人類面臨的最大能源挑戰是什麼?

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每天,人類要消耗一百萬太焦以上的能量。這大致相當於75億人每天24小時、每小時燒開70壺水,或者是全球最大的核電站之一,亞利桑那州(Arizona)帕洛維德(Palo Verde)核電站,在滿負荷運轉下日發電量的3000倍。

隨著地球人口的膨脹和發展中國家的工業化,人類對能源的需求達到了前所未有的水平。我們一半以上的能源來自從地殼深處提取的化石燃料。據估計,自從19世紀50年代出現商業石油鑽探以來,我們已經開採超過1350億噸的原油來驅動我們的汽車,為我們的發電站提供燃料和為房屋供暖。這個數字每天都在增加。

但是,過去兩個世紀以來,我們對能源的巨大消耗已經給地球造成了巨大隱患。煤、石油和天然氣的燃燒與地球大氣層溫室氣體排放量的不斷上升之間存在密不可分的關係。它們是氣候變化的首要原因。全球科學家們一致認為,我們正在走向災難,只有戒除對化石燃料的依賴才能阻止災難的發生。但這又會造成另一個問題:如何確保燈光不滅?

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Image caption 能源行業正面臨數十年的轉型,這關係到政治、經濟、社會等方面的重大問題

世界能源理事會(World Energy Council)最近的一份報告認為,能源行業正面臨長達數十年的轉型。然而,正在發生的變化的影響更為深遠,它關係到政治、經濟和社會方面的重大問題,也可能要求我們每個人對自己的行為作出一些根本性的轉變。

毫無疑問,改變我們獲得能源的來源是地球目前面臨的巨大挑戰之一。BBC Future Now近日與專家小組討論了我們現在必須克服哪些障礙以及哪些技術有可能提供答案。

訪談中科學家、政策專家和公司提出的最大的問題可能是如何應對在未來幾十年即將飛速增加的預期能源需求。

英國能源研究中心(UK Energy Research Centre)主任吉姆·沃森(Jim Watson)解釋說:"世界上還有很多人——12億左右——尚未獲得現代能源服務。亞洲、拉丁美洲和非洲部分地區的需求將會出現很大的增長。"

世界上目前仍有大約30億人用簡單的爐灶或燃燒木材、動物糞便或煤炭來烹飪和為房屋供暖。隨著發展中國家工業化程度的加深,它們將需要獲得可靠的電力供應。在已經進入快速發展期的國家,隨著財富的增加,中產階級的擴大以及相應地生活方式也將導致能源消耗的增加。

伯明翰大學伯明翰能源研究所(Birmingham Energy Institute)所長馬丁·弗里爾(Martin Freer)說:"在全球範圍內,能源領域面臨的最大挑戰將是制冷。隨著印度和中國中產階級人口的增長,空調的需求將會相應增加。聯合國政府間氣候變化專門委員會(United Nations' Intergovernmental Panel on Climate Change)表示,到本世紀中葉,對制冷的需求將超過供暖需求。"事實上,據估計,到2040年世界能源消費將增加近50 %。

但面對全球二氧化碳減排協議,我們如何能夠滿足這一日益增長的需求,並且與此同時不讓冰蓋消失,不讓低窪地區沉入海平面以下呢?

事實上,世界的景象未必會變的那麼糟糕。世界上的初級能源供應已經有五分之一來自風能、太陽能、水電和地熱等可再生能源。預計到2040年,這一領域將保持每年2.6%的增長率。

直到最近,可再生能源的主要來源是水力發電,而增長最快的是風力發電。但是隨著太陽能電池板技術取得了新的進展,即使在陰天的條件下它們也能夠發電,所以太陽能發電量出現激增。

以英國為例,過去12個月,太陽能已經為電網增加了12吉瓦以上的電能——相當於一座完整的燃煤發電站。全球太陽能發電量去年增長了50%。許多國家的研究人員正在研究可以印刷在柔性薄片上的新型光伏電池,從而進一步降低太陽能的成本。

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Image caption 自從商業石油鑽探出現以來,我們已經開採超過1350億噸的原油來驅動我們的汽車,為我們的發電站提供燃料和為房屋供暖

不過,將這些新能源生產商接入現有的電網並不簡單。

沃森說:"部署像風能和太陽能這種間歇性可再生能源的巨大挑戰之一是它對電網的影響。" 在許多西方國家,為家庭和辦公室供電的電網已經有數十年的歷史,它的目標是提供穩定、可靠的電能。然而,風能和太陽能非常依賴於天氣 — 對太陽能來說,還與一天的時段有關 — 這意味著在需求高峰時,它們並不一定能提供大部分電力。

沃森解釋說:"以往的情況是,對於電網運營商來說夏天比冬天要平穩的多。現在,雖然夏季的用電需求低,但是太陽能帶來了發電高峰。為此他們不得不進行平衡,因為目前還不能大量存儲電力。這對他們來說是一種新的運營方式。"

大多數國家的解決方法是儲備更多可靠的能源。這就意味著核能、天然氣甚至燃煤發電站都處於空閒狀態或低位運行狀態,但如果風力下降或太陽落到地平線以下時,它們可以隨時可以提高發電量。

據麻省理工學院能源計劃(Massachusetts Institute of Technology Energy Initiative)總監羅伯特·阿姆斯特朗(Robert Armstrong)的說法,這會限制實際使用的可再生能源。阿姆斯特朗的模型表明,如果沒有能源儲存,我們使用的電力中只有大約10%可以通過太陽能滿足。 "原因是太陽能集中在中午時段,所以你需要在晚上和早上時段的發電設施以滿足用電需求。此外還有關於誰來建造和由誰支買單的問題。"

一個解決辦法是,擴大電網的配電範圍 — 創建所謂的"超級電網"。其基本思路是,如果能源在更廣泛的地區分享,那麼電網中某一個地區被太陽照耀或颳風的可能性會增加。

這些方案設想將幾個國家的電網連接在一起,以便在各國之間共享電力。近幾十年,歐洲和和美國都討論了超級電網的提議。

最近甚至有人呼籲建立全球電網,這個想法得到了中國國家電網的支持,為此中國國家電網成立了全球能源互聯發展與合作組織(Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization)。

一些國家在這方面已經開始行動。英國正在與法國、比利時、丹麥、愛爾蘭和挪威等地的電網建立新的水下電力連接,能夠進出口11吉瓦的電力。在亞洲,日本、俄羅斯、中國、蒙古和韓國也正在朝著建立超級電網的方向發展。

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Image caption 與可再生能源相比,化石燃料的一個主要優點在於它們非常易於存儲和運輸

利用鄰國的過剩電力可能有助於降低新能源項目的建設成本。例如,蒙古的戈壁和中國北部地區計劃開發大型風能和太陽能發電站。這些地區人口稀少,出口多餘能源可以帶來巨額收入。

斯科爾科沃科學技術研究所能源系統中心主任雅努什·比亞萊克(Janusz Bialek)說:"問題是建造這樣的電網的成本。" 遠距離傳輸電能的效率低下,許多國家需要升級電線才能應對這一問題。

"還有政治考慮。"比亞萊克說, "全球電網一旦故障或遭遇襲擊都可能會對許多國家的供電安全造成嚴重威脅。"

這是重要的一點。能源安全已成為地緣政治格局的主要動力。擁有大量石油儲備的國家可以在很大程度上決定全球政策。像沙特阿拉伯這樣的國家之所以贏得了像美國這樣強大的盟友,正是因為他們的土地下面埋藏著黑金。

俄羅斯近年來也利用其化石燃料資源來展示國力。它停止了對烏克蘭和歐洲多個國家供應天然氣,原因是價格和債務糾紛。歐盟消費的天然氣近四分之一來自俄羅斯。

然而,隨著各國越來越依賴可再生能源,傳統能源的權力鬥爭也發生了變化。世界上最大的石油生產國是沙特阿拉伯、美國和俄羅斯。相比之下,目前最大的太陽能生產商是中國、德國和日本;而美國、中國和德國是世界風能領導者。

沃森說:"隨著新技術的發展,這將會改變能源的地緣政治。它會改變關係。"

摩洛哥等國家在廣闊的沙漠地區建設巨型太陽能發電場項目,並希望將這一巨大資源出口到其他國家。這可能導致曾經的小國在全球舞台上發揮更大的作用。如果蒙古在戈壁開發其巨大的風能和太陽能資源,蒙古在世界上的地位就可能發生改變。

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Image caption 最大的挑戰之一是如何將電力按照時間和地點運送到需要用電的人那裏

不過,如果能夠找到一種很好的儲存電力的方式,那麼國家之間對超級電網和電力分配交易的需求就會減少。除了分佈廣泛和較低的價格外,化石燃料與可再生能源相比還有一個重要優勢——它們非常易於儲存和運輸。

目前,儲存風能或太陽能生產的電力還沒有簡便的方法。諸如電容器和飛輪等技術可以在幾分鐘或幾小時的時間內儲存能量。但電網需要微調。只有在輸入的能量與輸出的能量相同時,它才能工作。所以供應必須符合需求。

許多人仍然在絞盡腦汁,思考該如何應對當陽光照耀,風颳起來時,電力需求卻很低的情況。抽水蓄能電站可以提供一些解決方案。在英國,過剩的電力會把水抽送到蘇格蘭和威爾士的水壩頂部,在那裏作為潛在的能量儲存。當需要時,釋放水以驅動渦輪機。

目前正在北海鋪設的電纜也將很快幫助將英國電網接入挪威的大量抽水蓄能水電站。來自風能和太陽能的過剩電力將被出口到挪威儲存起來,以便在需要時購回。

但建設新的水力發電大壩是有爭議的,它對當地的生態環境極其有害。研究人員正在尋找其他解決方案。一些人正在建設電池庫來儲存這種能源,但是目前的電池技術還不足以有效地儲存大量的能源。

"我的猜測是,解決方案將以燃料形式出現,"阿姆斯特朗說。 "我們可以把過剩的風能和太陽能製成燃料,比如分解水產生氫氣。我們還可以利用過剩的能量減少二氧化碳,把它和氫氣合成來製造合成烴。"

目前世界上有一些小規模項目正在進行嘗試。例如,蘇格蘭阿伯丁(Aberdeen)的公交車上正在運行世界上最大的氫燃料電池示範項目。可再生能源用於生成氫氣,為城市裏10輛公交車提供動力。

這也可以解決許多寒冷氣候國家面臨的另一個緊迫問題——如何保持溫暖。沃森補充說:"像英國這樣的國家面臨的主要挑戰之一是如何讓供暖更具可持續性。這些國家仍在使用化石燃料進行供熱。這可能需要持續數月的燃料儲備。這是可以產生創新的成熟領域,我們在部署和測試一些可能的解決方案方面僅僅只是一個開端而已。"

包括英國在內的北歐大部分國家都使用天然氣來為房屋供暖。英國國家電網(‎National Grid)電網發展負責人朱利安·萊斯利(Julian Leslie)表示:如果英國放棄天然氣和電力供暖,那麼電網的容量將需要在一夜間提高四到五倍。

"那將是非常昂貴的,"他說,"所需的電線和發電機的規劃會很難獲得批准。天然氣的未來非常光明,我們可以通過生產氫氣或沼氣並將其注入天然氣網絡,從而讓天然氣大幅脫碳。我們需要探索更多的替代品,幫助天然氣進一步脫碳。

沼氣和生物燃料通常被視為化石燃料最可行的替代品之一,像英國石油公司(BP)這樣的公司正在投入大量資金開發生產線。然而燃燒這些燃料並不會阻止溫室氣體釋放到大氣中。隨著世界許多地方頁岩油和天然氣的加速開採,我們有可能會在一段時間內繼續依賴化石燃料。

"到2050年,我們仍將從化石燃料中獲得75%的能源,"阿姆斯特朗說,"我們的一個關鍵問題是通過何種辦法減少這些能源帶來的二氧化碳排放量。這將需要碳的收集、儲存和利用。降低碳收集的成本可能是最艱難的一部分,但是我們還需要弄清楚如何在地質時間的尺度上存儲碳。"

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Image caption 有朝一日能源公司將可以控制我們的家用電器,當天氣晴朗時,將它們打開

碳收集是從煙囪排出的煙氣中分離出二氧化碳氣體。通常,它需要使用昂貴的化學物質來結合二氧化碳,並且需要更換發電廠的管道,以便在洗碳的同時加熱帶有碳的混合物。但是研究者也在開發一些利用金屬離子的新方法,以避免加熱化學混合物的需要。

有些人認為可再生能源面臨的問題可以用更直接的方式來克服,比如更加密切地監測單個家庭的能源消耗。到2020年,歐盟計劃在居民家中安裝5億個智能電表來監測能源消耗。

關於需求的精確到分鐘的詳細信息應該有助於電力公司更好地管理電網。蘇格蘭愛丁堡赫裏瓦特大學(Heriot-Watt University)智能電網講師瓦蘭廷·羅布(Valentin Robu)說:"人工智能對於分析整個電網中產生的大量數據和採取實時控制決策至關重要。「

它也可能導致我們消費技術的方式發生根本性變化。萊斯利說:"一種離我們並不遙遠的未來是,我要求能源公司提供最便宜的電價,而他們給我發來一些連接到我的無線網絡的插頭。這意味著你不再能控制洗碗機或洗衣機了。"

相反,這意味著我們的能源公司將控制我們的家用電器運行。當天氣晴朗,太陽能充足或用電需求較低的時候,他們能夠打開家電。

這種做法將意味著對過去一個世紀以來"按需供電"的能源消耗方式的根本性轉變。相反,我們的冰箱何時進行冷卻循環或電器在何時打開可能要根據天氣的變化或一天中的時間來確定。例如,洗碗機可能會在白天我們工作的時候運行,而不是在晚上。

萊斯利說:"多年來,我們根據自己喜好的時間消耗能源,並支付統一的價格。我們將不得不開始根據能源的供應時間改變我們的用電習慣,而不是改變能源生產以適應我們的使用需求。"

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