加学者省思能源荒: 最可取的办法是美国带头降低能耗
全球能源：最新的痴迷
文｜Vaclav Smil
翻译｜述垚
来源｜american scientist
关注全球能源事务就是在不断和新出现的痴迷打交道。50 年前，媒体对原油（一桶只卖一美元多一点）漠不关心。西方公用事业公司一门心思放在每年两位数的电力需求增长上，这种增长看似无穷无尽，很多人因此就认为只有大规模发展核电才是电力发展的未来，这导致核反应堆建设的大跃进。
20 年后，伊朗的霍梅尼上台，直接引发第二次能源“危机”。原油价格上涨成为攸关生存的全球问题，电力需求增长下降到个位数，法国成了唯一一个认真发展核能的国家。
1985 年，世界原油价格暴跌（有时低于每桶5美元），SUV 在美国开始迅速普及，最终，重量近3.5吨美国军用突击车的民用版悍马 H1 普及开来，大家就开这种车去超市采购日用品。整个 1990 年代，跨国石油公司是表现最差的一类股票。21 世纪的第一个十年，事情发生了变化，人们开始担心全球石油开采量即将饱和（在某些版本的论述中，这相当于西方文明“熄灯”了）、化石燃料将引发全球变暖的灾难性后果，以及二战后的世界秩序即将解体。
以上变化促使人们不断呼吁世界创新，创造一个更加光明的能源未来，这种追求引发了对新的、据说完美无缺的解决方案的一系列“痴迷”：汽车燃油将首先被生物燃料替换，然后是燃料电池和氢，然后是混合动力汽车，现在吸引媒体眼球的则是电动汽车（雪佛兰、特斯拉、日产等）及其鼓吹者（Shai Agassi、Elon Musk、Carlos Ghosn）；发电的脱碳将通过核能复兴或无处不在的风力涡轮机实现（即使是德克萨斯州老牌石油商布恩·皮肯斯也屈从于风能的号召），而其他人则预言，一旦大规模碳捕获和封存的设想付诸实践，化石燃料未来依然可期。如果以上尝试都不幸失败，还可以利用太空阴影调节地球气候、让船只释放雾气或让飞机在高空喷射硫化物，这类地球工程可以冷却变暖的地球，从而拯救我们。（注：geoengineering，一类通过模仿火山爆发带来的冷却效应从而改变地球环境的工程措施）
这一切让我想起了格列佛（Lemuel Gulliver）在拉格多大学院的见闻：那里同时进行不少于 500 个项目，总是期待着成功仅有一步之遥，正如这位“八年来一直从事从黄瓜中提取阳光”的发明家所相信的那样：“再过八年，他就能以合理的价格为总督的花园提供阳光了。”但他也总是抱怨原料不足，并恳求格列佛“给点他什么，算是鼓励他的创造力。”诚然，新能源开采的想法目前还不在这 500 个项目之列，但它们范围之广让拉格多大的发明家们自惭形秽：被热情鼓吹的解决方案包括从热带海洋表层和深海之间 20 开尔文的微小温差中提取能源（即海洋热能转换），在月球上进行太阳能光伏发电并通过微波发射给地球上的巨型天线接收站。
▲ 《格列佛游记》中拉格多大学院的发明家
再持续八年，这种不断希望以低成本来获取成功的希冀，就和18世纪虚构的拉格多大一样狂热。声称能创造廉价征服市场的解决方案的主张层出不穷，无论是燃料电池还是纤维素乙醇、快增殖反应堆还是栓系式风力涡轮机。能源研究永远无法获得足够的资金来满足其发起人的需求：2010 年，美国总统顾问委员会建议将美国能源研究投入提高到每年 160 亿美元；考虑到挑战的严重程度，这个数目实际上太少了，但考虑到人们极不愿意采用许多现成且高效的现有解决方案，这个数目又实在是太多了。
在达到大多数人体面生活水平的门槛之前，亚洲、拉丁美洲以及尤其是非洲等发展中国家的人均能源供应仍需要至少翻两番。
”1 美国应该减少能源使用
以上的批评有可能被忽视，大家可能认为，对长远解决办法的探索注定是低效的。但我看到的是更基本的、因此更令人担忧的问题。全球能源的视角明确了两件事：大部分人口仍需要消耗更多的能源，才能过上合理健康的生活，并享受一点点繁荣成果；相比之下，富裕国家，尤其是美国和加拿大，应该减少过度的能源使用。虽然第一个结论似乎显而易见，但许多人认为第二个结论是错误的或令人十分反感的。
▲ 人类发展指数与人均能源消耗
我在 2009 年写道，为了维持其全球角色和经济地位，美国应该“提供一个具有全球吸引力的政策范例，该政策将同时促进创新能力、以健全的财政基础加强经济和帮助改善地球环境。美国过高的人均能源使用量却与之背道而驰。这是一笔糟糕的交易，因为消费过度放纵造成了对美国日益有限的财政资源的巨大经济消耗，却没有使它更加安全，也没有实现优于其他富裕国家的生活质量。”
我知道这在美国能源政策的辩论中会被认为是异想天开：任何要求限制或减少北美能源使用的呼吁都会遭到拒绝或是嘲笑，但我认为这种要求比以往任何时候都更可取。美国和加拿大是仅有的两个人均年能源消耗超过 300 吉焦耳（相当于近8吨或50多桶原油）的主要经济体。这是最富裕的经济体欧盟以及日本平均水平的两倍。但显然，匹兹堡或洛杉矶人民的富裕程度、健康程度、教育程度、安全程度或幸福程度都没有达到波尔多或柏林的居民的两倍。哪怕针对气候、旅行距离和经济结构的差异进行多次调整，美国和欧盟之间人均消耗数据的差异也保持不变：柏林的取暖日反而比华盛顿多，从安达卢西亚到赫尔辛基的冷藏卡车运输距离与从加利福尼亚中央谷到伊利诺伊州的运输距离相同，德国能源密集型机械和运输设备产品的出口甚至在绝对值上超过了美国的销售额。
此外，那些坚持认为美国人均能源使用量应进一步增长的人可能没有意识到，由于各种原因，美国人能源消耗增长已经达到稳定期，并且出于种种原因，任何大幅增长都极不可能发生。2010 年，美国人均能源年消耗量平均约为 330 吉焦，比 1970 年低近 4%，甚至 2007 年（危机前）人均 355 吉焦的比率也低于 1980 年 359 吉焦的平均值。这意味着美国的人均一次能源消费量在超过一代人的时间里基本上保持不变，英国的能源使用量也是如此。通过重点关注一个关键的消费部门——即客运业，可以说明它可以降低多少。
1985 年之后，美国搁置企业汽车燃油效率 (CAFE) 的进一步提升，鼓励燃油效率极低的 SUV 大规模普及，同时未能未能效仿其他现代化国家建设高铁网络。40年来，美国汽车的平均效率与提高效率的普遍趋势背道而驰：1974 年的平均效率（13.4 英里/加仑）甚至低于 1930年 代中期的水平！到 1985 年，燃油效率标准使新乘用车的效率提高了一倍，但随着这些标准被取消，以及 SUV、厢式货车和轻型卡车的涌入，两轴四轮的车辆系统在2006 年的平均能耗效率低于 26 英里/加仑，这不比 1986 年好多少。燃油效率持续升级、新型超低排放柴油机的推广（比汽油动力汽车的效率至少高 25-30%）以及混合动力汽车的早期引入，本来可以轻易将能耗效率提高到 35 英里/加仑甚至 40 英里/加仑以上，这意味着在21世纪的第一个十年中，美国可以节省1.5万亿美元的原油进口费用。
认为美国幅员辽阔、人口密度低，所以无法加入越来越多拥有高铁的国家俱乐部的观点是错误的。美国东北部大都市（波士顿-华盛顿）人口超过5000万，平均人口密度约为每平方公里360人，近十几个主要城市沿着相对狭窄、长度不到700公里的沿海走廊排列。为什么该地区比欧洲高铁先驱法国更不适合修建高铁？法国人口为6500万，全国人口密度仅为每平方公里约120人。显然，美国人更喜欢痛苦的机场之旅、安全检查和班机延误，而不是以300公里时速直接从市中心到市中心的高铁。
在一个以奖励长期政策为动力的理性世界里，不仅美国和加拿大，而且欧盟都应该为逐步减少人均能源使用而自豪。相比之下，亚洲、拉丁美洲以及尤其是非洲等发展中国家远远落后，即使拥有最先进的能源转化技术，在达到大多数人体面生活水平的门槛和缩小国内巨大的经济差距之前，这些国家的人均能源供应仍需要至少翻两番——例如，印度的起点是 2010 年人均约 20 吉焦；其人均能源消耗需要提升一个数量级——埃塞俄比亚当前人均消耗的现代能源仅有 2 吉焦。
在这条道路上，中国比任何其他现代化国家都走得更远、更快。1976 年（毛泽东逝世那年）中国人均能源消费不到20吉焦，1990 年（邓小平现代化后的第一个十年）还不到 25 吉焦，十年后刚刚人均超过 30 吉焦。到 2005 年已接近 55 吉焦，2010 年达到 70 吉焦，相当于 20 世纪 70 年代一些较贫穷的欧盟国家的消费量。尽管中国已成为原油的主要进口国（目前是世界第二大进口国，仅次于美国），而且很快将进口大量液化天然气并计划大规模发展其加氢潜力, 它的大部分消费增长来自前所未有的煤炭开采扩张。美国的煤炭年产量不到 10 亿吨，而中国的原煤开采量在 2001 年至 2005 年短短四年间就增加了 10 亿吨，到 2010 年又增加了近 10 亿吨，年产量达到 30 亿吨。
中国和印度煤炭激增以及亚洲和中东地区强劲的总体能源需求是最近二氧化碳排放量上升的主要原因：中国在 2006 年成为世界上最大的排放国，经历经济危机后，2010 年全球化石燃料产生的二氧化碳排放总量再创新高，每年超过 320 亿吨（中国约占 24%）。当考虑到低收入国家所需的潜在能源消耗增加，而具有国际约束力的减排协议进展不佳时（参见京都、巴厘岛、哥本哈根和坎昆会议的连续失败），毫不奇怪，技术修复路线似乎成为了最大限度地减少未来对流层温度上升的最佳解决方案。
能源转型本质上是长期的事情，其持续时间以几十年或几代人而不是几年来衡量。
”2 可再生能源：激进的转型
不幸的是，对可再生能源的期望夸大其词，并非出于现实的评估。即使我们排除了那部分狂热的宗派主义迷恋——那些因为有限性、极度分散或难以捕获（急流风、海浪）从而在未来几十年内经济效益很差的可再生能源转化，这一点也是正确的。最有希望在短期内见效的新可再生能源是现代生物燃料（乙醇和生物柴油）、风能和太阳能发电，而这些新能源的倡导者并没有充分考虑全球能源转型的若干重要物理前提：转型的规模、可能的持续时间、新转换器的单位容量，以及可再生能源流固有的低功率密度及随机性带来对基础设施巨大的需求。
转型所需的规模是巨大的。我们的文明仍然是一个以化石燃料为主的文明：2009 年，88% 的现代能源来自石油、煤炭和天然气，这些能源的全球市场份额惊人地接近，分别是 35%、29%和 24%。这些燃料的年燃烧量现已达到 100 亿吨油当量或约 420 艾焦耳。化石燃料的年通量是 20 世纪初的近 20 倍，当时生物质燃料的划时代转型刚刚过了关键点（煤炭和石油在 19 世纪 90 年代末开始占全球能源供应的一半以上）。
能源转型——从主要能源或能源的组合到新的能源供应安排——本质上是长期的事情，其持续时间以几十年或几代人而不是几年来衡量。全球能源供应从煤炭和石油到天然气的最新转变，说明了过渡的渐进步伐是由确保供应充足、发展必要基础设施和实现具有竞争力的成本这三者共同决定的：自 1870 年代初开始商业开采，天然气花了大约 60 年的时间达到全球能源市场的 5%，又过了 55 年达到所有一次能源供应的 25%。天然气先驱使用者美国花费的时间较短，但仍然相当可观：53 年达到 5%，再过 31 年达到 25%。
用可再生能源转换甚至仅取代当今化石燃料消耗的三分之一将是一项极具挑战性的任务；现代生物燃料以及风能和光伏发电的最新份额可证明可再生能源道阻且长。2010 年，乙醇和生物柴油仅提供 0.5%左右的全球一次能源，风能产生了全球约 2%的电力，而光伏发电（PV）的产量份额不到 0.05%。与此形成对比的是各种各样的法定或希望实现的目标：到 2020 年德国总能源的 18%和电力的 35%来自可再生能源，到2025年美国 10%的电力来自光伏，到 2030 年 30%来自风能，到2020年中国可再生能源发电量占总电量的 15%、甚至 20%。
新转换器的单位容量也是个问题。燃煤涡轮发电机的额定功率为 500–800 兆瓦（MW），大型燃气轮机的容量为 200–300 兆瓦，而大型风力涡轮机的典型额定功率要小两个数量级，介于 2-4 兆瓦之间，世界上最大的光伏发电厂需要 100 多万块电池板才能达到 80 兆瓦的峰值容量。
此外，负荷量的差异将始终保持较高水平。2009 年，美国燃煤电站的平均负荷系数为 74%，核电站达到 92%，而风力涡轮机仅达到 25%，而欧盟的平均负荷系数在 2003 年至 2007 年间低于 21%。阳光充足的西班牙最大的光伏电站年产能系数仅为 16%。
当我写这篇文章时，北美通常多风的心脏地带受到高压控制，带来了持续低温和无风天气：如果马尼托巴或北达科他严重依赖风力发电（幸运的是，马尼托巴主要电力供应来自于水电和外来输入），那么这段时间它们都得大量进口电力，但中部大陆没有东西向的高压输电线路。因此，风电和光伏发电份额不断上升，既要将风力最强和阳光最充足的地方连接到主要电力消费地区，又要确保无法被精确预测的能量流能够不间断供应。由于所涉及的距离横跨大陆——无论是从多风的大平原到东海岸，还是按照欧洲沙漠计划（Deserte plan）的要求，从阳光充足的撒哈拉沙漠到多云的德国——这些昂贵的新超级电网不可能在几年内建成。那些畅想新智能电网即将带来的好处的人应该记住，2009 年美国基础设施的成绩单给现有美国电网的评级是D+，一个接近于不及格的等级。
▲ 欧洲“沙漠计划”南电北输的设想
唯一一种经过充分测试且已经取得市场化成功的非化石发电技术是核电，但我们无法期待它能带来实质性贡献：核裂变目前产生的电力约占全球的 13%，其中法国占 75%，美国占 20%。核工程师们一直在寻找卓越（高效、安全和廉价）的反应堆设计，因为很明显，第一代反应堆设计不是第二次更大的核扩张浪潮的最佳选择。阿尔文·温伯格（Alvin Weinberg）早在 1984 年就在一篇论文里设计了第二个核时代的安全反应堆，在他去世时（2003 年），爱德华·泰勒 (Edward Teller)正在设计一座以钍为燃料的地下发电厂，洛厄尔·伍德（Lowell Wood）认为，他设计的行波增殖反应堆以贫化铀为燃料，美国目前拥有约 70 万吨储存。
但自 2005 年以来，全世界每年只有大约 12 座新反应堆动工建设，其中大部分在中国，且核电仅占中国总发电的2%。而在 2011 年初，西方没有任何核电复兴的迹象。除了田纳西河谷管理局的 Watts Bar Unit 2（1988 年废弃，计划于 2012 年投产），美国没有其它在建核电工程。欧洲样板工程——芬兰的 Olkiluoto 和法国的 Flamanville——竣工却成本超支，类似于 1980 年代美国核工业的恐怖故事。然后，2011 年 3 月，日本发生地震和海啸，导致福岛核电站失去冷却剂，反应堆建筑在爆炸和辐射泄漏中被毁；不管这场灾难的最终结果如何，这些事件都将给核电的未来投下长期的阴影。
这是一个经济、政治和社会都不确定的时代。新的改革的必要性显而易见，但有效的行动未能跟上所需改革的紧迫性。
”3 碳捕捉和封存技术：不切实际的期望
因此，新能源转换不太可能以足够快的速度减少碳排放，以防止大气二氧化碳浓度上升到百万分之 450 ppm 以上（到2010 年底它们已接近 390 ppm）。这一认识促使人们对碳捕获和封存的种种可能性进行了热情探索，并声称即使它们只对了一半，也可以保证未来不再有碳担忧。例如，一位土壤科学家声称，到 2100 年，生物炭封存（将农作物残留物，主要是谷物秸秆，转化为掺入土壤的木炭）可以储存比世界上所有化石燃料燃烧所排放的碳更多的碳。
这些建议大多属于理论思考领域：例如，将二氧化碳藏在印度的德干玄武岩层内及其下方（即使这些岩石的风化和断裂程度已经很严重了），或西雅图附近的可渗透海底玄武岩中（但首先，我们必须将宾夕法尼亚州、俄亥俄州和田纳西州燃煤发电厂的排放物输送到太平洋西北部），或者利用阿曼沙漠中暴露的橄榄岩通过加速碳化吸收二氧化碳（试想一下，所有来自中国和欧洲的满载二氧化碳的巨型油轮会聚在阿曼）。
这些异想天开的想法之一实际上已经在小范围内进行了尝试。2009 年 3 月和至 4 月，在迄今为止最大的海洋表层铁富集实验中（旨在刺激浮游植物生长并在沉入深渊的细胞中封存碳）。一支印度-德国探险队在大西洋西南部 300 平方公里的海域施肥——但由此繁殖的浮游植物被片脚类动物（小型虾状浮游动物）大量吞噬。这就是为什么实现碳捕捉和封存的最佳机会是结合成熟的工程实践：自 20 世纪 30 年代以来，用含水胺洗涤二氧化碳已在商业上实现，在许多美国油田中，管道输送天然气并将其用于提高石油采收率是常规做法，管道建设工作与美国天然气开采的延伸相匹配 20 世纪 60 年代或 70 年代的天然气管道可以在大型固定二氧化碳源和用于封存天然气的最佳沉积地层之间建立大量联系。
但大幅减排所需的努力规模、安全考虑、公众对可能泄漏高浓度有毒气体的永久性地下储存的接受程度，以及持续清除和掩埋数十亿吨压缩气体的资本和运营成本，这些因素相互叠加导致整个进展非常缓慢。为了解释我们要付出多大努力，我做了一个具有启发性的类比：让我们假设，我们承诺仅封存 2010 年化石燃料燃烧排放的所有二氧化碳的 20%。在将二氧化碳气体压缩到与原油密度相似的密度后，它将占据约 80 亿立方米空间。与此同时，2010 年全球原油开采量约为 40 亿吨，或约为 47 亿立方米。
▲ 二氧化碳封存设想
这意味着，仅仅为了封存五分之一的当前二氧化碳排放量，我们必须创建一个全新的全球吸收-收集-压缩-运输-储存行业，其年吞吐量必须比目前全球原油行业的年处理量大 70% 左右，而全球原油行业规模巨大油井、管道、压气站和仓库的基础设施建设花了几代人的时间。在技术上可行，但无法在二氧化碳达到 450 ppm之前的时间限制范围内实现。而且还有一个重要问题：石油行业投资庞大的基础设施，目的是获取利润，但是富裕国家的纳税人将不得不为任何大规模碳捕捉和封存项目的巨大资本成本和运营负担而买单。
这是一个经济、政治和社会都不确定的时代。新的改革的必要性似乎显而易见，但有效的行动未能跟上所需改革的紧迫性，尤其是在北美、欧洲和日本等富裕民主国家，因为它们满脑子都是账户透支、经济衰退、人口老龄化和全球影响力下降。从这个意义上说，寻找新能源模式是更广泛变革的一部分，其结果将决定世界主要经济体和整个全球文明后代的命运。我们谁也无法预见新能源安排的最终轮廓，但是，世界上最富有的国家总不会因为在使用能源上努力变得更节制一些而出错？
*文章转自www.americanscientist.org，文章有删节，小标题为欧亚系统科学研究会重拟。
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