我们需要哪种能源

2019年10月27日 04:01

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随着地球人口的膨胀和越来越多发展中国家实现工业化,人类对能源的需求达到了前所未有的水平。每天人类都要消耗一百万太焦(10^18J)以上的能量,这大致需要3000座全球最大的核电站之一的帕洛维德核电站进行满负荷运转来供应。

我们所消耗的能源大部分来自从地底深处提取的化石燃料。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,为我们的火力发电站提供燃料,为房屋供暖,这个数字每天都在增加。

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很遗憾过去100年里,石油的储备量并不会增加。根据2016年《世界石油杂志》的数据,当前原油+凝析油的证实储量为1.7万亿桶,如果按8300万桶/天的原油+凝析油消耗量,石油还可以开采56.5年。即使采取其他锱铢必较的算法,以现在的使用量衡量,可开采年限也不超过150年。

就算搭上石油的地底老友——煤和天然气,依然不能缓解人类发展与环境劣化之间的矛盾。这三种碳能源释放能量的同时也会释放大量二氧化碳,这是众所周知的温室气体之一。而天然气(甲烷)本身同样是温室气体,并且温室效应更强,可能会在采集过程被无意释放到大气中。

可再生能源助阵

幸运的是,世界上超过五分之一的初级能源供应来自可再生的清洁能源:水电、风能、太阳能和地热等。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。随着太阳能电池板技术的进展,在阴天低照度的条件下它们也能够发电,于是太阳能发电量出现激增。不久的将来,待有机光伏技术开发成熟,可以制作印刷在柔性塑料片上的新型透明太阳能电池,可以轻松携带,也可贴在玻璃外墙上发电,甚至制成织物纤维,融合进服装里。

但前景仍不容乐观,这些所谓的可再生清洁能源,既非唾手可得,也并非100%清洁无污染。

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风力发电机使水蒸气冷凝

水电站对选址有要求,至少需考虑高低落差和蓄水能力。蓄水区域对周围环境的改造尚且可能恢复。而上游的水电站,会降低下游流速,可能导致河流的携带能力下降,泥沙沉积增多,下游河床抬高。风能发电机也需安装在风能充足的场地,且风能是不稳定的,往往白天较弱而夜晚较强,由于这种波动性,一般的电网系统不易调控,可能造成能源浪费。杞人忧天地考虑一种极端情况,如果地球竖满风力发电机,风压的减弱是否达到对全球气候产生影响的量级。太阳能是我比较推崇的能源,但限于现有技术,还没能做到物美价廉。(单晶或多晶)硅电池板是目前综合性能最优的电池,但依旧昂贵。未来可能出现低成本印刷技术制造的柔性有机电池、柔性钙钛矿电池,但眼下这两种技术还有不足,前者转换效率低,后者不稳定,且目前的版本还含有重金属铅。硅电池据称有二十年的使用寿命,但实际应用中尚且可能达不到,有机电池则更为遥远。如果作为一次性产品,目前的成本又太过高昂。与风能类似,如果规模不够,太阳能供电也会有波动性。

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柔性有机太阳能电池

这里的揭短并非是否认可再生能源,而是目前来说依靠单一可再生能源作为主要能源是不可靠的。而电网系统的需求也印证了这一点。我们的电网系统是瞬时消费的,由于电场以光速在线缆中传输,居民一分钟用多少电,发电站就得在这一分钟内发多少电。如果发电功率过高,则多余的电力被浪费,所以国家会鼓励夜间低谷用电;如果过低,则居民用电得不到保障,部分地区可能会限电。

大部分国家仍以化石燃料作为主要能源,辅以少量可再生能源。但上述提到可再生能源存在不稳定的特点,要想充分发挥可再生能源的作用,一种办法是找一块电池,在用电低峰储存能量,到高峰期再根据需求释放到电网中。众人所熟知的干电池、蓄电池仅适合做小容量存储,如果用作电网级存储成本太高(低成本的“盐水电池”正在开发中)。这时水电就非常适合担负“电池”的职责。如用电不忙时,消耗电网多余的电将水从低处抽取到高处储存起来;等到电网用电高峰,再开闸放水,用水电机发电输入电网。风电、太阳能依靠这块“电池”就能极大地提高能源利用率。

还有一种可能,如果电网足规模非常大,假设全球的电网连接成一体,构成“超级电网”,可再生能源的发电量波动将微乎其微。美国的风力刚刚减弱,刚好中国的风力开始增强,风力发电的波动相互抵消。当全世界共建“日不落地球村”,局部太阳光强度的变化就不值一提。

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2011年福岛第一核电站爆炸

无法回避的能源——核能

除了标题,我似乎有意在回避一种能源——核能。原子核通过质量损失释放能量,根据质能方程E=mc^2,可知损失极小的质量都会释放极大的能量。故而核燃料的能量密度远远高于基于化学过程的化石燃料。化石燃料的能量源自远古生物体的化学能。再一次追本溯源,你会发现地球上生物体的能量,基本都来自太阳能。46亿年间太阳不停向外放射光芒,因为其内部一直在进行核聚变反应。如果要为能源认祖归宗,地球上使用的能源基本都源自太阳的核能,或者说宇宙大爆炸带来的能量。

化石能源储量岌岌可危,温室气体扼住地球的咽喉,可再生能源难以支撑大局。为了让人类文明的灯火继续点亮,人类不得不拥抱这唯一的选择。而这种如恶魔般的能源,创造了切尔诺贝利事故、三里岛事故以及福岛事故等会持续数十年的噩梦。

我们该如何接受这份源自宇宙初期的能量呢?