不能读取语音阅读器
新科技革命下的能源革命
发布时间:2016-12-14

  2016年7月20日,全球第二大汽车厂商日本丰田宣布,到2050年将会停售纯汽油动力汽车,届时只会出售混合动力及燃料电池汽车,以大幅减少废气排放。7月21日,特斯拉CEO伊隆.马斯克(Elon Musk)则表示公司将会大力拓展无人驾驶汽车和汽车共享领域。此外,韩国在巴黎气候变迁会议之后,即宣誓未来五年要增加氢动力车销售数量到 9,000 辆,2030 年要到 63 万辆,以大幅降低碳排放。而在氢能和燃料电池技术的发展方面,德国目前已进行了3.93亿欧元的融资支持。可见,各国纷纷在节能减排方面大做文章,能源结构和能源利用模式将面临巨大改变,以低碳化、智能化、高效化、个性化和共享化为主要特征的新的能源时代正在来临。
  
  一、能源环境和需求面临新的变革
  
  1.能源消费需求持续增长,化石能源将遭遇危机。
  
  据统计,2014年世界一次能源消费量为129.28亿吨油当量,同比增幅0.9%。随着世界人口和从均能耗水平的持续增长,能源消费需求将进一步加大,有预测显示, 2050年世界一次能源消费总量最高将达209.52亿吨油当量高,最低也会在186.25亿吨油当量。目前,化石能源仍然在全球能源结构中占据绝对主导地位。但随着能源消费需求的持续增长,化石能源在供应需求方面未来将越来越面临巨大挑战,化石能源的不可再生性,使其在人类大量使用后,会逐渐走向枯竭。同时,化石能源的利用,也带来了温室效应、大量的二氧化硫和烟尘排放造成大气的严重污染,使环境恶化。未来,清洁的、绿色的可再生能源必将取代传统的化石能源,成为新的能源主导。
  
  2.全球能源格局发生重大变化,新兴经济体能源发展需求强烈。
  
  从能源供应格局来看,过去30多年间,中东和俄罗斯是世界油气的主要供应地区,目前,世界常规油气产量正逐步达到峰值,非常规油气受到重视。受非常规油气加速发展的影响,世界油气供应格局逐步演变为由中东、俄罗斯和美洲地区共同主导的格局, 供应中心将显著西移;而从能源消费格局来看,据《BP 世界能源统计年鉴2015》数据显示,2014 年亚洲地区和太平洋沿岸地区能源消费达53.3亿吨标准油,占世界能源消费总量的41.3%,可见,世界能源消费格局已经从发达国家主导转变为发达国家与发展中国家共同主导。未来20年,中国、印度等新兴经济体将陆续实现现代化,带来极大的能源消费需求,这些需求将必定加速这些地区的新能源发展进程。
  
  二、能源发展的新趋势
  
  1.能源供给模式从集中式走向分散式
  
  第一次工业革命和第二次工业革命,奠定了全球以化石能源为核心的能源结构。一直以来,化石能源的供给都是“集中式”模式,全球煤炭的35.4%集中于欧洲及欧亚大陆,30.9%集中于亚太地区,28.5%集中于北美地区。约75%的石油储量集中于东半球。世界常规天然气资源主要集中在中东、欧洲和俄罗斯。由于化石能源的资源、开采和生产的地理分布相对集中,以化石燃料驱动的电力生产和传输,多采取大机组集中发电、远距离单向输电的电力供给模式,多数电网为跨区域高压超大电网。随着化石能源的的日渐枯竭和生态环境的恶化,广泛分布于自然界中的可再生能源逐渐成为能源主角,新技术的发展使得可再生能源的利用及成本不断下降,未来每家每户将都可利用可再生能源,并集能源生产与消费于一体,使无数微小的能源生产单元遍布世界各地。能源供给模式呈现出从集中到分散的演变趋势:在地理分布上资源和生产单位从特定区域扩展到无处不在;在供给主体上从少数能源巨头转变为家庭和个人;生产方式上从大规模集约化走向无数微小单位的集成。
  
  2.能源互联网开启世界能源配置的新格局
  
  能源互联网作为能源和互联网深度融合的产物, 已经成为当前全球新能源领域关注的新焦点。所谓能源互联网,就是将所有的能量信息(分布式的产生、供应、消耗),通过网络互联,得到及时的反馈,并根据需求予以选择控制。在电网层面,能源互联网比智能电网更关注新能源的占比和影响,当可再生能源占到80%甚至更高时,传统的智能电网系统将不足以支撑这一环境,因此需要能源互联网来实现。全球能源互联网作为服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源配置平台,概括讲,就是“特高压电网+泛在智能电网+清洁能源”,它使处于不同时区的各大电网连接起来,突破资源瓶颈、环境约束和时空限制,实现风光互补、地区互济,保障能源供应、提高经济效益、减少环境损失、降低社会成本,可有效解决能源案例发展、清洁发展、高效发展、可持续发展问题。
  
  3.电能成为终端能源消费的主体
  
  据有关预测显示,电力需求将更快增长,增速将高于能源需求的增速。预计2050年全球一次能源需求将达到300亿吨标准煤,其中电力需求量即达到73万亿千瓦时。从发达国家的发展历程来看,人均用电量是随着经济发展水平提高而提高的,目前,多数发达国家终端用能电气化水平普遍在20%以上。未来,随着能源新技术革命的深入推进,特别是电动汽车、电热技术、储能技术的不断突破,世界终端用能电气化程度将进一步提高。
  
  三、未来能源发展的重点方向
  
  传统能源的使用目前面临的最大问题之一便是转化效率偏低的问题,如一加仑汽油中的能源仅有15%用在了汽车的轮子上,如果这些浪费掉的能源能被进一步利用,将很大程度上改变石油的地缘政治。因此不仅需要通过改善发电厂和传动体系来降低耗电率和减少二氧化碳排放量,需要用高效能的锅炉设备来减少天然气需求量;而更需要清洁、高效、可再生的新型能源来代替传统能源。未来的能源结构将是多元化的,一方面传统能源走向新的利用方式,另一方面以太阳能、风能为主体的可再生能源的利用,而且作为补充能源形式,氢能、核能等也将成为能源舞台的主角。
  
  1.氢能源将成为新的主导能源。
  
  氢能源具有取之不尽、高效和清洁等众多优点。首先,氢是地球上最多的元素。在宇宙诞生时,就存在氢和氦,氢占了95%之多,当星球发生核聚变反应,生成了较重的元素,氢降低到90%,因此氢是地球上最多的元素;其次,氢是元素周期表中第一位元素,存在于自然界中的水、烃类等化合物中,是一种无色无味的气体,因此具有绝对的清洁性;再则,氢的化学性质活泼,能燃烧,能与许多金属和非金属直接化合,因此,氢可用作燃料电池的能源,而且,利用液态氢可以获得低温,也可作高速火箭的燃料。可以预见,在新一轮能源变革来临之际,氢能源将以其独特的优势成为新的主导能源。
  
  2.核聚变能将是未来的一种理想能源。
  
  聚变产物与裂变产物相比,具有更少的放射性,是更为安全、清洁的能源,因此是人类追求的未来理想能源。发展安全、清洁、无限的核聚变能,将是未来解决能源危机最重要的途径之一。核聚变能是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。由中国自主设计、自主建造的世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置EAST托卡马克(俗称人造太阳) 在合肥放电的成功,标志着中国已步入世界发展核聚变能的前列。
  
  3.具有绿色清洁、高能量密度的新型电池技术成为关键技术支撑。
  
  随着各种新型电池技术的推进,具有更高能量密度,更清洁、更安全耐用的储能电池将不断出现。如以色列Phinergy 公司研发的铝-空气-水电池利用空气中水分子与铝产生化学反应发电,具有零排放、电池能量密度非常高等优点,在进一步延长铝板氧化反应时间,降低铝板回收利用成本的基础上,这项技术将很快实现商业化应用;美国海军空战中心武器分部(NAWCWD) 可再生能源办公室研发的氢燃料电池系统利用水和阳光作为能源,太阳能将水分解成氢气和氧气,氢气可存储起来,氧气则释放到大气环境中,存储起来的氢气在夜间用来发电;美国海军还开发出一种用海水生产新燃料的方法,将海水直接转化为燃料,已成功进行了实验应用。这些新型电池技术的突破,将极大地改变能源消费模式,影响人们的生活方式。
  
  联系方式:上海市科学学研究所 科技发展研究中心 wuyy@siss.sh.cn; 课题联系人 傅翠晓 cxfu@siss.sh.cn