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及時篇 總論

1 緒

為滿足人們對能源日益增長的需求，尋找清潔且可持續能源就成為人類在21世紀開始之際所面臨的最關鍵性問題之一。那些傳統的而且不斷增加的能源利用方式(比如為房間取暖、為工業提供動力以及交通工具的大量使用等)不是可持續能源利用方式。原因就在于越來越多的證據表明，這些因化石燃料的使用而造成的排放導致了全球氣候變暖，同時也造成了區域性空氣污染。另外一個重要的原因是人們已經認識到全球的化石能源消耗正在加速，而可以替代它的能源的尋找與開采也越來越困難。這一問題由于許多經濟增長速度極快的發展中國家對能源需求的劇增而變得愈發嚴重了，這也導致了對新能源的高度需求。比如在中國，近年來對能源的總需求是以平均每年4％的速度增加的，在印度，這一增長率為6％。

全球氣候變暖，尤其是對這種變暖趨勢的預測，已經抑制了我們對化石燃料的極度渴求和欲望。雖然人們對這一問題的看法還有爭議，但大氣層內CO2的濃度迅速增加卻是不爭的事實，它就是"溫室氣體"的關鍵成分。而且，它是人類在地球的各種活動中產生的，或者說是：人類成因"的氣體。任何化石燃料的利用都會產生大量的C02。大量的科學證據表明，雖然它在大氣中所占的比例很小，但它的濃度增加卻是全球平均氣溫升高的主要原因。據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的研究，大氣中C0，的濃度已經從工業革命前的280 ug/g增加到了今天的近370ug/g，絕大部分是在最近的200年內增加的。在這一時期，全球的平均溫度大約上升了1℃，升溫主要是在近100年內發生的。由IPCC的科學家根據未來的全球能源需求遠景而完成的地球大氣層模擬顯示，大氣層內C02的濃度可能升高到540～970tx9/g，這將導致全球平均溫度至少升高1.4℃，而較高升溫可達5.8℃。對于前者，人類可能易于接受這種小幅度的全球升溫變化，而后者則可能導致深遠而重大的影響，包括因極地冰蓋融化而導致的全球海水平面上升以及海洋中暖水區域的擴大等。更為嚴重的是，這可能導致全球沙漠化擴大，尤其在低緯度地區，并且會造成全球氣候的進一步惡化。當然，化石燃料的大量使用也會造成區域性的重大影響，會使那里的空氣污染情況加重，尤其是在大城市和工業化中心地域，化石燃料燃燒后的氮氧化物排放，未能燃盡的碳氫化合物和碳顆粒的排放，也會形成"煙霧"。這些區域性的污染會導致當地民眾嚴重的健康問題，還會降低這些地域的可見度。

當仔細分析各經濟領域的能源使用情況時，所有的終端能源都可被回溯到一種(或多種)形式——化石燃料、可再生能源以及核能。為了認識能源的改變給目前的能源利用模式所帶來的變化，就需要考慮從基本的能源供應到終端利用各個環節的影響。這常常被稱為"從油井到車輪(well—to-wheel)"式探討，即對能源從供給到為終端用戶交通工具提供化石燃料的完整過程進行分析。這種評價方式也被用于對任何能源體系的研究，即考慮"能源轉化鏈"——它是主要的能源與石油煉制產品和電力等這類能源的"輸送者"之間的橋梁，包括能源在工業、商業、民用或交通部門的終端用戶。這種探討將在本書后面的章節中詳細闡述，本書將通篇對從初始能源到終端用戶之間的所有轉化環節進行研討。在分析中，將涉及所有的能源類型、污染物的排放以及能源轉化的各個階段，讀者可以了解作者對人類所用能源體系的一個整體評價。對全球氣候變化和因區域性空氣污染而引發的健康問題的恐懼已促使人們對當今能源利用的方式提出了許多改進意見與措施，以建立可持續的全球能源供給。然而，人們往往是強調了某一種能源的轉化鏈，但卻沒有突出建立一種可持續的能源生產與利用體系。這一點，以及在后面章節中將看到的，實際上都是所謂的"氫經濟"——它的終端利用是"無碳"形式。但是，如果詳細地分析從初始的能源供給到其終端利用的過程，則可能并沒有什么吸引力。通過分析能源轉化鏈上的各個環節，將能更加容易地了解這種轉變將可能提供的"可持續"能源的宏觀意義。

全球日益增長的對各種能源的需求實際上正在迫使人們減少對傳統的化石燃料(尤其是石油與天然氣)的依賴程度。一些大型的油氣跨國公司，為了保持傳統的"可采儲量"水平就需求更大的投入(包括人力與資金投入)。這些公司已經為保持原油的儲采比(R/P)付出了40年的艱苦努力，為保持天然氣的儲采比則進行了70年的艱苦奮斗。然而，近年來，僅僅找到了為數不多的大型油田，而且為了保持這種儲采比而投入的勘探工作量和資金也大幅度上漲了。當然，石油與天然氣的供給最終也將取決于人們對勘探與生產的投入，而且，可替代能源也需要發展。在一些地區，非傳統石油(比如重油和油頁巖)的供給正在得到發展，用以生產"人造"石油，在某些地區這種石油將超過傳統石油的供給。煤炭的儲量也遠大于石油和天然氣，根據近200年間人類的需求，它的儲采比也要高得多，而且，人類依然有能力找到更多的煤炭儲量。當然，煤炭的利用對環境的影響更大，因此，在大功率的發電廠投產的同時，煤炭的利用也應進一步受到控制。

因為人們對化石燃料燃燒所排放的污染與溫室氣體的關注，使得人們對煤炭轉化為液體燃料的興趣大增。在人類的能源利用史上，在天然氣被廣泛應用之前，煤炭曾經被用于生產"人造天然氣"。這一技術也曾被用于用人造煤氣生產汽油與柴油。在近代，用煤炭生產液化燃料的商業化生產僅限于南非，但目前許多產煤國開始探討這一技術并試圖用其產品替代石油。當然，這種方式將會導致煤炭的大量消耗，而且用這一技術來增加天然氣的產量將會導致溫室氣體與其他污染物排放量的大增。人們對研究與開發所謂的"碳捕獲與儲存"或"碳回收"的投入已經大增，且提出了多種將煤炭轉化為氣態或液態燃料并進行儲存、回收的技術，通過這些手段，煤炭燃燒以后的排放物就不會以溫室氣體的形式進入大氣層。目前，這一方案的實施依然處于早期階段，尤其是C02的分離，但已經完成了一些在枯竭的石油與天然氣藏內建立長期的C02儲存庫的先導性實驗。關于在深海大量儲存C02的研究也在進行中，但這些研究都尚處在初期。如果這種碳回收與長期儲存工藝能夠被證明在技術上可行且具有經濟效益，就可以在世界范圍內擴大碳的利用空間而不必擔心溫室氣體的排放。

現階段的主要能源消耗是以非可再生的化石燃料為主的，全球所需的能源80％來自石油、天然氣和煤炭。未來可持續的能源供應與終端消耗的模式無疑將會導致對可持續能源的更大需求，比如太陽能、風能、生物質能以及地熱能與核能——這些都是人們所認定的可持續能源，至少在可見的未來如此。許多研究表明，人類擁有足夠的可持續能源來保障自己的能源需求。然而，絕大多數可持續能源的"能量密度"(energy density)要比我們所熟悉的能源低得多，這意味著要真正取代目前廣泛使用的化石燃料，就需要更大范圍的土地，更多的設備，而且常常是兩者皆增。換言之，這就意味著將可持續能源輸送至終端用戶所需的費用要比傳統的化石燃料所需費用昂貴得多。但由于化石燃料的費用不斷增加，某些情況正在發生改變，比如風能的投資就隨著技術的發展和利用區經濟效益的增加而下降了。而且，由于對自然環境的關注，尤其對一些著名的自然風景區建造大型設施對環境破壞的關注，人們對可再生能源的關心程度大大增加了。

一些觀察家預測，大范圍利用核能將成為清潔、低碳的充足能源的保障，可為人類提供足夠的電力。目前核能在能源供應中僅占到17％的份額，而且近年的核能消費也未見大的增長。民眾對核能缺乏熱情的原因在于利用核能發電的費用要高于預測值，當然也有對核能利用的安全因素、廢料處理以及可能的核泄漏等方面的考慮。核工業部門對這類核電站運行的安全性與穩定性做出了保障，并且已經研制出比20世紀五六十年代的設計更為經濟的核電站設施。在一些對能源需求猛增的國家(比如印度和中國)，已經建立了一些新型核反應裝置。在一些發達國家，人們也在重新考慮新型核能發電的問題。許多國家在廣泛利用核能之前，肯定會出現許多反對意見，但毫無疑問，核能是為數不多的能夠大量發電并可實現零碳排放的能源之一，同時也可持續地減少溫室氣體的排放。如果使用傳統化石燃料的設備(比如汽車等交通工具)的需求量增加，則人們就可能轉向核能發電，以滿足電力需求的增加。

全球能源需求量中，大約有四分之一來自交通工具的消耗，這一領域能源需求的較大挑戰之一就是如何減少對化石燃料的依賴，以及減少溫室氣體和其他污染物的排放。這是由于交通工具所使用的燃料絕大部分是汽油或柴油，這些油品可以儲存在大型容器內。正是汽油和柴油的生產，人們日常生活中無處不在的內燃機才得以連續使用了100多年。雖然在化石燃料安全燃燒時關于捕獲和儲存C02的方案早有人提出，但對處在移動狀態下的交通工具的應用領域卻無能為力。在交通工具的應用領域，已提出了用氫替代化石燃料的方案。氫既可作為目前廣泛使用的內燃機的燃料，又可制成燃料電池廣泛應用于汽車內。氫的利用可以使汽車實現零排放，既不會排除污染物，也不會排除溫室氣體。這一方案被列為發展"氫經濟"的一個重要步驟。然而，如果看一看能源轉化鏈，就會發現"氫"是這種情況下的能源攜帶者，而基本的能源來源將依然來自化石燃料，或者可再生能源，也可能是核能，而"電"將作為一種中介的能源攜帶者。把可再生資源或核能作為主要能源將會使整個能源循環各個環節都實現零排放，但是整個能源的轉化效率則是非常低的，這就需要強大的電網支撐。科學家提出了一種解決辦法，可以用較低的資金而獲得極高的效率，即開發車用"蓄電池"或"插入式"接到電動汽車上的各種電池。此舉可以用電池為短途行駛提供所需的動力。

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