未来能源的主角
2017-08-02

在过去的几千年间,人类能源的主角在缓慢地变化。在众多能源中,下一个能源的主角不能只以量取胜,技术才是其能否成就大业的关键。

撰文>>>本刊记者 陈曦

 

时间决定了未来的样子:100年之后的未来,与10年之后的未来截然不同。因此,未来能源的主角也会因时间不同而不同。

 

终极能源 实验室到市场路漫漫

在科幻电影中,100年后的人类会使用取之不尽的终极能源,通常是核聚变或氢能。事实上,这两种能源确实被认识是终极能源结局方案,但是它们均处于实验室研发阶段,何时得以实现还尚未知晓。

核聚变

自从人类认识了核能之后,就对核聚变无限向往。

1932年,澳洲科学家马克·欧力峰(Mark Oliphant)发现:质量较小的原子,主要指氘和氚,在超高温、高压的作用下,两个原子核碰撞到一起,发生聚合作用,生成新的质量较重的原子核,如:氦;同时,之前被原子核所束缚住的电子和中子在这个过程中就被释放出来,过程伴随着能量释放,这就是核聚变。

人类赖以生存的太阳,其内部就在连续不断进行着氢聚变成氦的过程。相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题。

几乎自从诞生之日起,核聚变就被认为是人类能源终极解决方案之一。在理想状态下,一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600公斤原料,但一个同样规模的火电厂,每年将需要210万吨燃煤。

核聚变燃料可来源于海水和一些轻核,海水中大约每6500个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约45万亿吨,所以说核聚变燃料是无穷无尽的并不夸张。按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。

正是因为核聚变的巨大潜力,人类一直积极地研究核聚变。

1985年,国际热核聚变实验反应堆计划启动(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER),目前欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度加入其中。

2017年5月中旬,世界最强大超导磁铁在意大利西北部拉斯佩齐亚问世,这是国际热核聚变实验反应堆计划的一大重要成果。磁铁高14米,宽9米,重110吨,与一架波音747客机一样重。使用该磁铁的磁场圈将产生11.8特斯拉的磁场,比地球磁场强大约100万倍,从而有望实现核聚变。该计划的目标是在2025年对反应堆实现首次点火,以证实核聚变的能源利用可行性。

尽管一直在努力,但事实上人类在核聚变研究上尚未取得突破性进展,其原因是核聚变发生的条件太苛刻,远远超越了人类目前科技水平能实现的范围。利用核聚变的能量,就必须对核聚变的速度和规模进行控制,并将能量持续、平稳地输出,否则都是空谈。目前,人类已经实现的核聚变如氢弹的爆炸,其实是不可控的核聚变,不能成为稳定、安全的能源来源。

氢能

氢是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%。除核燃料外,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。这两个特性足以让氢能成为人类能源的终极解决方案,液氢也已广泛用作航天动力的燃料,但氢能商业应用还面临着许多问题,目前全球氢能利用的研发距离市场化还有一段距离。

用氢气作燃料的优点很明确。首先,其燃烧后的产物是水,不会污染环境;其次,氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

全球对氢能最为重视的国家当属日本,2013年5月,日本首相安倍晋三在演讲中提到燃料电池车是车辆发展的方向。同年6月,安倍在“能源基本计划”中,明确提出推动家庭用燃料电池的普及,并从2015年起逐渐将大量燃料电池车导入市场。2014年4月,日本确定导入和推进氢能的基本能源规划。2015年,在日本环境省支持下,多家日企开始共同研发利用氢能源驱动的燃料电池船舶。日本计划在2020年奥运会上向世界展示“氢能社会”。2017年4月,安倍在阁僚会议上再次强调,日本今后要活用氢能,扩大燃料电池车;要领先全球,实现氢能社会。

中国的氢能投资也非常火热,2016年7月至2017年5月各地政府和企业设立的氢能基金约412亿人民币。

氢气不是一次能源,自然界中不存在纯氢,必须从水、化石燃料等含氢物质中制得。工业上生产氢的方式很多,常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。氢能最广泛的载体是水,但是水分子中氢和氧的结合非常牢固,要把它们分开,需花费很大的力气,因此目前氢能获取的效率低、成本高。

鉴于利用氢能就必须先用其他能源制氢,因此,在氢能的推广、应用上,有不同的声音。特斯拉的老板马斯克就曾公开称开发氢能“极为愚蠢”,他指出,哪怕制取氢气使用的是清洁能源,但既然你已经能把它直接放进电池里,为什么还要费力地用它来生产氢能,这样做完全没道理。

 

可再生能源  降低成本挣脱无力感

10年之后的未来,现在已经小成气候的可再生能源,即使做不到能源的主角,也应是举足轻重的配角。

最近30年,能源行业对于环保的认识更加深刻,可再生能源的利用大幅提升,增速已经超过了化石能源。但是,在各种利好消息面前,可再生能源的经济性差是其难以摆脱的无奈。

能源基金会首席执行官艾瑞克·海茨(Eric Heitz)表示:“当今世界正在经历一轮新的变革,全球经济需要寻找新的发展引擎。推动能源革命,实现清洁能源转型,是全球经济、社会、环境可持续发展的必由之路。”

虽然全球能源的主角在变化,但不变的趋势是,化石能源在能源结构中的比例在持续下降,清洁能源已经逐渐具备与化石能源分庭抗礼的能力。据国际可再生能源署(IRENA)总干事阿德南·阿明(Adnan Z. Amin)介绍,自2011年以来,全球每年新增发电能力中几乎超过一半都来自于可再生能源,去年这一比例更是达到创纪录的62%。

在世界能源结构中,能够在其中占据一席之地的可再生能源有太阳能、风能、水能、生物质能等。尽管环境问题日益严峻,可再生能源的技术也日趋成熟,但推广过程中,成本依然是企业和地方政府考虑的首要问题。

总部位于巴黎的21世纪可再生能源政策组织(REN21)出版的年度《可再生能源全球状况报告》显示,全球可再生发电能力在2016年出现了最大的年度增幅,新增装机容量约为161吉瓦。而促使这一情况发生的原因就是成本下降。

太阳能

人类最初对太阳能发电的探索可以追溯到100多年前。

1904年,爱因斯坦发表光电效应论文,并因此在1921年获得诺贝尔奖;1930年,朗格首次提出用“光伏效应”制造太阳电池,使太阳能变成电能;1941年,奥尔在硅上发现光伏效应;1954年5月美国贝尔实验室恰宾(Charbin)等人开发出转换率为 6%的单晶硅太阳能电池,这是世界上第一个实用的太阳能电池。

从此太阳能光伏发电技术诞生并逐渐发展起来,在之后的半个多世纪中,光伏发展一直受阻于成本高企和效率低下。最近两年,因为成本下降,光伏发电迎来了发展高峰。

路透汇编数据显示,随着装机总量和相关技术的提升,2009年以来,全球太阳能光伏组件价格已经下降了80%,这推动了太阳能市场的进一步升温。

REN21报告称,由于中国、日本和其他新兴经济体的投资放缓和太阳能光伏及风力发电成本大幅下降,从而提高了这些技术的成本竞争。

欧洲太阳能行业机构Solar Power Europe发布最新预测称,受去年成本下降推动,今年全球太阳能装机量将持续增长,年内新增装机可能超过80吉瓦。而未来5年内,全球太阳能光伏装机量更将以每年100吉瓦的速度持续增长。

风能

每每提到太阳能利用,与之相比的总是风能。风能的优势与劣势都非常明显,优势是储量大、分布广,但它的能量密度低,并且不稳定。目前对风能的主要利用方式是风力发电。

人类对风能的利用历史悠久,可以追溯到公元前,人们利用风力提水、灌溉、舂米、磨面,用风帆推动船舶前进。14世纪,风车已成为欧洲不可缺少的原动机。

然而,即使人类已经学会利用风能数千年,但是风能技术发展缓慢,也没有引起人们足够的重视。最近半个世纪以来,环境问题日益严重,加之各国处于对本国能源安全的考虑,风能作为清洁可再生能源才受到重视。

从上世纪70年代开始,西方国家就着力发展风能。美国在1974年实行联邦风能计划。其内容主要是:评估国家的风能资源;研究风能开发中的社会和环境问题;改进风力机的性能,降低造价。丹麦在1978年建成了日德兰风力发电站,装机容量2000千瓦。德国1980年建成了一座风力电站,装机容量为3000千瓦。英国濒海地区风能十分丰富,到1990年风力发电已占英国总发电量的2%。

全球风能理事会(GWEC)在《2016年全球风电发展展望报告》中预测,到2020年风电年新增市场将达到100吉瓦,累计市场达到879吉瓦;到2030年风电年新增市场达到145吉瓦,累计市场达2110吉瓦;到2050年,年新增市场达到208吉瓦,累计市场容量达5806吉瓦。

国际能源署(IEA)预测,全球风电市场到2025年回至2015年60吉瓦水平,到2030年达到82吉瓦,并且保持平稳,到2050年,年新增装机容量77吉瓦。

生物质能

在众多的可再生能源中,生物质能当属人类利用最早的一种。从人类学会钻木取火开始,薪柴在几千年中一直是最重要的能源,是取暖、烹饪、冶炼等人类活动的必需品。

18世纪之前,生物质能一直是人类最主要的能量来源,直到今日,生物质能仍然是仅次于石油、煤炭、天然气的第四大能源,在世界一次能源供应量中的比重约为10%。

长期以来,生物质资源的利用以直接燃烧为主,不仅效率低下,而且污染环境。随着科技的进步,生物质能的利用方法也逐渐增多,除了直接用作燃料,还可间接作为燃料比如农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等,也可以把生物质转化为乙醇、生物柴油等。

与太阳能、风能不同,其不属于过程性可再生能源。生物质是含能体能源,不需要转化过程,可以直接燃烧,在诸多方面与煤炭、石油、天然气等常规化石能源相似,具有可存储、可运输等特点。

生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。全球生物质存量约为2万亿吨,陆地与海洋合计平均最低更替率为11年,可以计算出每年新产生的生物质约为1700亿吨,折算成标准煤850亿吨或600亿吨油当量。

根据数据研究,到2050年,全球生物质能资源潜力为10亿~262亿吨油当量,平均60亿~119亿吨油当量,相当于生物质每年产生量的10%~20%。理论上看,如果充分地发挥生物质能的最大潜力,能够满足人类对能源的全部需求。

生物质能的缺点是对于生态环境依赖较大,受到可获得性、开发成本、粮食安全等多重因素的制约,可被开发利用的生物质能资源十分有限。2015年我国可再生能源消费比重达到11.64%,生物质能仅占全部可再生能源利用量的8%。

特性使然,发展生物质能必然会改变土地用途,所以生物质能经常被质疑“与粮争地”,而为了保护粮食安全,政府对于生物质能的开发较为保守。

为了避免与粮争地,纤维素转油、转乙醇呈现出良好的发展趋势。武汉科技大学化学与化工学院工学博士,硕士生导师龚志伟介绍,木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一,据测算年总产量高达1500亿吨。“但是经济性差也是其难以发展的关键。首先从木质纤维素原料获取可发酵性糖成本较高。其次,发酵获得微生物油脂成本较高。这主要包括设备投资,灭菌成本,热电消耗等。”

尽管太阳能、风能和生物质能等可再生能源的储量大,但是其发展因经济性低而受限。很多情况下,可再生能源不能取得较大的经济效益。由于受到生产和规模的限制,市场和交易成本高,而当价格升高时,需求又会被限制。

长久以来,可再生能源似乎都在赔本赚吆喝,因此资本方对其兴趣不大,其获得的科研投资更加有限。整个能源行业每年投资超过2万亿美元,而2015年清洁能源研发投入只有270亿美元,且多年来一直没有变化。国际能源署署长法提赫·比罗尔(Fatih Birol)表示,相比之下,全球最大的3家IT公司研发投入超过400亿美元,比全球清洁能源研发投入多得多,“这非常令人失望”。

 

利益体之间的博弈

看似各种能源此消彼长地争斗,其实,核心是经济与生态之间的矛盾。这种矛盾上升到企业、行业间的斗争,甚至国与国之间的博弈。

2014年1月,盈鼎公司以拒售生物柴油为由,将中石化公司及中石化销售有限公司云南石油分公司告上了法庭。同年12月,昆明市中级人民法院作出一审判决,原告胜诉,判中石化收购盈鼎公司产品。中石化不服判决继续上诉。2015年8月,云南省高级人民法院作出民事裁定撤销一审判决,并发回昆明中院重审。目前该案还在审理中。

此案被称为“石油反垄断第一案”,实则更体现出包括生物柴油在内的配角能源的无力感。

可再生能源法规定,石油销售企业应将符合国家标准的生物液体燃料纳入其销售体系。而事实却并非如此,不仅盈鼎公司受此待遇,有媒体报道,“中海油在海南工厂曾经有6万吨的年产能,相当于一个月产5000吨左右的成品生物柴油。自2011年底开始,与中石化、中石油等石油销售企业原先签订的油品订购合同到期,对方未再续约。”

发改委能源研究所副所长王仲颖认为:能源革命是各大利益集团之间的相互博弈,国家财政格外给予可再生能源补贴是在维护未来能源发展趋势而衍生出的新的游戏规则,至于新能源的发展路途如何,还要看接下来的电力体制改革。

气候变化是全人类必须面对的生态问题,解决这个问题迫在眉睫,但是利益体间的博弈并未因此而停止,

2017年6月1日,美国总统特朗普宣布退出《巴黎气候变化协定》,给出的理由是,他认为该协定将使美国的经济活动受到严格的限制,损失GDP,还会让美国失去650万个就业岗位。

从1992年《联合国气候变化框架公约》、1997年《京都议定书》,到2016年的《巴黎协定》,人类为了应对气候变化在不断努力。联合国以人类长久利益为出发点,试图联合各国为保护地球共同努力。在20多年的气候变化谈判中,参与国家来来回回,承诺再反悔的现象并不少见。

毫无疑问,《巴黎协定》是一个关乎全人类命运的、具有长远意义的国际协议,其目标不仅仅是减缓对人类共同生活家园环境的破坏,也包括提升就业和GDP这样的具体利益。世界最大经济体的退出究竟为何?业内普遍认为,退出《巴黎协定》的背后,是特朗普想要重振美国原油开采以及石化产业的一步棋。新技术水裂法的成功,让储量丰富的页岩油开采变成了一个极具吸引力的产业,资本争相进入,美国也摆脱了对国外能源的依赖。但是,实现自身能源安全后,想进一步扩大自己在全球能源领域的话语权,成为全球最大的能源生产国和出口国,美国必须要先摆脱《巴黎协定》的约束。

 

从资源争夺战到技术研发战

2017年5月18日,各大媒体的头条都被一条新闻占据——中国成为全球第一个实现在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。

截至6月10日,我国南海神狐海域天然气水合物(可燃冰)试采连续产气超过31天,平均日产8350立方米。截至10日下午,试采总产气量达到21万立方米,平均日产6800立方米。气压气流稳定,井底状态良好。成功实现可燃冰试开采的“蓝鲸一号”钻井平台,是全球首次实现泥质粉砂型可燃冰的安全可控开采。

“中国此次试采可燃冰成功,也是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。”

试采现场指挥部办公室主任邱海峻表示,基于中国可燃冰调查研究和技术储备的现状,预计我国在2030年左右有望实现可燃冰的商业化开采。

“根据天然气水合物资源类型及赋存状态,结合地质条件,初步预测我国海域天然气水合物资源量与约800亿吨油当量。”中国地质调查局副局长、天然气水合物试采协调领导小组副组长李金发说。

众多专家和媒体将可燃冰的开采成功媲美美国的页岩气革命。

进入21世纪后,以美国页岩气为代表的非常规天然气开采迅猛发展。特别是2007年后在常规天然气产量持续下降的情况下,由于以页岩气为主的非常规天然气产量增长使美国的天然气产量不断上升。美国在2009年已经超越俄罗斯成为世界最大的天然气生产国。

美国的页岩气布局早就开始,第一口页岩气油井可追溯到1821年,但由于开采难度和成本一直未成气候。1995年到2000年,美国页岩气产量年均增长仅为2.7%,2000年到2005年间年增长率达到18.7%,2005年到2011年逐渐上升到47.9%。随着页岩气增长幅度迅速提升,常规天然气生产在2000年到2011年间以每年5%的速率下降,因此页岩气在美国天然气产量比例中的份额继续扩大,从2000年的1.7%,到2005年的4.1%,达到2011年的34.1%,2014年之后已经超过50%。

美国能源信息署发布的《年度能源展望2017》预测,页岩气在2016年-2040年都保持较快增长趋势,在天然气总产量中的占比不断加大,按基准情形预测,到2040年美国天然气产量近2/3来自页岩气。

美国的页岩气成功之处在于,开采技术上的突破使之成本下降,受到市场的欢迎。同样,中国在可燃冰领域的技术突破是其日后发展的基石,而技术带来的成本降低则是其市场化的必要条件。

在过去的几千年间,国际能源的主角虽然在变化,但一直被煤炭、石油、天然气等化石能源占据。因为化石能源“有限”这一特性,各国为了自己的能源战略安全一直在进行着跑马圈地式的资源争夺战。

而现在,争夺战的硝烟开始散去,能源的技术研发战悄然开启。下一次能源革命中的主角,无法再以量取胜。无论是中国的可燃冰还是美国的页岩油气,亦或者是生物柴油、光伏发电,谁能成为未来能源的主角,技术才是其能否成就大业的关键。