能源逻辑背后，新能源革命犹有困境

文/陈根

煤炭和石油的发现与利用使人类告别了农耕文明,进入了工业文明。200多年化石能源的使用,在给人类社会带来巨大进步的同时,也给人类社会造成了日益严峻的环境问题和气候问题。不可再生能源紧缺的全球危机下,能源转换已至。

不论是欧盟2010年发布的“能源2020”计划选择了绿色能源之路,还是日本政府在2015年“国家复兴战略”中明确要重新重视核能;不论是美国政府2014年发布“全方位能源战略”,强调占据未来世界能源技术的制高点,还是印度政府2015年宣布大规模发展绿色能源,能源问题都已经上升为各主要国家的核心战略议题。

人们从来没有像今天这样重视能源,当人们再一次面临着一场能源迭代时,也意味着一个全新的能源时代正在加速到来。能源迭代有无可遵循的逻辑,新一代能源又将给人类造成什么挑战,未来的能源世界会是更美丽的新能源世界吗?

从草木能源到化石能源

尽管现代人们多以煤炭和石油来定义人类文明的第一次能源和二次能源领域的技术革命,并认为两次技术革命分别对能源生产和能源消费产生革命性影响。但在更大的时间尺度下,草木能源才真正是人类文明发展的起点。显然,人类绝大部分时间都靠草木能源赖以生存,并以此到达了农耕文明的巅峰。

人类文明在发展的最初,就是依赖于自然界中可以直接获取的可用于消费的物质,比如植物、动物等。原始人类的居住地也是天然的或略经处置就可以遮风避雨的自然场所,比如洞穴、草棚等。

草木生生不息,但其生长受地域限制且每年生长的数量也有限。这个时代人们随水草而居,一个村庄或城市,需要方圆30到50倍人群聚落面积的草木以支持其日常能源消耗。

在草木能源的阶段,人类对能源的转化是极其简单的。对“火”及自身的关系的认识是古人发明的一项重要的能源操控技术,从对雷电引起的森林或草原的野火的恐惧,到学会用火来烧烤猎物以熟食,再到用火来御寒、照明、驱赶野兽,人工取火方法的掌握标志着火作为一种能源真正被人们所利用。

两百多年前,瓦特发明了蒸汽机,烧煤把水变成蒸汽、蒸汽驱动机器来替代人做粗笨费力的工作,进而启动了工业革命,以化石为主要能源的纪元自此开始。在化石为主要能源的纪元里,诞生了所谓的第一次能源革命和第二次能源革命。

其中,第一次能源转型以英国为代表,由煤炭取代了居主导地位的柴薪。按照瓦茨拉夫·斯米尔的量化标准,英国的能源转型始于1550年,至1619年左右完成,历时约70年。

1550年左右,煤炭在英国能源消费结构中的比重开始超过5%;1619年左右,煤炭在英国能源消费结构中的比重超过居主导地位的柴薪,完成了向煤炭系统的转型。转型完成后,随着经济发展及工业革命的推进,煤炭在英国能源消费结构中的比重还在增加,1938年时达到历史峰值(97．7%)。

第二次能源转型以美国为代表,由石油取代居主导地位的煤炭。按照瓦茨拉夫·斯米尔的量化标准,美国的能源转型始于1910年,到1950年完成,历时仅约40年。1950年,石油在美国能源消费结构中的比重(38．4%)首次超过煤炭(35．5%),成为主导能源。

近几百年化石能源的利用和生机蓬勃的科技创新,让人类享受到空前的繁荣和富足,世界人口规模和人均GDP得以迅速增长,当然也造成了日益严峻的环境问题和气候问题。并且,化石和核裂变能源都是有限资源,这也意味着,对化石能源的开采是有限而非无穷的。

因此,可持续新能源,如太阳能、地热/海洋热、自然机械能(风能、潮汐以及其他自然机械能)等,不得不逐渐取代化石能源成为支撑社会运转和人们生活的主力,下一场能源革命也将由此展开。

新能源革命犹有困境

尽管热/海洋热、自然机械能(风能、潮汐以及其他自然机械能)等也作为新能源被寄予革新能源开采的希望,但化石能源之外,最有可能“上位”的新能源,依旧还是太阳能。太阳中的轻原子发生核聚变,产生大量的热和光,这些光热旅行500秒、穿越1．5亿公里,供养了地球数十亿年。

当然,太阳的光热并没能让其他行星万物生长,究其原因,是地球生物在约30亿年前就演化出“光合作用”的奇妙功能,即微生物和植物利用太阳光把水分解为氢气和氧气,并从空气中捕捉二氧化碳分子,把这些混合的分子原子转化为有机碳体,然后把多余的氧气释放到空气中。

从能量的角度来说,光合作用过程把自然中功率密度较低、较紊乱的水和二氧化碳分子转化为功率密度较高并且较有序的有机碳体物质,既增加了能量的功率密度,也减少了整个体系的紊乱程度(熵减少)。化腐朽为神奇的光合作用,是让地球上的生物耐以生存的最基本的技术。光合作用给人类树立了一个能源操控的榜样。

从可再生性和储量来看,太阳能则是唯一能够保证人类能源需要的来源。世界上水能资源理论储量只有39万亿千瓦时/年,风能资源理论储量为2000万亿千瓦时/年;而太阳能资源理论储量高达150000万亿千瓦时/年。可以说,新能源中只有太阳能才是代表未来的真正的能源,其它潮能、地热能、风能、水能等都是煤炭、石油等能源的补充能源,而太阳能将对煤炭、石油等实现真正的能源替代。

无论是上一轮、还是下一轮能源革命,科技技术都是驱动能源变革的重要因素。科学家通过所发现的自然现象而发明新的能源操控技术、人们进而发明新机器和工具,从而让人类高效而充分使用能源,这是最为关键和基本的一条科技发展路径,会深刻地驱动各方面的科技和社会变化。

然而现在,虽然人类已经意识到能源问题带来的挑战,并且在寻求未来能源供应的解决途径,但不论是能源技术还是能源治理,都还没有找到很好的办法。

从能源技术开采的情况来看,尽管除了海洋能主要还是在实验和小规模建设初步生产外,水电能、核能、风能和太阳能等的应用都已经比较成熟,近二十年也取得了很大的发展。但这几种能源在能源消费总量中的比重,加起来依然还不到16%。并且,还没有一种单一能源在消费中的比重超过10%。

从能源治理看,能源问题不是一个国家、一个民族的问题,所有国家和民族,是紧密绑在一起的人类命运共同体。地球上的所有生命的命运,都最终取决于人类的选择。问题在于,人类虽然已经认识到这个问题,但是在摒弃分歧、实现合作以达成全球统一行动。实现有效的能源治理,还存在严重的问题。

实际上,能源革命的内在逻辑,就是人类文明发展的需求驱动——原始社会能源主要满足生存需求;封建社会人类生活品质提高,初级工业生产使得对能源的需求量大幅提升;工业革命以来社会文明加快发展,人类对交通、信息和文化娱乐的需求大幅提升;现代工业对能源的需求量达到了前所未有的高度。

随着高碳能源在开发利用过程中产生的废水、废气和废渣所引发的一系列生态环境问题,能源生产和消费的生态需求再次进入新的能源发展历程。无论人类是否愿意,这场正在发生的能源更替是大势所趋,别无选择。这场革命不仅技术挑战很大,社会和经济成本也都是巨大的。

在“可持续新能源”时代成为一个美丽新时代前,人类社会也需要有更多的合作,需要放下成见一起携手去建设属于人类的未来文明。