能源邏輯背后，新能源革命猶有困境

文/陳根

煤炭和石油的發(fā)現(xiàn)與利用使人類告別了農(nóng)耕文明,進(jìn)入了工業(yè)文明。200多年化石能源的使用,在給人類社會帶來巨大進(jìn)步的同時,也給人類社會造成了日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和氣候問題。不可再生能源緊缺的全球危機(jī)下,能源轉(zhuǎn)換已至。

不論是歐盟2010年發(fā)布的“能源2020”計劃選擇了綠色能源之路,還是日本政府在2015年“國家復(fù)興戰(zhàn)略”中明確要重新重視核能;不論是美國政府2014年發(fā)布“全方位能源戰(zhàn)略”,強(qiáng)調(diào)占據(jù)未來世界能源技術(shù)的制高點,還是印度政府2015年宣布大規(guī)模發(fā)展綠色能源,能源問題都已經(jīng)上升為各主要國家的核心戰(zhàn)略議題。

人們從來沒有像今天這樣重視能源,當(dāng)人們再一次面臨著一場能源迭代時,也意味著一個全新的能源時代正在加速到來。能源迭代有無可遵循的邏輯,新一代能源又將給人類造成什么挑戰(zhàn),未來的能源世界會是更美麗的新能源世界嗎?

從草木能源到化石能源

盡管現(xiàn)代人們多以煤炭和石油來定義人類文明的第一次能源和二次能源領(lǐng)域的技術(shù)革命,并認(rèn)為兩次技術(shù)革命分別對能源生產(chǎn)和能源消費產(chǎn)生革命性影響。但在更大的時間尺度下,草木能源才真正是人類文明發(fā)展的起點。顯然,人類絕大部分時間都靠草木能源賴以生存,并以此到達(dá)了農(nóng)耕文明的巔峰。

人類文明在發(fā)展的最初,就是依賴于自然界中可以直接獲取的可用于消費的物質(zhì),比如植物、動物等。原始人類的居住地也是天然的或略經(jīng)處置就可以遮風(fēng)避雨的自然場所,比如洞穴、草棚等。

草木生生不息,但其生長受地域限制且每年生長的數(shù)量也有限。這個時代人們隨水草而居,一個村莊或城市,需要方圓30到50倍人群聚落面積的草木以支持其日常能源消耗。

在草木能源的階段,人類對能源的轉(zhuǎn)化是極其簡單的。對“火”及自身的關(guān)系的認(rèn)識是古人發(fā)明的一項重要的能源操控技術(shù),從對雷電引起的森林或草原的野火的恐懼,到學(xué)會用火來燒烤獵物以熟食,再到用火來御寒、照明、驅(qū)趕野獸,人工取火方法的掌握標(biāo)志著火作為一種能源真正被人們所利用。

兩百多年前,瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī),燒煤把水變成蒸汽、蒸汽驅(qū)動機(jī)器來替代人做粗笨費力的工作,進(jìn)而啟動了工業(yè)革命,以化石為主要能源的紀(jì)元自此開始。在化石為主要能源的紀(jì)元里,誕生了所謂的第一次能源革命和第二次能源革命。

其中,第一次能源轉(zhuǎn)型以英國為代表,由煤炭取代了居主導(dǎo)地位的柴薪。按照瓦茨拉夫·斯米爾的量化標(biāo)準(zhǔn),英國的能源轉(zhuǎn)型始于1550年,至1619年左右完成,歷時約70年。

1550年左右,煤炭在英國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重開始超過5%;1619年左右,煤炭在英國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重超過居主導(dǎo)地位的柴薪,完成了向煤炭系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)型完成后,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)革命的推進(jìn),煤炭在英國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重還在增加,1938年時達(dá)到歷史峰值(97．7%)。

第二次能源轉(zhuǎn)型以美國為代表,由石油取代居主導(dǎo)地位的煤炭。按照瓦茨拉夫·斯米爾的量化標(biāo)準(zhǔn),美國的能源轉(zhuǎn)型始于1910年,到1950年完成,歷時僅約40年。1950年,石油在美國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重(38．4%)首次超過煤炭(35．5%),成為主導(dǎo)能源。

近幾百年化石能源的利用和生機(jī)蓬勃的科技創(chuàng)新,讓人類享受到空前的繁榮和富足,世界人口規(guī)模和人均GDP得以迅速增長,當(dāng)然也造成了日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和氣候問題。并且,化石和核裂變能源都是有限資源,這也意味著,對化石能源的開采是有限而非無窮的。

因此,可持續(xù)新能源,如太陽能、地?zé)?海洋熱、自然機(jī)械能(風(fēng)能、潮汐以及其他自然機(jī)械能)等,不得不逐漸取代化石能源成為支撐社會運轉(zhuǎn)和人們生活的主力,下一場能源革命也將由此展開。

新能源革命猶有困境

盡管熱/海洋熱、自然機(jī)械能(風(fēng)能、潮汐以及其他自然機(jī)械能)等也作為新能源被寄予革新能源開采的希望,但化石能源之外,最有可能“上位”的新能源,依舊還是太陽能。太陽中的輕原子發(fā)生核聚變,產(chǎn)生大量的熱和光,這些光熱旅行500秒、穿越1．5億公里,供養(yǎng)了地球數(shù)十億年。

當(dāng)然,太陽的光熱并沒能讓其他行星萬物生長,究其原因,是地球生物在約30億年前就演化出“光合作用”的奇妙功能,即微生物和植物利用太陽光把水分解為氫氣和氧氣,并從空氣中捕捉二氧化碳分子,把這些混合的分子原子轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳體,然后把多余的氧氣釋放到空氣中。

從能量的角度來說,光合作用過程把自然中功率密度較低、較紊亂的水和二氧化碳分子轉(zhuǎn)化為功率密度較高并且較有序的有機(jī)碳體物質(zhì),既增加了能量的功率密度,也減少了整個體系的紊亂程度(熵減少)。化腐朽為神奇的光合作用,是讓地球上的生物耐以生存的最基本的技術(shù)。光合作用給人類樹立了一個能源操控的榜樣。

從可再生性和儲量來看,太陽能則是唯一能夠保證人類能源需要的來源。世界上水能資源理論儲量只有39萬億千瓦時/年,風(fēng)能資源理論儲量為2000萬億千瓦時/年;而太陽能資源理論儲量高達(dá)150000萬億千瓦時/年?？梢哉f,新能源中只有太陽能才是代表未來的真正的能源,其它潮能、地?zé)崮?/strong>、風(fēng)能、水能等都是煤炭、石油等能源的補(bǔ)充能源,而太陽能將對煤炭、石油等實現(xiàn)真正的能源替代。

無論是上一輪、還是下一輪能源革命,科技技術(shù)都是驅(qū)動能源變革的重要因素?？茖W(xué)家通過所發(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象而發(fā)明新的能源操控技術(shù)、人們進(jìn)而發(fā)明新機(jī)器和工具,從而讓人類高效而充分使用能源,這是最為關(guān)鍵和基本的一條科技發(fā)展路徑,會深刻地驅(qū)動各方面的科技和社會變化。

然而現(xiàn)在,雖然人類已經(jīng)意識到能源問題帶來的挑戰(zhàn),并且在尋求未來能源供應(yīng)的解決途徑,但不論是能源技術(shù)還是能源治理,都還沒有找到很好的辦法。

從能源技術(shù)開采的情況來看,盡管除了海洋能主要還是在實驗和小規(guī)模建設(shè)初步生產(chǎn)外,水電能、核能、風(fēng)能和太陽能等的應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟,近二十年也取得了很大的發(fā)展。但這幾種能源在能源消費總量中的比重,加起來依然還不到16%。并且,還沒有一種單一能源在消費中的比重超過10%。

從能源治理看,能源問題不是一個國家、一個民族的問題,所有國家和民族,是緊密綁在一起的人類命運共同體。地球上的所有生命的命運,都最終取決于人類的選擇。問題在于,人類雖然已經(jīng)認(rèn)識到這個問題,但是在摒棄分歧、實現(xiàn)合作以達(dá)成全球統(tǒng)一行動。實現(xiàn)有效的能源治理,還存在嚴(yán)重的問題。

實際上,能源革命的內(nèi)在邏輯,就是人類文明發(fā)展的需求驅(qū)動——原始社會能源主要滿足生存需求;封建社會人類生活品質(zhì)提高,初級工業(yè)生產(chǎn)使得對能源的需求量大幅提升;工業(yè)革命以來社會文明加快發(fā)展,人類對交通、信息和文化娛樂的需求大幅提升;現(xiàn)代工業(yè)對能源的需求量達(dá)到了前所未有的高度。

隨著高碳能源在開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢渣所引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題,能源生產(chǎn)和消費的生態(tài)需求再次進(jìn)入新的能源發(fā)展歷程。無論人類是否愿意,這場正在發(fā)生的能源更替是大勢所趨,別無選擇。這場革命不僅技術(shù)挑戰(zhàn)很大,社會和經(jīng)濟(jì)成本也都是巨大的。

在“可持續(xù)新能源”時代成為一個美麗新時代前,人類社會也需要有更多的合作,需要放下成見一起攜手去建設(shè)屬于人類的未來文明。