新闻详情页
民革中央网站>>稿件上传>>团结杂志>>202002
未来主力能源是什么     尹也泽 张  栋    2021年03月24日16:25

 

人类社会的存在和发展,从物理意义上,是一个不断与环境进行物质交互和能量交互的过程。从这个意义上说,能源问题从来都是人类社会发展的一个基本命题。人类文明要维持高速发展,能源问题是一个必须考察的问题。

  人类的未来主力能源可能是什么?科学界、产业界众说纷纭,从各种角度和立场给出了各式各样完全不同的回答。但如果不追求精确、细致的答案,其实普通人基于一般常识就足以给出一个粗线条的、方向性的结论。

  那么,让我们从未来主力能源应该具备哪些条件开始讨论。

未来主力能源应有哪些条件?

 首先,未来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转化的中间形态,只是能源利用的方式问题,而非能源问题本身。

  比如有观点认为氢能是极具潜力的未来能源。如果基于廉价和充足的电力供应,电解水制氢,以氢能取代以化石能源为基础的汽油、柴油、煤油、煤气,不仅是有可能的,而且也是更清洁的。但氢能及其所取代的对象都不是能源本身,只是能源的中间形态,不能成为未来能源的讨论对象。

  第二,未来能源必须具有现实的,至少是明确可预期的技术可行性。

  反物质能源经常出现在科幻小说中,但在现实中连理论可行性都没有明确回答,显然不能成为讨论对象。可控核聚变,是人类可知范围内的终极能源,一旦得以突破,从实验室进入产业应用,那么人类文明很可能进入一个今人难以想象的新阶段,未来能源也就成为基本无需讨论的问题了。但在当前,其技术前景即使最顶尖的科学家也难以预见,也只能忽略。

  实际上,对未来能源的讨论只能被限定在已有大规模应用,或至少已经有一定产业实践基础的能源范围内。2017年数据,全球一次能源消费的大致结构是:煤炭占27%,石油占32%,天然气占22%,生物质能占10%,核能占5%,水力占3%,其他可再生能源合计约2%。换言之,讨论范围应大致限定在,生物质能、化石能源、裂变核能、水能,以及其他项中包含的风能、太阳能、地热能、潮汐能。

  第三,未来能源在可利用总量上相对人类当前的能源利用规模,必须有数量级提升的潜力。

  从能源的角度观察人类社会的发展,人类社会每一次革命性进步都是一次能源利用规模量级的提升。

  首先是农业革命。从狩猎-采集社会向农业-畜牧社会的转变,意味着人类对环境能量的利用,第一次由分散、随机和基本无储积的方式,转变成了集中、有目的和可储积的方式。尽管都是利用光合作用转化的太阳能,但农业和畜牧都是大规模的、集中的利用作物的光合作用,并把转化的能量通过果实或者牲畜储存起来。

  美洲大陆的狩猎采集文明,100人的部落要维持生存需要的土地面积大约在30平方千米~70平方千米,人均200亩~500亩,单个部落一般很难超过300人,300人的部落需要大约100平方千米~200平方千米土地,已经达到狩猎-采集的大致极限范围。而在农业社会人均仅需5亩~10亩土地,同样土地可以支撑的人口规模扩张百倍以上。相应的,人类社会的能源利用规模提升了至少两个数量级。

  其次是工业革命。工业革命是人类能源利用规模的第二次量级提升。化石能源的使用,意味着人类可以在短时间内释放和利用漫长地质时期里地球生态系统所储积的太阳能。直至今天,人类的主要能源仍然是化石能源,尽管可以有更加细致的时代划分,但广义的说,我们仍然处在工业时代。

  生物质能在工业革命之前,基本是人类可以利用的全部能量来源。但在目前,生物质能只占人类能源利用总规模的1/10,考虑到当前世界人口规模已经是农业时代的十倍左右,且普遍享有高得多的营养水平。简单比较可知工业文明相较农业文明,能源利用规模也提升了至少两个数量级。

   如果我们期待人类文明在未来仍然会继续跃升,那么我们的能源利用规模也必需有数量级的提升。能源是文明发展的基础动力。虽然如果能源利用规模不再扩张,增长仍然是可能的,但这种增长必然是“内卷化”的,很难被称为发展。在工业革命以前,发达的农业社会普遍陷入了“内卷化”增长的境地,土地的单位产出无法获得大幅度提升,也不存在新的产出方式,只能依靠“精耕细作”,依靠劳动力的密集投入,以求尽可能逼近作物的产出极限。显然没有工业革命,“马尔萨斯陷阱”就将一直成立,文明和经济将被迫保持缓慢的增长,或者叫做痛苦的停滞。

  今天,人类所依赖的化石能源,即使不会在可预见的未来耗尽,也已经达到或者接近利用规模的极限,之所以文明的发展还没有陷入停滞,那是因为已经有新的能源方式在发展和孕育。

  第四,未来能源必须不存在显著的环境阈限。

  人类的生存环境是地球生态圈,人类的能源利用必须在地球生态圈的承载阈限之内。

  但热力学第二定律告诉我们,孤立热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变。人类文明是一个不断建造更大规模、更低熵值的物质系统的过程。人类文明物质系统的熵减,意味着外部能量的输入。但如果这种能量输入的来源只局限于地球生态系统的范围内,那也就是说,人类社会的熵减,即是地球生态系统等量或更大量的熵增,人类的一切发展,都是地球生态的等量或更大量的破坏。

  幸运的是,地球生态圈有自我修复能力,因为它也并非封闭系统,有太阳能作为稳定永续的能量输入源。但人类社会的发展对地球生态的影响整体上是破坏性的,这一点也是确定的结论,可讨论的只是这种破坏性是否还在地球生态圈的承载阈限之内。而一切直接取自地球生态圈内部的能源都是在逼近或者挑战地球生态圈的承载阈限。地球生态圈承载力的确切极限在哪里,无法被准确回答,但是,全球变暖、环境污染,生物多样性退化等等众多危险信号已经给我们亮起了红灯。即使生态极限可以被准确测量,最好也不要去测试这个极限,在悬崖边起舞是危险的。

   从这个角度,任何直接取自地球生态圈内部的能源,都不可能是真正具有革命性的,也不可能成为人类未来能源的理想选择。

现有的能源选择

  规模潜力和环境限制两个限定条件足以把现有的大多数能源方式排除出未来主力能源的候选范围。

  化石能源显然不具备这样的潜力。根据2016年数据,全球化石能源储量,煤炭储采比为114年,石油为50.7年,天然气52.8年。而作为我国主要能源的煤炭储采比更低,仅为31年。随着勘探、开采技术的进步,也许在较近的未来,化石能源的储采比仍然能够得以维持,甚至略有增长,暂无枯竭之虞。但是,化石能源的利用规模不可能有数量级增长的潜力,仍然是一个显而易见的结论。

 另外,化石能源很可能也已经达到环境阈限。化石能源在采掘、加工、燃烧过程中难以避免的造成地质破坏和环境污染。更重要的是,无论如何提升利用转化效率和清洁化使用,化石能源的使用都意味着无法避免碳排放、加剧地球气候变暖。尽管对于细节和机理仍然存在很多争议,但对全球变暖本身及其与碳排放之间的关系,科学界已经建立共识。尽管存在各种基于政治和经济因素的干扰,全球对碳减排的必要性也已经形成共识。显然,即使化石能源储量无限,其利用规模也不能大幅度增长,甚至必须削减。目前主要经济体大多都做出了碳减排的承诺,其中我国承诺碳排放2030年左右达到峰值,单位国内生产总值碳排放比2005年下降60%~65%,也就是说我国将在2030年左右,进入碳排放绝对量下降的阶段,化石能源消费量将在不远的未来开始下降。

  核能也是一种矿物能源,不可再生且利用规模极限并不遥远。铀在地壳中丰度大约百万分之2.3,总量非常巨大,但广泛分布,可开采资源量有限。根据世界原子能组织数据,截止2015年,世界已查明铀回收成本在130美元/kg之内的资源量571.85万吨,高成本级别的铀资源回收成本在260美元/kg的资源量为764.15万吨。当前铀资源年消费量约7万吨,资源储采比大致和化石能源处于同一水平,同样没有驱动能源利用规模做量级提升的潜力。事实上根据当前专家的主流估计,在2020年代铀就将出现供给缺口。

  水力和风力能源同样没有支撑人类能源利用规模做数量级提升的潜力。它们都是太阳能在留在地球生态循环中的过程性能源,太阳能的大部分都以直接反射和红外辐射形式返回空间,在地球表面转化为空气和水的动能的部分不到1%。尽管太阳能的小部分相对人类需求也是极为庞大的,但截断所有空气和水循环,将之全部转化为能源,既不可能,也无法接受。2017年全球水电发电量约为41850亿千瓦时,全球水电技术开发程度(发电量与技术可开发量的比值)为29%,其中欧洲水电开发程度为53%,北美州为44%,我国为56%。全球水电经济开发程度(发电量与经济可开发量的比值)已达48%,欧洲水电经济开发程度达80%,北美洲达77%,南美洲为47%,亚洲和环太平洋地区为43%,在可预见的未来,水力开发仍有增长潜力,但开发规模极限已经并不遥远,增长速度整体上必然不断趋缓。风力开发程度较低,增长潜力也较大,但其性质与水力类似。陆地上风力大于5m/s的地区中,只有约4%的面积有可能安装风力发电机。以我国为例,具有开发利用价值的陆上风资源大约为25.3万MW,大体相当于中国水电资源可开发量的51%。风力、水力两者合计在人类能源格局中都不可能占据主要地位,只是因其可再生能源属性和较高的能量密度和较好的经济性占据辅助能源的位置。

  生物质能,全部直接和间接来自植物和微生物的光合作用。光合作用对太阳能的转化效率因植被情况而有很大差异,较高水平的高产水稻一般为0.4%,自然条件下陆地植物平均效率约0.2%~0.3%。事实上,生物质能主要是人类的营养来源,作为燃料和狭义能源并非主要用途。生物质能利用方式多样,包含生物燃料、垃圾和秸秆发电、沼气和薪柴等等,有些是能源价格波动驱动的套利行为,有些是生活和农牧业副产品的精益利用,有些则是传统生活方式的残余。本质上,生物质能是前工业时代的能源方式,在今天能源意义仍存,但其本身主要依存于农林牧业,并非一种可以独立发展的能源类型。

   另外,水力、风力和生物质能,都是直接取自地球生态圈的能源,虽然通常被认为是清洁能源,但截断江河、削减风力、开垦和扩张农田,显然都存在负面生态影响。

  再排除目前尚不具备真正的规模化产业应用能力的地热能和潮汐能,剩下的选项几乎是唯一的——太阳能的直接利用。

目力可见的未来能源——太阳能发电

  太阳能的规模潜力毋庸讨论。除了核能、尚难以规模利用的地热和潮汐能,人类使用的其他一切能源都是太阳能在地球生态圈内不同形式的载体。除可控核聚变之外,并不存在可利用资源量超越太阳能的其他能源形式。以中国为例,2019年全年总用电量72255亿千瓦时,按一类资源区日照能量下限6680MJ/m2,以目前光伏发电主流产品20%左右的转换效率,需要1.95万km2土地,不到我国当前261万km2荒漠化土地的1%。

  太阳能的直接利用,基本也不存在环境阈限。与其他主流的能源方式的最大区别在于,直接利用太阳能事实上已经部分跨出了地球生态圈的能量循环,它不依赖生态圈内的物质和能量转换,是对地球生态扰动最小的能源方式之一,而即使是这些扰动,主要的方面对人类也是正面的。覆盖了太阳能电池的荒漠化地区就不能再被视为荒漠了,太阳能电池板可以近似等效于覆盖了转化效率约20%的人工植被。由于太阳能发电减弱了地面蒸腾作用,天然具有保水固沙的功能,实际上,几乎所有建设在荒漠化土地的光伏项目都带来了当地自然植被的恢复。

  在2010年,主流晶硅太阳能电池转换效率尚在16~18%,目前,主流晶硅太阳能电池效率已经高于20%,尚未产业化的新型钙钛矿太阳能电池的效率已经29.15%。

  在我国,2020年就是正式取消补贴,光伏发电实现全面平价上网的一年,而在此之前,光伏发电,在传统发电方式面前,缺乏价格竞争力,必须依赖政策扶持和补贴。

  在此前的2019年,光伏企业隆基股份总裁李振国,还曾放出预言:10年内,光伏发电成本即将全面低于1美分/度电,产能5年内达到400GW。在2020年4月,在阿布扎比的一个2GW的光伏电站招标中,一家中国光伏企业和一家法国企业联合,就投出了0.7934美分/度电的历史性的中标价格。

   伴随太阳能发电成本的快速下滑,一场新的能源革命可能就近在我们眼前。■

专题推荐

  • 民革微信公众号

    友情链接

    中共中央统战部| 全国政协办公厅| 中央社会主义学院| 中国民主同盟| 中国民主建国会| 中国民主促进会| 中国农工民主党|
    中国致公党| 九三学社| 台湾民主自治同盟| 全国工商联| 欧美同学会| 黄埔军校同学会| 中华职教社| 新华网| 中新社|
    人民网| 团结网| 人民政协报| 中国政协新闻网| 中华工商时报| 中国网中国政协频道| 中华南社学坛| 毕节统一战线|