100个科学问题及答案简单(100个有趣的科学小知识)


虽然人类的能源转型从利用生物能时代转到利用化石能源已经长达120多年之久(见图1中的竖直分界线),但直到今天人类依然还没有走出化石能源的时代。2019年在全球能源消耗中化石能源依然占比为84.3%(其中石油占33.1%,天然气占24.2%,煤炭占27.0%),而2021年化石能源占比继续提高为85.5%(其中石油32.18%,天然气25.39%,煤炭29.97%),全球能源消耗比例从1800年到2021年的变迁见下图1所示:

图1 全球能源消耗占比的变化1800年到2021年

虽然可再生能源占比有了一定的上升,但依然无法撼动石油、天然气和煤炭的地位,而且化石三大能源(油煤气)占比依然在上升,虽然煤炭消耗量在下降,但石油估计到2025年能源消耗占比才能达到顶峰,而天然气达到顶峰的时间会更晚一些。然而随着化石能源的消耗和其对地球环境的破坏(第23个前沿科学问题),人们都在问什么时候我们人类会走出化石能源时代而到达一个新的能源时代,那么下面咱们就来讨论讨论这个问题。

旧问题:在什么时候什么新能源可以替代便宜的石油?Old: What Can Replace Cheap Oil, and When?
https://www.science.org/doi/10.1126/science.309.5731.101
新问题:我们能不能生活在一个没有化石能源的时代?New: Could we live in a fossil-fuel-free world?

从目前的发展现状来看,人类从化石能源到新能源结构转型的过程可能会非常艰难,但在过去的一段时期内,人类却相当顺利地进行了能源结构的转型。经过长达几千年利用传统生物能(木材、牲畜能等)的时期之后,人类成功摆脱了对木材和动物的能源依赖,将煤炭和水能(水力发电)顺利加入到人类的能源结构中(1900年左右蒸汽机电动机为代表的第一次能源转型,如图1 的分界线)。工业化之后煤炭和电力的使用飞速增长,后来石油也被广泛利用(1950年左右内燃机为代表的第二次能源转型),陆路和空中的运输也随之快速发展起来,人类很快就进入化石能源为主要能源的阶段。在当初飞速发展的工业社会里,人们几乎不用担心下一根原木或下一块煤炭来自哪里,也不用担心化石能源生产的爆炸性增长会对世界造成什么影响。

图2 2019年中国的能源消耗结构

然而如今的时代已经改变:随着国际石油价格的不断上涨,全球气温也在不断飙升,地球两极周围的冰层正在不停地融化……。然而人们所期盼的第三次能源结构转型能否会像以往那样顺利,很大程度上将取决于三个主要的问题: (1)世界石油产量何时会达到顶峰?(2)地球气候对我们燃烧化石能源排放到大气中的二氧化碳有多敏感(参照第23个科学问题)?(3)可再生的新型能源是否能以更低的成本替代化石能源而成为人类的主要能源?这些问题的答案虽然取决于科学和技术的进步,但同时也决定于人类在政治领域如何坚决地应对全球的能源危机。

图3 石油生产量逐年增长

毫无疑问,地球的石油资源因为不断消耗似乎很快就会出现枯竭,大家现在争论的焦点只是耗尽时间的长短问题。全球对石油的需求量以每年1%或2%的速度增长,现在每秒我们就要从地下抽走1000桶原油。一些悲观的人——他们大多是前石油公司的地质学家——预计世界石油产量很快就会达到峰值。通过对石油生产和勘探进行记录和分析的方法,1956年美国地质学家M. King Hubbert成功预测到了美国1970年的石油产量高峰。用同样的方法,他们预测到世界石油的产量峰值将在十年内到来(目前来看他们的预测失败了因为新的油田和更深的油田被发现和开采)。

图4 2021年石油消耗增长率的变化

而那些比较乐观的人——主要是一些资源经济学家——他们认为,石油生产量更多地取决于经济和政治因素,而不是地下的石油储量。他们认为技术的创新还会不断增加石油的产量,而且现在全球各地还不断有新油田的发现。即便如此,任何人都一致认为本世纪中叶(2050年)大概就是石油产量达到峰值的最后时间(现在这个时间被推迟认为2050年只是化石能源占比小于50%的时间)。比如美国,考虑到那时需要利用其它能源取代占其能源消耗40%的石油,发展新型能源的问题已经变得非常急迫。随着全世界对气候变化的担忧加剧以及目前碳排放量的要求,能源消耗向非化石能源的过渡可能会变得更加迫切。

图5 清洁能源太阳能

如果石油供应真的很快到达顶峰而无法再增长,或者全球气候问题引发对化石能源态度产生重大转变,那么大量替代性能源的供应就必须准备就绪。太阳每年会向地球输送大约86000万亿瓦(太瓦)的能量,其总量是地球上人类每年消耗能量的6600倍。地球上蕴含的风能、生物质能(生物体产生的物质材料所包含的能量)和核能也很丰富,而且我们可以更有效地利用这些能源。

当然,可再生替代性能源也有它们自身的问题。核裂变的支持者从来没有找到一个能妥善处理长寿命放射性废料的解决方案,而对地球环境的责任和高的投资成本更让核能的发展缓慢。而且可再生能源是分散的,这使得从这些能源中获取足够能量的过程既困难又昂贵。到目前为止,只有风力发电似乎处于领先地位,全球装机容量已超过400亿瓦,每千瓦时的发电成本约为4.5美分(低于光伏的6.8美分)。

图6 清洁能源风能

这些新型能源的发展听起来很不错,但与化石能源的使用相比,可再生能源的规模仍然非常小。在美国,可再生能源仅占总能源产量的6%。到本世纪中叶,全球能源的需求预计将从现在的每年大约13太瓦增长到30到60太瓦,可再生能源的使用必须获得极大地发展用于取代当前的化石能源,这将对世界未来能源的需求产生重大的影响。

要实现这个目标需要做什么? 首先更有效地使用能源可能是能源规划的必要条件——尤其是能为有效提高替代性能源的目标争取足够的时间。在过去的30年里,太阳能发电的成本已经下降了两个数量级。但大多数专家认为,在太阳能系统被广泛采用之前,其价格还需要再降100倍。纳米技术的进步可能有助于提供新型半导体材料和器件以提高太阳能集能器的输出效率,并有可能直接利用二氧化碳和水生产出化学燃料。

但这些美好的设想能否尽快地实现以避免目前的石化能源危机,这不仅仅依赖于科学技术的进步,还取决于我们对新型能源研发的重视程度。而这种重视需要全人类在政治上对科学给我们所指出的石化能源危机达成必要的共识(如今越来越多的国家加入到“碳中和”的发展行列)。而最终是什么能源会在什么时候能够帮助人类顺利实现第三次能源转型,从目前的发展形势来看,还是无法给出一个确切的答案。(Richard A. Kerr and Robert F. Service 文)


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