每天我們?nèi)祟惗家囊话偃f兆焦能量，這大約相當(dāng)于美國(guó)亞利桑那州Palo Verde核電站在滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，日產(chǎn)量的3000倍。
隨著全球人口的急劇增長(zhǎng)以及發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化程度的逐步上升，人類對(duì)能源的渴求已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平。目前我們消耗的能源中，一半以上來自于地殼深處提取的化石燃料。據(jù)估計(jì)，自1850年開始石油的商業(yè)化開采以來，我們已經(jīng)消耗了1350億噸原油。這些石油主要被我們用于汽車行駛、發(fā)電廠供電以及家用取暖。而這一消耗數(shù)字還在持續(xù)增長(zhǎng)。
但是，由此產(chǎn)生的氣體已經(jīng)給地球生態(tài)系統(tǒng)造成了潛在的災(zāi)難。無論是煤炭、石油還是天燃?xì)?，其燃燒都與地球大氣中溫室氣體的水平密切相關(guān)，也是氣候變化的主要原因?？茖W(xué)家們一直認(rèn)為，如果不改變我們現(xiàn)有的消耗化石燃料的習(xí)慣，整個(gè)人類社會(huì)正在走向?yàn)?zāi)難。但問題在于，如果我們不使用化石燃料，該如何讓夜晚的燈光依舊？
▲能源行業(yè)正在面臨幾十年以來的重大轉(zhuǎn)型
世界能源理事會(huì)最近發(fā)布的一份報(bào)告指出，“能源行業(yè)正在面臨幾十年以來的重大轉(zhuǎn)型，這種變革的影響要深入得多，存在著政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等方面的諸多問題，此外也需要我們每個(gè)人對(duì)自己的行為習(xí)慣做出轉(zhuǎn)變?！?/p>
毫無疑問，改變現(xiàn)有的能源獲取方式是我們面臨的重大挑戰(zhàn)之一。很多科學(xué)家認(rèn)為目前的最大問題依舊是如何應(yīng)對(duì)未來幾十年內(nèi)能源需求的爆炸式增長(zhǎng)。
英國(guó)能源研究中心主任吉姆沃森（Jim Watson）解釋稱，“目前世界上仍有約12億人沒有得到現(xiàn)代能源服務(wù)。亞洲、拉丁美洲以及非洲部分地區(qū)的需求將有顯著增長(zhǎng)?！?/p>
現(xiàn)在世界上依舊有約30億人在使用簡(jiǎn)單的爐子或者直接燃燒木材、動(dòng)物糞便或是煤炭來做飯取暖。隨著發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化程度不斷提高，他們需要更多的電力供應(yīng)。在發(fā)展已經(jīng)起步的國(guó)家，隨著財(cái)富增加導(dǎo)致中產(chǎn)階級(jí)生活方式不斷改善，從而使得能源消耗將飆升。
▲自1850年開始石油的商業(yè)化開采以來，我們已經(jīng)消耗了1350億噸原油
伯明翰大學(xué)下屬的伯明翰能源研究所所長(zhǎng)馬丁·弗雷爾（Martin Freer）指出，“在全球范圍內(nèi)，能源面臨的最大挑戰(zhàn)是制冷降溫?！彪S著印度和中國(guó)中產(chǎn)階級(jí)數(shù)量的增長(zhǎng)，相應(yīng)的空調(diào)需求。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)指出，到本世紀(jì)中葉，家庭對(duì)制冷的需求將超過供暖需求。實(shí)際上估計(jì)到2040年，世界能源消費(fèi)將增加近50%。
但一方面我們要減少碳排放量，同時(shí)又怎樣才能滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求？事實(shí)上，前景并不像想象的那么黑暗。目前世界上約五分之一的能源消耗來自于可再生能源，比如風(fēng)能、太陽能、水力以及地?zé)崮?。從現(xiàn)在到2040年，預(yù)計(jì)可再生能源行業(yè)每年將持續(xù)增長(zhǎng)2.6%。
直至現(xiàn)在，水力發(fā)電是主要的可再生的能源，而風(fēng)力發(fā)電則是增長(zhǎng)最快的。但太陽能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展使得其在陰天條件下也能夠產(chǎn)生電能，由此帶來了太陽能發(fā)電數(shù)量的激增。
譬如在英國(guó)，過去12個(gè)月新增太陽能發(fā)電設(shè)備12GW，這相當(dāng)于一整座燃煤發(fā)電站。在全球，去年太陽能發(fā)電量增長(zhǎng)率近50%。許多國(guó)家的研究人員正在致力于如何在柔性材料上設(shè)置新型光伏電池，從而進(jìn)一步降低太陽能發(fā)電成本。
然而，將這些新能源所產(chǎn)生的電力并網(wǎng)并不容易。沃森指出，“在部署諸如風(fēng)能以及太陽能等間歇性可再生能源方面，如何保證其與系統(tǒng)兼容是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。”在很多國(guó)家，其現(xiàn)有的整個(gè)電網(wǎng)旨在處理穩(wěn)定可靠的發(fā)電，而風(fēng)能和太陽能高度依賴于天氣狀況，這意味著其在用電高峰時(shí)不一定能夠滿足用電量需求。
沃森解釋稱，“不同季節(jié)的用電量差距很大?！贝蠖鄶?shù)國(guó)家目前是通過維持可靠發(fā)電站的常態(tài)化運(yùn)行來解決這個(gè)問題。這意味著核能、天燃?xì)庖约叭济喊l(fā)電站平峰時(shí)處于低水平運(yùn)行狀態(tài)。而當(dāng)風(fēng)力下降或是太陽下山之后，其就會(huì)相應(yīng)提高生產(chǎn)力，
根據(jù)麻省理工學(xué)院能源科技主任羅伯特·阿姆斯特朗（Robert Armstrong）的說法，這反而限制了可再生能源的實(shí)際使用量。阿姆斯特朗的模型表明，在沒有能量存儲(chǔ)的情況下，僅有10%的電力來自于太陽能?！霸蛟谟谔柲馨l(fā)電主要集中在中午，所以未來應(yīng)對(duì)早晚用電高峰，你需要啟動(dòng)更多的太陽能發(fā)電裝置來匹配需求。這牽扯到建造和投入資金的很多問題。”
對(duì)此的一個(gè)解決方案是使電力分輸?shù)木W(wǎng)格更大，也就是創(chuàng)建所謂的“超級(jí)網(wǎng)絡(luò)”。其基本思想是，如果能量能夠在一個(gè)更廣泛的區(qū)域之內(nèi)共享，那么諸如太陽能和風(fēng)能就能夠得到更為充分合理的利用。
相關(guān)方案設(shè)想將幾個(gè)國(guó)家的能源網(wǎng)絡(luò)連接在一起，從而使得國(guó)與國(guó)之間可以共享電力。幾十年來，關(guān)于在歐洲與美國(guó)之間建立超級(jí)電網(wǎng)的想法已經(jīng)得到了反復(fù)討論。最近有人呼吁建立一個(gè)全球能源網(wǎng)絡(luò)，這一想法得到了中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的支持。
現(xiàn)在全世界已經(jīng)有所動(dòng)作。英國(guó)正在與法國(guó)，比利時(shí)，丹麥，愛爾蘭和挪威建設(shè)能源網(wǎng)絡(luò)，而日本，俄羅斯，中國(guó)，蒙古和韓國(guó)也在建設(shè)超級(jí)電網(wǎng)。
俄羅斯斯科爾特科技研究所亞洲超級(jí)電網(wǎng)項(xiàng)目經(jīng)理Ksenia Letova說：“將需求較少地區(qū)的電力轉(zhuǎn)移到最需要電力的地區(qū)將有助于實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。“在日本和韓國(guó)等國(guó)家，由于在夏季大量使用空調(diào)，往往出現(xiàn)用電的季節(jié)性高峰。而在俄羅斯遠(yuǎn)東和西伯利亞，恰恰是最低電力需求的時(shí)期。
而利用鄰國(guó)的過剩可再生能源或?qū)⒂兄诮档徒ㄔ煨履茉错?xiàng)目的成本。例如超級(jí)電網(wǎng)有計(jì)劃在蒙古戈壁沙漠和中國(guó)西北部地區(qū)開發(fā)大型風(fēng)力和太陽能發(fā)電站。這些地區(qū)人口稀少，但輸出過剩能源可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
Skoltech科學(xué)技術(shù)學(xué)院能源系統(tǒng)中心主任Janusz Bialek指出，“最大的問題在于建造超級(jí)電網(wǎng)的成本問題。長(zhǎng)距離傳輸電力會(huì)造成大量損耗，很多參與國(guó)家都需要升級(jí)電力傳輸設(shè)備。同時(shí)，這種超級(jí)電網(wǎng)產(chǎn)生的任何故障都會(huì)威脅到很多國(guó)家的能源供應(yīng)安全。“
而能源安全已經(jīng)成為地緣政治格局的主要推動(dòng)力。目前擁有大量石油儲(chǔ)備的國(guó)家在很大程度上能夠影響到全球政策。像沙特阿拉伯這樣的國(guó)家由于地下埋藏的大量石油，成為了不少國(guó)家結(jié)盟對(duì)象。
然而，隨著各國(guó)對(duì)可再生能源的依賴程度大大增加，這也在不斷悄然發(fā)生變化。目前世界上最大的石油生產(chǎn)國(guó)是沙特阿拉伯，美國(guó)和俄羅斯。相比之下，目前最大的太陽能生產(chǎn)商是中國(guó)，德國(guó)和日本，而美國(guó)，中國(guó)和德國(guó)是世界風(fēng)能領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。
諸如摩洛哥等國(guó)家開始在境內(nèi)的沙漠地區(qū)建設(shè)規(guī)模龐大的太陽能發(fā)電項(xiàng)目，希望將這種資源大量出口到其他國(guó)家，這可能導(dǎo)致這種小國(guó)將在全球舞臺(tái)上發(fā)揮更大作用。如果蒙古能夠在戈壁建立了巨大的風(fēng)能和太陽能儲(chǔ)備，它完全可以改變其在世界上的現(xiàn)有地位。
然而，如果能找到存儲(chǔ)電力的好方法，則國(guó)家之間電力共享的需求將會(huì)減少。除了廣泛的可用性和可操作性，化石燃料比可再生能源還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，那就是它們非常易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。
▲化石燃料非常易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸
目前，對(duì)于存儲(chǔ)太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的電力并沒有什么簡(jiǎn)易方法。像電容器和飛輪這樣的技術(shù)僅僅能夠存儲(chǔ)幾分鐘或幾小時(shí)的能量。許多在研究太陽能、風(fēng)能產(chǎn)生的電力過剩時(shí)該如何存儲(chǔ)電力。水庫可以提供一些解決方案。在英國(guó)，過剩的電力被用于將水泵送到蘇格蘭和威爾士水庫，從而被存儲(chǔ)為勢(shì)能。當(dāng)需要時(shí)，水被釋放以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)。
目前正在北海鋪設(shè)的海底電纜也將很快使得英國(guó)能夠使用挪威的大量水電資源。通過風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的過剩能量也將通過這條線路輸送挪威進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在需要時(shí)再輸送回來。
▲最大的問題在于根據(jù)實(shí)際需求輸送電力
但建設(shè)新的水電大壩對(duì)環(huán)境有一定的爭(zhēng)議性。因此研究人員也在尋找另一種解決方案。一些人正在尋找開發(fā)電池組以存儲(chǔ)這種能量，但是目前的電池技術(shù)還不足以有效地存儲(chǔ)大量能量。
“我的想法是，通過燃料的形式來解決，”阿姆斯特朗說?！拔覀兓蛟S可以通過過量的太陽能或風(fēng)能分裂水生產(chǎn)氫氣，采取一些過剩的能源制造合成碳?xì)浠衔铩?/p>
目前世界上有一些小規(guī)模的項(xiàng)目正在從事此類研究。例如，蘇格蘭的阿伯丁正在運(yùn)行世界上最大的氫燃料電池示范項(xiàng)目。研究人員將可再生能源用于產(chǎn)生氫氣，從而為市內(nèi)的10輛公共汽車供電。
對(duì)過剩可再生能源的存儲(chǔ)也有助于解決很多國(guó)家面臨的取暖問題。沃森指出，“像英國(guó)這樣的國(guó)家面臨的重要問題是，如何使得取暖具備可持續(xù)性。這些國(guó)家依舊在使用化石燃料進(jìn)行取暖。我們需要找到一種能夠?qū)⒛茉创鎯?chǔ)數(shù)個(gè)月的解決方案。“
目前北歐的大多數(shù)國(guó)家都使用天燃?xì)鈦磉M(jìn)行取暖。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)電力網(wǎng)發(fā)展負(fù)責(zé)人朱利安·萊斯利（Julian Leslie）說，如果英國(guó)放棄天然氣轉(zhuǎn)而用電取暖，那么電網(wǎng)容量將需要擴(kuò)充四到五倍。萊斯利指出，“這太過于昂貴。“
在減少二氧化碳排放量方面，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BP這樣的公司在開發(fā)生產(chǎn)線方面投入巨資。然而使用這些燃料不能阻止溫室氣體釋放到大氣中。隨著世界許多地區(qū)頁巖油和天然氣開采量的加大，似乎我們?cè)谖磥硪欢螘r(shí)間內(nèi)還將依賴化石燃料。
“到2050年，我們?nèi)詫幕剂现蝎@得75%的能源，”阿姆斯特朗說。“關(guān)鍵問題將是如何減少這些能源的二氧化碳排放。這將需要碳捕獲存儲(chǔ)和利用。降低捕獲碳的成本可能是最困難的，但我們還需要找出如何存儲(chǔ)的方法。
碳捕獲包括從煙囪排放的廢氣中洗滌出二氧化碳?xì)怏w。通常，這涉及昂貴的化學(xué)品來捕獲二氧化碳，并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下需要對(duì)發(fā)電廠進(jìn)行重新設(shè)置，從而使得混合物能夠在洗滌過程中被加熱。但是，現(xiàn)在研究人員正在開發(fā)一些利用金屬離子的新方法，從而減去在洗滌過程中加熱化學(xué)混合物。
▲或許有一天能源公司將能夠控制我們的家用電器運(yùn)行
一些人認(rèn)為，我們大可以通過更為直接的方式解決可再生能源面臨的諸多問題可以通過更直接的方式克服，例如更密切地監(jiān)測(cè)各個(gè)家庭的能源消耗情況。到2020年，歐盟計(jì)劃在家中安裝5億個(gè)智能電表，以監(jiān)測(cè)能源使用情況。
詳細(xì)的分時(shí)需求有助于電力公司更好地管理電網(wǎng)。蘇格蘭愛丁堡Heriot-Watt大學(xué)智能電網(wǎng)講師Valentin Robu指出：“人工智能對(duì)分析電網(wǎng)大量數(shù)據(jù)并采取實(shí)時(shí)控制決策至關(guān)重要。
它也可能導(dǎo)致我們消費(fèi)技術(shù)方式產(chǎn)生根本性變化?！霸诓贿h(yuǎn)的將來，或許當(dāng)我們要求能源公司提供價(jià)格最便宜的電力時(shí)，他們會(huì)給我們發(fā)送一些連接到我的WiFi網(wǎng)絡(luò)的插頭，”Leslie說。“這意味著你不再能夠控制你的洗碗機(jī)或洗衣機(jī)。
相反，這意味著我們的能源公司將控制我們的家用電器運(yùn)行。當(dāng)天氣晴朗，太陽能充足或需求低時(shí)，他們可以授權(quán)打開這些電器。
這種方法意味著從根本上消除我們?cè)谶^去一個(gè)世紀(jì)中堅(jiān)持的“按需使用電力”消耗能量方式。相反，當(dāng)我們的冰箱等電器運(yùn)行可以由天氣狀況或不同時(shí)間段來確定。例如，我們的洗碗機(jī)可能在白天我們不在家時(shí)運(yùn)行，而不是在晚上工作。
Leslie說：“多年來，我們都是隨心所欲地消耗能源?；蛟S今后我們的能源使用將不得不由其存在和可用性來決定，而不是讓能源生產(chǎn)來迎合我們的需求。”
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