1850年商业开采以来人类已消耗1350亿吨原油|风能|太阳能发电|能源|能源短缺

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出品|网易科学人栏目组

策划|王真

作者|晗冰

每天我们人类都要消耗一百万兆焦能量，这大约相当于美国亚利桑那州Palo Verde核电站在满负荷运行情况下，日产量的3000倍。

随着全球人口的急剧增长以及发展中国家工业化程度的逐步上升，人类对能源的渴求已经达到了前所未有的水平。目前我们消耗的能源中，一半以上来自于地壳深处提取的化石燃料。据估计，自1850年开始石油的商业化开采以来，我们已经消耗了1350亿吨原油。这些石油主要被我们用于汽车行驶、发电厂供电以及家用取暖。而这一消耗数字还在持续增长。

但是，由此产生的气体已经给地球生态系统造成了潜在的灾难。无论是煤炭、石油还是天燃气，其燃烧都与地球大气中温室气体的水平密切相关，也是气候变化的主要原因。科学家们一直认为，如果不改变我们现有的消耗化石燃料的习惯，整个人类社会正在走向灾难。但问题在于，如果我们不使用化石燃料，该如何让夜晚的灯光依旧？

图：能源行业正在面临几十年以来的重大转型

世界能源理事会最近发布的一份报告指出，“能源行业正在面临几十年以来的重大转型，这种变革的影响要深入得多，存在着政治、经济和社会等方面的诸多问题，此外也需要我们每个人对自己的行为习惯做出转变。”

毫无疑问，改变现有的能源获取方式是我们面临的重大挑战之一。很多科学家认为目前的最大问题依旧是如何应对未来几十年内能源需求的爆炸式增长。

英国能源研究中心主任吉姆沃森（Jim Watson）解释称，“目前世界上仍有约12亿人没有得到现代能源服务。亚洲、拉丁美洲以及非洲部分地区的需求将有显著增长。”

现在世界上依旧有约30亿人在使用简单的炉子或者直接燃烧木材、动物粪便或是煤炭来做饭取暖。随着发展中国家工业化程度不断提高，他们需要更多的电力供应。在发展已经起步的国家，随着财富增加导致中产阶级生活方式不断改善，从而使得能源消耗将飙升。

图：自1850年开始石油的商业化开采以来，我们已经消耗了1350亿吨原油

伯明翰大学下属的伯明翰能源研究所所长马丁·弗雷尔（Martin Freer）指出，“在全球范围内，能源面临的最大挑战是制冷降温。”随着印度和中国中产阶级数量的增长，相应的空调需求。联合国政府间气候变化专门委员会指出，到本世纪中叶，家庭对制冷的需求将超过供暖需求。实际上估计到2040年，世界能源消费将增加近50%。

但一方面我们要减少碳排放量，同时又怎样才能满足不断增长的能源需求？事实上，前景并不像想象的那么黑暗。目前世界上约五分之一的能源消耗来自于可再生能源，比如风能、太阳能、水力以及地热能。从现在到2040年，预计可再生能源行业每年将持续增长2.6%。

直至现在，水力发电是主要的可再生的能源，而风力发电则是增长最快的。但太阳能发电技术的进展使得其在阴天条件下也能够产生电能，由此带来了太阳能发电数量的激增。

譬如在英国，过去12个月新增太阳能发电设备12GW，这相当于一整座燃煤发电站。在全球，去年太阳能发电量增长率近50%。许多国家的研究人员正在致力于如何在柔性材料上设置新型光伏电池，从而进一步降低太阳能发电成本。

然而，将这些新能源所产生的电力并网并不容易。沃森指出，“在部署诸如风能以及太阳能等间歇性可再生能源方面，如何保证其与系统兼容是一个巨大挑战。”在很多国家，其现有的整个电网旨在处理稳定可靠的发电，而风能和太阳能高度依赖于天气状况，这意味着其在用电高峰时不一定能够满足用电量需求。

沃森解释称，“不同季节的用电量差距很大。”大多数国家目前是通过维持可靠发电站的常态化运行来解决这个问题。这意味着核能、天燃气以及燃煤发电站平峰时处于低水平运行状态。而当风力下降或是太阳下山之后，其就会相应提高生产力，

根据麻省理工学院能源科技主任罗伯特·阿姆斯特朗（Robert Armstrong）的说法，这反而限制了可再生能源的实际使用量。阿姆斯特朗的模型表明，在没有能量存储的情况下，仅有10%的电力来自于太阳能。“原因在于太阳能发电主要集中在中午，所以未来应对早晚用电高峰，你需要启动更多的太阳能发电装置来匹配需求。这牵扯到建造和投入资金的很多问题。”

对此的一个解决方案是使电力分输的网格更大，也就是创建所谓的“超级网络”。其基本思想是，如果能量能够在一个更广泛的区域之内共享，那么诸如太阳能和风能就能够得到更为充分合理的利用。

相关方案设想将几个国家的能源网络连接在一起，从而使得国与国之间可以共享电力。几十年来，关于在欧洲与美国之间建立超级电网的想法已经得到了反复讨论。最近有人呼吁建立一个全球能源网络，这一想法得到了中国国家电网的支持。

现在全世界已经有所动作。英国正在与法国，比利时，丹麦，爱尔兰和挪威建设能源网络，而日本，俄罗斯，中国，蒙古和韩国也在建设超级电网。

俄罗斯斯科尔特科技研究所亚洲超级电网项目经理Ksenia Letova说：“将需求较少地区的电力转移到最需要电力的地区将有助于实现巨大的经济效益。“在日本和韩国等国家，由于在夏季大量使用空调，往往出现用电的季节性高峰。而在俄罗斯远东和西伯利亚，恰恰是最低电力需求的时期。

而利用邻国的过剩可再生能源或将有助于降低建造新能源项目的成本。例如超级电网有计划在蒙古戈壁沙漠和中国西北部地区开发大型风力和太阳能发电站。这些地区人口稀少，但输出过剩能源可带来显著的经济效益。

Skoltech科学技术学院能源系统中心主任Janusz Bialek指出，“最大的问题在于建造超级电网的成本问题。长距离传输电力会造成大量损耗，很多参与国家都需要升级电力传输设备。同时，这种超级电网产生的任何故障都会威胁到很多国家的能源供应安全。“

而能源安全已经成为地缘政治格局的主要推动力。目前拥有大量石油储备的国家在很大程度上能够影响到全球政策。像沙特阿拉伯这样的国家由于地下埋藏的大量石油，成为了不少国家结盟对象。

然而，随着各国对可再生能源的依赖程度大大增加，这也在不断悄然发生变化。目前世界上最大的石油生产国是沙特阿拉伯，美国和俄罗斯。相比之下，目前最大的太阳能生产商是中国，德国和日本，而美国，中国和德国是世界风能领域的领导者。

诸如摩洛哥等国家开始在境内的沙漠地区建设规模庞大的太阳能发电项目，希望将这种资源大量出口到其他国家，这可能导致这种小国将在全球舞台上发挥更大作用。如果蒙古能够在戈壁建立了巨大的风能和太阳能储备，它完全可以改变其在世界上的现有地位。

然而，如果能找到存储电力的好方法，则国家之间电力共享的需求将会减少。除了广泛的可用性和可操作性，化石燃料比可再生能源还有一个重要优点，那就是它们非常易于储存和运输。

图：化石燃料非常易于储存和运输

目前，对于存储太阳能或风能产生的电力并没有什么简易方法。像电容器和飞轮这样的技术仅仅能够存储几分钟或几小时的能量。许多在研究太阳能、风能产生的电力过剩时该如何存储电力。水库可以提供一些解决方案。在英国，过剩的电力被用于将水泵送到苏格兰和威尔士水库，从而被存储为势能。当需要时，水被释放以驱动涡轮机发电机。

目前正在北海铺设的海底电缆也将很快使得英国能够使用挪威的大量水电资源。通过风能和太阳能产生的过剩能量也将通过这条线路输送挪威进行存储，然后在需要时再输送回来。

图：最大的问题在于根据实际需求输送电力

但建设新的水电大坝对环境有一定的争议性。因此研究人员也在寻找另一种解决方案。一些人正在寻找开发电池组以存储这种能量，但是目前的电池技术还不足以有效地存储大量能量。

“我的想法是，通过燃料的形式来解决，”阿姆斯特朗说。 “我们或许可以通过过量的太阳能或风能分裂水生产氢气，采取一些过剩的能源制造合成碳氢化合物。

目前世界上有一些小规模的项目正在从事此类研究。例如，苏格兰的阿伯丁正在运行世界上最大的氢燃料电池示范项目。研究人员将可再生能源用于产生氢气，从而为市内的10辆公共汽车供电。

对过剩可再生能源的存储也有助于解决很多国家面临的取暖问题。沃森指出，“像英国这样的国家面临的重要问题是，如何使得取暖具备可持续性。这些国家依旧在使用化石燃料进行取暖。我们需要找到一种能够将能源存储数个月的解决方案。“

目前北欧的大多数国家都使用天燃气来进行取暖。英国国家电网电力网发展负责人朱利安·莱斯利（Julian Leslie）说，如果英国放弃天然气转而用电取暖，那么电网容量将需要扩充四到五倍。莱斯利指出，“这太过于昂贵。“

在减少二氧化碳排放量方面，沼气和生物燃料通常被视为化石燃料最可行的替代品之一，像BP这样的公司在开发生产线方面投入巨资。然而使用这些燃料不能阻止温室气体释放到大气中。随着世界许多地区页岩油和天然气开采量的加大，似乎我们在未来一段时间内还将依赖化石燃料。

“到2050年，我们仍将从化石燃料中获得75％的能源，”阿姆斯特朗说。 “关键问题将是如何减少这些能源的二氧化碳排放。这将需要碳捕获存储和利用。降低捕获碳的成本可能是最困难的，但我们还需要找出如何存储的方法。

碳捕获包括从烟囱排放的废气中洗涤出二氧化碳气体。通常，这涉及昂贵的化学品来捕获二氧化碳，并且在现有技术条件下需要对发电厂进行重新设置，从而使得混合物能够在洗涤过程中被加热。但是，现在研究人员正在开发一些利用金属离子的新方法，从而减去在洗涤过程中加热化学混合物。

图：或许有一天能源公司将能够控制我们的家用电器运行

一些人认为，我们大可以通过更为直接的方式解决可再生能源面临的诸多问题可以通过更直接的方式克服，例如更密切地监测各个家庭的能源消耗情况。到2020年，欧盟计划在家中安装5亿个智能电表，以监测能源使用情况。