。生物質(zhì)燃料的問題在于生物質(zhì)的生長和轉(zhuǎn)化過程需要占用土地，消耗水和能源。目前生物質(zhì)燃料的加工還屬于能源密集產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)廠家需要從政府獲取補(bǔ)貼才能維系。

氫一直都是科學(xué)家夢寐以求的能源介質(zhì)，因?yàn)闅淠茉淳哂凶畲蟮睦碚撃芰棵芏取o論是燃燒化石燃料還是電池放電，本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng)，也就是電子轉(zhuǎn)移。氫是原子量最小的元素，如果要提供相同的轉(zhuǎn)移電子量，氫是所需質(zhì)量最小的能源。

目前對氫能源的利用方式主要包括工業(yè)制取氫氣和氫燃料電池。電解制取氫氣需要消耗大量電能，雖然這樣制取出的氫氣具有純度高的優(yōu)點(diǎn)，但成本過高。此外，液態(tài)氫的保存和運(yùn)輸需要使用鋼瓶，鋼瓶有一定的重量，而且需要定期維護(hù)和更換，這些都導(dǎo)致氫能源從生產(chǎn)到使用的成本過高。因此，目前商業(yè)生產(chǎn)氫氣普遍采用的還是水煤氣法、天然制氫法和工業(yè)副產(chǎn)氫法。氫能源的第二種主要應(yīng)用形式是氫燃料電池。相對于鋰電池和干電池等儲能技術(shù)，氫燃料電池最大的不同在于其實(shí)際上是一個將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的“迷你發(fā)電廠”。采用氫燃料電池的電動汽車比以鋰電池為能源的純電動汽車具有補(bǔ)充能源所需時間更短、行駛距離更長等優(yōu)點(diǎn)。但氫燃料電池需要昂貴的鉑作為催化劑，并且氫燃料電池汽車的高壓儲氫罐需要定期檢查和更換。由于氫燃料電池本身需要控制溫度、排水和氣流等因素，因此其復(fù)雜程度超過鋰電池和內(nèi)燃機(jī)。目前，氫燃料電池汽車在實(shí)際道路上行駛的時間還不長，從公路上獲取的信息和經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)還不如內(nèi)燃機(jī)和鋰電池汽車。

既然可再生資源無法從石油手中接過主要能源物質(zhì)的重任，那么，能不能讓所有交通工具改燒天然氣？畢竟燃燒天然氣排出的廢氣對環(huán)境更友好。很遺憾，這個方案同樣是不可行的。因?yàn)樘烊粴馔瑯訉儆诓豢稍偕Y源，它的已探明全球儲量只能再開采幾十年。此外，目前在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中還無法杜絕甲烷泄漏的事故，所以，天然氣最終對氣候變化造成的影響可能超過石油。

有觀點(diǎn)認(rèn)為核電應(yīng)該能夠在我們未來的能源方面發(fā)揮重要的作用。與風(fēng)能和太陽能不同，全球范圍內(nèi)核電廠的數(shù)量正在減少，而非增長。這是因?yàn)楹穗姀S需要的投資較高，而且，核電廠泄漏事故的高風(fēng)險也是核能市場份額縮減的重要原因——福島核泄漏事件給全球環(huán)境帶來的影響至今尚未完全消除。在可控核聚變或者清潔核能利用技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破之前，我們不應(yīng)該將過多希望寄予核電。

瑞典：高度可再生能源社會的樣板

瑞典全社會使用可再生能源的比例已高達(dá)52%，這個比例是所有歐盟國家中最高的，使用領(lǐng)域包括發(fā)電、房屋取暖和燃料。在20世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)爆發(fā)前，石油占瑞典消耗能源總量的75%左右。今天石油只占到瑞典總能源消耗的25%左右。寒冷的冬季讓瑞典這個北歐國家在建筑取暖上消耗了大量能源。截至2016年的數(shù)據(jù)顯示，瑞典人均年用電量約為1.2萬千瓦時，超過美國水平，幾乎是中國的3倍。但瑞典人均年碳排放卻只相當(dāng)于美國的1/4左右。低排放的原因之一在于瑞典可再生能源的高使用率。

2008年瑞典通過立法，所有建筑都要申報能源使用量。全國大范圍使用的雙層或三層玻璃能有效減少建筑熱量散失。瑞典大多數(shù)建筑的通風(fēng)系統(tǒng)也做了節(jié)能設(shè)計：冷空氣通過散熱片后方的通氣孔，經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入室內(nèi)。室內(nèi)濁氣被排出前，首先通過熱量回收系統(tǒng)將余熱收集起來，然后進(jìn)入熱水系統(tǒng)加熱水，從而實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用。瑞典在2001年建成了全國首座被動式住宅，在此之后這種建筑理念得到了迅速普及。被動式住宅在建造時沒有采用傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)，而是利用陽光、居住者人體和家用電器散發(fā)出的熱量來保持建筑內(nèi)部溫度，并通過通風(fēng)和隔熱設(shè)計維持舒適的室溫。

節(jié)能的觀念已經(jīng)深深融入了瑞典人民的生活，充分利用資源雖然給生活造成了一定的不便，但每個瑞典人都知道這是自己應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。為了進(jìn)一步充分利用材料，瑞典在常見垃圾分類的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了細(xì)分。例如，所有紙張中，報紙和打印紙為一類，飲料包裝紙則為另一類。瑞典全國約有15%的土地在北極圈內(nèi)，這里的冬季漫長而寒冷。每年用于供暖的能源消耗在整個國家的能源供應(yīng)中占比24%。目前，地?zé)崛∨阎鸩饺〈加瓦M(jìn)入瑞典的千家萬戶，超過50%的地區(qū)的供熱、供暖系統(tǒng)采用地?zé)峄蚬I(yè)廢熱產(chǎn)生的蒸汽或熱水。此舉降低了燃油和電力的消耗，也大大降低了碳排放量。瑞典的公交車已經(jīng)全面使用生物乙醇等生物質(zhì)燃料。同時，斯德哥爾摩政府向出入城區(qū)的車輛征收入城費(fèi)，鼓勵市民乘坐公共交通工具。

瑞典擁有全世界最先進(jìn)的垃圾處理廠，能將大量垃圾轉(zhuǎn)化成熱能用以發(fā)電。每年瑞典從挪威等國拖走的垃圾達(dá)80萬噸之多。這些垃圾中的36%屬于可回收材料，被循環(huán)利用；14%被用于制作化肥；49%用于垃圾焚燒發(fā)電；只有約1%的垃圾被填埋。瑞典的垃圾處理產(chǎn)業(yè)既能幫助別國解決垃圾處理難題，又有利可圖，還能解決一定的國內(nèi)能源需求，可以說是一舉三得的好生意。瑞典的垃圾焚燒廠能阻止二 英等等劇毒物質(zhì)被釋放到大氣中。垃圾焚燒后剩下的灰燼中含有重金屬和二 英等有害物質(zhì)，這些灰燼又被重新運(yùn)回最初的出口國。

中國：可再生能源發(fā)展迅猛

中國是一個富煤貧油少氣的國家，人均化石能源可開采儲量大大低于世界平均水平。2016年，中國一次能源總消費(fèi)量相當(dāng)于43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭占62%，水電、風(fēng)電、核電、天然氣等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的19.7%。中國在可再生能源領(lǐng)域的發(fā)展空間廣闊，并且近些年來在可再生能源領(lǐng)域不斷開拓，取得了值得驕傲的成績。2017年底，中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到6.5億千瓦，同比增長14%，其中風(fēng)電和光伏發(fā)電發(fā)展迅猛。中國是光伏和太陽能熱能最大的市場，2015年中國已經(jīng)成為世界最大的光伏發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)國。據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)最新的年度報告顯示，中國太陽能行業(yè)從業(yè)人員總數(shù)超過250萬，遠(yuǎn)大于美國26萬人的規(guī)模。2015年，中國占全球可再生能源增量的40%，每小時就有2臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝到位。中國在生物質(zhì)能領(lǐng)域也取得了相應(yīng)的發(fā)展，截至2016年底，全國生物質(zhì)能發(fā)電累計核準(zhǔn)容量1879萬千瓦。

2017年12月28日，我國首個承載式光伏高速公路試驗(yàn)段在濟(jì)南建成通車，實(shí)現(xiàn)了利用高速公路路面并網(wǎng)發(fā)電。試驗(yàn)段位于濟(jì)南繞城高速南段，長度為1080米，凈面積5875平方米，裝機(jī)容量峰值功率817.2千瓦，全年預(yù)測發(fā)電量可以滿足300個普通家庭一年的用電。承載式高速光伏路面，最上面一層是類似毛玻璃的半透明新型材料，能提供比瀝青路面更大的摩擦系數(shù)，所以車輛不會打滑。半透明的材料有利于埋藏于其下的光伏發(fā)電面板接收太陽能，生產(chǎn)出的電力被輸向電網(wǎng)。在冬季，普通道路容易結(jié)冰，承載式光伏路面通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，有效地解決了道路結(jié)冰問題。光伏路面的能力還不止這些，其預(yù)留的各種信息接口可以很容易地接入各種信息采集設(shè)備。整條道路可以收集行車信息和道路擁堵狀況信息等，從而實(shí)現(xiàn)前方車禍預(yù)警和實(shí)時分流等功能，這是向智慧交通邁進(jìn)的一大步。

中國在可再生能源領(lǐng)域取得的發(fā)展日新月異。我國可再生能源基地和用電負(fù)荷中心距離較遠(yuǎn)：80%的水能分布在西南部地區(qū)，90%的風(fēng)能集中在西北、東北和華北北部，太陽年日照時間超過3000小時的地區(qū)主要在西藏、青海、甘肅、寧夏、新疆等西部省區(qū)，而大部分用電地區(qū)集中在華中、華東和華南。為了保障電力大規(guī)模、遠(yuǎn)距離和高效率的傳送，中國編制修訂了近百個新能源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并開始使用±800千伏換流變壓器，甚至是±1100千伏換流變壓器，相比普通土220千伏換流變壓器，大大提高了輸電能力和輸電距離。為了節(jié)約地面土地資源，也是為了盡可能減少極端天氣給電網(wǎng)帶來的風(fēng)險，中國電網(wǎng)企業(yè)在一些地區(qū)采用了氣體絕緣輸電線路，這比傳統(tǒng)地下輸電線路輸電效能提高了近5倍。我國風(fēng)能發(fā)電機(jī)組裝機(jī)量世界排名第一，是排名第二的美國的2倍。我國研制的7兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組是全球最大的半直驅(qū)海上抗臺風(fēng)風(fēng)電機(jī)組，主機(jī)艙重400多噸，葉輪直徑達(dá)150多米，可經(jīng)受17級臺風(fēng)。在新能源汽車領(lǐng)域，重慶某新能源汽車租賃公司能做到在3分鐘內(nèi)完成一輛電動汽車的電池更換操作，全程不需要人介入，有效彌補(bǔ)了電動汽車充電時間久的不足。

人類距離100%使用可再生能源的時代還有多遠(yuǎn)？這個問題很難回答，但人類如果要可持續(xù)地發(fā)展，就必須完成從化石能源到可再生能源的轉(zhuǎn)變。科技可以讓我們從自然界獲取更多可再生能源，也能提高能源的轉(zhuǎn)化效率。人類在研究如何獲取更多清潔能源的同時，還應(yīng)該倡導(dǎo)節(jié)能的生活方式，減輕對能源的依賴。人類很有可能在不知不覺中完成這場可再生能源的大變革，擁抱更綠色的明天。