中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊；短期內(nèi)石油作為全球第一大消費(fèi)能源的地位難以撼動(dòng), 但隨著能源領(lǐng)域材料與技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展以及人類對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益提高, 石油作為交通運(yùn)輸燃料被替代的可能性與日俱增。推測(cè)替代石油的可能路徑有三: (1) 電動(dòng)汽車。依托高效儲(chǔ)能電池材料與技術(shù)發(fā)展, 2030年以前有望替代燃油汽車; (2) 氫燃料電池汽車。 基于廉價(jià)高效氫氣制取與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù), 2030~2050年前后氫燃料電池汽車有望進(jìn)入發(fā)展快通道, 并可帶領(lǐng)人類走進(jìn)氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代; (3) 核聚變能源?？煽睾司圩兗夹g(shù)的突破和小型化, 有望全方位提供交通運(yùn)輸動(dòng)力, 或?qū)⒃?050~2060年前后成為覆蓋全領(lǐng)域的主導(dǎo)能源。上述三種路徑能否完全替代石油尚存不確定性, 但是石油在交通運(yùn)輸領(lǐng)域被大規(guī)模替代已成為大勢(shì)所趨。 由燃料應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)入材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭臀磥?lái)應(yīng)用的最終歸宿。
石油被替代的可能性
能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),伴隨全球經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展和人口持續(xù)增長(zhǎng),未來(lái)能源需求總量仍將保持增勢(shì),但增長(zhǎng)速度可能會(huì)放緩。石油號(hào)稱現(xiàn)代工業(yè)的“血液”,自20世紀(jì)60年代以來(lái)一直是全球第一大消費(fèi)能源。綜合眾多國(guó)際機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果, 21世紀(jì)前半葉,石油仍將是全球第一大消費(fèi)能源。石油消費(fèi)途徑主要有兩種,約2/3用于交通運(yùn)輸燃料提供動(dòng)力,余下1/3主要作為工業(yè)生產(chǎn)的“原料”。根據(jù)現(xiàn)有資料評(píng)價(jià),全球常規(guī)與非常規(guī)石油可采資源量約9000億噸,按現(xiàn)有消費(fèi)水平可供人類使用200年左右,且隨著認(rèn)識(shí)深化和工程技術(shù)進(jìn)步還會(huì)有更多資源被發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)利用,所以就資源而言,“石油枯竭”遠(yuǎn)未來(lái)臨。
然而,古有警世之語(yǔ): “人無(wú)遠(yuǎn)慮,必有近憂”。沙特阿拉伯前石油部部長(zhǎng)艾哈邁德· 扎基 · 亞馬尼有告誡之言:石器時(shí)代的結(jié)束不是因?yàn)闆](méi)有了石頭,而是鐵器取代了它······石油時(shí)代的結(jié)束也不是因?yàn)榈厍蛏蠜](méi)有了石油, 而是因?yàn)楦鍧嵉哪茉慈〈怂?。自從《巴黎協(xié)定》簽署并生效以后, 世界各國(guó)已為應(yīng)對(duì)全球氣候變化作出了能源轉(zhuǎn)型新規(guī)劃和相關(guān)技術(shù)提速發(fā)展的新要求, 能源消費(fèi)加快向低碳清潔轉(zhuǎn)型正成為大勢(shì)所趨。作為單位熱值污染物與二氧化碳排放僅次于煤炭的石油, 在未來(lái)某個(gè)時(shí)間段被替代將是不可逆轉(zhuǎn)之事。在21世紀(jì)初見(jiàn)證了“頁(yè)巖氣革命”之后, 人類或?qū)⒚鎸?duì)一場(chǎng)更具顛覆性的“新能源革命”。
石油被替代將主要來(lái)自交通運(yùn)輸領(lǐng)域的用油, 即作為燃料的石油產(chǎn)品將被更清潔的能源替代, 從而導(dǎo)致石油需求量大規(guī)模減少。特別是能源領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料以及人工智能、大數(shù)據(jù)等日新月異發(fā)展, 可能帶來(lái)人類出行行為的革命, 燃油車會(huì)加快退出歷史舞臺(tái)。挪威、荷蘭、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家已提出2025~2040年將全面禁售燃油車。從目前看, 幾種低碳清潔能源技術(shù)和關(guān)鍵材料相繼取得重大突破, 可能會(huì)以接力或共同攜手的方式加快石油被替代的步伐。
石油可能被替代的路徑
2.1儲(chǔ)能技術(shù)與材料推動(dòng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展
2010年以來(lái), 以美國(guó)特斯拉電動(dòng)汽車橫空出世為標(biāo)志,全球掀起一場(chǎng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展熱潮,電動(dòng)汽車保有量呈指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì), 2014 年突破70 萬(wàn)輛,2015年突破120萬(wàn)輛, 2016年突破200萬(wàn)輛。中國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展后來(lái)居上, 2015年超過(guò)美國(guó)成為全球第一大電動(dòng)汽車產(chǎn)銷國(guó), 2016年保有量達(dá)到65萬(wàn)輛, 約占全球電動(dòng)汽車總量的1/3。
電動(dòng)汽車快速發(fā)展主要得益于儲(chǔ)能新材料與技術(shù)的迅猛發(fā)展、生產(chǎn)成本的大幅下降以及配套設(shè)施的日臻完善。在過(guò)去8年間,電池能量密度增加了近6倍,生產(chǎn)成本卻下降了約5倍。近期,美國(guó)推出了由4所國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和5所大學(xué)共同參與的“Battery500”共同體計(jì)劃,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有電池容量高出2倍的充電能力,達(dá)到500 W h/kg的能量密度。這一目標(biāo)如能實(shí)現(xiàn),將會(huì)顯著減小電池尺寸和重量,降低電池成本并大幅度提升電動(dòng)汽車的行駛里程。
鋰離子電池是當(dāng)前電動(dòng)汽車搭載的主流電池, 其理論最高容量約384Wh/kg。鋰離子電池構(gòu)成材料主要包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液等, 其中正、負(fù)極材料的性質(zhì)直接決定了電池的電壓、容量和充放電速率等特性。目前商業(yè)化使用的正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等, 負(fù)極材料主要為石墨、石墨烯等碳材料。為滿足電池在能量密度、循環(huán)壽命及安全性等方面日益增長(zhǎng)的需求, 電極材料正朝著高容量、高電壓、高倍率及高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。例如, 磷酸鐵鋰與多孔碳及碳納米管復(fù)合后作為正極, 可以提升電池的容量和穩(wěn)定。硅材料是一種超高比容量的負(fù)極材料, 是傳統(tǒng)碳系材料容量的十余倍, 目前研究集中在硅碳復(fù)合材料、硅金屬合金材料、硅氧化物材料等方向。此外, 新型鈦酸鋰為“零應(yīng)變”電極材料, 充放電循環(huán)可達(dá)近萬(wàn)次, 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰電池, 備受大型儲(chǔ)能、動(dòng)力鋰電池等領(lǐng)域關(guān)注。
隨著電池材料與技術(shù)的不斷進(jìn)步, 鋰離子動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)成果顯著。目前較為先進(jìn)的商業(yè)化鋰離子電池能量密度可達(dá)260Wh/kg, 搭載此類鋰離子動(dòng)力電池的TeslaModel S的續(xù)航里程達(dá)到約400 km。 近期, 以色列納米技術(shù)公司StoreDot推出了“超快速充電”動(dòng)力電池, 通過(guò)將多層納米材料和專有有機(jī)化合物層添加到傳統(tǒng)鋰離子電池中, 實(shí)現(xiàn)5min完成充電,并支持汽車?yán)m(xù)航約480km。 但由于鋰離子電池的材料固有屬性, 尚難以滿足電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展的要求。業(yè)界普遍認(rèn)為, 電動(dòng)汽車需要?jiǎng)恿﹄姵啬芰棵芏却笥?00Wh/kg, 續(xù)航里程大于700km才可以全面普及。近期有望達(dá)到上述要求的動(dòng)力電池主要包括固態(tài)鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋅空氣電池等(圖1)。
其中, 固態(tài)鋰離子電池因體積能量密度可提升70%、質(zhì)量能量密度可提升40%, 成為下一代鋰電池的重要發(fā)展方向之一; 鋰空氣電池的理論能量密度最高, 劍橋大學(xué)已宣稱研發(fā)出容量3000 W h/kg的鋰空氣電池, 是現(xiàn)有鋰離子電池理論值的近8倍。目前來(lái)看, 上述電池技術(shù)尚不成熟, 仍然處于基礎(chǔ)研究與實(shí)驗(yàn)階段, 距商業(yè)化應(yīng)用還有較長(zhǎng)距離。
現(xiàn)階段, 電動(dòng)汽車的快速發(fā)展尚未危及石油在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的主導(dǎo)地位, 但對(duì)石油的替代趨勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)。未來(lái)全球電動(dòng)汽車數(shù)量仍將保持高速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2030年全球電動(dòng)汽車保有量有望突破1億輛, 較2016年增長(zhǎng)50余倍, 大約可替代車用燃油120萬(wàn)桶/ 天。而自動(dòng)駕駛技術(shù)和共享經(jīng)濟(jì)模式的結(jié)合將會(huì)進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的便利性和使用效率, 從而大幅降低電動(dòng)車的出行成本和傳統(tǒng)燃料汽車的行駛里程, 屆時(shí)電動(dòng)汽車將成為石油液體燃料的“勁敵”。
2.2氫燃料電池或?qū)⒁鹑蚰茉锤窬肿兏?/strong>
氫能是指氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能, 為二次能源, 具有能量密度大、燃燒熱值高等優(yōu)點(diǎn),氫能開(kāi)發(fā)利用已取得較為顯著的成果,未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模燃燒產(chǎn)物是水, 無(wú)污染。目前實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)?；臍渖虡I(yè)應(yīng)用還要依賴于幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的突破。
氫在地球上主要以化合態(tài)存在, 需要從動(dòng)植物廢料、化石燃料和水中制取, 廉價(jià)的制氫技術(shù)是氫氣作為能源應(yīng)用的先決條件。工業(yè)上制取氫氣途徑主要有3種, 分別為甲烷蒸汽重整法、煤炭氣化法以及電解水產(chǎn)氫法。現(xiàn)階段, 全球每年氫氣產(chǎn)量約為5000 億m3,其中95%以上是通過(guò)甲烷蒸汽重整法和煤炭氣化法獲得,但這兩種工藝制氫過(guò)程會(huì)排放大量二氧化碳,在當(dāng)前二氧化碳捕集、封存與利用技術(shù)尚不成熟、也無(wú)經(jīng)濟(jì)性的情況下,利用甲烷、煤制氫并不符合全球減少二氧化碳排放的要求?？茖W(xué)界正在積極探索廉價(jià)的制氫新模式,涌現(xiàn)出一系列新型的制氫材料與技術(shù),如光催化分解水和光電催化分解水制氫、生物質(zhì)制氫、細(xì)菌-光催化制氫等技術(shù), 并開(kāi)發(fā)出石墨烯、黑鱗、氮化碳等新型的催化制氫材料。這些顛覆性技術(shù)及先進(jìn)材料的持續(xù)突破,將為未來(lái)廉價(jià)的、低碳清潔制氫提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)保證。
氫氣是已知密度最小的氣體, 常溫常壓下極易燃燒, 安全可靠的儲(chǔ)氫、輸氫技術(shù)成為氫能大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。氫氣存儲(chǔ)方法主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、低溫液態(tài)儲(chǔ)存、化合物儲(chǔ)氫等。其中, 高壓氣態(tài)儲(chǔ)存和低溫液氫儲(chǔ)存技術(shù)需要將氫氣保存在特制容器瓶中,因造價(jià)昂貴而無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。 科學(xué)界正在積極探索相對(duì)廉價(jià)安全的納米、合金、絡(luò)合氫化物、金屬有機(jī)骨架化合物和有機(jī)液體等材料作為儲(chǔ)氫載體循環(huán)使用。特別是, 有機(jī)液體氫載體可利用現(xiàn)有石油儲(chǔ)運(yùn)方法與設(shè)施在常溫常壓下儲(chǔ)運(yùn)氫氣。
美國(guó)已實(shí)現(xiàn)體積比約為630:1的有機(jī)液體氫載體系統(tǒng),中國(guó)科學(xué)家近期也發(fā)明了一種新型鉑-碳化鉬雙功能催化劑, 將催化活性提升了近兩個(gè)數(shù)量級(jí), 每摩爾催化劑每小時(shí)可釋放氫氣高達(dá)18046 mol, 基本滿足車載氫燃料電池組的需求[53]。近期儲(chǔ)氫技術(shù)的突破構(gòu)建了新的高效化學(xué)儲(chǔ)氫體系,為燃料電池原位供氫提供了新的思路,并有望作為下一代高效儲(chǔ)氫體系得到應(yīng)用。
燃料電池是將氫氣化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置, 是氫能高效轉(zhuǎn)化及利用的最佳方式, 具有轉(zhuǎn)換效率高、零污染、零排放等特點(diǎn)。盡管氫燃料電池汽車遠(yuǎn)未達(dá)到市場(chǎng)普及階段, 但全球科學(xué)界和主要汽車企業(yè)都在積極開(kāi)發(fā)氫燃料電池技術(shù), 推動(dòng)氫燃料電池汽車試驗(yàn)應(yīng)用。目前, 中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等都制定了較為完備的氫燃料汽車發(fā)展規(guī)劃, 并嘗試通過(guò)政策、法規(guī)全面促進(jìn)氫能開(kāi)發(fā)利用。 截至2017年3月底, 全球氫燃料電池汽車保有量已達(dá)4138 輛, 其中美國(guó)和日本的氫燃料汽車遠(yuǎn)高于其他國(guó)家,分別達(dá)到1592輛和1707輛, 二者合計(jì)約占總量的80%。隨著廉價(jià)制氫技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步以及氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善, 氫燃料電池汽車有望于2030年前后進(jìn)入快速發(fā)展期, 預(yù)計(jì)到2050年全球氫燃料電池汽車保有量占比有望達(dá)到1/4以上(圖2)。
當(dāng)前, 氫能源的開(kāi)發(fā)利用尚處于探索起步階段, 還無(wú)法對(duì)傳統(tǒng)能源造成重大沖擊, 但遠(yuǎn)期看, 氫能源的普及和大規(guī)模利用將是大勢(shì)所趨。氫燃料發(fā)電可用于調(diào)節(jié)電網(wǎng), 在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)利用多余電進(jìn)行電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣, 在電網(wǎng)高負(fù)荷時(shí)利用氫氣和氧氣反應(yīng)給電網(wǎng)供電; 氫燃料汽車有潛力與電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)交通運(yùn)輸工具的主角; 氫燃料電池還可作為能源載體, 將電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉崔D(zhuǎn)化成氫能源加以儲(chǔ)存、運(yùn)輸或直接利用, 建立分布式能源網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)區(qū)域或城市電能、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng), 通過(guò)搭建氫能源聯(lián)用平臺(tái)提升可再生能源的利用率并逐步替代石油等化石能源的使用。屆時(shí)全球有望步入“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。
2.3核聚變能小型化或是人類未來(lái)能源利用的終極目標(biāo)
核聚變能一直被視作人類徹底解決能源需求的終極模式。與核裂變能相比, 核聚變能是取之不盡、用之不竭、極度清潔的綠色能源。如果地球海水中的氘全部用于聚變反應(yīng),釋放出的能量足夠人類使用幾百億年,且不產(chǎn)生長(zhǎng)半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產(chǎn)物。因此, 實(shí)現(xiàn)可控核聚變能的利用, 從根本上解決能源問(wèn)題, 已成為全人類共同面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
目前, 可控核聚變技術(shù)仍處于反應(yīng)堆工程物理實(shí)驗(yàn)階段, 潛在兩種實(shí)現(xiàn)途徑是磁約束和慣性約束。磁約束主要包括托卡馬克型(Tokamak)、反場(chǎng)箍縮型、仿星器型等類型, 其中托卡馬克型在等離子體穩(wěn)定性、能量約束時(shí)間及電子溫度等參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì), 是最重要、最有前景的磁約束位形[61~63]。 2006年在法國(guó)啟動(dòng)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃正是基于托卡馬克型磁約束方式, 至今共有35個(gè)國(guó)家參加。該計(jì)劃將全面驗(yàn)證核聚變能源開(kāi)發(fā)利用在科學(xué)和工程上的可行性, 是人類可控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步[63], 最初預(yù)計(jì)耗資約50億歐元、2016 年首次點(diǎn)火; 但因工程復(fù)雜, 耗資預(yù)計(jì)將超250億歐元, 點(diǎn)火時(shí)間至少推遲到2025年, 全面核聚變實(shí)驗(yàn)至少在2035年才有可能開(kāi)展。
歐盟作為ITER的主導(dǎo), 引領(lǐng)著全球可控核聚變研究, 在ITER建造同時(shí), 持續(xù)資助中型Tokamak等離子體物理、材料、工程方面的研究;還在籌劃穩(wěn)態(tài)聚變示范電站(DEMO)的設(shè)計(jì)與建造, 計(jì)劃2044年開(kāi)始發(fā)電, 2050年實(shí)現(xiàn)可控核聚變發(fā)電的商業(yè)化。美國(guó)同時(shí)重視磁約束及慣性約束兩種方式,目標(biāo)是30年后建成DEMO,目前已利用192束高能激光聚焦到氫燃料球上點(diǎn)燃核聚變反應(yīng),取得了輸出能量超過(guò)輸入能量的重要突破。中國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域投入僅次于美國(guó), EAST裝置在2017年7月獲得101。2s的穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電;正在設(shè)計(jì)建造中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR),預(yù)計(jì)2040年建成DEMO,2050年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外, 俄羅斯、日本、韓國(guó)、印度等國(guó)家也非常重視可控核聚變研究,均參與到ITER計(jì)劃中, 并分別提出了2030~2040年前后建成本國(guó)的DEMO。世界各國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域的相互合作與競(jìng)爭(zhēng),必將進(jìn)一步推動(dòng)可控核聚變技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用(表1)。
實(shí)現(xiàn)可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實(shí)現(xiàn)可控核聚變的小型化, 將是人類最終追求的清潔能源利用方式。從現(xiàn)階段看, 球形托卡馬克型因其具有更小體積和更低成本特點(diǎn),被視為可控核聚變小型化最有潛力的途徑[80]。美國(guó)和英國(guó)都在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了球形托卡馬克型裝置研究,驗(yàn)證了小型反應(yīng)堆具有技術(shù)可行性。2016年, 美國(guó)發(fā)布了緊核聚變反應(yīng)堆(ARC)設(shè)計(jì)方案, 體積只有ITER的一半。2017年, 英國(guó)宣布小型Tokamak ST40成功產(chǎn)生1500萬(wàn)度等離子體,預(yù)計(jì)2030年左右有望突破核聚變發(fā)電技術(shù)。
短期看, 核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還存在諸多挑戰(zhàn), 但長(zhǎng)遠(yuǎn)看核聚變技術(shù)有很大實(shí)現(xiàn)突破的可能性, 將會(huì)為全球帶來(lái)源源不斷的綠色能源供應(yīng)。根據(jù)各國(guó)的DEMO計(jì)劃和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì), 預(yù)計(jì)2050~2060年前后可控核聚變技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。屆時(shí), 核聚變電力的充足供應(yīng)將徹底改變?nèi)颥F(xiàn)有的能源格局, 石油、煤炭、天然氣等化石能源將由燃料為主轉(zhuǎn)向材料為主, 水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源也會(huì)淪為補(bǔ)充能源。而可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)小型化, 大型海上、陸上、空間運(yùn)輸工具將得以長(zhǎng)距離、高功率推動(dòng), 新型運(yùn)輸工具將得以研發(fā), 物流成本也將極大降低, 高效快速的物聯(lián)網(wǎng)將真正進(jìn)入新時(shí)代。同時(shí), 人類不再受限于太陽(yáng)能電池板發(fā)電, 將有更高效的能量去實(shí)現(xiàn)空間探索與開(kāi)發(fā), 遠(yuǎn)距離星球及外太空探索計(jì)劃不再是夢(mèng)想, 人類將有機(jī)會(huì)獲得更多的知識(shí)和資源。
結(jié)語(yǔ)
“千門(mén)萬(wàn)戶曈曈日, 總把新桃換舊符”。社會(huì)文明進(jìn)步、科技水平提升以及人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注合力推動(dòng)能源技術(shù)以前所未有的速度加快發(fā)展, 能源技術(shù)與材料創(chuàng)新將進(jìn)入高度活躍期, 人類利用能源或?qū)⒂瓉?lái)第三次重大轉(zhuǎn)型, 即油氣時(shí)代走向新能源時(shí)代。引起這場(chǎng)能源轉(zhuǎn)型的主角, 近中期可能以先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用帶動(dòng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展為標(biāo)志, 利用儲(chǔ)能技術(shù)積極消納間歇式風(fēng)電、光電等可再生能源, 有望在2030年前后實(shí)現(xiàn)能源利用由低碳化向清潔化的轉(zhuǎn)型; 中長(zhǎng)期可能以氫能的儲(chǔ)存和規(guī)模應(yīng)用帶動(dòng)氫燃料電池汽車的普及應(yīng)用為標(biāo)志, 大規(guī)模消納可再生能源, 并支撐電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)互通, 有望在2050年前后實(shí)現(xiàn)能源利用的高度清潔化; 超長(zhǎng)期看可能以小型核聚變能的商業(yè)化應(yīng)用和普及為標(biāo)志, 為人類社會(huì)發(fā)展提供不竭動(dòng)力, 或?qū)⒃?060年前后實(shí)現(xiàn)能源利用的綠能化(圖3)。
這樣的變革將對(duì)世界能源格局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響, 石油在交通運(yùn)輸方面的消費(fèi)需求可能被大規(guī)模替代, 最終去向?qū)囊越煌ㄈ剂蠟橹? 轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)多類高附加值材料為主。例如輕質(zhì)高強(qiáng)度的載具轂體、高級(jí)化工合成產(chǎn)品、功能塑料制品、碳纖維制品、保鮮制品以及3D打印材料等, 甚至可以加工成為儲(chǔ)能電池碳電極、生物電池等低碳清潔能源的制造原料。
上述三種低碳清潔能源技術(shù)在同步發(fā)展的進(jìn)程中還存在聯(lián)合應(yīng)用的可能性, 將對(duì)人類能源利用方式和節(jié)奏產(chǎn)生更大沖擊。設(shè)想一下, 未來(lái)中國(guó)利用西部地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長(zhǎng)、分布范圍廣的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電, 然后通過(guò)大型儲(chǔ)能設(shè)備將剩余電能儲(chǔ)存并接入智能電網(wǎng)輸送至東部沿海地區(qū)。在滿足東部發(fā)達(dá)地區(qū)電力需求的同時(shí),可以電解海水制備大量的氫。再通過(guò)化學(xué)儲(chǔ)氫和氫燃料電池的結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)氫燃料汽車對(duì)傳統(tǒng)燃料汽車的大規(guī)模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產(chǎn)難題,大幅降低全生命周期交通運(yùn)輸工具的污染物與碳排放問(wèn)題。也許, 這將成為我們實(shí)現(xiàn)綠色中國(guó)夢(mèng)的重要途徑。
人類能源利用轉(zhuǎn)型是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的過(guò)程, 全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變革還需要一段時(shí)間。電動(dòng)汽車、氫燃料汽車以及小型核聚變裝置發(fā)展仍面臨關(guān)鍵材料及技術(shù)尚未完全突破、生產(chǎn)成本過(guò)高、配套設(shè)施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰(zhàn)。 然而, 能源領(lǐng)域新技術(shù)、新材料發(fā)展速度很快, 世界各國(guó), 特別是以經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)國(guó)家為主體的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的高度關(guān)注, 驅(qū)使能源領(lǐng)域新一輪革命很可能會(huì)提前到來(lái)?？梢?jiàn), 前沙特石油部長(zhǎng)的至理名言不能不說(shuō)是對(duì)石油行業(yè)善意的提示和睿智的預(yù)警。雖然替代石油的三種路徑還存在科技瓶頸、政策局限、經(jīng)濟(jì)波動(dòng)等不確定性,但低碳清潔能源競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展態(tài)勢(shì)已呼之欲出,對(duì)石油替代已逐漸顯現(xiàn), 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已勢(shì)在必行。
（本文摘自：《科學(xué)通報(bào)》第62卷 第36期）
