王安逸

从第二次世界大战结束后一直到今天，全球大多数国家的国民生产总值和能源消耗水平的增减趋势基本同步，这说明能源很大程度上充当了经济发展这台发动机的燃料。地球人口的膨胀、全球工业化程度的提高和经济的发展使得人类越来越无法摆脱对能源的依赖。煤炭、石油、天然气等化石燃料属于一次性能源，不可再生性决定了其无法作为长久能源使用。另外，燃烧化石燃料释放出的温室气体严重影响气候，导致各种极端天气的出现频率上升。2014年世界卫生组织在一份报告中指出，燃烧化石燃料造成的空气污染导致人类发病率和死亡率上升是化石燃料的隐性成本。化石燃料的种种缺点促使人类转而使用更清洁的可再生能源。此外，全球石油价格牢牢掌控在几个石油输出国手中，使用更多可再生能源可以摆脱能源价格牵制，也是实现国家能源安全必须采取的举措。

世界各国都在尽可能地减少碳排放。2015年召开的巴黎气候峰会上，参会国就限制全球平均气温变化达成了新约定。除了减少碳排放，提高可再生能源的使用率也是预防气候变化的有效手段。目前可再生能源中应用最广泛、技术最成熟的有水能、风能和太阳能，其他常见的可再生能源还包括海洋能、地热能和生物质能等。虽然使用铀来发电的核能并不属于化石能源，但是由于铀矿储藏量也是有限的， 所以现行核裂变发电不算是可再生能源。据国际能源署的报告，截至2016年底，在全球发电总量中超过24%的电力来自可再生能源，其中水能发电占17.5%，风能发电占4%，太阳能发电占1.5%。尽管如此，一场从主要使用化石能源到主要使用可再生能源的革命正在全世界兴起。

间歇性和波动性问题

清洁的可再生能源存在一些先天不足的问题。作为重要可再生能源的风能和太阳能都存在间歇性问题，这是风能和太阳能发电发展的障碍之一。相比燃烧煤炭、石油和天然气的火电厂，风能和太阳能发电厂无法24小时稳定输出电力，因为风有时会停，夜间也没有太阳光。电力输出的波动性是可再生能源电厂的另一问题，水能、风能、太阳能等自然能时大时小，不可能维持发电厂的平稳电力输出。为了解决间歇性和波动性的问题，电网专家提出了分布式能源网的解决方案。

以煤炭、石油、天然气、水能、太阳能和核能为能源的大型发电厂属于集中发电站。相对于集中发电，分布式发电是一种由较靠近负载端且发电容量较小的小型发电设备所组成的系统。常见的分布式发电类型主要有热电联产、风能发电、太阳能发电和燃料电池。热电联产电厂除了生产电能，还可以利用已经向叶轮做过功的蒸汽为用户供暖。可再生能源的分布式发电在避免长距离传输带来高电能损耗的同时，也方便了一些距离大型电厂较远地区的用电。分布式电网也存在缺陷，最大的问题在于发电效率大大低于集中发电厂，由此带来的问题是电价过高。并且分布式电网需要单独的系统和维护人员，一旦系统发生故障，短期内很难从别处调度电力。

电力工程师们在分布式电网的基础上，又提出了微电网的解决方案。微电网是把分布式电源和它所供能的负荷以及能量转换、保护、监控等装置作为一个系统，形成一个小型的完整电网，以储能设备或者微型燃气轮机之类可控的电源维持系统的稳定。微电网与大电网相连，当微电网无法自给自足时，可以从大电网调配电力补偿；当微电网发电有盈余时，又能将多余的电送回大电网。但从目前的数据看，世界范围内的微电网数量不超过1000个，且大多无法做到和大电网之间的无缝切换，目前微电网要解决的技术难题还有很多。

多余的能源怎么储存？

仅在2014年，我国弃水、弃风、弃光损失电量超过300亿千瓦时。如果能将这部分浪费掉的电能储存起来，将大大提高可再生能源的利用率，同时也能有效解决可再生能源发电厂间歇性和波动性的问题。常见的储能方式包括电池、储能飞轮、抽水蓄能和压缩空气储能等。目前最先进的锂离子电池的能量密度（每千克能源物质中蕴含的总能量）平均只相当于汽油的1/100左右。储能飞轮技术不如电池成熟，而且目前只能做到分钟级的蓄能。较为普遍的储能方式是抽水蓄能，抽水蓄能站将用电低谷期多余的电力以重力势能形式储存起来，需要时再用这部分重力势能来发电。

目前，抽水蓄能在储能市场中占据绝对优势，不过压缩空气储能已显现出赶超的势头。在用电低谷期间，压缩空气储能站利用多余的电能驱动压缩机，将空气压缩至高压并存于储气室中，使电能轉化为空气的内能存储起来，然后在用电高峰期将高压空气和天然气混合，驱动燃气轮机发电机组发电。但是，目前只有美国和德国有投入商业运营的压缩空气储能站。大规模储能站至少要保证20～30年的稳定运行，对储能站的可靠性要求极高。其次，储能站的增减产要足够灵活，同时要考虑储能成本。因此，储能技术从实验室到市场的路还很长。

能量密度让人头疼

要让可再生能源完全替代化石能源，还要解决交通工具使用能源的可再生化——毕竟全球用于发电的能源消耗量只占能源总消耗量的22%。石油是人类目前最大的能源来源，几乎所有交通工具都要使用到石油燃料。交通关系到工业、农业和贸易，因此交通业直接关系全球市场。在煤炭、石油和天然气这三大化石能源中，石油耗尽的一天可能会最先到来。很可惜，能够完全代替石油的高能量密度可再生能源目前还没有出现。

全球几个有影响力的大国先后公布了停止生产和销售燃油汽车的最后截止日，而且都在研发电动汽车技术。我们目前只能做到汽车的电动化，而且电动汽车在可预见的未来绝对无法100%占领汽车市场。这是因为电池的能量密度远逊于液态化石燃料，因此目前电动汽车无法长距离行驶。电动汽车所使用的锂离子电池能够储存和使用的能量密度为每千克0.36～0.875兆焦耳，汽油的能量密度为每千克44兆焦耳，柴油则为每千克48兆焦耳。因为目前电池的能量密度太低，想要获得与液态化石燃料相当的能量，就需要加大电池的携带量。锂离子电池是目前人类能够使用的能量密度最高的电池之一，但是锂离子电池除正负极的物质外，还需要电解液、隔离膜、黏结剂、导电剂、集流体、基体、壳体等材料，这些材料占整个电池重量的40%左右，限制了锂离子电池的能量密度。

越大的交通工具，电动化改造难度越大。按照目前的电池重量计算，如果要满足一架跨大西洋航班飞机的能量需求，飞机上需要携带的电池将重达1000多吨，而一架波音737-800飞机的最大起飞重量只有78吨（机身、燃料、货物和乘员的总重量）。瑞士研发的第二代“阳光动力”太阳能飞机已经可以完全依靠太阳能进行不间断环球飞行。太阳能飞机搭载17000块太阳能面板，在夜间飞机能依靠锂电池续航。它的飞行时速为140千米，只相当于一辆小汽车的时速。虽然其翼展超过普通商业干线飞机，但只能搭载一名飞行员，这显然不适合商业飞行。

其他可再生能源的出路

从十年前开始，能源界开始推崇用生物质燃料代替汽油。常见的生物质燃料有“纤维素乙醇”，这是一种从木材、草和农作物不可食用部分的纤维中制取出的乙醇。与此齐名的还有从藻类体内提炼油脂制造出的“生物柴油”。生物质燃料的问题在于生物质的生长和转化过程需要占用土地，消耗水和能源。目前生物质燃料的加工还属于能源密集产业，生产厂家需要从政府获取补贴才能维系。

氢一直都是科学家梦寐以求的能源介质，因为氢能源具有最大的理论能量密度。无论是燃烧化石燃料还是电池放电，本质都是氧化还原反应，也就是电子转移。氢是原子量最小的元素，如果要提供相同的转移电子量，氢是所需质量最小的能源。

目前对氢能源的利用方式主要包括工业制取氢气和氢燃料电池。电解制取氢气需要消耗大量电能，虽然这样制取出的氢气具有纯度高的优点，但成本过高。此外，液态氢的保存和运输需要使用钢瓶，钢瓶有一定的重量，而且需要定期维护和更换，这些都导致氢能源从生产到使用的成本过高。因此，目前商业生产氢气普遍采用的还是水煤气法、天然制氢法和工业副产氢法。氢能源的第二种主要应用形式是氢燃料电池。相对于锂电池和干电池等储能技术，氢燃料电池最大的不同在于其实际上是一个将化学能转化成电能的“迷你发电厂”。采用氢燃料电池的电动汽车比以锂电池为能源的纯电动汽车具有补充能源所需时间更短、行驶距离更长等优点。但氢燃料电池需要昂贵的铂作为催化剂，并且氢燃料电池汽车的高压储氢罐需要定期检查和更换。由于氢燃料电池本身需要控制温度、排水和气流等因素，因此其复杂程度超过锂电池和内燃机。目前，氢燃料电池汽车在实际道路上行驶的时间还不长，从公路上获取的信息和经验远还不如内燃机和锂电池汽车。

既然可再生资源无法从石油手中接过主要能源物质的重任，那么，能不能让所有交通工具改烧天然气？毕竟燃烧天然气排出的废气对环境更友好。很遗憾，这个方案同样是不可行的。因为天然气同样属于不可再生资源，它的已探明全球储量只能再开采几十年。此外，目前在生产和运输过程中还无法杜绝甲烷泄漏的事故，所以，天然气最终对气候变化造成的影响可能超过石油。

有观点认为核电应该能够在我们未来的能源方面发挥重要的作用。与风能和太阳能不同，全球范围内核电厂的数量正在减少，而非增长。这是因为核电厂需要的投资较高，而且，核电厂泄漏事故的高风险也是核能市场份额缩減的重要原因——福岛核泄漏事件给全球环境带来的影响至今尚未完全消除。在可控核聚变或者清洁核能利用技术取得实质性突破之前，我们不应该将过多希望寄予核电。

瑞典：高度可再生能源社会的样板

瑞典全社会使用可再生能源的比例已高达52%，这个比例是所有欧盟国家中最高的，使用领域包括发电、房屋取暖和燃料。在20世纪70年代世界石油危机爆发前，石油占瑞典消耗能源总量的75%左右。今天石油只占到瑞典总能源消耗的25%左右。寒冷的冬季让瑞典这个北欧国家在建筑取暖上消耗了大量能源。截至2016年的数据显示，瑞典人均年用电量约为1.2万千瓦时，超过美国水平，几乎是中国的3倍。但瑞典人均年碳排放却只相当于美国的1/4左右。低排放的原因之一在于瑞典可再生能源的高使用率。

2008年瑞典通过立法，所有建筑都要申报能源使用量。全国大范围使用的双层或三层玻璃能有效减少建筑热量散失。瑞典大多数建筑的通风系统也做了节能设计：冷空气通过散热片后方的通气孔，经预热后进入室内。室内浊气被排出前，首先通过热量回收系统将余热收集起来，然后进入热水系统加热水，从而实现余热的回收利用。瑞典在2001年建成了全国首座被动式住宅，在此之后这种建筑理念得到了迅速普及。被动式住宅在建造时没有采用传统的供暖系统，而是利用阳光、居住者人体和家用电器散发出的热量来保持建筑内部温度，并通过通风和隔热设计维持舒适的室温。

节能的观念已经深深融入了瑞典人民的生活，充分利用资源虽然给生活造成了一定的不便，但每个瑞典人都知道这是自己应尽的责任和义务。为了进一步充分利用材料，瑞典在常见垃圾分类的基础上又进行了细分。例如，所有纸张中，报纸和打印纸为一类，饮料包装纸则为另一类。瑞典全国约有15%的土地在北极圈内，这里的冬季漫长而寒冷。每年用于供暖的能源消耗在整个国家的能源供应中占比24%。目前，地热取暖已逐步取代燃油进入瑞典的千家万户，超过50%的地区的供热、供暖系统采用地热或工业废热产生的蒸汽或热水。此举降低了燃油和电力的消耗，也大大降低了碳排放量。瑞典的公交车已经全面使用生物乙醇等生物质燃料。同时，斯德哥尔摩政府向出入城区的车辆征收入城费，鼓励市民乘坐公共交通工具。

瑞典拥有全世界最先进的垃圾处理厂，能将大量垃圾转化成热能用以发电。每年瑞典从挪威等国拖走的垃圾达80万吨之多。这些垃圾中的36%属于可回收材料，被循环利用；14%被用于制作化肥；49%用于垃圾焚烧发电；只有约1%的垃圾被填埋。瑞典的垃圾处理产业既能帮助别国解决垃圾处理难题，又有利可图，还能解决一定的国内能源需求，可以说是一举三得的好生意。瑞典的垃圾焚烧厂能阻止二 英等等剧毒物质被释放到大气中。垃圾焚烧后剩下的灰烬中含有重金属和二 英等有害物质，这些灰烬又被重新运回最初的出口国。

中国：可再生能源发展迅猛

中国是一个富煤贫油少气的国家，人均化石能源可开采储量大大低于世界平均水平。2016年，中国一次能源总消费量相当于43.6亿吨标准煤，其中煤炭占62%，水电、风电、核电、天然气等清洁能源消费量占能源消费总量的19.7%。中国在可再生能源领域的发展空间广阔，并且近些年来在可再生能源领域不断开拓，取得了值得骄傲的成绩。2017年底，中国可再生能源发电装机容量达到6.5亿千瓦，同比增长14%，其中风电和光伏发电发展迅猛。中国是光伏和太阳能热能最大的市场，2015年中国已经成为世界最大的光伏发电设备生产国。据国际可再生能源机构最新的年度报告显示，中国太阳能行业从业人员总数超过250万，远大于美国26万人的规模。2015年，中国占全球可再生能源增量的40%，每小时就有2台风力发电机安装到位。中国在生物质能领域也取得了相应的发展，截至2016年底，全国生物质能发电累计核准容量1879万千瓦。

2017年12月28日，我国首个承载式光伏高速公路试验段在济南建成通车，实现了利用高速公路路面并网发电。试验段位于济南绕城高速南段，长度为1080米，净面积5875平方米，装机容量峰值功率817.2千瓦，全年预测发电量可以满足300个普通家庭一年的用电。承载式高速光伏路面，最上面一层是类似毛玻璃的半透明新型材料，能提供比沥青路面更大的摩擦系数，所以车辆不会打滑。半透明的材料有利于埋藏于其下的光伏发电面板接收太阳能，生产出的电力被输向电网。在冬季，普通道路容易结冰，承载式光伏路面通过将电能转化为热能，有效地解决了道路结冰问题。光伏路面的能力还不止这些，其预留的各种信息接口可以很容易地接入各种信息采集设备。整条道路可以收集行车信息和道路拥堵状况信息等，从而实现前方车祸预警和实时分流等功能，这是向智慧交通迈进的一大步。

中国在可再生能源领域取得的发展日新月异。我国可再生能源基地和用电负荷中心距离较远：80%的水能分布在西南部地区，90%的风能集中在西北、東北和华北北部，太阳年日照时间超过3000小时的地区主要在西藏、青海、甘肃、宁夏、新疆等西部省区，而大部分用电地区集中在华中、华东和华南。为了保障电力大规模、远距离和高效率的传送，中国编制修订了近百个新能源并网标准，并开始使用±800千伏换流变压器，甚至是±1100千伏换流变压器，相比普通土220千伏换流变压器，大大提高了输电能力和输电距离。为了节约地面土地资源，也是为了尽可能减少极端天气给电网带来的风险，中国电网企业在一些地区采用了气体绝缘输电线路，这比传统地下输电线路输电效能提高了近5倍。我国风能发电机组装机量世界排名第一，是排名第二的美国的2倍。我国研制的7兆瓦海上风电机组是全球最大的半直驱海上抗台风风电机组，主机舱重400多吨，叶轮直径达150多米，可经受17级台风。在新能源汽车领域，重庆某新能源汽车租赁公司能做到在3分钟内完成一辆电动汽车的电池更换操作，全程不需要人介入，有效弥补了电动汽车充电时间久的不足。

人类距离100%使用可再生能源的时代还有多远？这个问题很难回答，但人类如果要可持续地发展，就必须完成从化石能源到可再生能源的转变。科技可以让我们从自然界获取更多可再生能源，也能提高能源的转化效率。人类在研究如何获取更多清洁能源的同时，还应该倡导节能的生活方式，减轻对能源的依赖。人类很有可能在不知不觉中完成这场可再生能源的大变革，拥抱更绿色的明天。