人类面临的最大能源挑战是什么?

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每天,人类要消耗一百万太焦以上的能量。这大致相当于75亿人每天24小时、每小时烧开70壶水,或者是全球最大的核电站之一,亚利桑那州(Arizona)帕洛维德(Palo Verde)核电站,在满负荷运转下日发电量的3000倍。

随着地球人口的膨胀和发展中国家的工业化,人类对能源的需求达到了前所未有的水平。我们一半以上的能源来自从地壳深处提取的化石燃料。据估计,自从19世纪50年代出现商业石油钻探以来,我们已经开采超过1350亿吨的原油来驱动我们的汽车,为我们的发电站提供燃料和为房屋供暖。这个数字每天都在增加。

但是,过去两个世纪以来,我们对能源的巨大消耗已经给地球造成了巨大隐患。煤、石油和天然气的燃烧与地球大气层温室气体排放量的不断上升之间存在密不可分的关系。它们是气候变化的首要原因。全球科学家们一致认为,我们正在走向灾难,只有戒除对化石燃料的依赖才能阻止灾难的发生。但这又会造成另一个问题:如何确保灯光不灭?

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Image caption 能源行业正面临数十年的转型,这关系到政治、经济、社会等方面的重大问题

世界能源理事会(World Energy Council)最近的一份报告认为,能源行业正面临长达数十年的转型。然而,正在发生的变化的影响更为深远,它关系到政治、经济和社会方面的重大问题,也可能要求我们每个人对自己的行为作出一些根本性的转变。

毫无疑问,改变我们获得能源的来源是地球目前面临的巨大挑战之一。BBC Future Now近日与专家小组讨论了我们现在必须克服哪些障碍以及哪些技术有可能提供答案。

访谈中科学家、政策专家和公司提出的最大的问题可能是如何应对在未来几十年即将飞速增加的预期能源需求。

英国能源研究中心(UK Energy Research Centre)主任吉姆·沃森(Jim Watson)解释说:"世界上还有很多人——12亿左右——尚未获得现代能源服务。亚洲、拉丁美洲和非洲部分地区的需求将会出现很大的增长。"

世界上目前仍有大约30亿人用简单的炉灶或燃烧木材、动物粪便或煤炭来烹饪和为房屋供暖。随着发展中国家工业化程度的加深,它们将需要获得可靠的电力供应。在已经进入快速发展期的国家,随着财富的增加,中产阶级的扩大以及相应地生活方式也将导致能源消耗的增加。

伯明翰大学伯明翰能源研究所(Birmingham Energy Institute)所长马丁·弗里尔(Martin Freer)说:"在全球范围内,能源领域面临的最大挑战将是制冷。随着印度和中国中产阶级人口的增长,空调的需求将会相应增加。联合国政府间气候变化专门委员会(United Nations' Intergovernmental Panel on Climate Change)表示,到本世纪中叶,对制冷的需求将超过供暖需求。"事实上,据估计,到2040年世界能源消费将增加近50 %。

但面对全球二氧化碳减排协议,我们如何能够满足这一日益增长的需求,并且与此同时不让冰盖消失,不让低洼地区沉入海平面以下呢?

事实上,世界的景象未必会变的那么糟糕。世界上的初级能源供应已经有五分之一来自风能、太阳能、水电和地热等可再生能源。预计到2040年,这一领域将保持每年2.6%的增长率。

直到最近,可再生能源的主要来源是水力发电,而增长最快的是风力发电。但是随着太阳能电池板技术取得了新的进展,即使在阴天的条件下它们也能够发电,所以太阳能发电量出现激增。

以英国为例,过去12个月,太阳能已经为电网增加了12吉瓦以上的电能——相当于一座完整的燃煤发电站。全球太阳能发电量去年增长了50%。许多国家的研究人员正在研究可以印刷在柔性薄片上的新型光伏电池,从而进一步降低太阳能的成本。

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Image caption 自从商业石油钻探出现以来,我们已经开采超过1350亿吨的原油来驱动我们的汽车,为我们的发电站提供燃料和为房屋供暖

不过,将这些新能源生产商接入现有的电网并不简单。

沃森说:"部署像风能和太阳能这种间歇性可再生能源的巨大挑战之一是它对电网的影响。" 在许多西方国家,为家庭和办公室供电的电网已经有数十年的历史,它的目标是提供稳定、可靠的电能。然而,风能和太阳能非常依赖于天气 — 对太阳能来说,还与一天的时段有关 — 这意味着在需求高峰时,它们并不一定能提供大部分电力。

沃森解释说:"以往的情况是,对于电网运营商来说夏天比冬天要平稳的多。现在,虽然夏季的用电需求低,但是太阳能带来了发电高峰。为此他们不得不进行平衡,因为目前还不能大量存储电力。这对他们来说是一种新的运营方式。"

大多数国家的解决方法是储备更多可靠的能源。这就意味着核能、天然气甚至燃煤发电站都处于空闲状态或低位运行状态,但如果风力下降或太阳落到地平线以下时,它们可以随时可以提高发电量。

据麻省理工学院能源计划(Massachusetts Institute of Technology Energy Initiative)总监罗伯特·阿姆斯特朗(Robert Armstrong)的说法,这会限制实际使用的可再生能源。阿姆斯特朗的模型表明,如果没有能源储存,我们使用的电力中只有大约10%可以通过太阳能满足。 "原因是太阳能集中在中午时段,所以你需要在晚上和早上时段的发电设施以满足用电需求。此外还有关于谁来建造和由谁支买单的问题。"

一个解决办法是,扩大电网的配电范围 — 创建所谓的"超级电网"。其基本思路是,如果能源在更广泛的地区分享,那么电网中某一个地区被太阳照耀或刮风的可能性会增加。

这些方案设想将几个国家的电网连接在一起,以便在各国之间共享电力。近几十年,欧洲和和美国都讨论了超级电网的提议。

最近甚至有人呼吁建立全球电网,这个想法得到了中国国家电网的支持,为此中国国家电网成立了全球能源互联发展与合作组织(Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization)。

一些国家在这方面已经开始行动。英国正在与法国、比利时、丹麦、爱尔兰和挪威等地的电网建立新的水下电力连接,能够进出口11吉瓦的电力。在亚洲,日本、俄罗斯、中国、蒙古和韩国也正在朝着建立超级电网的方向发展。

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Image caption 与可再生能源相比,化石燃料的一个主要优点在于它们非常易于存储和运输

利用邻国的过剩电力可能有助于降低新能源项目的建设成本。例如,蒙古的戈壁和中国北部地区计划开发大型风能和太阳能发电站。这些地区人口稀少,出口多余能源可以带来巨额收入。

斯科尔科沃科学技术研究所能源系统中心主任雅努什·比亚莱克(Janusz Bialek)说:"问题是建造这样的电网的成本。" 远距离传输电能的效率低下,许多国家需要升级电线才能应对这一问题。

"还有政治考虑。"比亚莱克说, "全球电网一旦故障或遭遇袭击都可能会对许多国家的供电安全造成严重威胁。"

这是重要的一点。能源安全已成为地缘政治格局的主要动力。拥有大量石油储备的国家可以在很大程度上决定全球政策。像沙特阿拉伯这样的国家之所以赢得了像美国这样强大的盟友,正是因为他们的土地下面埋藏着黑金。

俄罗斯近年来也利用其化石燃料资源来展示国力。它停止了对乌克兰和欧洲多个国家供应天然气,原因是价格和债务纠纷。欧盟消费的天然气近四分之一来自俄罗斯。

然而,随着各国越来越依赖可再生能源,传统能源的权力斗争也发生了变化。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导者。

沃森说:"随着新技术的发展,这将会改变能源的地缘政治。它会改变关系。"

摩洛哥等国家在广阔的沙漠地区建设巨型太阳能发电场项目,并希望将这一巨大资源出口到其他国家。这可能导致曾经的小国在全球舞台上发挥更大的作用。如果蒙古在戈壁开发其巨大的风能和太阳能资源,蒙古在世界上的地位就可能发生改变。

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Image caption 最大的挑战之一是如何将电力按照时间和地点运送到需要用电的人那里

不过,如果能够找到一种很好的储存电力的方式,那么国家之间对超级电网和电力分配交易的需求就会减少。除了分布广泛和较低的价格外,化石燃料与可再生能源相比还有一个重要优势——它们非常易于储存和运输。

目前,储存风能或太阳能生产的电力还没有简便的方法。诸如电容器和飞轮等技术可以在几分钟或几小时的时间内储存能量。但电网需要微调。只有在输入的能量与输出的能量相同时,它才能工作。所以供应必须符合需求。

许多人仍然在绞尽脑汁,思考该如何应对当阳光照耀,风刮起来时,电力需求却很低的情况。抽水蓄能电站可以提供一些解决方案。在英国,过剩的电力会把水抽送到苏格兰和威尔士的水坝顶部,在那里作为潜在的能量储存。当需要时,释放水以驱动涡轮机。

目前正在北海铺设的电缆也将很快帮助将英国电网接入挪威的大量抽水蓄能水电站。来自风能和太阳能的过剩电力将被出口到挪威储存起来,以便在需要时购回。

但建设新的水力发电大坝是有争议的,它对当地的生态环境极其有害。研究人员正在寻找其他解决方案。一些人正在建设电池库来储存这种能源,但是目前的电池技术还不足以有效地储存大量的能源。

"我的猜测是,解决方案将以燃料形式出现,"阿姆斯特朗说。 "我们可以把过剩的风能和太阳能制成燃料,比如分解水产生氢气。我们还可以利用过剩的能量减少二氧化碳,把它和氢气合成来制造合成烃。"

目前世界上有一些小规模项目正在进行尝试。例如,苏格兰阿伯丁(Aberdeen)的公交车上正在运行世界上最大的氢燃料电池示范项目。可再生能源用于生成氢气,为城市里10辆公交车提供动力。

这也可以解决许多寒冷气候国家面临的另一个紧迫问题——如何保持温暖。沃森补充说:"像英国这样的国家面临的主要挑战之一是如何让供暖更具可持续性。这些国家仍在使用化石燃料进行供热。这可能需要持续数月的燃料储备。这是可以产生创新的成熟领域,我们在部署和测试一些可能的解决方案方面仅仅只是一个开端而已。"

包括英国在内的北欧大部分国家都使用天然气来为房屋供暖。英国国家电网(‎National Grid)电网发展负责人朱利安·莱斯利(Julian Leslie)表示:如果英国放弃天然气和电力供暖,那么电网的容量将需要在一夜间提高四到五倍。

"那将是非常昂贵的,"他说,"所需的电线和发电机的规划会很难获得批准。天然气的未来非常光明,我们可以通过生产氢气或沼气并将其注入天然气网络,从而让天然气大幅脱碳。我们需要探索更多的替代品,帮助天然气进一步脱碳。

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,像英国石油公司(BP)这样的公司正在投入大量资金开发生产线。然而燃烧这些燃料并不会阻止温室气体释放到大气中。随着世界许多地方页岩油和天然气的加速开采,我们有可能会在一段时间内继续依赖化石燃料。

"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,"我们的一个关键问题是通过何种办法减少这些能源带来的二氧化碳排放量。这将需要碳的收集、储存和利用。降低碳收集的成本可能是最艰难的一部分,但是我们还需要弄清楚如何在地质时间的尺度上存储碳。"

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Image caption 有朝一日能源公司将可以控制我们的家用电器,当天气晴朗时,将它们打开

碳收集是从烟囱排出的烟气中分离出二氧化碳气体。通常,它需要使用昂贵的化学物质来结合二氧化碳,并且需要更换发电厂的管道,以便在洗碳的同时加热带有碳的混合物。但是研究者也在开发一些利用金属离子的新方法,以避免加热化学混合物的需要。

有些人认为可再生能源面临的问题可以用更直接的方式来克服,比如更加密切地监测单个家庭的能源消耗。到2020年,欧盟计划在居民家中安装5亿个智能电表来监测能源消耗。

关于需求的精确到分钟的详细信息应该有助于电力公司更好地管理电网。苏格兰爱丁堡赫里瓦特大学(Heriot-Watt University)智能电网讲师瓦兰廷·罗布(Valentin Robu)说:"人工智能对于分析整个电网中产生的大量数据和采取实时控制决策至关重要。“

它也可能导致我们消费技术的方式发生根本性变化。莱斯利说:"一种离我们并不遥远的未来是,我要求能源公司提供最便宜的电价,而他们给我发来一些连接到我的无线网络的插头。这意味着你不再能控制洗碗机或洗衣机了。"

相反,这意味着我们的能源公司将控制我们的家用电器运行。当天气晴朗,太阳能充足或用电需求较低的时候,他们能够打开家电。

这种做法将意味着对过去一个世纪以来"按需供电"的能源消耗方式的根本性转变。相反,我们的冰箱何时进行冷却循环或电器在何时打开可能要根据天气的变化或一天中的时间来确定。例如,洗碗机可能会在白天我们工作的时候运行,而不是在晚上。

莱斯利说:"多年来,我们根据自己喜好的时间消耗能源,并支付统一的价格。我们将不得不开始根据能源的供应时间改变我们的用电习惯,而不是改变能源生产以适应我们的使用需求。"

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