互动科普

新能源尚未起航

全球能源向可再生能源体系转型的过程，可能比我们想像得要漫长得多。

撰文 瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil） 翻译 王兰体 审校 蔡国田

然而，1990～2012年，化石燃料在全球能源消耗中的占比，几乎没有变化，仅从88％降到了87％。2011年，美国可再生能源在能源供应中占比不到10％，而且大部分来自“传统”的可再生能源，如水力发电、燃烧伐木过程产生的木材废料。虽然美国政府为新能源的研发提供了20多年的高额补贴，但目前风能、太阳能、现代生物燃料（如玉米乙醇）等新型可再生能源，在美国的能源供应中还是只占3.35％。

能源供应体系转型的步伐缓慢其实不足为怪，事实上，这是预料之中的。在美国乃至全世界，每一次大规模地从一种主要能源过渡到另一种能源，都花了50～60年的时间——第一次转变是从薪柴时代到煤炭时代；第二次是从煤炭到石油的演变。而现在，世界正在经历第三次主要能源转换，即从煤和石油转到天然气。2001 ~2012年间，美国的煤炭消费量下降了20%，原油消费量下降了7%；与此同时，天然气消费量上升了14%。不过，虽然天然气储量丰富、廉价、相对环保，但目前美国的电力供应中，仍有1/3来自煤炭发电，估计至少还需要20年左右的时间，天然气的消费量才会超过煤炭。

目前，可再生能源并没有呈现出替代性能源应有的上升趋势，而且从当前的科技水平和政府投入来看，近期内也不会有较大发展。这其中的部分原因是，全球能源需求持续猛增，天然气很难跟上这种快速上升的步伐，更不用说可再生能源了。

在个别国家，可再生能源的转型或许能较快发展，但在全球范围内，这一进程将非常缓慢，特别是当前我们还在向天然气为主的能源结构转变。当然，重大技术突破或革命性的政策，可以加快这一变化，但通常来说，能源结构转型都会经历漫长的过程。

从柴火、煤炭到石油

为什么人们对可再生能源时代即将到来深信不疑？这可能是源于一些不切实际的想法，以及对近代能源发展史的误解。对于世界能源的消费模式，大多数人的印象是，在19世纪工业革命时期是以煤炭为主；20世纪则是石油时代；而我们当前的世纪将属于新能源。但实际情况是：前两个印象是错误的，最后一个则仍值得怀疑。

19世纪，工业迅速崛起，但煤炭并非当时主要的能源供应来源，而更多依赖的是木材、木炭和农作物残体 （主要是谷物秸秆），它们在全球能源消费比例中占85%——当时的全球能源消费总量大约为2.4尧焦（yottajoule，1尧焦=1024焦耳）。1840年，煤炭在全球能源消费中的比例达到了5%，但直到1900年，这一比例也不过50%——煤炭的比重从5%增加到50%，花了50～60年的时间。美国的统计数据显示，1885年，美国能源消费中化石燃料（大部分是煤炭，还有一部分原油和少量的天然气）的比重，首次超过了木材和木炭。这一转折点发生的时间，在法国是1875年，在日本是1901年，在苏联是1930年，在中国是1965年，而在印度则是20世纪70年代末。

同样，20世纪最大的能源供应不是来自石油，而是煤炭。20世纪初，烟煤和褐煤在全球燃料消耗中所占比重最高，在55％左右。直到1964年，早已投入使用的原油，才第一次在能源占比中超过煤炭。

尽管在全球能源需求量稳步增加的大背景下，煤炭的重要性有所下降，但毫无疑问，20世纪的主导能源，是煤炭而非原油：在能源消耗总量中，煤炭贡献了大概5.3尧焦，而石油只有4尧焦。仅有两大经济体完成了第三次化石能源的转换——在1984年的苏联和1999年的英国，天然气消耗量首次超过原油。

能源转型是一个长期渐进的过程，这一点可以从“能源上升率曲线”（rate of an energy source's ascendance）得到证实——根据这一曲线，我们可以从一种能源在消费总量中的比重达到5%开始，观察它何时占据主导地位。

此前的三次能源结构转型曲线，有着惊人的相似之处（见图“转型之路”）。1840年前后，煤炭（取代薪材）占全球能源市场的5%，1855年占10%，1865年占15%，1870年占20%，1875年占25%，1885年占33%，1895年占45%，到1900年上升至50%。从比重达到5%开始计时，到达每一个关键百分点的时间分别用了15、25、30、35、45、55和60年。1915年，石油在消耗总量中的比重首次达5%，石油取代煤炭的时间也与煤炭取代薪材类似。

大约在1930年，天然气在全球燃料份额中达到5%。从那时算起，它达到供应比重的10%、15%、20%和25%的时间分别花了20、30、40和55年，现在这一比重将达到33%。比较这些数字，我们会发现，天然气占据能源总份额从5%升到25%，花的时间较长，大约是55年。相比之下煤炭只花了35年，石油是40年。

当然，仅仅这３列数字，并不能证明未来能源转换的发展速度。如果能提高核能的安全性，或能经济高效地储存风能和太阳能，下一次能源转换的进程就会加快。但对两个多世纪以来，三次能源转型的步调高度一致进行分析，也非常有意义。不同的燃料需要与之配套的生产技术、输送线路，以及将其变成可用能量的产品（比如火车的柴油发动机、家用烤炉）。要想在全球范围内采用一种新能源，必须投入巨资，建设配套的基础设施，这需要2～3代人才能完成，即50～70年。 

可再生能源时代的门槛

因此，可再生能源技术的发展也会是一个缓慢的历程。2011年，可再生能源发电占美国能源消费总量的9.39%：也就是说，97.301千万亿BTU（英制热量单位，1BTU=1 055焦）的消费总量中，有9.135万亿BTU由可再生能源提供。其中传统可再生能源提供了6.01％：水力发电占3.25%、木材燃烧（主要是伐木过程中产生的废料）占2.04%，以及少量的生物质能和地热能。相比之下，新型可再生能源的比重仍然微不足道：液体生物燃料占2.0％、风电占1.19％、太阳能占0.16％。

新型可再生能源所占比重为3.35%，这是一个很重要的数字。未来，美国所有可再生能源供应增长，都将来自这些新型可再生能源。 因为传统的可再生能源， 尤其是水电，增长的潜力已经非常有限。

出于几个原因，向可再生能源的过渡面临着非常大的挑战。第一是规模。2012年，全球化石燃料使用量约为450艾焦 （exajoule，1艾焦=1018焦耳），是19世纪90年代（那时煤炭刚刚取代薪材）的20倍。想通过任何一种新能源，来产生这么多能量，都是十分困难的，尤其对能源消耗接近全球1/5的美国来说更是如此。

另一个因素是风能和太阳能的不稳定性。 现代社会需要可靠、不间断的电力供应，特别在大城市，由于空调、地铁、互联网等基础设施需要用电，夜间的电力需求越来越大。煤炭和核电厂提供了美国电力供应的“基础负荷”（base load）——这部分电力是全天候稳定供应的。水电和燃气电厂，由于可以快速地启动和关闭，通常用来提供额外所需的电力，以缓解某些时段出现的暂时性用电高峰。

风能和太阳能也可以提供一些基础负荷，但它们不能单独供应所有的基础负荷。因为风不能持续流动，太阳能也无法在夜间获得，所以这类能源供应是不可能有效预测的。在一些国家，例如德国，可再生能源的使用已经有了大幅增长，在晴朗有风的日子里，风能和太阳能的发电量，能从几乎可以忽略不计的比例，增长到全部能耗需求的一半。不过，电力生产上的巨大波动，需要其他类型的电厂作为后备（通常是煤炭或天然气电厂），或者增加电力进口。在德国，电力供应上的不稳定，会严重干扰一些邻国的电力供应情况。

如果电力公司能在用电低谷期，以一种经济的方式储存由风能和太阳能产生的多余电量，并能在用电高峰时将其取出以满足需求，新型可再生能源的发展将有望提速。不幸的是，数十年来，研究人员只得到了一个较好的大规模解决方案——把水抽到高位水库，在水流回时通过水轮机发电。但只有少数地方拥有这种地势条件和足够的空间，而且该过程也会损失能量。

另一种供选择的解决方案是，在一大片区域上，建立一个大型阵列式风能和太阳能发电厂——最好覆盖一个国家的主要地区或者半个大陆的面积，然后通过电网相互连接，最大限度地提高发电厂为电网传输电力的能力。虽然这个方案所需的长距离电力传输在技术上是可行的，但其造价昂贵，并且经常面临当地人的强烈反对。所以美国和德国在推进这一新技术时步伐缓慢，也就不足为奇了。

要实现可再生能源的大规模利用，需要从根本上重建我们的能源基础设施。对电力系统来说，需要从数量少、规模大的火电或水电供应模式，转换为数量多、分散的小型风能和太阳能体系；对液体燃料来说，提取对象需要从高能量密度的石油，转换为低能量密度的生物燃料。相比之前的煤炭到石油再到天然气，可再生能源的转型，在很多方面面临更多的要求。

最后一个导致转型需要较长时间的因素是，现存能源基础设施的规模和成本。即使我们可以得到完全免费的可再生能源，但对跨国公司或当地政府而言，废弃花费巨资建立起来的、总价值超过20万亿美元的化石燃料系统（包括煤矿、油井、天然气管道、炼油厂以及数以百万计的加油站），在经济上是难以接受的。据我统计，仅中国就在2001～2010年花了5 000亿美元，增加300吉瓦（gigawatt，1吉瓦=3亿瓦特）的燃煤发电装机容量——这一容量超过了德国、法国、英国、意大利和西班牙的装机容量总和，预计会运行至少30年。没有国家会无视这类投资。

长路漫漫

我想澄清的一点是，减少对化石燃料的依赖，不仅可以减少温室气体的排放，还可以避免许多其他环境问题出现。比如，化石燃料燃烧过程中排放的硫、氮氧化物，会导致酸雨和光化学烟雾；炭黑（black carbon）会加剧全球变暖；重金属则有害人类健康。另外，化石燃料还会引起水污染，造成土地贫瘠。虽然一些替代能源也会对环境造成严重影响，但从总体来看，向非化石能源转型仍是利大于弊。

问题的关键在于，如何才能高效地完成新一轮能源转型？如果人们都知道转型的过程会花上数十年时间，那么在制定各种政策时，思路就会更加清晰。目前，美国和其他国家出台的一系列能源与环境保护政策，都远不尽人意。我们需要立足现实，制定长期、有效的政策，而不是不切实际地去追求一些短期效应，草率地做出一些考虑不周的简单承诺。

一个有效的方法是，不要过早判断哪种新能源可以替代化石能源。任何国家都无法预见，那些看起来很有前景的新能源中，哪些最终能够上市，因此，作为政府决策者来说，他们不应该很早就对一种新能源下定论，然而当另一种看起来更有前景的新能源技术出现后，又迅速抛弃前一种——还记得依靠氢运行的快中子增殖反应堆（fast breeder reactors）和燃料电池车（fuel-cell cars）吗？最好的做法应该是广撒网，把资金投入到各种研究中——1980年时，谁能想到，30年后，美国政府在能源创新领域中，投资回报率最高的项目不是核反应堆或光伏电池，而是水平钻井（horizontal drilling）和页岩气水力压裂（hydraulic fracturing）。

政府也不应该向一些跟风的新能源厂商提供大量补贴或贷款担保，一个典型的例子是，太阳能光伏系统制造商Solyndra公司，在突然宣布破产前曾获得美国政府5.35亿美元的贷款担保。虽然政府补贴可以加快能源转型，但前提是，这些补贴政策必须基于对现实情况的评估。另外，提供补贴的同时，也需要厂商做出一些可靠的承诺，而不是被各种夸大的“解决方案”所迷惑。

同时，各种能源的价格应该尽可能地反应实际成本，包括制造这种能源当前与长期的环境影响，以及对人们身体的健康损害等。比如，化石能源燃烧会释放温室气体、炭黑；种植玉米提取乙醇，会引起土地侵蚀、氮素流失和水资源枯竭；建设风能和太阳能发电场，还需要建设配套的高压超级电网。只有全面进行评估，才能揭示各种能源的长期发展优势。

加快能源转型最重要的途径就是，降低能源消费总量。能源需求增长越快，增加替代能源的比重就越困难。最新的研究表明，不论是在发达国家还是发展中国家，通过技术手段，提高能源利用效率，将能源消耗总量减少1/3，是完全可以做到的。能源需求减少了，我们就可以逐步摆脱化石能源。发达国家必须接受这样一个事实，半个世纪以来，能源的价格虽然有所升高，但从历史的角度来看，发达国家还是最大的受益者。因此，发达国家也应该担负更大的责任和义务，付出更多的代价来承担能源对环境和健康造成的负面影响。

不论对一个国家还是在全球范围内，能源转型都是一个充满艰辛、旷日持久的过程，从化石燃料到可再生能源这一次转型也不例外，将需要几代人坚持不懈的努力。

本文译者 王兰体是中国科学院广州能源研究所硕士研究生。

本文审校 蔡国田是中国科学院广州能源研究所的副研究员，主要从事能源战略研究。