替代传统能源还需多少年

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本文为转贴，作者为吴照银

传统能源（石油、煤炭、天然气）价格不断上涨，引发了全球性通货膨胀并可能带来全球性经济衰退。而传统能源价格上涨的根源在于自然界的化石能源供应跟不上人类的能源需求，所以寻找新型替代能源迫在眉睫，各个国家都投入巨大的人力、物力开发新能源。从新能源大规模应用的现实性和可能性看，太阳能、风能、生物能源、氢能、可燃冰和核聚变能源最受关注。本文主要研究这几种新能源，分析它们对传统能源的替代程度。
一、太阳能
近期的光伏发电使太阳能行业急剧升温。但是要能够替代传统能源，还需要在规模、技术、经济成本等方面符合要求。
地球上除了原子核能、地热能外，许多能量的来源，如风能，生物能源，水的势能以及传统的化石能源（成千上万年前的太阳能保留到今天）都来自太阳能。太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。我国目前有荒漠面积108万平方公里，只要在l%的荒漠土地上开发利用，太阳能电力就可以满足全国的电力需求量。全世界情况也大抵如此。所以太阳能的总量规模是丰富的，关键是技术上是否可行，经济上是否合理。
太阳能的利用包括光热利用、光化学利用和光电利用，目前最热门的是光伏发电。光伏发电是通过对光有响应的材料将光能转换成电力，能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。在技术上目前已经比较成熟，能够进入实际应用。
图1是美国各种能源发电的成本，从图中可以看出，太阳能发电成本明显高于其它能源成本。中国虽然各种能源上网价格与此有所不同，但太阳能发电价格很高也是事实。中国目前燃煤上网电价是0.31元/度，而太阳能发电的成本价格是每度电4元，是煤电的13倍。以目前的价位计算，太阳能发电根本没有出路，即使国家补贴也不切实际。

图1   各种能源的发电成本

但是光伏发电的成本有进一步下降的空间。目前多晶硅材料是整个光伏发电中成本最高的部分，约占并网光伏发电系统成本的37%。而多晶硅价格从2003年以来快速上升，已从最初的30美元/公斤涨至430美元/公斤。硅原料自然界中并不缺，地壳中硅元素含量仅次于氧，排第二位，关键是提纯技术。目前多晶硅价格高昂，主要是市场因素造成，长期存在下跌空间；技术上改进也会使多晶硅价格下降。多晶硅成本下降可能在短期内使得太阳能光伏发电成本下降一半。另外，目前太阳能电池的光电效率是10-14%，有较大的上升空间。通过提高广电效率和改进电池板可以使光电成本再下降一半。如此测算，光伏发电成本可能在短期内下降到1元/度，但是这仍然比目前的常规电价高很多。所以在短期内，光伏发电并不具有大规模推广的价值。
而且在生产多晶硅的过程中需要耗费大量电能，目前生产多晶硅的企业一般都采用改良的西门子法。使用该方法，1千瓦的太阳能电池约需10公斤多晶硅，消耗电能5800～6000度，耗电量十分巨大。即使电池能够稳定使用20年，太阳能电池的电能再生比也不到8，水平较低。这也成为光伏发电的一个瓶颈。
太阳能发电还有一个致命弱点，由于太阳光非常分散，在标准日照条件(1000瓦/平方米)下，1平方米的太阳能电池板上输出的电功率只有130瓦，所以很难建造一个很大的太阳能发电厂集中供电，也难以通过规模经济降低成本，这就注定了光伏发电不能成为人类社会的主力能源。随着光伏发电成本的下降，而传统能源价格进一步上涨，这两者的价格趋向一致（如果对传统能源发电征收污染税会加速），太阳能在人类能源结构中会占据配角身份。
在目前光伏发电的成本仍然高昂，几乎没有经济效益，所以目前国内大干快上的光伏发电产业隐藏着很大的泡沫。

二、风能
风能和太阳能一样，是取之不尽，用之不竭的天然能源，全世界可用来发电的风能比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。相对而言，开发风能比开发水能对环境影响要小很多。风电还有一个重要优点是上马快，不像核电、水电的建设需要好多年，风电在具有准确风场数据的前提下其建设只需要几个月。
风力发电在全球来说已经是一个相对成熟的技术，近些年风电规模增长非常快，几乎每年增长率都在30%以上。但是风电占世界能源总比重只有0.6 %，所以发展空间很大。但是风电也面临巨大的缺点，就是不稳定，难以输出稳定的电流，这样大量建设风电会给电网调度带来困难。这一缺点导致风电难以成为主力能源，只能成为其它能源的补充。

图2  1995-2007年全球累计装机容量及增长率（单位：兆瓦）

    数据来源：BP
风力发电成本的75％-90％是制造和建设风力涡轮机并把它们接入电网，由于制造技术不一样以及各个风场的风力强度不一样，世界各国的风力发电成本存在一些差别。但是整体看，风力发电成本下降很快，世界绩优风力发电场的发电成本自80年代以来下降了将近90％，现在已下降到4美分／千瓦时。在有些市场，风力发电已经比传统能源发电便宜。欧洲风能协会预测，到2020年风力发电成本将下降到3美分／千瓦时。

图3  风力发电成本下降趋势

风力发电和水力发电优缺点相近，而且风电不需要水电的大规模基础设施建设，所以风力发电在世界未来的能源结构中所占比重应该不比水电低，长期看风电所占比重估计能达到20%。最近几年及今后较长一段时间，中国以及全球的风电发展都将进入快速增长期。
三、氢能
氢能是通过氢气和氧气反应产生的能量。氢气燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为同量汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢气燃烧的产物是水，所以氢能是世界上最干净的能源。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得，因此氢能是二次能源，或者说氢气是人类能源的转换载体，改变能源的利用方式。
氢气无疑是优良的能源，关键是如何制氢和如何降低制氢成本。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。电解水制氢方法由于其效率高，仍是目前氢能规模制备的主要方法，但是如果直接从电网取电制氢，再用获得的氢气作为能源，这显然是不符合能源利用逻辑的，因为生产流程中会有大量的能量损耗。从人类总体的能源需求看，这种方法是无实际价值的。目前通过这种方法制得的氢气主要用于特殊用途，如作为火箭推进剂。
除了直接电解水制氢外，目前在技术上相对成熟的有热化学制氢、生物质制氢、光伏-电解水制氢、风力-电解水制氢等。综合国内外资料，总结出这几种制氢方法所需成本（见表1）。

表1  制氢成本比较

方法	光伏-电解水制氢	热化学制氢	生物质制氢	风力-电解水制氢
价格（US$/kg ）	6.67	1.267	3.8	2.43

从表上可以看出，利用太阳能发电然后电解水制氢的方法成本最高，这是因为光伏电池价格高昂，光伏发电成本很高（见本文第一部分），所以这种方法目前还没有多大的实际意义。随着光伏发电成本下降，未来可能会使用。目前广发使用的还是热化学制氢制氢方法，当然这种方法需要石油、天然气等烃类物质作为原料，从长期看，其价格会随着成本上升而上升。相对而言，风力-电解水方法可能有较广泛的用途。
整体而言，氢能的使用是建立在方便获取其它能源的基础上的，能改变人类利用能源的方式，却不能从根本上改变人类能源短缺的现状。如同电力一样，氢能并不成为人类能源消耗结构的一部分。

四、生物能源
生物能源（有时称为生物质能）目前很热，但实际上数量非常有限，与传统能源不在同一数量级，各国的生物柴油与石油需求量相比微乎其微。

表2  各国生物柴油产量和石油需求量比较

国家	德国	美国	法国	日本	中国
07年石油需求量（百万吨）	112.5	943.1	91.3	228.9	288
07年生物柴油产量（百万吨）	2.5	2	0.36	0.4	1（规划2010年数字）
生物柴油/石油	2.22%	0.21%	0.39%	0.17%	0.35%

从表2可以看出，德国的生物柴油产量最高，生物柴油占原油需求量的比例也最高。但就是德国这个比例的绝对值还是非常低。这是目前的数据，未来生物能源的潜力也有限。可以德国生物柴油的利用情况反映世界未来的生物能源供应。德国的生物柴油产量世界最高，目前德国1/10的耕地面积都种上了生产生物柴油的油菜，就这样德国每年生物柴油产量也只有250万吨，生物柴油供应只有石油需求量的2.2%。即使德国的耕地全种上油菜，其生物柴油产量也只能供应其本国石油需求量的五分之一。由此可推出，即使全世界的耕地都种上油料作物生产生物柴油，也远不够人类使用。生物能源在原料供应上遇到与化石能源同样的瓶颈，这就注定生物能源不能化解未来的能源危机，而不管未来的生物能源转化技术多么发达都是如此。
同时，生产生物能源必然与人类的粮食生产争地，从而导致粮食供给的减少。粮食供给的减少直接反映到粮价的上升。目前的生物能源主要是通过油料作物生产生物柴油和通过玉米制取乙醇（其它的生产模式都受原料制约其规模都很小），一吨生物柴油需要3吨油菜籽，一吨乙醇需要3.5吨玉米。近几年，不仅石油价格飞涨，包括玉米等在内的粮食价格也在飞涨。图4是近几年玉米价格与石油价格的比较情况，可以看出玉米价格比石油价格涨势还要强。几年前有人根据不变的玉米价格推算出只要石油价格高于45美元/桶，生产乙醇汽油就有利可图，然而在玉米价格暴涨的情况下，许多乙醇汽油工厂都出现亏损，仅靠国家补贴在维持。

图4  石油和玉米价格

    数据来源：bloomberg
从根本上来说，生物能源也是来自太阳能，生物能源难以发挥主力能源作用的关键是生物质的光合作用转化效率太低。据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％-2.5％，一般情况下平均效率为0.5%左右。而在本文第一部分已经说明，目前太阳能光伏电池的转换效率大约为11%，并且有很高的提升空间。极端地假设，不考虑环境因素和经济因素，在提供生物能源的地面上都换用上光伏电池板，则太阳能利用效率会提高数十倍。
世界上目前没被利用的耕地已经所剩无几，遇到灾荒全球粮食供应尚出现短缺，更谈不上大规模生产生物能源。发展生物能源对微观企业可能有意义，但对于宏观的能源供给则意义不大。

五 “可燃冰”和核聚变能源
自 20 世纪 60 年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。这种“可燃冰”是天然气水合物，它是一种白色固体物质，外形像冰，主要成分是甲烷，有极强的燃烧力，可作为上等能源。据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为 1.8 亿亿立方米，约合 1.1 万亿吨。迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的“可燃冰”储量相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的几百倍，其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年以上。显然，从规模上看，可燃冰完全可以成为未来人类能源的主力军。
但是，可燃冰的大规模利用还要相当长时间。天然可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从海底一块块搬出，在从海底到海面的运送过程中，甲烷就会挥发殆尽，同时还会给大气造成巨大危害。在导致温室效应方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大很多；而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏，从而引起强烈的温室效应。另外，陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。
日本、美国都计划在2010——2015年间进行试开采可燃冰（试开采到大规模开采还有很长一段时间），部分专家认为人类在2020年之后可能大规模利用可燃冰。本文根据可燃冰从发现到应用的历程推测可燃冰要成为主力能源可能至少还需要30年。1810年英国实验室合成了人工天然气水合物，1934年前苏联发现了天然的天然气水合物。1969年开始全球性勘探、研究、开发，到2002年天然气水合物开发逐渐热烈起来。从上述时间节点看出，从发现到试验性应用天然气水合物用了150年，从试验性应用到大规模勘探用了50年。现在常规能源稀缺，能源价格上涨会刺激大规模商业开发，一些国家甚至不惜牺牲环境铤而走险地开发，这样会导致小规模商业开发提前。按照从理论到大规模应用的时间节点推测，人类要达到大规模应用可燃冰（技术上可行、经济上合理、环境有保障），替代传统能源，至少还需要30年。
另一种可能成为人类主要能源的是核聚变。核聚变是指由质量小的原子，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更大的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。最常见的是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释放能量。地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不尽的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。
但是大规模利用核聚变似乎比利用可燃冰更难。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸，但是离受控核聚变（实现持续、平稳的能量输出）还很遥远。
有人给核聚变研究总结出一个“30年周期”规律。从核聚变研究初始，人们就预言过，30年可以做到实用。结果第一个30年过去时，连等离子体还没有约束好，更不要说核聚变了。上个世纪70年代，人们改进了约束磁场的位形，结果又看到了希望，接着开始了新一轮的研究热潮，各国争相建造大型托卡马克。又有人预言30年可以成功，结果又到30年了，至今托卡马克仍是脉冲式运行，没有达到稳态运转。但给人带来希望的是，实现了氘-氚的核聚变，这又引出了下一个30年。据此，目前专家普遍认为人类大规模利用核聚变能源还需30年
本文仍然从理论到技术应用的科技史经验来推测核聚变大规模应用还需要多长时间。从下表中可以看出，近现代重大科技发明从理论到应用的时间大概在30年到50年。但是轻核聚变显然打破了这一常规，该领域从理论提出到现在已经70年；即使从氢弹爆炸成功到现在也已经56年。在目前的这种状态下推测，可以有乐观的和悲观的两种结论：乐观的结论是人类可能很快突破技术障碍，短期内能够建成核聚变电站，因为从理论到应用的各种试验该做的都做了，时间上已经很充分了；悲观的结论是根据现实情况反推理论可能不正确，或说需要进行重大修正，根据原有的理论可能得不到应用的结果。按照悲观的推测，核聚变应用可能是镜花水月，试图通过核聚变解决能源问题从理论到实践都还不具备，这条路走不通。按照乐观的推测，核聚变技术很快会有突破，人类二十年之内能够以核聚变反应作为主要能源（建反应堆需十多年，大规模推广应用需5年）。

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表3  重大科技应用时间表

领域	理论		应用		时间
电磁理论应用	1831年法拉第发现电磁感应，完成电与磁的综合，标志电磁理论确立		1867年西门子发明了自激式发电机		36年
无线电理论应用	1864年麦克斯韦完善了电磁理论，并预言电磁波的存在	1887年赫芝实验证实了电磁波的存在	1895年马可尼和波波夫分别独立地发明了无线电报		31年
量子力学领域	1900年普朗克提出量子概念	1926年薛定谔等建立量子力学体系	1947年晶体管和随后迅速发展的集成电路		47年（从薛定谔算是21年）
重核裂变领域	1909年卢瑟福散射实验	1938年哈恩等发现了铀核分裂并很快实验证实	1945年第一颗原子弹成功试爆	1954年建成第一座原子能发电站	45年（从原子弹到核电站是9年）
轻核聚变领域	1938年提出的太阳核聚变反应假说	1942年，在研制原子弹的过程中，推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃轻核，引起聚变反应	1952年第一颗氢弹爆炸	核聚变电站至今遥遥无期	从理论到现在已经70年；从氢弹到现在已经56年

六 总结：未来30年人类能源结构变化
从以上分析可知，除了可燃冰和核聚变能可能成为人类未来的主力能源外，其它新能源都无力担此重任。但是传统能源受供给稀缺影响，在人类能源中的比重必然越来越低，新能源随着技术进步其贡献会越来越大，所以未来世界能源结构将形成群雄并举的情形。

图5  2007年世界能源消耗结构

    资料来源：BP
太阳能现在成本很高，而且制造多晶硅本身大量耗电，这些在短期内构成发展的瓶颈。太阳能的配角色彩注定其在未来能源结构所占比重不超过10%。
风能目前已经进入大规模利用阶段，在最近几年将进入快速发展期，风电规模可参考水电规模，以及北欧一些国家风电在能源结构中的比重，风电最终可能会达到人类能源的15——20%。
生物能源由于和粮食争地，其大规模应用会威胁到粮食供应和粮价攀升，其本身供应也存在缺陷。所以它只能在满足粮食供应外才有机会，或者是对一些质量差的粮食再利用。参考德国的生物能源利用程度，推测其在未来能源结构中所占比重不超过5%。
氢能如同电能一样，是二次能源，它只改变人类利用能源的方式，本身不能为人类带来额外的能源。因此在人类能源消耗结构中不占有比重。
可燃冰和核聚变能在未来较长一段时间都处于探索和实验状态，乐观预测也要到二十年以后才能大规模应用。当然一旦这两种能源大规模应用了，能源问题就不成为问题了。根据上述分析，绘出未来30年世界能源结构变化图（图6）。

图6  未来30年世界能源结构变化推测

我在十年前就知道，人类已经没有可替代能源，石油、煤，在我的有生之年，差不多就要采光了，并且世界人口还在以每年约9000万的速度在增长。太阳能、风能是不能指望的，用于核电的核燃料也只能用几十年。可笑的是还有人指责中石油和中石化在垄断，要求汽油降价，柴油降价。中国的低价能源政策，几乎也是在自杀。所谓的可持续发展，根本看不到实现的希望。