能源神话与现实

Energy Myths and Realities：Bringing Science to the Energy Policy Debate

（加拿大）斯米尔（Smil，V.）　著

北京国电通网络技术有限公司　译

ISBN：978-7-111-53144-9

本书纸版由机械工业出版社于2016年出版，电子版由华章分社（北京华章图文信息有限公司，北京奥维博世图书发行有限公司）全球范围内制作与发行。

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目录

致中国读者

推荐序一　坚守住能源工作者的良知

推荐序二　重要的是能源事实所揭示的规律

推荐序三　不管是神话还是迷思，重要的是不要迷失

推荐序四　理性看待能源转型

译者序　能源商业模式的中国实践：国电通的探索与创新之路

引言

丧失机遇

亘古的神话

挑战神话

第一部分　历史的教训

第1章　未来属于电动汽车

电动汽车PK内燃机汽车

电动汽车的近代史

近期的电动汽车模型

电动汽车和电力供应

效率更高的汽油发动机

第2章　核电将会便宜得无须计量

和平利用核裂变

放弃核电

寄希望于快中子增殖反应堆

核能源的新情况

成功的失败

第3章　分布式能源幻想

分布式能源的优势

分布式能源的今天

顶级跑车

其他分布式能源之梦

“完美”的解决方案

“分布式、小规模”的能源解决方案的未来

第二部分　新闻焦点中的神话

第4章　耗尽：石油峰值及其意义

石油产量峰值的预测

未开发的资源

非常规石油储备

生产、需求和价格

对石油峰值论者言论的反击

第5章　二氧化碳封存

有机方法

技术修复

封存的能源处罚

第6章　从植物中提取液体燃料

用于交通领域的液体燃料

玉米乙醇

甘蔗乙醇

乙醇生产的影响

纤维素乙醇，“巨大的新能源”

生物燃料，一种不适当的解决方案

第7章　风力发电

风能的演变

风力发电的预期潜能

风能的关键局限

认识到风电的潜能

第8章　能源转型步伐

现状

转型历史

为何能源转型会呈现渐进性

可再生能源挑战

错误类比

结论　经验教训及政策含义

电动汽车

核能

分布式能源转换

石油峰值

碳封存

农作物乙醇

风力发电

能源转型

简短小结

后记

译者感悟

参考文献

作者简介

致中国读者

中文版序言

（附英文原文）

生命总是充满了惊喜。甚至在一年前，我都没想到我的工作会再次对中国的能源研究有所助益。这本书的绝大部分文章是中国读者从未见过的，但是40多年前，我便开始为现代西方社会研究中国能源与环境问题做了奠定基础的工作。

1974~2004年，我花费了近一半的时间来研究中国。我出版了第一本综合介绍中国能源的书籍（Smil，1976）和第一本有关中国环境的系统性调查（Smil，1983）。5年后，这本有关中国环境的系统性调查被翻译成了中文并在北京发行而后畅销（Smil，1988）。之后，我又陆续出版了有关中国能源与环境，以及有关中国人口、粮食和经济方面的专著和论文，但2004年是我最后一次到访北京，也是在那一年出版了我关于中国的最后一本著作（Smil，2004）。

当中国经济的飞速增长吸引全球目光之时，我对中国的研究便戛然而止，而此时每个人都好像是中国问题的研究专家；我厌倦了向那些在为期一周的访问之后就形成粗浅观点的人解释这个国家复杂的现实情况。然而，我并没有彻底放弃对中国的研究。在过去10年间，我出版了14本涉猎不同主题的书籍（有兴趣的读者可以登录我的网站http://www.vaclavsmil.com查询），其中5本涉及全球能源的方方面面，几乎所有书中都有部分内容、章节和参考文献与中国有着千丝万缕的联系。

我最近出版的两本关于能源的书籍很受读者欢迎，这两本书分别是《能源转型》（Smil，2010）和《能源神话与现实》（Smil，2010a）。其中，《能源转型》从本质上解析了能源转型为何是一段漫长的历程，以及一种新的能源如何经过数十年才能够在市场上占据主导或领先的地位。大家即将读到的中文版《能源神话与现实》进一步揭示了很多人普遍同意但却是极其错误的观念——这些所谓被误解的真相包括对电动汽车快速普及或是对碳封存快速部署所抱有的过大预期，以及对生物燃料或风力发电所做贡献的不切实际的评估。

这本书采用了直截了当、用事实说话的叙述手法，并不需要我在这里进行更深入的评论；唯独一点，虽然明显但非常重要的就是要对这些所谓的神话保持警惕。本书的最终打印稿于2009年完成，2010年出版发行。5年过去了，很多具体问题已改变，一些新的业绩也已载入史册，同时也有很多令人失望的事情影响着新的预期。当然，这些具体问题也包括这本书应该采用最新的统计数据（在2014年更新此书就意味着，绝大部分数据应采用2012年和2013年的），但是在快速发展的能源领域里，当书出版之时，这些数据很可能又要准备更新了。

有关数据更新的问题并不会影响本书的基本信息，尽管本书的结论是精心参考了具体数字而得到的，但是结论并未被最新的生产或消费数据彻底地改变或颠覆。本书已经充分演绎了基本规律和长期趋势；同时，根据这些研究所得出的经验教训已超越了这些特定的数字。那些认为这些基础素材已经落伍，以及书中涉及的那些能源神话与现实已经被最新的研究成果所影响甚至改变的人倒是可以通过一些能源网站，包括我自己的网站查询到相关的研究，但我依然不愿意对肤浅的看法与争论做任何解释。

感谢这本书的译者团队——北京国电通网络技术有限公司组织的翻译团队，正是他们的努力才使得我的作品再一次与中国读者见面。希望新读者不要把读到的内容都认为是理所当然之事，而要自己拿起一支铅笔或小计算器或个人电脑来检验我的计算和结论——自己才是充分理解能源神话与现实的最好方法，同时也应了中国的一句古诗所说：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil）

加拿大温尼伯（Winnipeg）

2015年1月17日

Preface to the Chinese Translation

Life is full of surprises:even just a year ago I would not have thought that my work will yet again contribute to energy studies in China.Most of the Chinese readers of this book have never heard of my writings but four decades ago I began to lay the foundations for the modern Western studies of China’s energy and the environment.

Between 1974 and 2004 I spent nearly half of my time working on China:I published the first comprehensive book on China’s energy（Smil，1976），and the first systematic survey of China’s environment（Smil，1983），that was translated and published in a large edition in Beijing five years later（Smil，1988）.More books and scores of papers on these topics，and also on China’s population，food and economy，followed，but in 2004 I made my last trip to Beijing and published my last book on China（Smil，2004）.

By that time I felt it was a high time to leave China studies because the country’s rapid economic growth attracted worldwide attention and everybody seemed to be a China expert:I got tired explaining the complex realities of the country to people who formed simplistic opinions after a week-long visit.But I did not abandon China studies altogether:during the past 10 years I have published 14 books on a wide variety of topics（interested readers should consult my website http://www.vaclavsmil.com，five of them dealing with various aspects of global energy，and nearly all of them containing parts，and sections and references to Chinese affairs.

Two of my recent energy books，Energy Transitions（Smil，2010）and Energy Myths and Realities（Smil，2010a）have enjoyed the greatest popularity.The first one explains in detail how energy transitions are inherently protracted affairs，how it takes many decades before a new source of energy becomes a dominant，or at least a leading，factor in the market.The second one，whose translation you will be reading，goes much further in dismantling many notions that are commonly held but profoundly in error:these misunderstood realities range from exaggerated expectations about the rapid adoption of electric cars or rapid deployment of carbon sequestration to unrealistic appraisals of the contributions to be made by biofuels or wind-generated electricity.

The book is a straightforward，fact-driven narrative that needs no further comments–except for one，obvious but very important，alert.The final typescript was completed in 2009，and the book was published in 2010.Naturally，many specifics have changed five years later，many new achievements have been recorded and many disappointments have affected new expectations.Of course，the entire book could have been updated with the latest statistics（doing so in 2014 would mean using mostly the date for 2012 and 2013），but in this fast-moving energy field they，too，would be ready for updating by the time the book would come out.

But this inescapable reality does not affect the book’s fundamental messages:while they have been crafted with reference to specific numbers，the book’s conclusions are not radically changed or subverted by the latest production or consumption figures.I have addressed the fundamentals and long-term trends，and the lessons based on such studies transcend particular numbers.Those wishing to see how well the basic messages aged，and to what extent some of the myths and realities addressed in this book have been affected by the latest developments，will find many studies on scores of energy website，including mine.

My thanks to the book’s translators（Beijing Guodiantong Network Technology Co.Ltd.）for making my work once again available for the Chinese readers，and I encourage my new readers not to take what they read for granted，but take a pencil or small calculator or a personal computer and check some of my calculations and conclusions:that is the best way to fully understand energy’s myths and realities.

Vaclav Smil

Winnipeg，January 17，2015

Smil，V.1976.China’s Energy.New York:Praeger

Smil，V.1983.The Bad Earth:Environmental Degradation in China.Armonk，NY:M.E.Sharpe.

Smil，V.1988.China’s Environmental Crisis:An Enquiry into the Limits of National Development.Landon&New York:Routledge.

Smil，V.2004.China’s Past，China’s Future.London:Routledge.

Smil，V.2010.Energy Transitions.Santa Barbara:Praeger.

Smil，V.2010a.Energy Myths and Realities.Washington，DC:AEI.

推荐序一　坚守住能源工作者的良知

从人类社会可持续发展的高度看，传统能源发展方式带来了全球气候变暖及环境污染等世界性难题。当今时代一个重要特征，就是能源创新发展不约而同成了各国最为关注的领域之一，这因此助推能源与环保产业成了“逐利之地”。有利益就有分歧和博弈，这原本也无足为奇，但“神话”越来越多甚至到了荒谬的地步，就不能不让人警惕。

斯米尔先生写了这本拆解“神话”的书，在我看来，他更像是安徒生童话《皇帝的新装》中那个天真无邪的小孩，指向“赤裸的现实”。只是“能源的现实”，远非“任何不称职的或者愚蠢得不可救药的人”都看不见的“新装”那么招摇和简单，只需一语道破即可，它更需要像斯米尔先生这样真诚的学者，用他们的智慧和勇气层层剥茧，才能展现出其中固有的能源常识与规律。而其宝贵价值，如同一盏灯火，虽微弱有限，但足以照进中国能源现实的各个角落。

相比于西方国家，中国的能源发展道路拥有基于本民族国家历史与现实之情形的独特性，能源发展理论、政策与实践无论在政府管理的体制上，还是在市场经济的机制上，都应该体现出这样的独特性。因此，斯米尔先生的能源思想无疑给了我们这样的提醒：如何从整个能源的全周期和全产业链角度，立足于中国的现实去推动能源转型，不畏“神话”遮望眼。

大道虽至简，但运用却存乎一心，能源涉及国家根本利益和子孙后代的幸福，能源工作者尤需怀敬畏之心，在各式各样的“皇帝的新装”面前，坚守住自己的良知。

中国工程院院士　韩英铎

推荐序二　重要的是能源事实所揭示的规律

“人们相信他们想去相信的”（Men believe what they want to believe），古罗马著名剧作家泰伦提乌斯的名言刚好适用于描绘当今世界能源领域的态势。可再生能源的大规模利用是人类美好的愿景，我们希望这个美好愿景会迅速实现，但真的会如此顺利吗？瓦茨拉夫·斯米尔的这本《能源神话与现实》将会给我们一个全新的思路。

作者瓦茨拉夫·斯米尔是加拿大曼尼托巴大学教授，在能源、环境、人口、经济和公共政策等多学科领域均颇有研究。他同时是一位多产的作家，曾在2004年出版过《中国的过去与未来》（China’s Past，China’s Future）一书，以时间为轴线，研究在这个世界人口数量最多的国家能源和资源的使用状况以及如何来满足如此庞大的人口的温饱问题，在当时他是少数能够全面系统地研究中国发展现状的国际专家之一。

《能源神话与现实》的读者可能会觉得本书内容稍显悲观，因为它列举并反驳了太多的乐观预测，并且用犀利的语言与铁证般的事实对这些容易误导众人的乐观预测进行了毫不客气的批判。但是这些批判并不影响我国作为能源生产、能源消费大国，在能耗持续居高不下、大气环境大面积严重恶化的形势下，大力推进“能源革命”的信心和举措。我们切实需要对问题的成因以及解决问题的办法和困难有更加全面和透彻的认识，以求更有效地朝着期望的目标迈进。

在本书中，作者以一个世纪以来世界能源领域的数据为依据，结合目前新能源领域的技术发展现状，对当今广为流传、过度乐观的能源趋势的预测进行有力反驳。作者分别从电动汽车、核能、分布式能源、石油峰值论、碳封存、生物质能源、风能和能源转型这八个方面，采用翔实的数据和严密的论证来剖析长久以来能源预测和政策方面的谬误，指出新能源技术的发展与遵循摩尔定律的计算机芯片不同，新能源技术的发展受到原有能源格局、投资成本以及生态环境代价等多方面的限制，能源结构不会在短期内发生巨大变化。能源转型将是一个漫长的渐进过程。

作者从用能角度对电动车的发展进行了分析，提出只有到电动汽车使用的能源绝大多数来自可再生能源时，才能真正达到节能减排的效果；相反，如果电动汽车仍然主要使用火力发电和燃气发电等提供的能源，那么其在节能减排的效果上将大打折扣。此外，充电匹配和蓄电池寿命等问题也是阻碍电动车迅速发展和普及的因素。

核能是可以有效减少碳排放的新型能源，在未来能源结构中可能占有重要地位。但从核能发展的历史进程来看，也面临诸多挑战，如核电站的巨额投资、安全运行和核废料的妥善处理等诸多挑战，都需要进行严密论证和科学管理。

分布式能源可以在规模上和地理分布上使得能源供给和需求相匹配，然而目前分布式能源占比非常小，能源密度也无法与化石燃料集中式发电站相比。但这并不意味着分布式能源不会有发展，作为集中式能源的补充，可以有针对性地利用气候和地理环境特点来规划分布式能源。

作者列举事实驳斥关于石油峰值论的多次预测，指出全球石油开采峰值也许在某一天终将会到来，但是并不会像一些危言耸听的言论所描述的那样来得如此快，现代文明也不会因此而灭亡。相反，石油峰值的到来将会更加激发我们的创造性，使我们积极寻求能源转型，同时也会创造出生产力水平更高、更富裕的经济体。

作者用大幅篇章来介绍碳封存，从技术方法到解决方案，再到实施案例；从有机固碳到工业固碳，再到碳封存政策，说明目前碳封存技术尚未成熟，政策也缺乏论证，对目前碳封存技术的发展趋势并不看好。然而海洋碳汇也许是碳封存或者碳固定的一个可行方式，相关研究指出海洋固定二氧化碳的能力是森林碳汇能力的10倍以上，海洋碳汇通过食物链将二氧化碳由藻类向鱼类和贝类转移，以海洋生物的形式封存和固定二氧化碳。不过，不断大规模地使用铁施肥将会使依赖铁元素的深海碳封存疑点重重。

作者从玉米乙醇和甘蔗乙醇两个角度探讨生物质能源的发展前景。从功率密度和净能量回收率相比较来说，甘蔗乙醇相对玉米乙醇来说更有优势。然而生物质能源发展受限于耕种面积和气候环境，如果不计后果大力推广，可能会面临肥料过度施用和粮食耕种面积减少等问题，进而影响粮食价格和生态环境。因此基于现有能源转换效率，生物质能源短期内大部分代替化石燃料的想法是不现实的。

对于已有远距离高压输电线路配套的地区而言，风力发电由于其间歇性和某些负面环境影响，发展形势并不乐观。因此近年来关于快速推动风电发展并在短期内大幅提高能源占比的期望也是不现实的。但是随着风电配套基础设施的完善，在风力发电场与现有电网互联的情况下，规划合理的风电场应该会在未来能源转型中发挥重要作用。

关于能源转型，作者对百余年能源结构数据的调查结果表明，煤炭能源占比从95%下降到24%用了近100年的时间；石油能源占比从不足5%提高到25%用了近80年的时间；天然气从能源占比1%增长到20%用了接近70年时间。目前，世界范围内能源供给还是以化石燃料为主，煤炭、石油和天然气占能源供给总量的90%以上。虽然在不同的国家能源种类占比有所不同，但是大多都有一个共同的特点，就是传统化石能源占比具有绝对优势。虽然从长期来看能源转型是必要的，也是无法避免的，但是能源转型是一个长达数十年，甚至百年的渐进过程，在这个过程中，资金筹划和配套基础设施建设是影响转型速度的重要因素。

当然，从作者引用数据的时限性看，近几年能源转型的速度是此前任何时间所无法比拟的。但本书所演绎的基本规律和长期趋势并没有被新的生产和消费数据彻底改变或颠覆。

《能源神话与现实》这部书虽然是对目前能源市场众多盲目乐观论调的统一批判，但并非表示作者对新能源的发展趋势是持消极观点的，恰恰表明作者秉承实事求是的科学态度和一丝不苟的科学精神，总结和剖析过去的错误预测（事实上，类似错误比比皆是），避免因预测错误而造成的重大损失和浪费，可以使我们更加警醒，更能意识到新能源变革及能源结构转型之路是多么的任重而道远。从这个意义上讲，能源工作者、投资者，特别是能源规划的制定者和决策者，都应该认真阅读此书。我们学习的不只是海量数据所描述的事实，更重要的是无数事实所揭示的基本规律。如果有一天，能源神话成为现实，它将是唯一之路。

北京智中能源互联网研究院院长兼清华大学教授

李凤玲

推荐序三　不管是神话还是迷思，重要的是不要迷失

“Myth”这个词，经常被翻译成“神话”。查《不列颠百科全书》才知，在普罗大众的词汇里，“myth”代表的是没有事实基础的集体信仰（In popular use，a myth can also be a collectively held belief that has no basis in fact），因此可以被翻译成“荒诞的说法”，或者简单一点又发音相近，迷思——引人入迷途的思想，多好的中文翻译！

斯米尔教授的这本《能源神话与现实》，用大量的事实数据和理性思考来对能源领域的一些夸张性说法做出客观的解释。

能源支撑着人类社会在这个星球上的所有活动，提供交通运输动力、建筑物内的照明和冷热，还有现代通信设施的电力。它可送人上天，也可带人入海，有朝一日，它还将推着人类脱离地球到其他星球去继续发展。

地球上人口与日俱增，人口增长和经济发展对地球能源资源的索取也日益增加。伴随着能源消费的是人类活动对地球环境的破坏，而温室气体在大气层中的积累导致气候变化，又危胁着人类在这个星球上的生存。

因此，从政治领导人到普通老百姓，大家都担心资源枯竭，都希望能有一种重大发明，既可以提供无限而廉价的能源供应，又不对环境产生任何负面影响。能源的迷思由此出现。

首先，是风靡很久的“石油峰值”和由此带来的恐慌，它已经被美国的页岩油气技术革命打得落花流水。其次，是“便宜得无须计量”的核电，“毫无污染的电动车”，大幅度减少温室气体排放的“碳捕获与封存”，风电、生物燃料，还有现在还很热门的“分布式能源”和斯米尔教授出版此书时还没有听说过的“能源互联网”。

斯米尔教授并不否认新技术的作用，他只是提醒我们，每一种技术都有自己的优势，但也有自己的软肋，能源研究者、投资者或决策者不要迷信任何一种技术，而要对任何新技术保持开放的心态，理性客观地分析其优劣势。

而理性客观地分析一种新技术和新倡议并不容易。斯米尔教授认为，对能源神话的盲目追求和崇拜源于人们在以下三个认知方面的匮乏：对基础科学的粗浅理解；对潜能和性能的盲目乐观；对能源转型所需时间的忽略。也就是说，要不被新概念所惑，能源从业者要弥补这三方面的匮乏。

阅读斯米尔教授著作的最大感受就是他扎实的科学知识和严谨的治学精神。正是这两者以及他丰富的阅历，使得斯米尔教授游刃有余地攻破了许多大腕专家提出的似是而非的集体信仰或者说是所谓的伟大设想。

中国能源正在转型，新的概念也层出不尽。风电和太阳能光伏装机容量的大幅度增长，特斯拉Model S的成功推出，Model 3漫长的订单，各种各样的超级电池的新闻报道，给人的感觉是我们马上就要告别化石能源，明天将迈入一个全新的新能源时代了。

此时此刻，聆听斯米尔教授的忠告不无裨益。他说：“历史经验表明，作为现代社会最复杂、资本集中并且体量庞大的基础设施，能源系统具有强大的内在惯性。我们的决策可以加速能源系统的转变，但并不能从本质上改变能源发展的自然属性”。

尽管数字化是驱动能源转型的一个巨大推动力，“互联网+智慧能源”也具有广阔的发展空间。在能源互联网如火如荼的今天，让我们也记住斯米尔教授这一充满智慧的告诫：“能源创新并不遵守摩尔定律！”

人类社会需要一些美好神话，它们代表着我们所憧憬的未来，能激励我们奋进。然而，能源领域不需要太多的迷思——没有事实基础的集体信仰，因为它们会使人们误入歧途，导致决策失败，进而造成巨大浪费，拖延人类进步的步伐。在社交媒体极度发达的今天，我们能源从业者更应修炼好基本功，保持定力，不要被标题党误导而迷失方向。

北京国际能源专家俱乐部总裁　陈新华

推荐序四　理性看待能源转型

我读完《能源神话与现实》后，发现本书在写作初衷上与美国经济学家丹尼尔·史普博主编的《经济学的著名寓言》一书非常相似。丹尼尔·史普博因为发现“一些被广泛接受的经济学寓言或故事传说只是传播错误观念的神话”，但惊讶于“它们对经济学家的吸引力却一直难以消除，并且在无数讲堂、教材和学术讨论中被屡屡引用”，“即使有学者发表文章纠正这些故事的错误和澄清历史真相后依然流传不止”，[1]因而将很多流传甚广并经学者细致考证后的经济学寓言集结成书。[2]而《能源神话与现实》一书告诉我们，在“能源神话”中，“经济学寓言”的“故事”一再上演。如同美国经济学家丹尼尔·史普博一样，《能源神话与现实》的作者瓦茨拉夫·斯米尔在序言部分也强调：“所谓的神话很少能被抹去，甚至减轻其影响力都不容易”，因为“对谬见的坚信，同对客观现实的理解和对不安事实的接受一样，都是人类智慧的结晶。”[3]两位学者的上述言论发人深省，同时也提醒我们要警惕人类思维的固有“局限”。

瓦茨拉夫·斯米尔是加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）环境学院教授，研究领域广泛，著述等身。[4]2010年，他出版了两部有较大影响的著作：《能源转型》和《能源神话与现实，两本书都与能源相关，但写作风格差异较大。

《能源转型》一书在写作风格上更偏重学术，论证过程更为严谨。斯米尔教授从能源利用“原动机”更替演进及效率提高的视角，描述了人类能源利用史中从植物能源向化石燃料转型的长期历史进程及其特点，深入考察了英国、法国、荷兰、美国、日本、中国、俄罗斯和沙特阿拉伯等八个国家能源转型历史进程及其特点，揭示了植物能源向化石能源转型的长期性和复杂性。斯米尔指出，推动植物能源向化石能源转型的各类原动机（内燃机、电动机、燃气轮机等）将继续在各自领域占据主导地位，目前还没有任何新的技术能够对其构成威胁。历史经验表明，能源系统作为现代社会最复杂、资本集中且体量庞大的基础设施，具有强大的内在惯性。虽然，我们的决策可以加速能源系统的转变但并不能从根本上改变能源发展的自然属性。尽管“历史不能告诉未来”，但过去的能源转型的部分经验仍然可以给未来的转型提供借鉴，特别是在能源转型的长期性和复杂性方面。并且，未来的能源转型更具挑战性和旷日持久。[5]

《能源神话与现实》则偏于科普。正如斯米尔教授所言，该书采用了“直截了当、用事实说话的叙述手法”，因而使大众阅读体验更佳。本书重点研究了八个“能源神话”，其中三个属于存续时间长、受关注度高，且预测误差大的“神话”，分别是“电动汽车的美好未来”“便宜得无法计量的核电”和“分布式能源能够保障未来的能源安全”；五个是作为新闻媒体焦点的“神话”，分别是“石油峰值很快就要到来”“通过二氧化碳能够实现持久的化石燃料文明”“生物燃料能够满足交通燃料需求”“风力发电就能满足人类电力需求”和“向非化石能源转型能够较快实现”。

《能源神话与现实》细致考证了上述“神话”的起源与演变，从能量回报、技术可行性及其演变、经济可行性等多角度综合分析，语言通俗易懂，但逻辑仍不失严谨，达到了作者在书中所言，揭示“能源谬见，使我们对复杂能源事件的认识更加真实”的目的。因此，对关注能源问题的读者来说，阅读本书，定有所得。

当然，因知识背景不同，所得也必有差异。对我而言，斯米尔教授对“神话”的剖析，使我了解：人类对电动汽车美好未来的憧憬起源于19世纪末，贯穿于整个20世纪，但屡屡落空；石油峰值的“神话”竟然是与人类文明的终结相联系的；生物燃料不可能替代美国交通燃料，因为如果美国的汽油需求量都用玉米乙醇来满足，玉米种植所需要的耕地面积比美国全部耕地面积还多20%；分布式能源的地位竟然被支持者夸张到能够保障未来人类能源安全的高度等。读完《能源神话与现实》，我发现，所谓的能源神话，并不是因为其中的“能源事件”不正确，而是因为其被过于夸大才成为“神话”的，与“核电”“石油峰值”“分布式能源”“生物燃料”“风力发电”等有关的神话莫不如此。而斯米尔教授正是通过书中的分析使上述“能源事件”回归本质、回归常识来揭开这些“神话”的外壳的。

《能源转型》与《能源神话与现实》两书虽然风格不同，但都体现了斯米尔教授的一个理念：客观、理性地理解能源转型和能源问题。这种务实而客观的分析所揭示的“化石能源仍将是人类社会最重要的能源基础”这一事实，可以使我们对未来能源转型的长期性和挑战性有一个清醒的认识，但也可能会成为当前化石能源企业强化自身政策影响力的“依据”，或者可能会让有些读者产生消极观念，认为可再生能源“没有前途”，从而对当前可再生能源的发展产生不利影响。因此，无论是《能源转型》，还是《能源神话与现实》，对中国读者理解我们当前的能源转型及其存在的问题，就不够“解渴”了。

中国与欧美等国一样，当前都面临着碳减排约束下的化石能源向非化石能源转型。然而，我国作为一个处于工业化中后期的发展中大国，与欧美国家相比，能源转型的难度和复杂性要大得多。

一是能源消费体量大。我国已经成为世界第一大能源消费国。按照《BP世界能源统计》（2014）的数据计算，我国一次能源消费量为29.72亿吨油当量，相当于德国的9.6倍，日本的6.5倍，英国的15.8倍。

二是我国工业化和城市化均未完成，能源消费总量在一段时期内依然有继续增长的内在动力。而德国、日本、英国和其他后工业化国家已经进入能源消费总量下降阶段。

三是我国能源消费结构中煤炭占比极高，而作为化石能源中“清洁能源”的天然气占比非常低。2014年，煤炭占我国一次能源消费份额为66%，这在全球仅次于南非（70.6%），是世界平均水平（30%）的两倍多；天然气份额仅为5.6%，属于全球最低的国家之一，而世界平均水平为23.7%。

四是碳减排压力大，时间紧。2014年，我国二氧化碳排放量为97.6亿吨，居全球第一。2000~2014年，二氧化碳排放年均增长7.6%。2014年11月12日，中美两国在北京发布《中美气候变化联合声明》。中国承诺到2030年碳排放达到峰值。虽然近几年碳排放增速下降加快（2009~2014年排放年均增速为4%），但中国碳排放要从目前的增长下降到零增长，仅有十五六年的时间。

总之，无论从能源的量级，能源需求的增长，或是能源结构和碳减排目标来看，我国的能源转型将面临前所未有的、其他国家所难以想象的挑战。在这种情况下，我们的首要任务不是盲目模仿发达国家能源转型的模式与路径，而是要在碳减排约束下，从我国实际出发，寻找一条符合自身特点的能源转型模式与路径，系统推进，统筹掌握能源转型的步骤和节奏，以尽可能低的成本推进能源转型。而这些，正是拙作《国家能源转型：德、美实践与中国选择》所遵循的逻辑。[6]

中国社会科学院工业经济所能源经济室主任　朱彤

于北京亦庄郁金香舍

[1] [美]丹尼尔·史普博．经济学的著名寓言[M]．余晖，朱彤，张余文译．上海：上海人民出版社，2003．

[2] 该书收录了经济学家经常引用来说明市场失灵的十个寓言故事：灯塔的故事（公共产品）；收费公路故事（搭便车）；蜜蜂的故事（外部性）；键盘的故事（技术锁定）；盒式录像机的故事（路径依赖）；运煤货车的故事（网络外部性）；费雪车体的故事（控制性合约）；分成租佃制的故事（道德风险）；标准石油的故事（掠夺性定价）；美洲铝业的故事（市场阻击）；自由号轮船的故事（进入壁垒）和郁金香的故事（投机泡沫）。

[3] [加拿大]瓦茨拉夫·斯米尔．能源神话与现实[M]．北京国电通网络技术有限公司译．北京：机械工业出版社，2016．

[4] 瓦茨拉夫·斯米尔教授的研究领域涵盖能源系统研究（资源、能源转换及能源影响）、环境变化、技术发展史，以及能源环境、食物、经济与人口的互动关系，出版著作30余部，发表论文300余篇。近期在国内翻译出版的著作有《美国制造：国家繁荣为什么离不开制造业》（李凤海、刘寅龙译，机械工业出版社，2014年）。

[5] Vaclav Smil.ENERGY TRANSITIONS:History,Requirements,Prospects.Greenwood Publishing Group,2010.

[6] 朱彤，王蕾．国家能源转型：德、美实践与中国选择[M]．杭州：浙江大学出版社，2015．

译者序　能源商业模式的中国实践：国电通的探索与创新之路

能源行业作为国民经济的基础领域，正以互联网理念打造“能源互联网”，逐步对社会加以重塑。在传统能源的基础上，能源互联网叠加信息、服务等多元化内容，带动了能源与信息通信融合产业的快速发展，信息通信、内容服务、互联网等众多企业，纷纷跨界进入能源领域。随着能源互联网的日渐瞩目，电动汽车、新能源、微网等也成为众多业内专家、学者的关注重点。当前能源发展的资源瓶颈引发的创新需求和层出不穷的新技术、新模式，为未来能源行业的转型和发展带来无限潜能。在互联网与传统能源的激烈碰撞中，冷静地洞悉现状，精准地剖析未来便显得尤为重要。

斯米尔先生的《能源神话与现实》一书，正是以独特而深刻的见解，向我们传授客观地思考未来能源发展方向的实证方法。书中先对20世纪流传已久的三个神话进行深入剖析，从发展历史、技术变革、存在的问题等多角度论证，告诉读者电动汽车、核电以及可再生能源并不像有些专家鼓吹的可以快速颠覆传统能源的发展，如电动汽车由于其续航能力、电池生产、充电基础设施、自身对能源的消耗等问题，其短短几年便可快速占领全球汽车市场的想法不切实际。之后，对“石油迎来峰值后将急速下降”“碳封存可延长化石能源的使用期限”“乙醇燃料可使世界摆脱对原油的依赖”“可再生能源的零排放”等近年来备受关注的焦点进行了深入剖析，揭示了西方社会关于能源、气候最常见的错误结论，使我们对众多复杂的能源事件有了更准确的认知。在这些审慎剖析的背后，我们可以深刻地感受到，斯米尔先生对众多主流观点的理性思考，其另辟蹊径的研究思路和研究方法，对我们这些早已形成定式思维的能源工作者来说，其言辞之犀利、见解之独到，对我们今后从事的能源工作极具借鉴意义。

能源行业的发展是个缓慢的过程，具有强大的内在惯性，能源转型、化石能源的替代并非一蹴而就。与日新月异的互联网经济有所不同，能源行业的创新需遵循客观的发展趋势并尝试能源互联网最佳实现路径，逐步推广新的治理方式以及多样化的能源供给。

国电通作为电力信息通信领域的产业公司，认识到互联网将会对能源行业带来巨大改变，在互联网“神话”的基础上，结合当前能源行业现实，紧抓技术创新，并逐步尝试模式创新，以构建城市级的智能能源管理网络为战略愿景，努力探索一条具有中国特色的电力信息通信企业发展之路。一方面，国电通通过打造多元合作生态圈，率先开展了智能能源管理网络相关领域的规划和实践，构建了从采集设备、通信网络到应用系统的完整的智能用电服务体系，以能效管理和节能服务为先导，开展了多个城市的智能小区、智能楼宇和智能园区的试点实践，为公司建设全面覆盖的智能能源管理网络打下了坚实的基础；同时公司打造基于智能能源管理网络的电动汽车运营服务管理平台，尝试以智慧交通拉动城市全面节能、智能的新实践，支撑地方政府智慧城市的建设。另一方面，国电通不断强化互联网技术的行业应用，将云计算、物联网、大数据等技术与能源深度结合，开展了商业智能系统、海量数据挖掘平台、能效分析系统等平台的研发，深挖用电数据，延伸上层产业，开展商业智能的创新实践，有效支撑能源管理网络及应用服务体系的构建，形成未来发展的商业价值基础。

创新的动力来自对事业发展的美好向往，更来自对现实世界的理性认知。我们相信，在全行业的共同努力下，在对理想的理性追求中，我国的能源行业必将形成一条不同于其他任何国家的独有的发展道路。

本书的翻译过程对我们来说是一次很好的学习和开阔视野的机会。在此特别感谢国网能源研究院尹明博士为我们与斯米尔先生进行紧密沟通提供的重大帮助，他帮助我们准确理解和翻译了许多能源领域的专业词汇，这对本书的成稿起到了巨大的推动作用。衷心希望《能源神话与现实》一书的翻译出版对我国能源电力企业管理者和专业人士有所启发，能够帮助他们进一步开阔思路，重新审视能源行业未来的发展。由于译者水平有限，书中错误或不妥之处在所难免，诚恳希望同行和读者们批评指正。

北京国电通网络技术有限公司董事长　王立涛

引言

现代文明是煤炭、原油和天然气大规模持续燃烧的产物，亦是化石燃料发电、水力发电和核能发电稳步增长的产物。[1]数十年以来，日益膨胀的能源消耗与人类社会复杂性和富足性之间的关系一直为公众和政客所忽略。老百姓并不关心能源的供给，媒体对能源领域的关注也时有时无，而且西方大国也未成立能源专项部门。

1973年与1974年石油输出国组织（OPEC）拉动了原油价格的上涨，第一次能源危机随之而来，此时人类对能源问题的关注有所改变。1973~1974年，原油价格由1973年上半年的每桶不足2美元增长到1974年秋季的每桶11美元以上（BP 2009），此次石油价格的上涨并不是实际原油资源短缺导致的，而是由于主要石油出口商的蓄意操纵。该事件的发展超出了预期，缩短了第二次世界大战后空前的经济增长期，也引发了个人、机构以及政府部门对能源合理定价和充分供给的关注。此外，石油价格上涨的同时，人们开始形成全新的环境意识，致力于减少环境污染，防止生态系统的进一步恶化。

忽然之间，每个人好像都成了能源专家，乐衷于提出各种解决办法。然而，事实上只有相当少的一部分人能够充分认识能源，可以分辨出复杂的能源系统结构及动态变化中的未知部分，以及强制制订长期计划的危险之处。随着两次原油价格的上涨（第二次是在1979~1981年），人们不断加强对能源的研究。随后原油价格开始跳水，从1981年3月每桶40美元下降到1986年1月的每桶20美元，1986年4月跌到每桶不足10美元，此后，1973年以前的盲目自满情绪快速回归（BP 2009）。能源专家转向了其他研究领域，例如全球气候变暖、全球化和基于微处理器的新经济。

[1] The rapidly increasing capture of wind by large turbines and of solar radiation by photovoltaic cells still makes only a negligible contribution globally.

丧失机遇

令人遗憾的是，当时一些旨在减少能源浪费的明智政策完全（不加辩驳）地被遗弃了，其中最具代表性的是美国燃油经济性标准（CAFE）法案，令人难以置信的是20世纪70年代早期美国小汽车的平均燃油效率与20世纪30年代早期一样。技术进步极大提升了一般能源转化模式的效率，其中晶体管和集成电路的采用、荧光灯的使用、双冲程柴油机在船舶应用上的改进、喷气发动机和固定式燃气轮机的商业化应用、原油提炼技术以及塑料和肥料生产的技术创新都发挥了重要作用。20世纪70年代早期美国生产的小汽车燃油效率为每加仑13英里，严重低于当时的技术水平（Sivak and Tsimhoni，2009），这意味着至少85%的燃料被浪费，汽车的性能也不比第二次世界大战前好。

1975年新法规生效，平均燃油效率从每加仑13.5英里提高到1985年的每加仑[1]27.5英里[2]，不过直到2008年新法规出台之前（见图I-1），该效率未有进一步的提升。这种不能提高燃油效率的政策制定是非理性的，也是不负责任的，政策失利的原因是原油价格低廉，[3]导致原油进口依存度高：截至1990年，美国进口原油量占比高达47%，比1973年提升了10个百分点。问题的重点不在于美国国内能源的自给自足，[4]而是石油进口导致的巨大贸易逆差，这削弱了美国当前和较长远的国家安全以及战略态势。2008年，美国原油境外采购比例达到65%，进口原油及成品油的成本是贸易逆差的最大单一贡献因素，在美国7000多亿美元的贸易逆差中的占比达到48%。[5]

图I-1　美国汽车平均油耗走势

资料来源：企业平均燃油经济性标准（CAFE）数据由美国国会研究服务中心下属的资源、科学和工业部（2003）绘制；实际平均油耗数据由美国交通部下属的研究和创新技术管理局和交通数据统计部门计算（2007，表4-11，http://www.bts.gov/publications/national_transportation_statistics/html/table_04_11.html）。

由于大量效率低下的交通工具（包括运动型多功能车、货车、敞篷小型载货卡车）被广泛当作载客汽车来使用，使由于石油进口造成的贸易逆差更加严重。人们广泛使用双轴四轮汽车，而不是载客汽车，[6]降低了美国车辆的整体燃油效率，2006年汽车燃油效率仅为每加仑22英里（Sivak and Tsimhoni，2009）。从20世纪90年代到21世纪最初的几年，由于能源价格相对稳定且保持低位，较低的燃油标准对经济的影响甚微，此时能源供给再次不为大众所关注。1998年，原油均价降到了每桶不足21美元（2008年仅为每桶16美元），在20世纪90年代，石油行业的股票投资收益最差。

直到21世纪初期，石油的价格才开始上涨，能源供给再次成为关注的焦点。2003年后半年，原油价格达到每桶25~30美元，2004年，原油价格保持增长态势，达到每桶40美元，增长一直持续了2005年全年，甚至持续到2006年的前8个月，媒体又常规性地报道创历史的高油价。实际上，一旦下列两项关键价格调整措施得以实施，价格就不会创新高，一是通过干预通货膨胀进行调整，二是降低西方经济体的石油依赖度。[7]直到2008年初夏，已经翻了一番的石油价格依旧低于20世纪80年代早期的石油价格。

2006年8月，贸易石油的加权平均价格最高为每桶71美元，之后一个月内石油价格下降了15%，逼近每桶56美元。但2007年，石油价格又开始稳步上涨。11月，纽约商业交易所（NYMEX，见图I-2a）石油价格增长到每桶100美元；2008年上半年，石油价格增长了50%，到2008年7月，达到每桶147.27美元。和往常一样，包括天然原油在内的OPEC石油一揽子价格都处于低位（见图I-2b）。[8]但是三周之后，石油价格跌到了每桶115美元，跌幅达到20%以上。11月12号，石油价格低于每桶50美元，一年后由于美元的快速贬值，石油价格增长到每桶75美元左右。一如既往地，任何长期性预测都仅仅是种猜想，但是除非全球经济长期萧条，没有人期望油价会回到2004年以前的水平，因为最新一轮的能源问题主要由三个重要因素驱动，这些因素在不久的将来也不会消失，它们分别是：人们对全球原油开采逼近峰值的普遍担忧；由于伊朗的局势，人们对中东地区政治不稳定的担忧加剧；人们对减少温室气体排放造成的社会经济影响（例如限制碳排放、碳税）的关注。

难怪有关石油未来的或统一或武断的观点已经达到新的高度，也难怪带有投机性质的“分析”和耸人听闻的“启示”都被夸张性的宣传，如通过大量有线电视新闻频道邀请特约评论员进行24小时不间断的报道，所谓的专家也在博客上发表观点。

图I-2a　1999~2008年纽约商业交易所轻质低硫原油每月均价

资料来源：由Omerge Research（1997）绘制。

图I-2b　OPEC一揽子油价年度均值

资料来源：根据石油输出国组织（OPEC）数据（2009）绘制。

关于能源问题的信息、观点及主张数不胜数，如同料想的一样，信息披露的数量越来越多，但信息的质量却是成反比的。最终，大众和政策制定者都被大量有偏差、错误，甚至完全虚假的信息冲昏了头脑。

在等级分明的环境中，我们能对现实的解决办法正确排序也很重要。如果全球文明需要花费数万亿美元、数十年的岁月才能保证稳定发展，那么它应该遵循最理性、最实惠、环境压力最小的行动路线，而不是追求低劣的替代方案。我认为最不可取的策略是将业已存在的过度消耗、低效率和不合理性置之不理，反而消耗大量的能源，同时带来新的可预测或不可预测的环境问题。非常遗憾的是，机构和个人不愿去考虑消除不必要的能源转换，也不情愿承诺对现有资源进行更高效的利用，从而导致低劣的解决方案盛行。

[1] 1加仑=3.785升。

[2] 1英里=1.609千米。

[3] By 1986 their annual average fell to less than$15/barrel，or about$30/barrel in 2008 dollars（BP 2009）.

[4] Energy independence is an unrealistic proposition，given that all major Western economies trade different forms of energy.

[5] World Trade Organization（WTO）2009.

[6] By 2007，those designs accounted for nearly 45 percent of the total U.S.vehicle count（U.S.Department of Transportation，Bureau of Transportation Statistics 2007）.

[7] All Western countries now have lower oil intensity—that is，they need considerably less oil to produce a dollar of gross domestic product—than they did in the early 1980s.In 2008 the U.S.economy needed（per constant GDP dollar）only 48 percent as much oil as it did in 1980.

[8] The OPEC basket price was introduced in June 2005 and is made up of prices for twelve crude oils from the organization’s member countries.

亘古的神话

这本书基于如下的前提，能源相关的神话与谬见早已不是什么新鲜事，一些观点自19世纪以来就一直困扰着我们，本书旨在研究并揭穿一些如今仍被崇尚的能源谬见，使我们对复杂能源事件的认知更加真实，有助于我们在不加批判的未来能源发展方案中引入必要的怀疑观点。

技术创新。显而易见，我们在人类活动的任何领域中都能发现谬见与误解的存在。从最近的著名案例中，我发现技术创新加速发展中的一个谬见，[1]即期望通过开发热带生物多样性来获得巨大的经济收益，以及从人工智能研发中获得惊人回报。

人们对技术加速进步的普遍认知大多基于摩尔定律，我称之为“摩尔定律诅咒”，它认为芯片性能快速且可持续地改进代表着现代发明创造的规律，[2]而事实上，微处理器性能的改进是技术进程中极其非典型的例子，我将在第8章中进一步讨论。人们认为深入研究热带生物多样性可以生产出颇具功效的新药物，其实不然。人工智能创造的惊人成就也较少，数十年努力的逻辑性及取得的成就现在备受质疑，甚至人工智能领域的开创者之一都持怀疑态度。[3]

在现代能源发展中，即使外行观察者都知道那些夸张的、未实现的承诺和没有实现的梦想，包括美国在1973年首次呼吁能源自给自足的梦想，以及通过超导商业化开发实现洲际输电的梦想。随着30K超导材料中铜氧化物的发现，这些大胆的预期再次快速膨胀，乔治·比得诺茨（Georg Bednorz）和亚历克斯·穆勒（Alex Muller）也因该铜氧化物的发现赢得了1987年的诺贝尔物理学奖，但20多年过后，可用于远距离输电的可盈利高温超导技术并未出现。同样，人们坚信由燃料电池驱动的小汽车和公交车的推广迫在眉睫，事实上，它们仍然仅限于成本高昂且为数不多的示范项目（见第1章）。

一些能源神话令人肃然起敬，如节约能源可降低能源总消耗的观点，其可以追溯到一个多世纪以前。然而，一些观点就是近期提出的，包括利用农作物及其残余物（稻草、秸秆）和木材生产出的生物燃料可以替代从原油中提炼出的液态运输燃料。一些能源谬见与理念牢固地吸附在人们的脑海中，一动不动。现在高科技崇拜者告诉我们，所有事物都将实现转变，人们利用纳米技术将实现电力无损耗传输，利用薄膜太阳能电池实现价格低廉的电力生产，或通过基因工程创造新的细菌来产生氢，获得生物柴油。

可持续神话。一些能源神话被真正的信徒详加描述并广泛传播，这些信徒往往希望世界按照自己的偏好进行运转。尽管很少有人严格定义“可持续发展”，大家都是仁者见仁，智者见智，但“可持续发展”神话现在尤其流行。涉及可持续能源的能源资源与转换技术内容相当丰富，甚至囊括了诸如化石燃料行业这样不合适的部分，化石燃料行业并不打算腾出已经占据了一个多世纪的舞台，它们这么做只是出于礼节的需要。

尽管“可持续性”这个理念与煤炭资源本身并不相符，但煤炭发电企业现在还是宣称它们将以可持续的方式运作。我想有些人还可能做出可持续煤炭开采的声明，一位来自世界领先的矿产开采公司的高管就曾声称其公司业务是可持续的。不管怎样，发电厂的工程师现在强调新能源转换要减少环境影响，甚至不造成环境影响，致力于可进行碳封存的火力发电厂的商业化，以便不进行二氧化碳排放（我将在第5章解析碳封存神话）。各种打着“清洁煤”口号的煤气化和液化工艺流程在不断被优化，其很快就会实现大规模商业化应用，从而可以维持煤炭重要的全球角色。

尽管大部分石油开采成本高昂，并且对环境的毁灭无法恢复，加拿大亚伯达省的石油商和政府还是夸口说该省的油砂含油量比沙特阿拉伯高。虽然沙特的国有公司没有提供任何已被证实的未来30年该国石油的实际储量信息，但沙特认为它们可以为全世界子孙后代提供足够的石油。视野更长远的能源狂热者将天然气水合物（在北极或深海底的甲烷冰）视为终极化石燃料能源，其使用年限可持续数个世纪。

核能卷土重来。核能机构通过论证裂变无碳发电的优势，一直在尝试筹划核能的回归（见第2章）。该机构提供内在安全的反应堆设计，并为重新利用快中子增殖反应堆提供正当理由，快中子增殖反应堆曾因为超额成本和安全顾虑，在试验设计阶段被遗弃。虽然核聚变发起者在过去半个世纪[4]都未能实现其誓言，但他们从未放弃希望，法国在建的国际热核试验反应堆项目投资达200亿或300亿美元，核聚变将成为未来数十年占据主导地位的能源转换方法。

可再生能源。与经常用严格的术语来宣扬自身的宗教派别一样，一大群可再生能源狂热者反对其他选择，确信特殊的资源或能源转换便是解决世界能源问题的答案。

如今占主导地位的是风能，尤其是在欧洲；在美国发展最迅速的是乙醇，科学家寻求像童话故事般将植物废料转化为液体黄金或纤维素乙醇的方法（有关生物燃料和风能的神话将分别在第6章和第7章讨论）。另外，大量信徒坚信太阳能，即阳光到电能的直接转化。太阳能支持者相信太阳能很快会遍及各地，而不只限于阳光明媚的亚利桑那州或沙特阿拉伯。德国人是第一个通过税收补贴来参与当时全世界最大的光伏发电项目——巴伐利亚太阳能基地项目的，基地坐落于欧洲多云天气较多的地区之一，装机容量10MW，峰值功率为6.3MW，基地三个场地的面积总和为250000平方米。[5]位于阳光充足地区的设备的发电效率更高，至少是西西里或亚利桑那州地区发电效率的5倍。然而，地球总是会受到大气和昼夜更替的干扰，太阳能的转化也总受到限制，更好的方案是把太阳能光伏板放到空中，就像卫星舰队，或者放到月球上，通过微波将电能传回到地球。多年来，休斯敦大学的空间系统操作研究所主任戴维·克里斯韦尔（David Criswell）一直在主张月球太阳能发电。[6]

我不该忘记那些地热能的迷恋者，以及小范围可再生能源的信徒，包括把希望寄托在潮汐、洋流和海洋热差值的人们。最后的方案是把一根长管沉到日最高气温在25℃以上亚热带或热带海洋下面的寒冷水域（深海恒温在4℃以下），从而实现温差发电。[7]然而，我们会遇到基础热力学的一个小问题，冷热水库之间的温差（仅20℃）与大型热力发电厂500℃以上的温差相比微乎其微。因此，发电效率如此之低（通常为3%~4%），导致将深处的冷水用泵输送到表层需要的电能比所发的电量更多。

但大多数狂热者有一个共同的目标：在这些可再生能源神话的尽头便是干净、无碳、近乎奇迹般的氢经济时代。该时代到来之前，一些能源解决方案会出现，包括混合动力汽车或电动汽车（见第1章）、紧凑型荧光灯或发光二极管、严苛的碳排放税、大量二氧化碳封存、刺激浮游植物生长和深层有机碳的填埋，该生物隔离方法使用天然碳泵，允许人类随意排放二氧化碳。

更为激进的方案。其他狂热者并不相信上述拯救方式，他们提倡更激进的方案。他们选择的方案的模式并没有什么与众不同，应对全球变暖，继续排放大量温室气体，但利用地球工程来解决该问题。他们的优先选项是将大量的硫化物释放到大气层来冷却对流层的温度，从而实现整个星球的热平衡，一种侵入性较低的方法是在太空安装大型易操控的遮挡物来降低进入地球的太阳辐射量。

这就是当今能源政策的现状，里面涉及太多荒诞的说法、迷失的希望和无知的热情。本书旨在进行分类，对一些最不现实的想法提出质疑，并重新关注最有效的能源解决办法。能源技术会受到很多外部因素的影响，所以我们需要时间去找到最有价值、最具潜力的商业化创新。

[1] Kurzweil and Meyer 2003.

[2] Gordon E.Moore was the cofounder of Intel.“Moore’s Law”refers to a concept he introduced in a 1965 paper，describing a longstanding trend whereby the processing power of microchips doubles every two years.See Moore（1965）and Smil（2008b）.

[3] Roush 2006.

[4] Seife 2008.

[5] Power-Technology.com 2009.

[6] Criswell 2000.

[7] OTEC News 2009.

挑战神话

在本书的第一部分，我选择先从三个亘古流传的神话开始，这三个所谓的神话共同阐明了能源谬见的关键特征：存续时间、受关注程度以及造成的错误预测的数量。相比电动汽车主导世界这个神话，很少有神话可以持续那么长时间，该观点早在19世纪末以前就已变得司空见惯；同时，相比“便宜得无法计量”的核电，也很少有神话获得如此多的关注；至于造成错误的预测方面，分布式能源、分散式能源技术便是最好的例子，这些技术在2000年对美国能源供应的贡献比其支持者在20世纪70年代末和80年代初的预期要低90%有余。

在第二部分，我更多地探讨当今的五个能源问题，媒体及专业技术刊物也对这些问题极其关注，包括石油峰值以及石油枯竭的后果；化石燃料燃烧产生的二氧化碳的封存；从植物中获取燃料，例如从玉米中提取乙醇，这项研究获得美国政府的高额补贴，遗憾的是它给环境带来严重的损害；风力发电，大平原地区可被视为是风能的沙特阿拉伯；用能快速而基本的转变，例如由T.布恩·皮肯斯（T.Boone Pickens）构想的降低美国依赖性的计划以及由阿尔·戈尔（Al Gore）提出的10年内向无碳发电模式的转变。

为了消除这些能源谬见和误解，我有必要引入科学和工程论据以及大量的数字，有助于了解有待解决的问题和变化的层级与难度。由于本书的读者不全是科学家或工程师，所以我尽力使文章通俗易懂，书中涉及的定量分析也只是基础代数运算级别的。如果读者热衷于核对或结果，具有科学计算功能、便于多位数输入的小型计算器将会派上用场。本书前面的列表中会针对许多计量单位的缩写形式给出解释。

我决定不再阐述一些已经在其他文章中被解析过的能源神话，这就是为什么我没有探讨迫在眉睫的氢经济或核聚变发电。与那些可以从地壳提取的化石燃料、通过涡轮机得到的风能，以及通过光伏电池获得的太阳辐射不同，氢仅仅是能源的载体，在地下或大气中并未有大量的发现，无论是利用甲烷、电解水，或是细菌代谢，氢的产生首先都需要大量的能源投资。欧拉（Olah）、戈佩特（Goeppert）和普拉卡什（Prakash）的研究针对氢燃料神话给出了全面的、在科学上无懈可击的评判。[1]尽管核聚变发电每年可获得数十亿美元的资助，但该领域一位资深专家的简短论文就解释清楚了其发展的暗淡前景。[2]

虽然有些遗憾，我也决定不再阐述节能会降低能源消耗这一观点了。当然，消除能源使用的浪费现象、追求实际能源转换的最高效率都非常可取（不论出于低成本，还是出于高舒适度的考量），然而，最终它们并未实现特别提及和推广的作用：从长远来看，它们没有降低能源的整体消耗。卢丁（Rudin）和赫林（Herring）曾充分驳斥了提高能源效率有助力于降低能源消耗这一谬见，波利梅尼（Polimeni）与人合著的一书也对其进行了驳斥，[3]但针对上述能源神话的阐释，最近的研究都比不上斯坦利·杰文斯（Stanley Jevons）150年前写下的三句话：

将燃料的节约使用等同于减少消耗，这完全是对概念的混淆。该命题的反命题才是事实。按照从诸多类似案例中总结出的原则，新的经济模式将导致消耗的增加。[4]

很遗憾是，杰文斯试图反驳的错误理念反而成了普世的真理，并成为一种狂热的信念，几乎上升到宗教信仰的高度，而且不受任何理性的批判。

事实上，所谓的神话很少能被抹去，甚至减轻其影响力都不容易，对谬见的坚信和对救赎的不当追求，同对客观现实的理解和对不安事实的接受一样，都是人类智慧的结晶。我们永远无法确定在特定情形下哪一种趋势将更为突出。不过，我希望对新老神话的解析将启发那些有思想的读者，而我认为，那些使人不愿面对的严峻现实将为决策者提供有用的历史回顾。为此，我将通过分析文中涉及的特殊政策内涵并概述一些普遍经验教训来总结全书。

最后，预料中的让步与妥协：针对书中观点、阐释、计算和图表涉及的数字，在该领域更专业的人士或者提倡特定的方法或解决方案的人们，其提出质疑是不可避免的。事实本该如此，科学就是一幢需要不断构建的“建筑”，唯有通过质疑与批判，通过围绕数字和观点的辩驳，才能构建得更好。

[1] Olah et al.2006.

[2] Parkins 2006.

[3] Rudin 2004；Herring 2006；Polimeni et al.2007.

[4] Jevons 1865，140；emphasis in the original.

第一部分　历史的教训

能源神话有着非常灿烂的历史。伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564——1642）尽管身处险境，但他仍勇敢地宣称太阳位于行星系的中心，他认为热量仅仅是幻想，是“精神炼金术”的产物。早期现代科学的另一位杰出人物——弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561——1626）不能理解热能无法转变为动能，反之亦然。与培根同一时期的人们相信燃素，并认为燃素是易燃物最基本的构成要素；在氧化的过程中，易燃物燃烧后（脱燃素作用）留下生石灰的残渣。长久以来，这个神话出人意料地将很多化学研究带入了死胡同，直到最终被推翻。

纵观近代史，如果说当时能源政策的争辩几乎都基于这些神话，貌似有些夸张。这些神话也在不断地变迁，以前人们普遍相信大型石油公司长期串通以阻止内燃机替代品的出现（例如购入或者压制相关专利），现在人们又认为高能源效率会降低能源总消耗。由于历史上颇具影响的能源神话和错误观点数不胜数，本书第一部分将关注20世纪三个广为流传的亘古神话，这些神话曾经很大程度上是误传，也误导了大众。

三个广为流传的神话分别是：电动汽车的美好前景，始于1890年并随着汽车的商业化而发展；美国核能发电，始于第二次世界大战时期核武器的应用，战后迅速实现商用；“分布式能源”或小规模分布式能源的应用，始于20世纪70年代全球能源的巨大变革。

百年来，人们希望电动汽车可以占据主流市场，正是出于对技术创新效益的过度期待，这点通常毋庸置疑。电动汽车的美好愿景始于19世纪末期并贯穿整个20世纪，近些年又有复苏的迹象。有关电动汽车惊人的性能、具有竞争力的价格和占据市场主导地位的观点再次广为流传。美国最新的电动汽车公司创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）认为其电动汽车业务有望创造数十亿美元的价值。[1]不过，在被热情冲昏头脑之前，读者应仔细阅读第1章有关电动汽车的论述，还应参考第3章中艾默里·洛文斯（Amory Lovins）超级汽车发展的相关内容。

第二个能源神话实际上也无法避免。第2章不得不重新审视这个第二次世界大战后最大胆的能源神话之一，该神话曾明确指出核电将变得极其便宜且无须计量。谁没有听说过这个吹嘘呢，又有多少人认识到这只是行业发展之初狂妄自大的幻想？事实上，这只是核领域的一些著名专家当时对核电寄予的期许。但这个神话有了非常有趣的转机：核电未能充分发挥潜力并不是基础技术或者经济要素的问题，决定性因素是对风险和电力市场性质变化的错误认知。然而，依然有许多观察家认为核电复苏是可能的，也是可取的，更是必然的。

归属同一类但又截然相反的分布式能源理念与核裂变支持者不切实际的预期形成完美对照，相关内容将在第3章展开论述。这个想法源于艾默里·洛文斯对任何形式核能以及大规模发展的坚决反对。洛文斯认为，通过生物圈内小规模且集中的可再生能源转换而得到的分布式能源，能够保障现代文明未来的能源安全，不过，事实证明该观点虽具吸引力但却是错误的。

[1] Shnayerson 2007，9.

第1章　未来属于电动汽车

“未来属于电动汽车”这一观点可以追溯到第一批载客电动汽车的应用，是现代能源领域的谬见之一。汽车行业发展的最初20年间，一些工程师和观察家并不确定蒸汽汽车、电动汽车、内燃机汽车中的哪一个将最终占领市场。[1]高压蒸汽机的四次升级、改良使动力强劲的蒸汽汽车成为可能。在1894年7月首次汽车竞赛中，戴姆勒和迈巴赫的内燃机汽车排名第四，被德翁–布顿的蒸汽汽车打败。在1902年的尼斯，莱昂·塞波莱（Leon Serpollet）水泵蒸汽汽车行驶1公里用时29.8秒（相当于时速120.8公里），创造了汽车新的速度记录。1906年，弗朗西斯（Francis）和弗里兰·斯坦利（Freelan Stanley）的蒸汽汽车最快时速已达到了205.4公里。[2]

这个时期，电动汽车貌似更有前途，在已实现可靠运行的商用车领域，电动汽车更易于发展。驾驶电动汽车跟驾驶蒸汽汽车不同，司机不需观察高压蒸汽机和泄露的蒸汽。在发动机启动装置和自动泵出现之前，电动汽车与内燃机汽车也不同，驾驶电动汽车时不需要危险的手动摇臂扳手，也不需要更换令人恶心的液体燃油或者费力地进行换挡操作；驾驶电动汽车也不会闻到从发动机中散发出的燃油味道。1896年，第一辆瑞克电动汽车赢得了在美国罗得岛州纳拉甘西特公园举办的第一个场地赛，以压倒性的优势击败了弗兰克·杜里埃（Frank Duryea）的内燃机汽车。1899年3月29日，卡米乐·热纳茨（Camille Jenatzy）驾驶的名为“永无止境”的弹头形电动汽车打破了时速100公里的壁垒，“永无止境”的时速高达105.88公里。[3]

与此同时，电动汽车的商业化运营始于1987年纽约的电动货运公司，该公司经营了12辆电动出租车。1899年，美国汽车制造业共生产了1500余辆电动汽车和936辆内燃机汽车。[4]1901年，蒲柏电动汽车公司成了美国最大的机动车生产商、所有者和运营商。[5]当时著名的制造类企业还有安东尼电动公司、贝克电动公司、底特律电动公司和司蒂蓓克公司。电动汽车的普及引发了新基础设施的短缺，这些新基础设施旨在克服电动汽车行驶区域有限的弊端。到1901年，新泽西州共建了6个电动汽车充电站，使从纽约驾驶电动汽车到达费城成为可能；到1903年，波士顿完成了36个充电站的建设。[6]

[1] Smil 2004.

[2] Ibid.

[3] Ibid.

[4] Burwell 1990.

[5] Kirsch 2000.

[6] McShane 1997.

电动汽车PK内燃机汽车

几乎没有人比现代电力系统的发明者——汤姆森·爱迪生（Thomas Edison）更加坚信电动汽车将最终占据统治地位。这个信念成了科技历史上最重要的分水岭之一。亨利·福特（Henry Ford）作为底特律爱迪生照明公司的首席工程师却一直致力于内燃发动机的研发，爱迪生公司的董事反对福特对内燃发动机的研发，提升他为总负责人，而交换条件按福特的话来讲：“需放弃我在内燃机上投入的精力并投身到真正有用的事情上。”[1]

尽管电动汽车公司在1907年破产，福特在1908年发布了性价比更高的T型内燃机汽车，但爱迪生还是倔强地认为，电动汽车能够取得最终的胜利。在20世纪最初的10年间，爱迪生一直在研发高密度电池与内燃机抗衡。[2]1909年，这项投资高昂的研究成果——镍铁碱性电池问世，镍铁碱性电池更多用作备用电源而不是汽车的发动机。

在接下来的15年间，内燃发动机的改进和汽车制造业的发展使电动汽车沦为汽车发展进程中的失败者。[3]其中，福特应用了流水线生产，在1908年生产出了T型车型；1911年，查尔斯·凯特灵（Charles Kettering）获得了电动发动装置专利，从而不再需要通过转动曲柄开动引擎，1913年凯迪拉克应用了此项专利；1924年，托马斯·米基利（Thomas Midgley）解决发动机爆震的方法被应用到内燃机。尽管小部分的工程爱好者对电动动力装置的兴趣从未减弱，但直到20世纪30年代，电动汽车仍未开始商业化生产。

[1] Ford 1922，34.

[2] Josephson 1959.

[3] Smil 2004.

电动汽车的近代史

第二次世界大战后，大量廉价的内燃机汽车几乎占领了整个市场，电动汽车毫无市场份额。1958年，Henney车身设计公司和国家联合电子公司一起研制出了世界第一款晶体管电动车——Henney Kilowatt，但是三年后这款产品的销量还不足100辆，它们便放弃了这款电动汽车。1973~1974年和1979~1981年，OPEC拉动了两次石油价格的上涨，都未能激发电动汽车的商业化推广。1974年，在华盛顿举办的电动汽车专题研讨会上，Sebring-Vanguard生产的极小、笨拙且丑陋的CitiCar亮相，这辆车酷似反转的独轮车；1975年，美国邮政总局从美国汽车公司购置了350辆电动吉普车。然而，这些行动并没有推动电动汽车的可持续发展，1986年以后，OPEC的石油价格开始跳水，人们对电动汽车短暂的兴趣便烟消云散。

在汽车发明之后的一个世纪，电动汽车开始了真正的复苏，这要归功于为了改善加利福尼亚臭名昭著的空气污染而采取的措施。1990年，加利福尼亚能源委员会批准，截至1998年，加利福尼亚州新增的机动车中2%必须是电动汽车（约22000辆）；到2003年零排放的汽车（主要是电动汽车）在加利福尼亚州小汽车销售量占比达到10%（约为15万辆）。[1]最终这些要求都逐渐被淡化，没有一个目标被实现；20世纪90年代，电动汽车的商业化应用并不可行（Kirsch，2000）。

2001年，加州空气资源管理委员会重新制定了2003年的目标：新购汽车中至少10%为低排放，2%新购汽车为零排放。[2]一年之后，现如今已各奔东西的戴姆勒–克莱斯勒公司联合通用对加州空气资源管理委员会提出诉讼，要求加州空气资源管理委员会废除所有零排放标准；2003年，通用决定停止出租EV 1，这是一款使用铅酸电池的电动汽车，并从1996年开始进行了小批量生产。在对这些希望电动汽车走向失败的怀疑者（大型汽车和石油公司）的指控下，最终这款电动汽车在2004年年底还是停产了。[3]就像科斯奇（Kirsch）所说：“电动汽车从来都不是美国家用小汽车的替代品，未来也不会取代货车或运动型汽车（SUV），电动汽车只是小众商品，其小规模市场在持续创造小额利润，主流的汽车厂商也只是不情愿地‘拥抱’一下电动汽车而已。”[4]

在20世纪90年代后半期，电动汽车百花齐放，但是这种景象只持续了短短几年。使用镍氢化金属电池的电动汽车包括通用Chevrolet S-10小卡车（1997~1998年，仅销售了50辆），本田EV Plus小汽车（1997~1999年，共销售了约300辆），丰田RAV4运动型汽车（1997~2002年，约销售了1200辆）和克莱斯勒EPIC厢式旅行车（1997年发布，共销售了80辆）；不过尼桑的Altra旅行轿车使用的是锂离子电池（1998~2000年，销售量不足150辆）。这些汽车的共同点便是售价高昂，这些厂商从未试图降低售价，反而迷恋于混合动力汽车，混合动力貌似已经成为未来汽车动力装置最佳选择。纯电动汽车的现代商业化探索再次以失败而告终。

[1] Imbrecht 1995.

[2] Lazaroff 2001.

[3] Paine 2006.

[4] Kirsch 2000.

近期的电动汽车模型

电动汽车占据主导的神话一直存在，即使是生产混合电动汽车的所有主流生产商也未完全放弃纯电动汽车。电动汽车的推崇者一直期待电动汽车统领市场，媒体也不断报道并声称未来10年电动汽车将成为主流。在美国，近期的电动汽车潮流始于迷你Tango，价格高昂的特斯拉敞篷跑车，以及“旨在改变竞争格局”的通用Volt，这些汽车仿佛在昭告天下电动汽车即将迎来胜利崛起。

Tango原本是一款小型两座内燃车，由梅德赛斯公司生产，Tango百公里耗油为4.6升，相当于每加仑50英里，Tango在内华达州转化成了混合动力技术驱动的纯电动汽车（2007年）。众所周知，居住在好莱坞的人们极其关注地球环境，其中，乔治·克鲁尼（George Clooney）对Tango宠爱有加，尽管他还未见到Tango的实物，但他还是果断购买，并同意与璀璨的迷你Tango一起合影，并惊呼“克鲁尼的Tango！哇哦！！！”[1]Tango的首个车型锂离子电池负载为218千克，充电时间为6~8个小时，续航里程为193~241公里，最大时速为128公里。

2009年，混合动力技术改变了电动汽车的创新[2]，市场中不仅销售这款迷你汽车，并将其更名为Dash，还销售使用锂离子电池的PT漫步者和莫里斯的mini cooper[3]（每辆车的售价都高于5万美元）以及运动型汽车、摩托车和电动自行车。同时，Tango成了宽度极其狭窄（99厘米）、易于停泊、900千克标准铅酸电池的纯电动汽车的代名词。Tango的生产商是位于华盛顿斯波坎的通勤汽车公司，该公司视Tango为“变革性的通勤汽车”[4]，不过Tango的价格可能会阻断其带来变革性的发展。2009年，Tango T600售价高达10.8万美元，更便宜的T200车型当时还并没有实现规模化生产。

特斯拉电动跑车更具新闻价值，媒体一直不断报道特斯拉来自硅谷，但特斯拉实际上并不来自硅谷。贝宝（PayPal）的创始人埃隆·马斯克创建了特斯拉汽车公司并自己投资生产电动汽车。见多识广的《名利场》杂志编辑认为：“电动汽车意味着内燃机的终结。”[5]特斯拉公司官方网站[6]在介绍“非燃油汽车”时承诺：它将创造绿色的未来，并将成为“石油战争的和平使者”。[7]这并不是笑话，而是一则引用，电动汽车承载着重大的使命，其价格也在不断攀升，这款特斯拉电动汽车的最初售价为9.2万美元，2007年春季，售价已经增长到9.8万美元，2008年秋末为10.9万美元。2009年（美国联邦退税为7500美元），零售价攀升到10.15万美元。2008年3月，该车型开始常规生产，2009年年底，900辆进入市场。如果你也想购置一辆特斯拉电动跑车，那么首先要支付5000美元先期费用，再支付5.5万美元锁定你的电动跑车的生产节点，然后继续等待。

我的建议如下：如果内燃机汽车的终结和电动汽车的兴起并没完全按照埃隆·马斯克和《名利场》构想的那样呈现，请不要失望。特斯拉电动跑车是英国莲花爱丽丝跑车的升级版，装载着6831节锂离子电池。[8]这些电池的能量密度为每千克160Wh，相当于标准铅酸电池的4倍；电动跑车可续航400公里，并在4小时内完成充电。这辆高性能两座跑车的高昂价格意味着其购买者会是那些既爱炫耀同时又什么也不缺的人。

电动跑车的购买者着迷于它的速度，其时速高达200多公里，4秒内可提速到每小时100公里，同时驾驶者就像在飞机上一样被牢牢地固定在靠椅上。[9]特斯拉电动跑车的定价和吸引力，就如同第一次世界大战前相同等级的汽车所带来的，可以视为一种再造。电动汽车的主要倡导者以及“创始型所有者”——包括硅谷形形色色的高管（都不考虑诸如乔治·克鲁尼那样的名人了），很多人开始认为借助技术之手，电动汽车必然将沿着电脑和移动电话的发展路径前行。不过，这些人会非常失望，包括电动汽车的购买者也会如此。电动汽车可能起步很快，但作为跑车来使用的时候，人们就会了解特斯拉这款跑车的真正续航里程，以及随着时间衰减的性能情况。[10]

[1] Electrifying Times 2007.

[2] EV Innovations Inc.（EVII）2009.

[3] 现已归宝马所有。——译者注

[4] Commuter Cars Corporation n.d.

[5] Shnayerson 2007，1.

[6] Tesla Motors n.d.

[7] Ibid.

[8] Berdichevsky et al.2006.

[9] Voelcker 2007.

[10] Bennett 2008.

电动汽车和电力供应

2005~2008年，原油价格的第三次波动浪潮席卷全球，人们对即将来临的全球范围的原油提纯峰值深表担忧，同时更加关注美国对石油进口的依赖程度。在此背景下，电动汽车获得了绝佳的契机并吸引了大量的眼球。电动汽车最关键的卖点是不需要依赖任何进口燃料就可行驶。2007年，电动汽车被《外交政策》杂志评为“拯救地球的21个办法”之一，它的雅号是“按下开关”，文章写道：“世界上的石油几乎很快会被不可靠的独裁统治者控制，使用电能的时刻到来了。”[1]

从那时起，有关电动汽车项目的新闻层出不穷，最新的项目清单只能通过网络查询。美国电动汽车最强大的竞争者是四座的雪佛兰Volt，雪佛兰Volt主要采用电动机（可通过标准插座进行充电），当电池储能较低时，小型（一升）的燃油发动机便开始工作，延长行驶里程。[2]在2009年通用破产前，通用视电动汽车为重新占领市场并彻底打败强大竞争者的“法宝”，从破产崛起后，通用认为Volt将重建其技术竞争优势，并希望在2010年发布此款车型来提升企业的竞争力。

Volt比本田的Civic要大一些，跟2007年发布的车型不一样，但保留了“类似的视觉提示及概念车型上的其他特点”。[3]雪佛兰计划2010年生产1万辆Volt，2011年生产6万辆（每辆价格为4万美元）。即使2011年后，该类型汽车生产量年增长率（复合增长率）达到50%，那么到2020年，Volt生产量为230万，还不到美国汽车总量的1%。Volt可能是通用公司重要的筹码，但即使该车型取得巨大成功，还是不能迅速改变美国的汽车行业。

值得关注的美国电动汽车还有以下几款车型：特斯拉的Model S，已于2012年发布，其价格约为漫步者的一半多一点儿；价格昂贵（8.8万美元）的菲斯科卡玛（与Volt的工作原理一样）；价格更具优势的中型轿车科迪达（3.5万美元），旨在终结汽车对石油的依赖。同时，日本和中国的企业也开始生产电动汽车，雷诺——日产联盟对于电动汽车的未来预测更加大胆，雷诺——日产联盟的总裁卡洛斯·戈恩（Carlos Ghosn）相信到2020年，电动汽车将占领10%的全球汽车市场份额，所以雷诺——日产联盟计划出租一小组的电动汽车。[4]夏嘉曦（Shai Agassi）掌管的百特普雷斯汽车公司计划卖掉雷诺——日产汽车业务但保留电池业务，并首先在丹麦和以色列建设庞大的充电站网络。[5]

如此美好的愿景需要接受来自现实的层层考验，我下面只介绍几项重点内容。截至2020年，全球汽车市场年需求量约为8000万辆，如果要实现雷诺——日产联盟的市场预测，那么汽车制造商在10年间必须生产800多万辆纯电动汽车。然而，这与混合动力汽车的发展颇为相似，经过十多年的发展，2009年混合动力汽车在美国的市场份额依旧不足3%，上述市场预测又如何能实现呢？当生产商将大胆的电动汽车计划公布时，他们处理大量电池订单的速度却相当迟缓，这如何能满足数以百万计的电池需求呢？[6]如果大城市中30%~60%的汽车都停在路边，车主又如何给电动汽车进行充电呢？

在郊区，我们大规模推广纯电动汽车之前必须建设高密度的充电站，使用户可以在车库进行充电，这正是IHS全球观察认为2020年全球纯电动汽车市场份额仅为0.6%的原因所在，[7]也是为什么大多数预测认为截至2050年，电动汽车在新增市场份额中的占比不足25%，[8]甚至解释了德国准备在2012年对电动汽车的车主给予资金补助，但到2020年电动汽车数量却不超过100万辆。[9]2010年，德国道路上的汽车总量接近5500万辆，截至2020年，德国所有载客汽车中电动汽车占比不足2%。由此可见，任何关于纯电动汽车快速占领全球汽车市场的想法都非常不切实际。

即使电动汽车的发展比实际预想的要好，我们仍须思考“按下开关”对实际能源需求将产生怎样的影响。基于电动汽车独特性能和最新的交通数据，我们通过简单的数学计算和一系列合理假设就能计算出“按下开关”会对美国能源发展产生怎样的影响。在测算全部或部分电动汽车对美国电力供应的整体影响时，我们假定改装的Smarts或PT漫步者以及售价低于10万美元的跑车将成为未来美国日常的交通工具，这是很天真的想法。与美国当今主流的汽车（运动型汽车、搬运车和小型货车）尺寸相当的电动汽车每公里耗电量至少为150Wh，年行驶车程2万公里的电动汽车平均耗电为3MWh。

2010年，全美载客汽车、运动型汽车、搬运车和小型货车的总量约为2.45亿辆。在美国，如果全部汽车都换成电动汽车的话，理论上每年至少需要750TWh的电量。这个估算建立在所有电动汽车都可用于日常的长途旅程这样大胆的假设基础上，包括单程100多公里的路途。根据实际情况，每辆车耗电3MWh（或全部电动汽车每年耗电750TWh）的理论估值需进行调整。锂离子电池的充换电效率为85%，[10]约10%为自放电损耗，所以每辆电动汽车年耗电约为4 MWh，或者全部电动汽车年耗电量为980 TWh。这是非常保守的估计，因为中型电动车耗电量为每公里300Wh，或者相当于每年6MW。[11]这项保守估算得出的电动汽车耗电量相当于2008年美国发电量的25%，美国公用事业企业需花费15年的时间（1993~2008年）实现该新增产能。[12]电动汽车用电需求紧随着家庭、服务和其他产业的用电需求而增长，尽管发电所需的必要设备和节能技术的应用日益可行，但期望20年内实现该产能增长就过于乐观了。

金特纳·迈耶（Kintner Meyer）、施耐德（Schneider）和普拉特（Pratt）（2007）认为对于电动汽车耗能的估算是不正确的，因为2001年（估算的基准）美国共有1.73亿辆小汽车、客车和运动型汽车，当时美国未充分利用的发电装机容量就能够满足这73%的轻型电动汽车的用电需求。同时，这个估算还假定混合动力汽车电池充满电后一天可行驶33英里（相当于53公里），其他电能都来自燃煤和燃气发电厂，这就需要燃煤和燃气发电厂的平均容量系数分别从73%和40%都提升到85%，用户在任何时间段都可利用满足平均用电负荷以外的电力进行充电。如果电动汽车仅在下午6点到早上6点之间充电，在不新增装机容量的情况下，额外的发电量则无法满足73%的轻型电动汽车的用电需求，而只能满足43%的需求。[13]

一篇名为“美国零成本推广电动汽车”的博客文章对这些结论相当赞同，当然这只是荒谬的曲解，金特纳·迈耶和他的同事并没有得出类似的结论。他们的研究是纯理论的研究，他们认为现有的发电设施和装机容量能否支撑高负荷运转还是存在疑问的。此外，他们提出的“削峰填谷”策略几乎能够完美地解决数以百万计的电动汽车的充换电问题，即在电力需求较低的时段充分利用剩余的电量，不会引起新的电力高峰需求。这项举措需要大量新的基础设施来支撑，在工作场所及停车场建设充电站，保证用户在白天能够给电动汽车充电，实现前所未有的高度调配和自动化控制。

尽管不需要增加新的装机容量，但我们仍需增加额外发电量。2008年，49%的美国电量依赖于燃煤，20%通过天然气获取，20%左右为核电，6%为水力发电，剩下的5%来源于原油、风能和地热。[14]美国电能平均利用效率为40%，再加上发电厂的内部损耗和输电损耗10%的比例，这意味着年平均耗电量为4MWh的电动汽车需要消耗11MWh（相当于40 GJ）的能量。

年平均耗电量为4MWh的电动汽车每公里耗能2MJ，相当于每加仑38英里（每百公里耗油6.25 L），其能源利用率低于很多新的纯汽油机车型，不如先进的混合动力汽车和汽柴油机型（详见下文）。基于金特纳·迈耶和其他研究人员提出的假设，我们可以得出类似的结论，这意味着与能源利用率更高的汽油内燃机汽车和混合动力汽车相比，纯电动汽车节能减排的成效并不是非常显著，除非电动汽车所需的电能全部来自可再生能源，而不是依赖于当前煤炭、天然气、核能和水力混合发电的模式。

欧洲电动汽车的最新研究报告也得出类似的结论，报告题为“如何避免电力震荡”。[15]如果全面普及电动汽车，整个欧盟的电力消耗将增长15%，除非电动汽车所需的电能全部来自可再生能源，否则电动汽车不会降低碳排放。通过风能或太阳能给电动汽车供电是最优的选择，但如果电能来源于燃煤，混合动力汽车将优于纯电动汽车。[16]全球范围内，国际能源署通过计算得出，到2050年全球交通电力需求量将占总发电量的20%，需要增加2TW的装机容量。[17]这意味着将全球现有的总装机容量增加50%，且新增的装机容量全部来自可再生能源，50年后有可能实现，但20~25年都是无法实现的。

[1] Jaffe 2007，44.

[2] General Motors 2009.

[3] Farah 2008.

[4] Renault 2009.

[5] Better Place 2009.

[6] Tollefson 2009.

[7] IHS Global Insight 2009.

[8] European Federation for Transport and Environment（EFTE）2009.

[9] Deutsche Welle 2009.

[10] Eberhard and Tarpenning 2006.

[11] EFTE 2009.

[12] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[13] Kintner-Meyer et al.2007.

[14] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[15] EFTE 2009.

[16] Ibid.，5.

[17] International Energy Agency（IEA）2008.

效率更高的汽油发动机

我们必须认识到，汽油内燃机效率是可以大幅提升的。目前，由戴姆勒发动机研究实验室设计的汽柴油混合发动机就颇具独特性，最具发展潜力。[1]这款发动机在满负荷时采用传统模式运行，通过直接添加汽油进行火花塞点火，但在部分负荷时（中低速日常行驶情况下），发动机将转换为自动点火（柴油）操作。除此之外，这款发动机采用涡轮增压。汽柴油混合发动机的独特性意味着在气缸数量更少和位移更短的条件下，发动机的性能更好，耗油量更低，氮排放也更少。

戴姆勒希望将汽油发动机打造成像柴油机一样经济实惠，而这一目标很快就能实现，汽柴油混合发动机未来耗油量超过60英里/加仑亦可实现，超过目前燃油效率最高的混合动力汽车的油耗（丰田普锐斯城市行驶循环油耗为55英里/加仑）。除了可变的阀门控制之外，戴姆勒发动机研究实验室目前还在研发可在4冲程和2冲程之间进行转换的发动机，动力需求较低时可关闭1个或2个气缸，并临时按照阿特金森循环而按照非标准奥托循环来运行。

通过电动汽车降低全球碳排放的唯一办法就是使电动汽车所需电能全部来自无碳能源。在此，我们又得考虑到规模的问题。风能或太阳能的低负荷率（约25%）意味着实现1PWh的可再生能源发电需要安装容量为450GW的风力涡轮机和太阳能光伏电池，相当于2007年全美装机容量的一半，这将是一项工期高达数十年的庞大工程（在美国，达到该装机容量需花费近30年的时间），投资成本至少为5000亿美元。

高性能电池和更佳的汽车性能都会明显降低用电量需求。有关电池研发取得重大突破的消息日益增多，例如空前的电池密度和耐用性，不过我尚未看到有任何证据表明，将这些新颖的发明应用到年销售量高达数百万辆的汽车上以后，汽车的性能会较现在可得到大幅提升的可能性。我认为，就像爱迪生的发明之路一样，前方的道路充满荆棘，同时发展速度也不及英特尔。

相比推广任何性能优越的新型电池，将拥有轻便、耐用外壳的汽车改装成电动汽车推广起来更容易，但该类型汽车在汽车总量中的占比若想达到一定份额（约15%）至少需要两个平均生命周期（美国汽车平均生命周期为9年）。客观事实表明，汽车电力驱动的转变（就像反对购置昂贵汽车一样）涉及的技术繁杂且投资高昂，只能循序渐进地推动。即使我们假定电力驱动效率提高一倍，如果所有或大部分电动汽车依赖于可再生能源发电，我们仍需考虑其他的问题，晚上数以百万计的电动汽车需要在车库里充电，用电需求猛增，与白天风光发电容量极其不匹配。

锂离子电池现在得到广泛宣传，但它还是有一些非理想化的特性。[2]锂离子电池在非工作状态下依然会释放电能，所以一次都没用过的老化锂离子电池的使用寿命要比新的电池短很多。锂离子电池的使用寿命一般为2~3年，而汽车的主要组件的设计寿命至少为10年。

特斯拉的工程师期望汽车的电池组性能损耗在5年内降低30%，但是这种不可逆转的性能损耗取决于温度，在冰点温度，充满电的电池一年的性能损耗为6%；在25℃下，电池性能损耗为20%；40℃下，性能损耗为35%。在美国，夏天的电池性能损耗也不容忽视，尤其40%的电动汽车行驶在阳光充足的地区，这些地区夏天的气温通常为30℃甚至更高。

小型汽车和性能更好的电池（例如人们驾驶迷你Tango）将减少所需电量负荷，并帮助电动汽车从小众市场拓展到主流市场。但是，不管从短期还是长远来看，相信“按下开关”驾驶电动汽车将解决美国汽车行业对进口石油的依赖，都是极其不现实的，甚至是虚妄的。

即使不考虑2008年和2009年汽车市场衰落的严重后果以及美国汽车制造业三大巨头中已有两家企业破产，我们仍要看到，无法预测的变革可能会改变汽车未来的发展走向。在商业化应用初期预测新技术也是如此，2010年电动汽车的转型速度可能要比想象得快，这在一定程度上证明了美国汽车行业的过剩和衰败。但是，在21世纪的第二个10年，电动汽车不太可能在汽车行业中占据主导地位，我们需要花费数十年的时间断定电动汽车将在多大程度上替代内燃机汽车并成为美国效率更高的个人交通工具，而非短短几年。

[1] Daimler 2009.

[2] Nazri and Pistoia 2004.

第2章　核电将会便宜得无须计量

“便宜得无须计量”或许将是未来新能源转换最为流行，当然也是最为广泛引用的表述，这并不是个伪命题。1953~1958年任职美国原子能委员会主席的李维斯L.施特劳斯（Lewis L.Strauss）曾于1954年在纽约对美国国家科学作家协会表示，我们的孩子将可以在家里尽情享受生活，因为电能便宜得无须计量。施特劳斯还说这并非遥不可及，未来世界上周期性的区域大饥荒对我们的孩子来说，将只是历史事件，他们可以通过海上、海下以及低风险高速率的空中交通工具轻松地旅行，他们的寿命也比我们长得多，因为医药发展打败了疾病，人类开始了解衰老的原因，上述便是和平时代的预测。[1]

很明显，这只是对未来的简单展望，施特劳斯甚至没有明确核裂变与便宜得无须计量的电能之间的联系，以致后来有人认为他一心想的就是核聚变的商业化。[商业化裂变通过中子分裂出最重的天然元素（铀）的原子核；聚变将最轻的原子核、核动力和氢弹爆炸进行融合，聚变的商业化一如既往地难以捉摸。]施特劳斯的言论显然不能简单地从字面理解，即使是“免费的”电能也必须通过变电、输电和配电再提供给用户，在变、输、配电的过程中，我们需要建设和维护庞大且昂贵的基础设施。或许我们这样解释该声明最符合逻辑：施特劳斯希望电能变得相当便宜，家庭用户可以按月度或年度以固定的费率付费，而不按照实际消耗电量支付费用。

但是上述内容并不切题。施特劳斯的结论有自己的特色，体现出技术的傲慢之处，即那些傲慢的创新者不切实际的自负态度，所以自此之后，施特劳斯的结论一直被核电的批评者用来诋毁该行业的公信力。然而，隐藏在这个夸张声明背后的现实更加复杂。许多电力工程师和公用事业企业的经济学家对核电的技术成熟度、成本和潜在风险提出质疑，他们毫无推动核能发电的热情，甚至怀疑其是否可以作为现代电力供应的一部分，美国原子能委员会的第一任主席戴维E.利连萨尔（David E.Lilienthal）也是其中一员。1955年，在第一届和平利用原子能国际会议期间，利连萨尔在他的日记中这样评价了核能发展的近代史——“核能发展是一种营销、一种宣传，人们过度狂热，丧失了理智。这些人都是狂热者或发烧友，警告狂热者！”[2]不过，与施特劳斯的结论不同，这些诅咒的话语没有成为核电研究的一部分。

包括许多杰出的科学家和工程师在内的狂热者都分享了施特劳斯的结论，这股热情一直持续到了20世纪70年代。因此，我认为施特劳斯的展望体现了许多博学的人们对新生核能发电的厚望。现实情况却迥然不同：尽管核电取得了一些不可否认的成功，但这只是最初承诺的一部分。更重要的是，在所有发达经济体中，核裂变最终未能成为主要能源来源。当人们回顾为什么最初要对核电寄予厚望，为什么这些期望从未实现，便会发现核电只是技术创新史上突然逆袭的最有趣现象之一。

[1] Strauss 1954, 5.

[2] Lilienthal 1959，21.

和平利用核裂变

20世纪40年代后期，也就是曼哈顿计划以及广岛和长崎原子弹轰炸之后，核能发电需求寥寥无几，在经济效益上也没有令人信服的理由来快速发展核电。跟许多著名核专家一样，美国公用事业企业和发电设备制造商都非常谨慎地评估了核电的前景。核能发电在20世纪后半期发展迅速，对于这种情形，丽贝卡·劳文（Rebecca Lowen）给出了很多解释。[1]美国的一个重要考量便是通过对核裂变的和平使用来缓解轰炸广岛和长崎的负罪感，美国在政治和战略上的考量也不容忽略，美国不希望被苏联超越，同样也不希望被英国和加拿大超越，英国和加拿大已经制订了早期的核计划。

1953年12月，在第一台苏联热核反应装置爆炸后，德怀特D.艾森豪威尔（Dwight D.Eisenhower）总统宣布了原子和平计划。该计划试图证明美国的核能不具威胁性，是和平发展的，并且能够吸引不结盟运动国家对新能源的注意力，民用核能发电并不是这个计划的首要目标。

该计划需要一个可运行的反应堆，当时唯一一个用于非武器生产且可行的反应堆设计是为美国新型潜艇提供动力的设计方案。在海军上将海曼G.里科弗（Hyman G.Rickover）的带领下，经过快速创新，美国第一台核潜艇鹦鹉螺号于1954年1月下水。[2]这就是为什么美国原子能委员会指定里科弗实施首个民用核电项目——宾夕法尼亚州希平港迪凯纳之光核电站，里科弗采用了同一类型的通用电气压水反应堆（PWR），这个类型的压水反应堆曾被用于核潜艇。英国首个核电厂科尔德霍尔运行一年后，上述反应堆于1957年12月2日达到临界浓度。[3]美国把潜艇反应堆设计应用于发电，压水反应堆成为全球主流的核工业技术，尽管压水反应堆当时只是考虑起到过渡性作用，但还是实现了快速部署，这项技术的部署对未来产生了深远影响。[4]

20世纪50年代后期，美国首个国家核计划的启动并没有引发核发电的疯长；1965年之前，美国公用事业企业只购置了12个反应堆。真正的商业化应用发生在20世纪60年代后期，1965~1969年，核反应堆购置数量达到83个；到1970年夏末，美国运行中、在建中和已购置的核反应堆数量已达到107个。核能发电开始腾飞，人们对核能发电终极影响的预期也快速增长。

1971年，美国原子能委员会主席格伦·西博格（Glenn Seaborg）和一位获得诺贝尔奖的化学家在第四届和平利用原子能国际会议上发表了演讲，这个演讲比施特劳斯1954年的言论更具有想象力。[5]西博格认为，到2000年，核能“无法想象的好处”将会提高全世界多数人的生活质量。裂变反应堆几乎能够满足全世界的电力需求，而且将通过综合性粮食生产改变全球农业的面貌。西博格大力宣传核电关联产业，这个理念在1956年由理查德L.迈耶（Richard L.Meier）提出，后来橡树岭国家实验室进行了更深入的研究。[6]这些关联产业以大型核电厂为中心，坐落于沿海沙漠地区，为海水淡化、化肥合成、工业生产以及集约化作物的种植提供电能，使沙漠地区更适合人类居住。

到2000年，很多关于核电的想法会出现：“承载小型核反应堆的巨型对地静止轨道卫星将转播电视节目”；核动力油轮以及其他商船“可以在海上航行”；“核炸药会被广泛应用于”地下采矿和修整地球表面，改变河流流向，抑或在阿拉斯加州和西伯利亚修建新运河和新港口；“核动力”将会载人到火星。[7]西博格与物理学家威廉姆·科利斯（William Corliss）一起倡导打造地下城市，又称“地下前沿”，这需要使用核炸药进行铺建。现有的城市地面可以被恢复成旷野，到时人们只需搭乘电梯即可进入地下城市。[8]如果没有核能，文明进程将会慢慢停下来。

但是，西博格对核电的热忱并不是特例，其他专家可能想象力不那么丰富，不过他们也预测到了相似的情形。麻省理工学院首席核能专家戴维J.罗斯（David J.Rose）注意到，1973~1974年油价的上涨“证明了多年前的趋势预测是正确的：向核电大规模转移，未来核电将会有其他用途。”他认为，到2000年核电装机容量达到1TW的预测貌似合理，并称核电是“迄今为止最大的相关技术投入，并将产生深远影响。”[9]1967年，诺贝尔物理学奖获得者汉斯·贝特（Hans Bethe）致力于恒星上核能释放的研究，他认为“大力发展核电不是一种选择，而是必然趋势”。[10]

20世纪70年代早期，美国核反应堆建设成本降低的好消息似乎证明了核电的乐观前景。例如，1970~1974年，由芝加哥联邦爱迪生公司建设完工的6台核电机组成本为每千瓦147~280美元；1965~1975年，公用事业企业投产的燃煤机组成本为每千瓦113~218美元。但是，这种对比具有欺骗性，较昂贵的燃料价格以及火电厂必须安装脱硫（FGD）洗涤器来去除排放物中的二氧化硫，意味着核能发电的运行成本比安装烟气脱硫设备的火电厂的发电成本要低20%，与不配备洗涤器的机组的发电成本相差无几。罗森（Rossin）和瑞耶克（Rieck）由此得出结论：“核电厂是值得投资的，其已经为用户节省了可观的费用。”[11]1973~1974年，由石油输出国组织推动的第一轮原油价格上涨只会推动核电的发展，核电将降低美国对昂贵且逐渐不确定的中东原油供应的依赖性，我们如此期望也是符合逻辑的。

[1] Lowen 1987.

[2] Rockwell 1992.

[3] Atkins 2000.

[4] Cowan 1990.

[5] Seaborg 1971.

[6] Meier 1956；Oak Ridge National Laboratory（ORNL）1968；Seaborg 1968.

[7] Seaborg 1972，34.

[8] Seaborg and Corliss 1971.

[9] Rose 1974，351.

[10] Bethe 1977，59.

[11] Rossin and Rieck 1978，582.

放弃核电

然而，国际油价成五倍地上涨实际上也给核电的命运带来了极其负面的影响。高油价、高通货膨胀、低经济增长率以及迟来的节电建议都是降低几十年来电力需求高速增长的主要因素。直到1970年，电力需求大概都每10年翻一番，年均增长率约为7%，但是1973年以后，电力需求年增长率降至2%~3%，而且有些国家和地区陷入了长期的停滞状态。美国经历了从20世纪70年代早期装机容量短缺到20世纪80年代装机容量大量过剩的过程。

这仅仅是停止并扭转核电扩建形势的主要原因之一。20世纪70年代早期，大量新建电厂的订单导致熟练工人短缺，造成工程的重大延误，日益烦琐的规章制度也使这些问题更加严重。长时间延误以及巨大的成本超支成为常态，在20世纪70年代早期，完成一台核电机组的建设大约需要50个月，而在20世纪80年代早期，则需要130个月，在此期间，对于现场熟练工人的需求每年都增长13%以上。截至1971年1月1日，美国共有几百项关于核电厂设计与施工的规范和标准；到1975年，相关规范和标准超过了1600项；而到1978年，平均每个工作日都会颁布1.3项核工业新法规。[1]

因此，新建机组成本开始逐步上升（见图2-1）。从1980年开始施工到1992年完成建设的核电厂，成本预计超过每千瓦3000美元，而一台于1975年完工、工期不足6年的机组的成本为每千瓦240美元。接下来的情况更糟糕：加利福尼亚州代阿布洛峡谷核电站的最初预算成本为4.5亿美元，而实际花费44亿美元；纽约的肖勒姆核电站的工期延迟了9年，预算投资成本2.41亿美元，而实际总投资为60亿美元。到20世纪80年代后期，成本超支的情况非常严重，一项关于在建核电站的研究表明：可能除了东南部地区的核电站，核电站停建是耗资最低的选择，很多核电站也确实没有完工。[2]

图2-1　美国1GWe核电发电成本趋势

注：该图表显示的是启动日期在1967~1980年的项目的成本情况

资料来源：Olds（1982）。

美国1978年以后就没有建设新的核电站，1974~1978年建设的13个核电站最终也停建了。截至20世纪80年代中期，核电的实际发展并未达到最初的预期。20世纪70年代初期，国际原子能机构预计，到2000年全球可用的核电容量最高可达4TW，全世界核反应堆装机容量将达2.5TW。1980年，国际原子能机构预计2000年核能的装机容量下降到不足1TW，而到1990年，该数值低于500GW，比最初的预测缩减了20%（见图2-2）。[3]2000年，全球438个已投入运行的核电机组实际发电量为351 GW，仍低于之前的预期数值。[4]

图2-2　世界核电装机容量预测值与实际值

资料来源：Semenov and Oi（1993，4）中的图表。

[1] Olds 1982.

[2] Feldman et al.1988.

[3] Semenov and Oi 1993.

[4] International Atomic Energy Agency（IAEA）2008.

寄希望于快中子增殖反应堆

尽管核电已在衰退的过程中，但新的希望正冉冉升起。全世界的专家一致认为水冷或气冷反应堆只是临时的选择，其最终将被液态金属快中子增殖反应堆所取代。这种反应堆利用高浓缩铀-235核燃料产生的快中子，将储量更丰富但不可裂变的铀-238（存储在堆芯外围再生区）转化为可裂变的钚-239，该增殖最终生成的核燃料数量比消耗的至少多出20%。由于液态钠的成本低、传热佳，它成为冷却剂的首选。

里奥·西拉德（Leo Szilard）于1943年曾构想快中子增殖反应堆，阿尔文·温伯格（Alvin Weinberg）和哈利·苏达克（Harry Soodak）于1945年首次提出钠冷却反应堆概念。1951年，在美国爱达荷福尔斯市，一个与发电机相连的小型实验性反应堆实现了世界上首次核裂变发电，核裂变产生的电能先后点亮了四个200瓦灯泡，然后点亮了实验室所在的整幢建筑。[1]随着美国压水反应堆订单数量屡创新高，温伯格非常自信地表示“核增殖反应堆一定会取得成功”，并预测“该类型反应堆很可能成为人类的终极能源。”[2]美国西屋电气公司也认为“在快速增长的能源中，核电将带来巨大的经济效益。”[3]通用电气在1974年预测，快增殖反应堆的首次商业化运营将始于1982年，到2000年，核反应堆发电将占据美国大规模新型热能发电市场的50%。[4]通用电气预测，1981年以后新的裂变反应堆建设将迅速衰落（见图2-3中的轻水反应堆、轻水堆），1989年以后新的化石燃料装机容量将不再增加，1992年以后美国增殖反应堆发电将在电力生产中占据主导（见图2-3）。

图2-3　通用电气对美国发电的预测

资料来源：Murphy（1974）。

来自其他国家和地区的专家也同意以上预测。20世纪70年代苏联、英国、法国、德国、意大利、日本和美国都推行液体金属快速增殖反应堆项目。美国增殖反应堆示范项目最初计划于1975年完成，耗资1亿美元，随后推迟至1982年，预算成本高达6.75亿美元。由于铀成本下降，而且从废核燃料中分离钚的再加工成本不断上涨，液体金属快速增殖反应堆项目变得极不划算，因此整个项目于1983年被废弃。[5]

法国却一直在坚持，1986年在克雷伊斯——马尔维尔建成了1200MW快堆示范项目——超凤凰（Superphenix），但在此后的11年里，超凤凰全功率运行时间不超过10个月。1998年2月，法国总理莱昂内尔·若斯潘（Lionel Jospin）证实该反应堆最终关闭。日本的快堆于1994年开始运行，但是次年就因二次回路中泄漏600多公斤的液态钠冷却液而关闭。[6]人类技术进步史上如此惊人、大规模的技术失误出现的次数并不多。在经过数十年的大胆规划、谨慎而高成本的准备与研发，以及数百亿美元的样机投入之后，快堆计划彻底夭折。相关研究仍在继续（目前大多集中在亚洲的中国、印度、日本和韩国），但是快堆所蕴含的真正商机依然虚无缥缈。

相比之下，尽管最初贸然使用的常规反应堆，远未达到先前预测的市场渗透率，但目前数以百计的反应堆仍在30多个国家可靠运行，核能在全球范围内确实带来了巨大改变，在某些国家效果尤其明显。2008年，全球共有439个核电站，总净装机容量约371GW，仅占全球总装机容量的11%，但核反应堆的负荷率，即实际用来发电的时间比率，明显高于化石燃料发电或水力发电。运行状况良好的核电站有效发电时间比率为95%，美国目前的平均值接近92%，较1995年的75%有显著提高。[7]燃煤机组有效发电时间比率为65%~75%、水力发电为40%~60%，而风力发电只有25%。归功于核裂变的高负荷率，它提供了全球约16%的电力供应。[8]对于个别国家而言，这个比例更高，例如法国为78%，日本约为30%，美国接近20%。[9]

此外，个别核电站已经成为最大的发电基础设施，装机容量普遍超过1GW，一些核电站的装机容量已高达5GW，而涡轮发电机组的装机容量多介于200MW~800MW。相较而言，2007年最大的风力涡轮机组的总装机容量为5MW，而装机容量最大的光伏电池峰值发电量为4MW~6MW。核裂变是一种可靠的、大容量、高负荷发电方式，由于可再生能源普遍具有容量因子低、中等负荷及不可预测的间歇性运行的特点，因此核裂变是各种可再生能源转换方式的理想补充。

[1] U.S.Atomic Energy Commission，Division of Technical Information 1971.

[2] Weinberg 1973，18.

[3] Creagan 1973，16.

[4] Murphy 1974.

[5] Von Hippel and Jones 1997.

[6] Japan Nuclear Cycle Development Institute（JNCDI）2000.

[7] International Atomic Energy Agency（IAEA）2008.

[8] Ibid.

[9] Ibid.

核能源的新情况

核能发电几乎是无碳式发电，它已赢得了许多新的支持者，[1]其中包括先前有名的两位反对者，绿色和平组织[2]创始人帕特里克·摩尔（Patrick Moore）和盖亚假说的提出者詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock，其假说将地球视为一个自我调节的超有机体）。[3]他们和许多人一样认为，核能发电是个最好且最可行的选择，可防止全球变暖加速，减少其带来的灾难。事实上，该结论很令人质疑，因为即使目前的核能装机容量扩大10倍也只能减少2000~2075年碳排放预测累积值的15%。[4]然而，全球变暖带来的威胁已经改变了许多人的想法，2005年原油价格开始了新一轮的上涨，这进一步刺激人们将目光转向核能。甚至那些曾持怀疑态度的科学期刊现在也对核能更加开放：“友好型原子准备卷土重来了吗”[5]；“核能复活”[6]以及“核能复苏猜想”[7]。

但是，这些足以扭转大众对核能发电安全的担忧吗？这可是核能前进道路上的另一大障碍。由于核能独特的历史、复杂性和危险性，核电从一开始就被严加审视。[8]1979年，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站事故使公众对核电的危险性抵触逐步加深，这场事故中约70%的反应堆堆芯受损，一半已经熔化。[9]1986年5月，乌克兰切尔诺贝利核电站灾难导致欧洲更加持久地反对核能发电，该事故中堆芯熔化程度更高，反应堆堆芯放射性释放达到5%。[10]这项事故归咎于反应堆外壳结构的设计缺陷，错误的操作流程，以及缺乏培训的人员（对于任何西方国家的核电站而言，这三种状况不会同时出现），不过随着放射性烟羽漂过整个欧洲大陆，污染了东欧和北欧大片地区，事故的原因也就变得无足轻重了。

核辐射对人类健康的影响比预期的后果还要惨烈。[11]对安全性的反复保证同乌克兰地区被疏散的人群、生病的孩子和大片荒芜地区的场景形成强烈的反差，切尔诺贝利事件在未来数十年内都会持续影响核能发展，尤其会影响欧洲核能的发展。任何认真研究比较风险的学者都会感到恼怒，因为多年来为证明西方核电的可行性所做的分析和运行经验积累都变得毫无价值了。“9·11”事件之后，人们除了担心高放射性废料的永久存储、核能发电的实际成本、反应堆事故的发生率、对环境短期和长期的影响，以及裂变发电和核扩散的关联性，又开始担心核恐怖主义。[12]恩里科·费米（Enrico Fermi）在二战结束前就发现了核能的高放射性和被恐怖分子利用的危险，他当时认为，“大众能否接受这种能源还不确定，因为它将产生大量放射性，同时可裂变物质还可能被恐怖分子所利用。”[13]我们在知晓这些潜在危险的前提下，一意孤行了半个多世纪，却未能真正解决相关的问题。

如果一个崭新的全球核能时代到来，那么它必须建立在更完善、更有效、更安全的内在设计的基础之上，这些设计已经进行了25年有余。[14]或许就像爱德华·泰勒（Edward Teller）在其核物理最新著作中所设想的那样，最激进的解决办法就是将反应堆深埋在地下，不再添加燃料。[15]

上述内容都表明无论是在欧洲还是北美，核能并没有真正复苏，只有少数国家依然在大幅增加核电的装机容量并计划进一步发展核能，这些国家包括法国（核能发电项目的成功基于威斯丁豪斯加压水冷却反应堆设计的模块化配置）、日本、韩国、印度、俄罗斯和中国。中国的计划十分大胆，官方数据显示，到2020年，中国核电装机容量将达到40GW，而近期的预测值可能高达70GW。[16]目前，美国核电装机容量刚刚超过100GW。[17]但是，如果全球核工业希望到2030年依旧能够保持其当前在总发电量中的占比，核电的装机容量还需不断增加，从2009年开始，每16天就需要新建一个1GW的反应堆，而这几乎不可能，尤其考虑到近期金融危机对核电复苏计划的影响，就更不可能了。[18]

[1] It is not entirely carbon-free，because fossil fuels are still needed to mine and process uranium and to produce the materials needed to build power stations.

[2] Moore 2006.

[3] Lovelock 2006.

[4] Van der Zwaan 2002.

[5] Marshall 2005.

[6] Marris 2006.

[7] Charles 2007.

[8] Hohenemser et al.1977.

[9] Denning 1985；Walker 2004.

[10] Hohenemser 1988；Nuclear Energy Agency（NEA）2002.

[11] Nuclear Energy Agency（NEA）2002.

[12] Garwin and Charpak 2001；Chapin et al.2003.

[13] Weinberg 1994，17.

[14] Organisation for Economic Cooperation and Development（OECD）2000；International Atomic Energy Agency（IAEA）2006.

[15] Teller et al.1996.

[16] China Daily 2009.

[17] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[18] Ferguson et al.2009；Brumfiel 2008.

成功的失败

我把核裂变发电称为“成功的失败”。[1]其他主流电力生产方式不同于第一代裂变反应堆，未能迅速实现商业化应用，从1942年12月2日芝加哥大学的第一个持续的链式反应，到1965年以后新建核电站的大量涌现，时间仅仅过去了25年。其他电力生产方式也没有远低于最初的预期，[2]没有获得如此慷慨的政府补贴。美国的数据显示，美国国会为了支持1947~1998年能源的相关研发，给予政府资金补助，核工业得到其中96%以上的补助，总计约1450亿美元。[3]

目前，从全球范围来看核电和水力发电一样重要，但为了保持现有的市场份额（约20%），核电装机容量应该保持相对适度但平稳的增长，从而防止未来10~20年市场份额的下降。考虑到核电的多种外部问题还未妥善解决（包括铀矿工长期的身体健康危害和反应堆停止运行的成本），核电的经济效益一直饱受争议，最重要的是到目前为止，包括对核电做出大胆承诺的法国在内，任何国家都还没有研究出能够永久存储小规模高放射性废物的可行性办法，通常高放射性废物必须要隔离数千年。

目前的失败并不能说明我们找不出有效的解决方案。核电的失败表明大众错误的风险认知对政府政策会产生巨大的影响力，也表明面对挑战，政府当局还是一如既往的无能。考虑到核电是现有的唯一能够实现低碳足迹的吉瓦级策略，它的失败让人更加难以接受。这就是为什么应将核能作为减缓全球变暖重要尝试的一部分，不过如果人们认为在未来10~30年，核电将是唯一最有效的策略，就太天真了，我们最好只是期望核电会贡献自己的一份绵薄之力。

[1] Smil 2006，63.

[2] Bupp and Derian 1978；Weinberg 1994；Cohn 1997；Makhijani and Saleska 1999.

[3] Nuclear Information and Resource Service（NIRS）1999.

第3章　分布式能源幻想

1976年10月，《外交》杂志刊登了一篇艾默里·洛文斯的长篇论文，题为《能源战略：未选择的路》。这篇论文的题词引用了罗伯特·弗罗斯特（Robert Frost）的诗歌《未选择的路》中的最后一段——“树林里岔开两条路，而我，选择了人迹罕至的那一条。”洛文斯也是如此，选择了那条人迹罕至的道路，他不随波逐流，反对旨在提升综合能源供应的符合常规商业逻辑的美国能源政策，尤其是发电方面的政策。相反地，洛文斯选择了分布式能源发展之路，他坚信“可再生能源在满足用户端能源供给和质量要求下将快速发展”“能源的高效利用也将尽快实现”。[1]

洛文斯毫不怀疑选择分布式能源会带来的结果。与第一条发展路径相关联的众多经济和社会政治问题最终都不可逾越，而洛文斯讨论的第二条道路在经济、社会和地缘政治方面具有优势，例如有效消除全球范围内的核扩散。“重要的是认识到这两条道路是相对立的，”他写道，“在未能阻止核扩散以及在消除核扩散之前，我们必须快速选择其一。”[2]对于洛文斯来说，包括光伏发电以及太阳能集热装置的技术在内的分布式能源技术并不需要更加精湛；事实上，这并没有什么特别或稀奇的。他断定，可用分布式能源的转换更经济时，美国将构建大型、综合性的太阳能经济。

[1] Lovins 1976，65.

[2] Ibid.，65–66.

分布式能源的优势

洛文斯提出许多毋庸置疑的主张：其中最值得一提的便是，他坚持认为“无论我们是否使用，可再生能源就在那里”，“通过利用大部分天然能量的自有分布，分布式能源转换会在规模上和地理分布上与终端需求相匹配。”[1]他宣称，分布式发电可以降低，甚至能消除固定配电成本（从输电线路和变压器到计费电脑和办公人员），而节约下来的成本远超过维护这些小系统分散式基础设施的成本。但是，“小”的概念总是不变的——即使洛文斯认为并不是所有的能源系统都需以家庭为单位，他也只是考虑到服务于社区或群落的中等规模系统，而不包括任何高度集中的区域。

他自信地预测到许多具体变革，包括将农业、林业和城市废物转化成甲醇和其他生物燃料这样“激动人心的发展”，这些燃料“足以支撑美国运输领域的高效运转。”[2]对于洛文斯来说，分布式能源之路的价值远不止为解决世界能源问题提供强大的解决办法。使用分布式能源不仅经济实惠，也相当“优雅”，这也是被工程师珍视的一个特点；小规模且分布式的能源转换将惠及贫困人口，它们将为“世界的公平与秩序”带来“迅速且显著”的贡献。其实，当这些能源转换发扬社区团结和自给自足的精神时，它们也将彻底地促进民主的传播；同时，为本身具有破坏性和危险性的集中式能源提供安全和“无生态危害”的解决方案。[3]

尽管洛文斯的这篇论文有36处引用，但奇怪的是，它没有参考分布式能源一个最主要的启示。厄恩斯特F.舒马赫（Ernst F.Schumacher）的《小即是美》这本很薄的书却迅速使其成为“小”这一主题最有影响力的倡导者。[4]是英国的一位经济学家、统计学家和国家煤炭委员会的长期顾问，他对经济发展的研究方法基于四个基本原则：尽可能使事物袖珍，减少资本强度，简化过程，使用非暴力手段。

对于全球经济发展战略的新形式而言，舒马赫的研究成果是一项重要的理论依据，其中战略新形式的关键要素就是中间或适用技术。结合了中间或适用技术的小规模、简单的技术工艺与大规模、高科技的方法形成了鲜明对比，大规模、高科技的方法并不能满足贫穷且人口众多的国家的巨大需求（无论是就业、食物还是能源）。毫无疑问，洛文斯在《外交》杂志上发表的文章应该被看作是舒马赫主义一般原则在能源事务中的特殊应用。

但是，在精炼出洛文斯这篇论文的主旨之前，我必须先指出洛文斯对弗罗斯特这首诗歌断章取义。在他的诠释中，两条能源路径呈现明显的二元性，一条是集中式能源，而另外一条是分布式能源，但这首诗希望能够两者兼得（“可惜我不能同时涉足，我站在那路口久久伫立”）；这就是为什么他觉得自己并不是在完全相反的两方中做抉择（“但我却选择了另一条道路，以示公平”），而仅仅是做出一个较为困难的选择。

洛文斯的论文中唯一正确的关键点就是所谓的集中式能源之路并没有变为现实。当然，能够预测到这个结果没有什么了不起；这仅仅是勾画出了一种极端前景的轮廓（可以说是核电神话的激进版）来证明其不应该而且几乎肯定不会发生。

洛文斯的职业生涯始于20世纪70年代初期，这个时期充斥着对核工业的强烈反对，对核工业不切实际的预期的瓦解，以及核裂变对安全、环境和政治方面的种种批判。这样的时代背景使洛文斯能够揭露极端的集中式能源路径的神话，包括简单预测能源可长期无节制地实现像过去一样的指数级增长，认为全美反应堆数量在2000年将多达800个，美国消耗的一次能源超过150 EJ。洛文斯在《外交》杂志发表论文的15年后，回顾并确认“集中式能源之路还没有发生，未来也将不会发生”。[5]的确，当时在世界沿海地区并没有吉瓦级反应堆的核动力综合企业的分布；全球核裂变反应堆的数量还没有达到数千个；快速增殖反应堆并不是新型电能的主要来源。[6]在集中式能源方面，洛文斯绝对是正确的。

但是，他并没有注意到在之前的文章中有个异乎寻常的失败预测，他提出的分布式能源路径轨迹与1976年相比，差距甚远。在1976年，他相信可再生能源转换将“很快出现并取代我们目前大量消费的石油和天然气”，但在1992年，这一划时代的转变并没有出现，他只能期许着替代油气消费的可再生能源转换出现了。几乎20年后，这种情况并没有发生根本性转变。

[1] Ibid.，77–78.

[2] Ibid.，82.

[3] Ibid.，82.

[4] Schumacher 1973.

[5] Lovins 1992，9.

[6] As explained earlier，the 1990s saw their demise.

分布式能源的今天

21世纪初期，没有一个经济大国对分布式能源（小规模、分布式、可再生）转换的依赖程度强于一次能源。洛文斯预测2000年全美大概只需100 EJ的可替代分布式能源，与2000年美国实际需求总量基本相符，比不切实际的集中式能源方案的总量要低1/3。对分布式能源之路综合表现的预测与实际情况基本接近，然而，洛文斯对分布式能源供给的占比预测明显是失败的。他预测的结构比例为29%来自煤炭，33%来自油气，还有33%来自分布式能源转换。而事实上，约23%来自煤炭，62%来自油气，8%来自核裂变，另外，还有3.2%来自传统的水力发电。[1]

除了大型水力发电（参照洛文斯的标准，这种能源转换显然不属于分布式能源）的可再生能源在美国一次能源消费中的占比将超过4%。事实上，以下原因导致了美国90%以上的可再生能源来自木材加工、纸浆和造纸企业的木料残渣的燃烧，大型工业企业的乙醇生产和大型风电场的发电。也就是说，2000年，小规模、分布式能源转换在美国一次能源供应中的占比不足0.5%且小于0.5 EJ，而洛文斯在1976年相应的预测数据为33%和33MJ。

与实际值相差98.5%的预测着实算不上什么成功的预测，在这24年间，预测值是实际值的60多倍（33/0.5=66）。分布式能源最初幻想的消亡最有力地阐释出了20世纪70年代末有关能源未来的幻想多么不现实。

[1] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

顶级跑车

分布式能源幻想在20世纪80年代逐渐消退，20世纪90年代初期，洛文斯再次回归，并宣称战无不克的超级跑车将快速出现。想要把这种符合空气动力学的超流线型机器建造得和飞机一样，所用材料是比钢铁更强大的超轻碳纤维；这款跑车噪音小、安全并且比传统的汽车造成的污染要少95%；出售或租赁成本低；最大的优点是，它的燃油效率高达200英里/加仑。[1]

顶级跑车中心于1994年成立，致力于这款跑车的研发和推广，同时以营利为目的顶级跑车有限责任公司于1999年成立。2000年12月，当被问及顶级跑车目前进展的时候，这家公司的首席执行官及总裁托马斯·克伦姆（Thomas Crumm）说：“还不错，一切都在按计划和预算进行。”他承诺将在18个月内宣布新工厂的位置。[2]但结果是，既没有新工厂的地址，也没有工厂和200英里/加仑的顶级跑车；这家公司在2004年更名为Fiberforge（纤维制造），“从而更好地体现公司发展的新方向，实现降低大容量高级复合材料结构成本的目标”。[3]标榜“便宜、清洁且高效”的顶级跑车就此终结了。

[1] Hawken 1997.

[2] Chevalier 2000.

[3] Rocky Mountain Institute（RMI）2007.

其他分布式能源之梦

洛文斯并不是唯一一个对分布式能源满怀热情的推动者。InterTechnology公司发表了一篇长达1800页的报告，该报告认为，截至2000年，太阳能将为美国工业生产提供36%的供热，为至少70%的温度要求在300℃以下的应用供热。[1]哈佛商学院一项研究表明：到2000年，通过主动式和被动式太阳能供热获得的太阳热源能够满足全美20%的能源需求，太阳热源也将成为美国最大的单一能源来源；同时，要想实现这个目标并不需要新的转化技术。[2]同一年，海因斯（Hayes）做出了略加保守的预测，即在接下来的50年里美国约有25%的能源来自于分布式可再生能源。[3]

相比之下，索伦森（Sorensen，1980）预测，到2005年，49%或将近一半的美国能源将来自可再生能源。风能和有机物分解（厌氧分解）产生的沼气在能源总量的占比均达到5%，分布式光伏发电将增加11%。事实上，2005年，沼气占美国一次能源的份额不足0.001%，风力发电占比不足0.2%，太阳能发电的增加比例也不足0.01%。[4]换句话说，索伦森的预测与实际数值相差三个数量级。

欧洲人也有他们自己的分布式能源梦想。例如，约翰逊（Johansson）和斯蒂恩（Steen）坚信，到2015年，瑞典将完全有能力管控国内可再生能源供给。[5]

[1] InterTechnology Corporation 1977.

[2] Stobaugh and Yergin 1979.

[3] Hayes et al.1979.

[4] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[5] Johansson and Steen 1978.

“完美”的解决方案

我的观点并不是说“小规模”和“分布式”本质上是错误的。对于能源转换来说，能力与复杂性没有单一的“正确”衡量标准，在任何能源政策中，差异化和多样化都是非常重要的因素。这是在意识形态上对错误规模的一种崇拜。无论是在富足社会，还是在现代化的经济体中，我认为，夸大未来分布式能源的任何贡献都会适得其反。根据实际情况来看，“小规模”和“分布式”可能确实是美好且令人向往的，但很显然这种方法在本质上没有什么优越性。现实世界中，有些事物是固有的并且可以预测，而有些却是隐藏的且令人惊奇，规模大、小各有优缺点；仅仅通过规模来评判一项技术既不合理，也毫无意义。

到底是什么导致我对小规模、分布式可再生能源转换如此怀疑，并且如此严厉地评判这些推动者呢？原因并不是他们对“完美”解决方案追求的狂热（不幸的是这相当常见），而是那些针对能源和技术的不切实际的假设、在专利方面的夸大以及不负责任的断言。洛文斯当然知道可再生能源并不是“无论是否使用，都会永远存在的。”[1]例如，阳光普照的热带地区结果并不是那么阳光充足：事实上，沿海的尼日利亚和巴西亚马孙的大部分地区每年接受的照射要少于格鲁吉亚和堪萨斯；从中国最南部的省份到苏门答腊和加里曼丹，几乎所有人口稠密的东南亚地区的年日照跟法国北部和英格兰南部地区相差无几，尽管这些地区并不是所谓的“阳光普照”地区。

洛文斯认为，可再生能源“在规模和地理分布方面上都与终端需求相匹配”，这是个误导，中国在大力推进“分布式、小规模”的方式之后，也发现了这一误导。目前，一半以上的人都居住在城市，并且诸如圣保罗、曼谷、开罗、重庆这样的大城市以及其他的特大城市或集群的居住比例还在增长。[2]如何通过小规模、分布式能源转换为人口、交通和工业高度密集的地区提供能源？如何用当地的农作物为在八车道或十二车道高速公路上行驶的车辆提供燃料？尽管几米开外就有高墙伫立，居住在30层高的小卧室里的租户如何从窗户里延伸出太阳能热水器或风力发电装置？如何通过安装沼气池或者从树上提取乙醇来为制造微芯片或电子设备的工厂提供能源供给？这些小规模可再生能源转换可能对一个贫困的农村家庭或一个小村庄真的有所帮助；但这些小规模可再生能源转换并不能满足基础的、现代化和高效节能的产业，例如钢铁制造、哈伯博斯制氨法合成氮肥以及水泥生产等产业。

1978年，洛文斯声明“分布式技术被越来越多地被用于生产实践中，如果平稳过渡到完全依赖可再生能源的话，需要50余年。”[3]我详细测算过，在过渡期的这30年（不包括建设合理、集中且技术完备的大型水力发电站），在美国的一次能源中，来自新的可再生能源的比例不足1%，比更小规模的分布式能源的占比要少0.1%。集中发电仍占主导地位，近期也没有减弱的迹象。所有这些规模相对较小的可再生能源都基于大量的大规模商业设施。当前，生物燃料的短暂兴起依赖于对甘蔗和玉米大规模的工业化转换，这些转换并不以家庭为单位。在陆地和海上涌现出大量风电基础设施，大型涡轮发动机被投放到数以百计的百万兆瓦级项目中。

[1] I use the adjective Maoist to describe the period when the country’s policies were dominated by the whims of the Great Helmsman.Although he died in September 1976，true de-Maoization began only once Deng Xiaoping’s economic reforms—tentatively introduced in 1979—gathered momentum in the mid-1980s.

[2] Smil 1999.

[3] Smil 1988.

“分布式、小规模”的能源解决方案的未来

综合能源供应将带来更多的可再生能源，但这些可再生能源几乎不会以小规模、分布式的能源形式发展。很明显，“分布式、小规模”的愿景并不像预期的那样。根据洛文斯的能源转换时间表，截至2025年，分布式能源转换能够满足全美能源需求，然而，在不到20年内，“分布式、小规模”的能源不会从薄弱的基础层面发展到能够满足整个国家的能源需求的层次。与最初的设想截然相反，在人口稠密、快速现代化的低收入国家（迄今全球能源消耗增长最快的地区），“软而小”的能源并不能满足巨型城市全天候高强度的能源需求。

分布式能源愿景中最奇妙且最违反常理的便是其与最艰难的常规能源途径有多少共同之处，与未来无所不能的核能愿景有多少共同之处。为了解决全球能源供给这个复杂的挑战，他们盲目迷信技术解决方案，忽略了复杂的现实，在未对技术进行任何可靠验证的前提下，凭借主观意念和行为就大肆宣扬分布式能源技术，比如，探讨快速育种，或是探讨生物燃料能否以合理的成本迅速发展并实现广泛的商业应用便是如此。

一旦认识到了分布式能源的起源、最初的原动力以及人们不加批判地接受是源于20世纪60年代末和70年代初的反文化浪潮，分布式能源愿景破灭就不再出人意料。这条先前从未涉足的路径不仅仅是获取能源的一种新方式，而且会带来深刻的社会变革。洛文斯明确表示：“分布式能源与集中式能源路径之间最深层次的区别也许是其在国内社会政治中的影响力。”[1]所以，我们采用颇具历史渊源的方法来解析小规模、分布式能源愿景：就是将分布式能源加入现代社会变革的宏伟计划中并展现其理论思想的精华，可以追溯到流行于20世纪30年代的美国技术统治论、个人能源消费配给券倡导，它们均以失败而告终。

[1] Huang and Chang 1980.

第二部分　新闻焦点中的神话

在本书的第一部分，我所讲述的神话甚是古老，但却经久不衰。在第二部分，我将介绍近期备受关注的五个能源神话。

这五个神话基本保留了已经普遍认同的两个观点，即化石燃料不好，而可再生能源好。化石燃料依然是保持现代经济增长与繁荣和保障生活质量的重要基础，不过现在人们并不这么认为了。化石燃料的不断使用对现代文明的存活构成了前所未有的威胁，因此，化石燃料不再那么受欢迎，而且有人认为化石燃料极其危险，甚至不道德。伴随着这样的想法，人们对化石燃料燃烧释放的二氧化碳所导致的全球气候变暖充满了恐惧，同时，这些恐惧（大部分是不真实的）滋养了全球范围内向非化石能源加速转变的幻想。

煤炭释放的颗粒物和硫氧化物要比碳氢化合物更具污染性，因为煤炭每单位能量产生的二氧化碳数量最多，从这点来看，煤炭应该是最不受欢迎的选项了。仔细研究一下煤炭的特性和使用历史，便会发现这个结论不合理，我们更应该倡导通过当今效率最高的转换技术进行燃料转换，而不是坚持如此消极的态度。与煤炭相比，原油占据着更为重要的地位，主要由于对整个交通领域的成品油需求而言原油是必不可少的。尽管原油也是环境污染中的关键点，但人们更担心在不远的将来全球石油开采达到峰值，而且开采量不会长期处在稳定水平，反而会急剧下降，这将引发一系列的经济和社会问题，甚至终结现代文明。

这就是为什么我在第一部分首先就揭穿了石油峰值这个神话。我回顾了石油峰值的紧迫性，以及如何推迟石油峰值的到来或者弱化它的影响。我的结论并不支持早期提出的开采量会无法避免地下降的观点，我不认为常规石油在全球能源供给中的比例会逐步下降，而是认为在未来几十年，碳氢化合物、液体和气体燃料依然是主要能源。

这种发展趋势主要源于天然气重要性的提升和非常规石油资源的逐步复苏。除去航空领域，液体燃料的应用领域都可以换用天然气，包括交通、供暖和工业生产，天然气对液体燃料的替代是一个平稳、循序渐进的过程。这个替代基于天然气开采的可持续增长：尽管天然气消费实现了前所未有的增长，1998~2008年，天然气消费量实现了70%的增长（2008年达到了90%），并接近了原油的储备量。[1]此外，由于技术的进步（水平钻孔、含气岩水力压裂、三维地震成像）开启了这种清洁且用途广泛的燃料的新前景，创造了史上首个真正的天然气全球市场，天然气的开采总量有望以可观的速度实现持续增长。

世界上，在诸如加拿大和中东等很多盆地地区，在重油中很少会发现液体形式的非常规石油，就像委内瑞拉奥里诺科河油带固体碳氢化合物在庞大的沥青储量中的占比，沉积岩中固体物质5%~20%低密度占比亦是如此。

20世纪60年代源自亚伯达油砂的石油开采，21世纪伊始原油价格上涨和常规石油产量下降的综合作用使非常规石油成了石油行业最受欢迎的投资机会之一。现实评估显示，亚伯达省的油砂将成为颇具商业价值的能源，不过不像一些狂热者宣扬的，这些油砂并不能够替代沙特阿拉伯的石油。一个神话嵌套着一个神话，接下来，我将一一破解。石油时代并不会快速或仓促地终结，另外，从亚伯达省的油砂中提取的石油也不能与沙特阿拉伯特大油田的产油相提并论。

在第二部分中，我提出的第二个神话，并不是像全球石油峰值来临这样的灾难，而是自我救赎的愿景，即通过碳封存实现持久的化石燃料文明。碳封存可有效地延长化石能源的使用，同时降低甚至完全消除大气中多余的二氧化碳排放，还可将化石燃料再次转化成无毒无害的能源。无碳排放并不会马上实现，我也论证了在未来二三十年内，通过二氧化碳捕捉和封存来大幅减缓温室气体的大气浓度上升，甚至仅将之维持在与平均气温小幅上涨相匹配的水平上都是非常困难的。

接下来的两个神话都将可再生能源看作是一个完美的“绿色”救赎，因为可再生能源可实现碳的零排放，还可保护环境并刺激新的经济活动，并为现代文明提供最好的可持续能源。事实上，很少有能源论题能像可再生能源及转换那样被诠释，又不断地被误解。

能源（自然商品全部存量）和储备（经济可开采储量的小部分）的差异并未获得充分的理解，但可再生能源狂热者一直将这两个范畴混为一谈。准确地说，这些狂热者并不清楚风能、原油及油砂的区别，所以，他们一直在宣扬能源的潜力有多大，仿佛这些资源已经具备商业化开发的条件。当我们读到1%的喷流风力发电就可满足全球能源需求时，其实我们对一些细节并不了解，比如，如何使在10~12千米高空飞行的速度超过100千米/时，以及如何将速度通常在200千米/时的洲际间喷气式飞机产生的气流有效转化成可用的商业能源呢？

我关注两个被广泛误传和错误理解的可再生能源转换：生物质（树木、农作物及其残渣）和风力发电。选择哪一种可再生能源转换依赖于利害关系的强度，例如，政府通过新能源降低对进口燃料的依存度；很多产业寻找新的赚钱机会；老百姓担心即将来临的全球石油峰值；那些将可再生能源转换视为神话的环保爱好者认为，可再生能源不会产生任何温室气体和任何形式的污染；甚至这些可再生能源仿佛从政治局势不稳定的中东手中抢走了石油这个危险的武器，可以进行独立的分布式能源生产。

显而易见的是，那些对可再生能源转换的断言没有一个是朴实无华的。绿色能源狂热者并不认为可再生能源转换仅仅可以提供能源供给，例如为某个国家、区域或全球提供15%~20%的能源。相反，他们更自信地构想出一个新的世界：两代人之后，生物质将成为主要的能源供给，通过碳氢化合物发酵产生的生物燃料可以直接或通过水解纤维素化合物被转化成葡萄糖分子，从而完全取代从原油中提取的液体燃料；而且，风能将成为发电的主力军，因为理论上全球风能发电潜力能够满足世界现有的电力需求。

对这些神话的盲目追求和崇拜源于对一系列事物的认知匮乏：对基础生物学、化学和气候学的粗浅理解；对潜力和性能的盲目乐观；对影响任何基本能源转换时间维度的忽略。

此时，我将引出一个重要开场白：我非常支持所有类型的可再生能源转换。对此，一个被充分证明过并适用于人类社会的生态系统原则可以给出解释：更为多样化的能源供给可使系统更加稳定。其他广泛适用的理由还包括对已开采资源的综合高效利用，通过治理当地、区域性或全国范围内能源，进而实现特定的可再生能源转换的优势。

然而，我们必须通过相同的维度来审视化石燃料和可再生能源。我分析了主要的能源约束、治理能源的复杂性、受到质疑的经济问题（对化石燃料的考量，不可完全忽略外部因素）、不良的和非预期的副作用与结果，以及一些即时或长时间后才显现的问题。所有这些约束条件表明了可再生能源转换的支持者不负责任地夸大了自己的承诺，“可再生能源转换是新能源文明之路上的时代救赎使者”这一观点过于幼稚。它们应该成为能源解决方案中的重要组成部分，但可再生能源转换并不会有很大的作为，不会像现在所宣传的那样发展迅速。

最后一个神话来自于我所关注的能源转型过程中的一些细节。例如，在国家甚至全球层面，从一次能源的一般组合转变到一次能源的新组合所需的时间；或者从一次能源的驱动技术（汽车的内燃机或集中发电的汽轮发动机）过渡到新的转化技术。历史的经验表明，能源系统作为现代社会最复杂、资本集中并且体量庞大的基础设施，具有强大的内在惯性。我们的决策可以加速能源系统的转变但并不能从本质上改变能源发展的自然属性。这意味着，在10年间改变美国动力装置的目标是不可能实现的，这只是脱离实际的愚蠢建议。我们需要减少能源使用，提高转化效率，逐步推广新的治理方式以及使用多样化的非化石能源。

[1] British Petroleum（BP）2009.

第4章　耗尽：石油峰值及其意义

“我是一名学校图书管理员，我和我的学生在学校一直研究石油峰值理论，”邮件开头中这样写道，“我们一直受困于石油峰值预测的诸多理论，特别是末日设想论提出的大规模失业、饥饿以及未来几十年接近石器时代的状况……我不仅为我自己的孩子们担心，而且为与我一起一直研究这个课题的学生们担心。”偶然的一次机会，就在我开始写这本书的那一周，我收到了一位来自纽约州北部的图书管理员的消息，她阅读了我的一篇关于石油峰值的论文，基于有关全球原油提纯、石油峰值预言的出版物和演讲当中的内容及语言基调，对她的这种反应是可以理解的。

石油峰值论中对石油时代即将结束的担忧始于一批退休的地质学家，包括科林·坎贝尔（Colin Campbell）、让·拉希里（Jean Laherrere）、L.F.艾芬豪（L.F.Ivanhoe）、理查德·邓肯（Richard Duncan），以及肯尼斯·德费耶（Kenneth Deffeyes）。这项运动始于20世纪90年代期间，21世纪第一个10年间，这些专家的著作和演讲如潮水般涌现，在很多互联网网站中可以查找到相关信息（peakoil.net，peakoil.com，peakoil.org和hubbertpeak.com），从石油峰值研究协会（Study of Peak Oil，ASPO）中，可以找到更加专业的研究成果。彼得·奥德尔（Peter Odell）是一名经验丰富的全球石油趋势观察员，他把追随者称为石油峰值论者，他们所描述的石油开采急剧下降这一灾难性后果被媒体大肆宣扬。根据艾芬豪的分析，“不可避免的末日”会伴随着即将来临的石油时代的结束而来，接下来将引发“经济崩溃”，那么“世界上许多发达国家会变得看起来更像今天的俄罗斯而不是美国”。[1]

但是，任何人的预测结果，都不像理查德C.邓肯（Richard C.Duncan）的奥杜瓦伊峡谷理论（Olduvai Gorge theory）预测的结果那样影响深远。邓肯预测，全球石油峰值无异于“人类历史的一个转折点”，最早将从2025年开始，石油产量的快速下降将带来工业文明的消亡。全球石油峰值也将导致人们大量失业、生活贫穷、无家可归，甚至导致工业文明的终结，最终人类的生活将回归到250万年前居住在肯尼亚峡谷的早期原始人的生活状态。[2]这个理论建基于邓肯的错误断言，其断言在1978年全球人均能源消费达到峰值，自此开始下降（见图4-1a）。[3]实际上，2008年全球人均主要能源消费比1978年高出近10%（参见图4-1b），[4]但即使更低的增长率也不代表任何灾难的来临，因为能源密集度（也就是全球经济中每单位经济产品的能源损耗）在不断下降，这意味着世界在使用更少的能源，这是一种进步的表现。

图4-1a　奥杜瓦伊峡谷理论：邓肯对石油峰值的描述

资料来源：Duncan（1998，图1）

图4-1b　全球人均一次能源消费：1950~2009年

资料来源：平均值通过英国石油公司（BP，2009）的能源数据和联合国统计的人口总量（2008）计算出来。

[1] Ivanhoe 1995，5.

[2] Duncan 2000.

[3] Ibid.

[4] British Petroleum（BP）2009.

石油产量峰值的预测

从未被客观证据证实过的劫数难逃论，尽管在石油资源的争议中相当新颖，但对于矿产资源——尤其是原油即将枯竭的忧虑一直存在。有关石油产量即将终结的最早言论可以追溯到19世纪70年代；20世纪20年代初，美国地质调查局局长再次声明石油产量即将终结，然而，1931年西得克萨斯特大油田被发现。第一次世界大战后，关于石油峰值最著名的预测来自于20世纪50年代末期和60年代的M.金·哈伯特（M.King Hubbert）的观点，哈伯特假定任何矿物资源的开采都遵循钟形的标准正态分布下的枯竭曲线，能源开采没有持久的稳定状态，并且峰值之后马上就会出现开采量下降，这与开采量上涨的过程相同。

哈伯特是石油峰值论的守护神，被看作是既有先见之明并且绝对可靠的预言家，他准确地预测了1970年美国的石油产量峰值。通过仔细研究，我们不难发现哈伯特的预测并非无懈可击。哈伯特于1956年3月8日在美国石油协会南部地区生产部门的春季会议上进行演讲，并绘制了两条美国原油生产曲线，其中一条曲线的极限产量是1500亿桶，将在1962年达到每年26亿桶的峰值，而另一条曲线的极限产量是2000亿桶，将在1968年达到每年30亿桶的峰值。[1]在后续的修订中，他把美国液态石油产品（即原油和天然气液体）在完整周期下的峰值定在“20世纪70年代前半期，每年约35亿桶”。[2]

实际的石油峰值确实出现在1970年，数量为41.2亿桶，超出了哈伯特预期的18个百分点。更重要的是，哈伯特的峰值估算基于2000亿桶的极限开采量，但是，1859~2005年美国石油行业开采量已达1920亿桶。美国石油开采业仍然是全球第三大原油生产源，2008年年底，该产业仍然有300亿桶存储量。因此，美国石油开采峰值后的下降曲线并未与开采量上升曲线呈现出镜像效果：哈伯特预测2000年生产15亿桶，然而，实际上2000年石油开采量为28亿桶，比预测值多出近90个百分点，哈伯特预测未来30年石油开采的准确率并不值得炫耀。2008年，实际石油开采量比哈伯特的预测率高出75%（见图4-2a）。[3]

图4-2a　哈伯特预测美国原油产量VS.实际产量

资料来源：哈伯特（1969）以及从美国能源局、美国能源情报署提取的数据（2009）。

哈伯特对全球石油开采峰值的预测更为失败。1969年，他提出了两种不同的最终可采石油估算：一种是1990年的250亿桶，另一种是2000年的370亿桶。这两种估算展现出对称的曲线以及类似20世纪60年代风靡一时的持续高增长需求。他没能预测到由OPEC操纵的两轮（1973~1974年，1979~1981年）石油价格上涨所导致的石油需求大幅下降。全球石油开采在1990年没有达到峰值，1990年的实际数值比哈伯特的预测要低4%左右；石油开采量在2000年也没有达到峰值，2000年石油实际开采量为274亿桶，比哈伯特预测的峰值要低26%。到2008年，石油开采量仍低于300亿桶（见图4-2b）。[4]根据以上数据不难得出，无论时间抑或产量，哈伯特距离正确预测都差得很远。

图4-2b　哈伯特预测全球原油产量VS.实际产量

注：“EUR”的意思是最终可采石油量的估算值（EUR）。

资料来源：哈伯特（1969）以及从英国石油公司提取的数据（BP，多年数据）。

这并不奇怪，因为石油开采的对称模型仅仅是多种可能性之一，我们进行了严格的定量分析发现，它既不是占优选择，也不是模式选择。勃兰特（Brandt）通过分析139个空间单元的可采石油数据，测试了哈伯特方法论的假设条件，139个空间单元包括美国州级和区域级、次大陆级和大陆级数据。勃兰特总结到，“如果想了解过去的生产量，对称模型并不尽如人意”，但没有模型（对称、非对称、线性、指数模型）能够占据主导地位，一旦生产曲线出现不对称，那么，“非对称指数模型最为有用”。[5]

哈伯特追随者们所做的预测也没有好到哪儿去。1977年，可替代能源战略研讨会预测全球石油峰值最早可能在1990年出现，极有可能是1994~1997年。[6]1978年，安德鲁·弗劳尔（Andrew Flower）在《科学美国人》杂志中写道：“在2000年之前，石油供应将无法满足不断增加的需求。”[7]一年之后，美国中央情报局（CIA）认为全球产量在10年中必然会下降。[8]一些最新的石油峰值预言已然失败：科林·坎贝尔预测首个全球石油峰值在1989年来临，艾芬豪的预测是在2000年。

最离奇的预测来自于肯尼斯·迪菲耶斯，他是一位经验丰富的石油地质学家，之前是普林斯顿大学教授。作为科学家，迪菲耶斯一定知道，真实的世界充满着不确定性，人们不能为了博得媒体的关注，将复杂的现实缩成简单的口号，甚至通过简单的回顾都会发现精确预测是种徒劳。尽管如此，迪菲耶斯通过一种貌似“无懈可击”的方式来分析全球石油峰值（“如果今天不开始主动采取措施，就会对石油峰值的到来产生重大影响”），他认为，全球能源使用仅仅是供应的问题，完全不考虑需求的影响，迪菲耶斯不仅预测了石油峰值将在哪一年出现（虽然最初他认为峰值将在2003年出现），他还精确到了具体的某一天。尽管他承认这样的预测着实“有点傻”，但2004年他依旧宣称：“2005年11月24日，石油产量将平稳地滑过哈伯特曲线的峰值，这一天正好是2005年的感恩节。”[9]

石油开采峰值预测的根本问题在于三个简单的假设，分别是可采石油的高度可知性、定量性以及遵循对称的生产曲线走势，但事实证明这三个假设都不正确。这三个有关石油开采峰值的言论掺杂着所谓的“不可争辩”的事实和理智的论点，它们都基于不靠谱的假设，这些预言家们把石油发展复杂的过程画成漫画，进行嘲讽，并忽略了那些与他们事前设想的结论不匹配的现实。事实上，地壳里还有一定数量的液态石油，但我们对其的估算还不确定。哈伯特缺乏对普拉德霍湾超大型油田和墨西哥湾潜在大型油田的了解，所以，最终可采（estimated ultimately recouerable，EUR）石油的估值偏低。我们不断了解石油最终可采量的估算值（EUR），石油最大开采率也不断呈上升趋势，上两代的石油总存储量开采率不足30%，而如今部分油田开采率已超过40%。

此外，由于钻探新技术的出现以及开采速率变得更高，油田的最终开采量往往不断增多，近期发现的油田的最终可采量估算值要少于最终的真实累计产量。内林（Nehring）指出基于哈伯特方法对加利福尼亚州、得克萨斯州与新墨西哥州两处重要石油开采区的预测均以失效告终。[10]石油储备增长迅速，往往比预测多出一倍（见图4-3a和图4-3b）。内林认为：“我们现在要做的不是继续使用过时、不相关的方法（即哈伯特模型），而是要进一步理解采油增长。”[11]

图4-3a　累计发现曲线和圣华金河流域最终可采资源估算量（EUR）

资料来源：Nehring（2006a）中的图表。

石油峰值早期的拥护者们提出了可采石油估算的关键点，即石油储量的估算缺乏严谨的国际标准，他们也正确地指出，许多官方公布的石油储量的估算并不可信，因为这个估算掺杂着政治偏见。全球最终可采石油估算的极其不确定意味着没有可用的确定数值来勾勒出对称的石油消耗曲线。作为经验丰富的全球石油趋势观察员，彼得·奥德尔表示：“要想了解石油最终存储量，我们首先必须要有终极知识。”然而，没有人能够拥有终极知识，而且“任何人都不应不懂装懂”。[12]

图4-3b　累计发现曲线以及二叠纪盆地最终可采石油估算量

资料来源：Nehring（2006b）中的图表。

[1] Hubbert 1956.

[2] Hubbert 1969，192.

[3] British Petroleum（BP）2009.

[4] Ibid.

[5] Brandt 2007，3084.

[6] Workshop on Alternative Energy Strategies（WAES）1977.

[7] Flower 1978，42.

[8] Central Intelligence Agency（CIA）1979.

[9] Deffeyes 2004.

[10] Nehring 2006a；2006b.

[11] Nehring 2006c，51.

[12] Adelman 2004，18.

未开发的资源

美国地质调查局（U.S.Gealogical Survey，USGS）关于全球石油资源的最新评估结果显示，目前已知油田还可开采石油量接近6900亿桶，待探明可开采石油储量约7300亿桶。[1]基于这项评估，全球总采油量预计可达30200亿桶。美国地质调查局认为石油峰值总产量将达到4000亿桶，这种可能性高达95%，而4000亿桶几乎是石油开采峰值论拥护者预测数值的三倍。

最大规模的新常规石油发掘地，预计将位于美索不达米亚的前渊盆地（从巴格达北部延伸，穿越伊拉克和科威特到沙特阿拉伯东部省份）、西西伯利亚盆地、伊朗东南部的扎格罗斯褶皱带、尼日尔河三角洲、沙特阿拉伯广袤东部的鲁卜哈利（“虚无之地”）盆地，以及尚未开发的东格陵兰裂谷盆地。北美地区最有可能的是阿拉斯加州北部、加拿大北极地区，以及墨西哥湾；而拉丁美洲的潜在石油储备地区可能在委内瑞拉和巴西近海。非洲最大的尚未开发的集中区域位于刚果和尼日尔水域，以及阿尔及利亚和利比亚。亚洲最具潜力的地区坐落在哈萨克斯坦和乌拉尔以西广袤的蒂曼–伯朝拉河盆地；欧洲最有潜力的区域是苏格兰西部的大西洋沿岸。

当世界上所有主要沉积盆地的钻探密度可与得克萨斯州或者俄克拉荷马州的钻探密度相媲美时，我们便没有令人信服的理由去支持石油峰值论者所推崇的最保守的最终开采量估算，而不去选择支持地质学家所预测的更高的开采量。我还须强调，这种可比较的勘探密度应涵盖更深的所有近海海域；毕竟，半个世纪前没有真正的近海（地平线以外）石油开采，甚至在20年前也无法想象出当今的深水常规作业。

在任何情况下，为了能够进行真正符合现实的评估，我们不能局限于对常规石油最终开采量不准确的预测，而应通过更广阔的能源视角去分析问题。拉希里承认，如果增加对液化天然气和非常规石油储量的平均值估计，最终开采量的估值将翻一番。剑桥能源研究协会将常规和非常规资源计算在内，估计全球最终石油开采量会达到48200亿桶，这个估值还有可能增长，其中也包括10800亿桶的历史累计产量。[2]这意味着仍有37400亿桶石油待开发，未来全球石油产量的走势就像跌宕起伏的高原，而不是如同历史曲线一样呈现锐减趋势。在全球石油产量跌宕起伏的走势中，非常规石油资源起着关键的作用，它本身也是能源神话的主角，我们不应该认为这些（毋庸置疑是巨大的）非常规石油资源将会轻易地填补诸多老旧巨型油田日益下降的产出造成的缺口。

[1] U.S.Geological Survey 2000.

[2] Cambridge Energy Research Associates（CERA）2006.

非常规石油储备

我们需要明白常规与非常规石油资源并未有清晰的划分界限。碳氢化合物包括储层中流动的中重石油、流动的超重石油、油层储备中非流动的焦油砂和沥青，以及几乎没有渗透性的石油页岩。数十年间，萨斯喀彻温省、委内瑞拉以及阿拉斯加北坡不断进行中高密度的重油提取，其中位于阿拉斯加北坡的普拉德霍和库帕鲁克的两大巨型常规油田的非常规燃料开采量多达400亿桶。由于低温和多年冻土使石油更加黏稠，总量中的占比被视为具有可开采潜力不足20%，目前的开采量仅为阿拉斯加北坡产出量的5%。

在世界各地的许多石油盆地会发现类似的非常规石油储备，不过在4万亿~5万亿桶重油储备中至少有1.2万亿桶来源于委内瑞拉，最终将有2700亿桶被开采；此外，阿尔伯塔省阿萨巴斯卡地区的油砂中含有约2.5万亿桶沥青。从阿尔伯塔省的油砂中提炼石油已经实现了数十年的商业化运营，森科尔公司于1967年开始在福特麦克默里堡附近进行生产，辛克鲁德财团自1978年以来就一直在这个区域进行生产。两家公司都从事巨型露天矿的大型挖掘开发，并且都使用世界上最大的越野车将沙子运输到萃取加工厂，然后液体油进入浓缩设备，转换成浅色的低硫原油。在阿尔伯塔省的油砂中，仅有1/5的可采石油能通过挖掘获取，而剩下的将只能在原地进行萃取。

新型经营业务使用了两项技术，分别是循环蒸汽吞吐和蒸汽辅助重力泄油。循环蒸汽吞吐是帝国石油公司在艾伯塔省冷湖项目中开发出来的，该技术将已加压的热水注入井筒，然后在蒸汽中浸泡一段时间并不断释放出沥青，浸泡时间一般从几个月到三年；加热后的沥青与水的混合物通过泵被送到地面。多达35%的沥青可通过循环蒸汽吞吐的方式进行提取（见图4-4）。

图4-4　循环蒸汽吞吐

资料来源：Liu（2006）.

蒸汽辅助重力泄油技术利用两个500~800米深的水平井，这两个水平井被距油砂结构底部5米处的垂直间隔隔开。将蒸汽注入井的顶部，对周围的沥青进行加热，并将加热后的沥青从底部孔中排出，沥青回收率达到60%。为了产生蒸汽，这两种技术均需要大量的水和能源（现在大多来自天然气），未来二者的可用性和价格会成为提取过程中的关键决定因素。尚在开发的一项新提取技术将垂直空气注入和水平生产油井相结合，建立一个狭窄的燃烧面，加热沥青并将其排入油井。新技术的商业价值很大程度上在于它会保护地表植被，同时减少从油砂中提炼石油所需的水和相关能源。[1]加拿大石油生产商协会（CAPP）的最新评估显示，截至2007年年底，加拿大常规石油存储总量约为54亿桶，油砂商业化开发项目涉及89亿桶可采石油。[2]CAPP也提出按照现在的技术水平，加拿大石油可采总量约为1750亿桶，仅次于沙特阿拉伯的2640亿桶，超过伊朗、伊拉克和俄罗斯的储备总量——据预测，2008年伊朗、伊拉克和俄罗斯的可采石油总量分别为1375亿桶、1150亿桶和790亿桶。[3]

未来几十年间，阿尔伯塔省的巨大油砂存储量与实际提取率的差距会很大。由于忽视了这个差距，应对石油峰值论的新神话出现了，号称能够弥补当前世界上诸多特大油田产量下降的情况，然而，这毫无疑问不会发生。2005年阿尔伯塔省油砂每天生产100万桶石油，2008年日产量达到130万桶，预期到2011年日产量将达到200万桶。由于2008年和2009年的经济衰退，2015年日产量350万桶的计划步履维艰。

每天300万桶石油的年度开采，其难度不容小觑，因为这比委内瑞拉目前的产量还要多出约20%，相当于阿联酋的产量。尽管所有人都在吹嘘阿尔伯塔省的资源比沙特阿拉伯的资源还要丰富，但未来10~20年，阿尔伯塔省的油砂不会是确保全球石油供应的决定性因素。

未来非常规石油的生产比例由石油价格、供应安全的敏感度以及技术进步之间的相互作用来决定。即使完全掌握开采全球最终可采常规以及非常规石油的信息，我们还是很难准确地勾画出未来的生产曲线，因为我们并不知道未来石油需求的变化。2008年和2009年的经济衰退导致了石油需求的急剧下降，这也证明了石油需求的不确定性。未来石油需求将由可预见的因素推动，例如亚洲的人口增长和更高的可支配收入；同时，未来石油需求也为不可预测的政治和社会经济变化所影响，新技术的进步对其影响最大。简单地说，那些期待石油产量峰值来临的人们忽略了一个事实，即全球石油开采曲线受价格影响，当石油价格高涨时，全球石油消费便出现下降甚至停滞的情况。

[1] Government of Alberta 2010.

[2] Canadian Association of Petroleum Producers（CAPP）2009.

[3] British Petroleum（BP）2009.

生产、需求和价格

1973年OPEC将石油价格拉升5倍之后，市场最初的反应不是很明显。1974年全球石油消费总量仅下降了1.5%，1976年的石油消费量比1973年要多4%。尽管在1973~1976年石油的消费量受到石油高价的影响并不大，但在1978~1981年，石油消费量成三倍地往下降。到1983年，全球石油产量较1979年的水平下降了近15%，这正是因为市场的有力回应，而不是石油资源的减少。1973年尽管根据20世纪60年代的石油需求增长速度预测出1990年的石油需求将呈三倍增长，然而直到1994年石油开采量才超越了1979的开采量，这中间历经了15年之久。

2004~2005年的油价上涨再次激发了市场的力量。2006年，几乎所有需要进口石油的先进发达国家对石油的需求都下降了。2007年，美国石油消费量下降0.1%，同时日本和英国的跌幅分别为3.5%和5%。2008年，美国石油需求量下降幅度超过6%，英国的需求基本持平，而日本的需求下降超过3%。[1]

在地下石油未发生物理短缺的情况下，除去OPEC拒绝生产更多石油的惯常手段之外，较低的能源需求是2007年（低0.1%）和2008年（高0.6%）全球石油产量基本持平的主要原因。

可替代燃料日渐增长的市场份额会推迟全球石油峰值的到来，特别是人们对可替代燃料较高价格的接受，可能会推动从已知油田中开采更多的石油；毕竟，通过当今最好的方法开采的石油还不到总量的40%~50%。任何可替代燃料对未来的贡献都取决于许多因素，其中最重要的是全球需求的长期变化以及国内和国际所做的技术创新努力。如今很多预测者认为，中国国内生产总值（GDP）近两位数的增长将持续数十年，并将拉动石油需求的增长，他们可能仔细研究了20世纪80年代假定日本经济持续上升到世界主导地位的相关预测，以及1990年以后日本的现实发展情况。技术创新可能会带来更低廉的非石油基础燃料、高效汽车电池和更少线损的远距离电力传输，虽然不足以替代现有的大部分石油需求，但会显著减少所有经济大国的石油强度（每单位GDP所使用的石油量）。

积极的能源管理和优先分配将进一步降低石油需求，有可能会推迟石油峰值的到来，因其它们能够保证维系农业机械运转、维持飞机航线联系、为主要石化产业提供关键原料以及运输易腐烂货物相关的成品油需求。数十年的技术进步对资源需求的影响是深远的。在喷气发动机发明之前，即1930年，没有人预测到飞机制造业的大规模商业化，而如今这个行业是煤油的消费巨头。20世纪80年代初，尽管石油价格上涨并创下纪录，也没有人预测到25年后美国一半的汽车都是高耗油的越野车、小货车及大篷货车。相比之下，20年后广泛使用高性能混合动力汽车将实现汽车燃料需求减半。

对石油最终开采量以及对未来石油需求的不同预期可能会生成不同的生产曲线，其中一些生产曲线已经预测到了21世纪时的状况。持续的技术进步、燃料替代、需求增长速度放缓，以及全球大约30亿桶的最终开采量将全球石油峰值来临的时间推迟到2020年以后，而21世纪40年代的全球石油产量可能会与20世纪80年代早期的产量持平。非常规石油和可替代燃料的快速发展将使石油产业在2050年后依旧保持繁荣（见图4-5a）。彼得·奥德尔想得更为长远：2006年，他在两年举办一次的OPEC颁奖典礼上总结到，现今的石油峰值论者会和他们的前辈一样，很快发现自己的预测是错误的，石油和天然气在全球一次能源总供给中的当前占比将在2050年后出现下滑，尽管天然气将占据化石能源的主导地位，但21世纪末期的石油产量仍会高于2000年的产值。[2]

图4-5a　石油开采峰值的可能性

资料来源：Smil（2003）.

2006年，由理查德·内林主办的赫贝格研究会议做出类似的长期预测。来自19个国家的75位专家估计全球石油峰值最早会在2020年前后出现，届时石油日产量少于9500万桶；较为乐观的预测是2030年以后，开采量会略高于稳定水平；最乐观的预测是2040年出现石油峰值，届时日产量达到1亿桶；2080年的石油开采量仍高于2005年（参见图4-5b）。[3]OPEC秘书长阿卜杜拉·萨利姆·巴德里（Abdalla Salem El-Badri）近期重申：“石油峰值问题不在于资源是否存在，它们一直都在，世界上有足够多的石油资源可满足消费者的需求，而且在未来几十年依然能够满足消费者的需求。”[4]全球最大的石油公司埃克森美孚的首席执行官雷克斯·蒂勒森（Rex Tillerson）和沙特阿拉伯国家石油公司的首席执行官哈立德·法力赫（Khalid Al-Falih）都对阿卜杜拉·萨利姆·巴德里的观点表示支持。[5]

图4-5b　2006年赫贝格研究会议编制的石油开采峰值预测

资料来源：Kerr（2007）.

然而，很多著名的石油峰值论者驳斥了这些控制世界上大部分资源的人的观点，石油峰值论者认为他们宣传的是愚蠢、偏颇的谬论。石油峰值论者认为，石油总产量，尤其是沙特阿拉伯特大油田的石油开采量急剧下降，即使再多的技术创新或新油田的发掘也无法弥补。[6]这些石油峰值论者坚持认为，由于燃料的物理寿命较短，全球石油产量已经达到峰值，或者不迟于2015年，幸运的话可推迟到2020年，到那个时候，随着石油开采到了“穷途末路”，人们将会迎来“石油崩溃后的生活”。上述关于未来全球石油供给（石油开采量将快速下降与保持数十年的繁荣）的极端观点无法调和。

但是，即使我们假设全球石油开采的峰值即将来临，或者像西蒙斯（Simmons）所说，峰值在2005年已经到来了，石油开采量下降也不会终结任何文明。下面一个例子足以说明问题，我们假设（相当戏剧性地）2025年美国的汽油供给量将比2008年减少20%，而人口普查局预测2025年的人口比2008年多18%，[7]这意味着人均汽油供应（个人出行的平均供应量）只有2008年的68%，即在短短17年中下降了近1/3。但是通过调控效益值，把2016年以后公司平均燃料经济性数值强制增加近30%，[8]同时推动混合动力车的数量持续增长，那么2025年美国汽油使用效率至少能够提高40%。因此，2025年汽油的能源有效服务人均水平将比2008年低5%，相当于每20次旅行就要放弃一次，而多数人也不会想回到原始社会！显而易见，45%效益值，尽管略高但仍然可以实现，就能保证石油消费大幅降低时其有效服务不会受影响。

[1] Ibid.

[2] Odell 2006.

[3] Kerr 2007.

[4] El-Badri 2008.

[5] Tillerson 2008；Al-Falih 2009.

[6] Simmons 2009.

[7] U.S.Census Bureau 2009.

[8] White House 2009.

对石油峰值论者言论的反击

我认为，常规石油资源实际上可能比石油峰值论者的最低估计值要大，此外，尽管未来开采速度可能相对缓慢，但非常规石油资源相当丰富。哈伯特的对称生产模型与大部分现实情况并不匹配，峰值最有可能以平稳的状态逐步放缓，而不会呈直线下降。可替代能源具备可用性，并且会随着时间不断发展。无论是人们的协同努力抑或长期的全球经济放缓，能源需求很大程度上将会降低。

我们将从容地反击激进石油峰值论者（——他们把石油产量峰值视为文明瓦解的起点）的言论。无论是能源存储量的耗尽，还是常见的经济原因，抑或融资成本的不断上升以及强制使用可替代能源的收益不断下降，都将导致矿产资源开采减少，甚至停止。当然传统原油也不会例外，全球石油年度开采量很有可能在20年后达到峰值，世界一次能源供应量占比的下降趋势亦不可逆转。1980年，石油在全球一次能源供应中的占比达到44%，2000年下降到41%，而2009年所占份额不足35%（尽管2008年石油绝对开采量比1980年的多出32%以上）。[1]

在全球一次能源供应中，燃料资源占比的不断下降在任何时候都不意味着石油时代即将终结；常规和非常规石油资源大量剩余，21世纪前半叶，石油将继续作为世界能源市场的主要贡献者。随着价格越来越高，我们将更具选择性地并更有效地使用石油，同时我们将加强能源转变，实现从石油到天然气、可再生能源和核能这样崭新的全球能源转变；到2050年，可再生能源和核能会在全球能源供应中占比显著（但不是主导），并能够在某些国家显著取代石油衍生品的市场份额。

全球石油开采峰值总归会到来，但把全球能源供应中石油占比的下降视为现代文明灭亡的标志，或视为人类重返奥杜瓦伊峡谷的开始，都是毫无根据的。从生物质能到煤炭，从煤炭到石油和天然气，从燃料的直接使用到发电，能源转型一直激发着人类的创造力。能源转型给生产者和消费者带来挑战，迫使大量基础设施报废或重组，同时其过程昂贵且持久，并会引发社会经济的混乱，不过，能源转型也创造出更富生产力、更富裕的经济体。现代社会不会仅仅因为人类面临的一次重大转型而分崩离析。

矛盾的是，我们的浪费行为（源自持续数十年的能源廉价供给）激发了我们的动力。正如前文所述，[2]也正如瑞士联邦理工学院（ETH）的2000瓦社会项目所展现的，[3]即使世界上发达国家的能源需求减少一半，人们也能相当体面地生活。除非我们相信人类的创造力和适应性会在世界常规原油年产量达到峰值时消失，那么，无论世界常规原油年产量峰值何时到来，我们都应将其视为里程碑，视为具有挑战性的机会，而不是作为狂想和焦虑的理由。

[1] British Petroleum（BP）2009.

[2] Smil 2008.

[3] Jochem 2002.

第5章　二氧化碳封存

新千年伊始，发达经济体的二氧化碳排放量巨大，这些发达国家不仅没有实现《京都议定书》中要求的减排计划，没有将二氧化碳排放量维持在现有水平，人均排放量反而更高了。值得注意的是，截至2005年，美国和加拿大的二氧化碳排放量分别比1990年增加了20%和55%。[1]这两个发达经济体不同于中国和印度，它们并不在《京都议定书》的减排目标中。中国日益增长的煤炭燃烧和石油进口成为二氧化碳排放量的推手之一，至少貌似如此，如果不考虑其产品流向了哪些国家的话。2005年印度的二氧化碳排放量也比1990年增加了一倍。中国和印度经济的高速增长将会持续二三十年。可持续发展、节能和“绿色”经济体的相关政治对话未能明确现实的发展情况。

除非地球的大气圈遭遇外星人，或者遭遇前所未有的流行病大爆发，未来数十年，全球二氧化碳排放量都会持续增加。严重且持续时间长的全球经济危机仅仅会暂时中断或弱化排放量增长，但绝对不会逆转增长的趋势。现在，还没有一项单独的技术、管理和经济手段可以阻止二氧化碳浓度比前工业时代的浓度（1850年为270ppm）翻一番，并控制在450ppm以下，450ppm这个浓度水平所引发的平均气温的上升处于可控区间，基本不会高于2℃。由于二氧化碳排放量的增长呈现不可避免的趋势，碳封存开始成为人们关注的焦点，即捕捉并消除二氧化碳。碳封存的路径包括优化的自然过程和新工程方法。人们对碳封存抱有很高的期望，但接下来的几十年，碳封存貌似还不能捕获足够多的二氧化碳进行消除，或者大幅减缓其在大气层中的累积。

[1] Marland et al.2007.

有机方法

当然，地球的生物圈是一个巨大的碳封存/再生系统。光合作用利用水和二氧化碳生成植物生长所需的新物质（碳在其中的占比约为45%），有机物分解则将气体返还到大气层中（见图5-1）。每年上述过程将1200亿余吨的碳从大气层转移到植物中，但植物（自养型）呼吸作用立即将一半的量返还到大气层中，剩下650亿余吨为细菌、真菌（分解过程中会起到主导作用）、包括人类在内的有机体所用，最终通过异养呼吸作用返回大气层。近期，全球植物碳封存净值尚无统一的科学定论。

图5-1　地球生物圈：碳封存/再生系统

资料来源：Smil（2000）.

大气中更高的二氧化碳含量意味着，植物每年比工业化时代前多存储12亿~26亿吨碳元素。[1]波特（Potter）和其他学者认为，地球上的生物圈范围很广，它是二氧化碳的源和汇。[2]大陆和地区间的平衡也有相似的不确定性。北美的植物是巨大且持续地碳汇。[3]欧亚的森林也存储大量碳；[4]由于森林面积扩大且管理良好，森林的碳存储量在不断增加。[5]俄罗斯北部森林的碳净吸收量也在不断增长。[6]整体来看，北部的陆地确实是碳汇，即使热带雨林的碳吸收量也要比预先估计的更高。[7]所以，新的研究发现碳汇增长并不足为奇。

全球变暖延长了生物的生长期，加强了一些地区的水循环，这些地区的降水总量在增加，所以全球变暖将会带来更多的不确定性。上述因素的合力作用将会使植物生产力提高，20世纪的后50年间，该结论在美国大部分地区已经得到了证实。[8]然而，我们并不清楚这些变化的长远影响。在气候变暖的世界里，植物更高效率的呼吸会快速地中和额外的二氧化碳生产力吗？大部分增量是储存在像树干和树根这种生命周期较长的组织中，还是像叶子和松树根这种更迭速度比较快的组织中呢？另外，最根本的问题便是全球变暖最终会使森林从碳汇变成碳源吗？[9]

在位于亚马孙、刚果盆地和婆罗洲的现存最大热带雨林中，未来净碳通量主要由森林砍伐率决定，而很多森林的碳封存量受水和滋养物的限制。[10]这就是为什么如果没有具体的陆地管理，欧洲净碳吸收量预计很快会呈现下降趋势。[11]在一些生态系统中，由于全球变暖，区域森林火灾频发，干旱周期不断变长，碳流失已经超过了不断增加的碳存储。

新植物。大多不确定性因素都不会影响新的植物。广泛种植快速生长的树木，在降雨量充足、土壤肥沃能够支撑新的混合树木生长的区域，进行植树造林以及复原被破坏的顶级植被一定会带来可观的碳存储，不过存在两个实质问题：一是碳封存的持续期间，二是多大规模的介入能够带来真正的改变。

快速生长的物种一般会在10~15年进入成熟期，之后这些物种的碳净存储量为零。生命期更长的植物（包括位于温带和北半球的落叶植物、松柏科植物及它们的杂交品种）需要40~80年进入成熟期，但是在步入成熟期期间，这些植物的碳存储能力会逐渐减弱。由于害虫的侵入和火灾，很多植物可能在成熟期之前就死亡了；干旱和飓风也会阻碍这些植物的生长。所以，通过种植更多的树木实现更多的碳封存是短期行为，长期来看，这些植物的碳封存量很难上规模。总之，超大规模的植物群只能够补偿部分二氧化碳的排放。如果要实现2005年总量（约8亿吨碳）中10%的碳封存，那么所需的北方植物种植面积基本与北美加俄罗斯地区的森林面积之和相当，或者相当于现在热带雨林总面积的15%。[12]

土壤有机碳。长期来看，土壤碳甚至比树木的碳存储和新植物的碳存储比率更具不确定性。土壤中存储的碳的数量要比大气中碳的含量高出两倍，是陆生植物的四倍。合理的农业管理可以很大程度上提高土壤有机碳的存储率，例如保护耕种，保护农作物生产和农作物轮作；这些措施不仅有助于降低大气中二氧化碳含量，也可以提高土壤生产力。[13]在很多密集耕作区域，土壤有机碳水平仅为农业社会前的一半。同时，对流层臭氧含量的增加会降低植物生产力，进而很大程度上降低土壤中的碳沉积。[14]

由于全球气候变暖会加速物体的腐烂，导致土壤中释放出更多的二氧化碳，而这个过程又会加速气候变暖，所以全球气候变暖使土壤碳变得更难于预测，上述观点不仅在模型研究和小规模的试验中得到印证，还在一些大规模的数据分析中有所体现。[15]此外，对很多欧洲树种而言，二氧化碳含量的增加却导致土壤中根部碳封存的下降。[16]然而，在全球范围内推广这些结论还为时过早，因为很少有自然进程会像影响土壤有机碳的这些因素一样错综复杂且相互作用。[17]

因此，我们并不能预测土壤碳变化的趋势。气候变暖引发土壤呼吸速率提升，其中释放的二氧化碳会带来明显的正回馈吗？光合作用释放的更多的二氧化碳会被储存在土壤有机质里面，而成为重要的碳汇吗？我们还需考虑，现有的生态系统中增加的碳存储可能会被更加温暖的亚北极区和北极区的湿地、河流释放的日益增长的甲醇抵消掉，而甲醇是一种比二氧化碳更具威力的温室气体。西伯利亚地区的甲醇排放量比之前预测的高出了五倍。[18]

生物炭。陆生植物和生物炭是提高碳封存的最后的“杀手锏”。生物炭是将木炭埋藏到土壤中，这种方法的灵感来自于亚马孙黑土，亚马孙地区的高产值主要归功于高度集中的烧焦生物量。生物炭要比来自于同样母基岩土壤中的碳含量高2~2.5倍。这种土壤的要素存储时间非常长，至少有几百年，甚至有可能长达一千年，而且土壤强大的吸附力（过滤后的活性炭是生物炭的清洁版）也会带来大量的土壤有机碳。

正是这些特点使生物炭作为碳封存的一种方式，从而得以不同寻常的使用。[19]植物组织的高温分解（无氧条件下低温加热）会产生木炭，这种木炭中保存了原始生物炭的50%的碳量，而分解后的生物炭仅保留了10%~20%的碳量，这些反应产生的气体也是一样的。气体主要为一氧化碳，也掺杂着部分氢气和甲烷，这些气体可以作为能源使用，而木炭将融入土壤中。农作物残余和林业废弃物均是潜在的植物组织；生长迅速的物种可以被种植在适宜的土壤中以便燃烧成炭。莱曼（Lehmann）、冈特（Gaunt）和朗登（Rondon）预测，到2100年，生物炭封存的碳储存量将超过化石燃料燃烧释放的碳量。[20]

但他们的预测并不会成真，原因如下：为了避免风和水对土壤造成严重腐蚀，大部分残留农作物必须可以循环使用，同时可以被安全清除的作物能够作为纤维素乙醇产业的给料，稻草和其他残留作物也将有用武之地。然而，我们并不知道什么因素最终会阻止这三种用途（防止腐蚀，高温分解，转化成乙醇）。生物炭需要将农耕作物融入土壤中，这与通过免耕农业降低土壤分解相互矛盾。任何大规模的农作物残余和林业废弃物都面临着挑战，尤其在多山的区域，因为这些植物组织需要工人进行收割或砍伐，进而留下残留物。即使这些问题得以解决，这些植物组织中碳的总量还是非常小的。富裕国家每年会产生9亿吨干麦秆；如果这些麦秆全部被热解，实现的碳封存量相当于2005年全球化石燃料燃烧释放的二氧化碳总量的2.5%。无论如何，大量的麦秆应该首先用于减少腐蚀，作为有价值的粗粮饲料和铺草，所以预测中的基本假设就是不现实的。

提高浮游植物产量。通过提高浮游植物产量来提高碳封存也充满不确定性，同时面临的管理挑战非常大。铁元素控制着海洋中缺乏营养的水域的浮游植物的产量，进而影响碳封存的效率。[21]水中铁元素的增加可以使浮游植物的生长速度提高一倍，大约几天或数周后，浮游植物便开始泛滥。水表层中的二氧化碳的减少往往伴随着浮游生物的快速生长，浮游生物的粪便残渣和尸体加速了水表层中的有机碳转入深海。碳泵的效能已经在赤道和南部的海域实验中得以验证。[22]由于全球大约20%的海洋表面硝酸盐含量相对较高，但是铁元素含量非常低，所以用铁施肥成为海洋表层碳封存的有效手段。依赖铁施肥而生长的浮游水藻死去后，这些死亡的细胞将会沉到海洋底部，成为众多沉淀物中的一部分，而这些沉淀物可以储存碳，储存时间长达数百年。

这种方法也有个问题，就是海洋表层生产力提升可能并不能相应地将更多的碳转入深海。赤道附近的海洋实验证明，铁施肥是有效的，但是在澳大利亚南部较冷的海域，铁施肥并不能激活碳泵。同时，向海洋表面持续增加铁施肥的影响尚不清楚；这些铁元素可能会激发有毒的海藻的生长，而不是将所需的碎屑雨沉入海底，新的有毒生物数量会快速增加。由于存在这种不确定性，所以采用这种方法需要非常谨慎。根据Treguer和Pondaven的研究，海洋浮游生物最终将通过二氧化硅来控制碳封存，而不是铁元素。[23]来自印度和德国的科学家于2009年3月和4月在大西洋西南部面积约300平方千米的海域实施最大规模的铁施肥试验，铁施肥提高了浮游植物的产量，这些浮游植物并不像二氧化硅包裹的硅藻，它们没有硬壳保护，很容易被片脚类动物吞食，片脚类动物就是小型的甲壳类、形似虾米的浮游动物，这些浮游植物能够进一步阻止铁施肥带来的植物快速增长。[24]

无论如何，对于持续不断地向海洋施肥的工作需要进行合理安排，因为这需要大型船队不断地向广阔的海洋泼洒铁的细小颗粒物，尤其是在极端恶劣的天气情况下。对于大规模、持续地施肥的合规性则需要在全球范围内达成新的协议，所以早期大规模进行铁施肥不太可行。对于近期海洋施肥试验的调查结果，我表示支持，“铁施肥并不是抵抗气候变化的有效方法，我们不需要进行深入的研究来对此进行证明。”[25]

我们不可能对自然生态系统或新的绿化（森林再造）区域的碳封存比率、数量级给出准确的判定；同时，我们也无法给出对森林、绿地和土壤的良好管理能对碳存储有多大的帮助的判定。耕地的潜在碳封存能力很大程度上被高估了，[26]但那些古老的森林的碳存储能力却被过于低估。[27]这些结论使目标清晰的大型碳封存项目的设计和执行变得更加复杂。总之，不断大规模地使用铁施肥将会使依赖铁元素的深海碳封存疑点重重。

[1] Wigley and Schimel 2000.

[2] Potter et al.2003.

[3] Fan et al.1998.

[4] Potter et al.2003.

[5] Nabuurs et al.2003.

[6] Beer et al.2006.

[7] Stephens et al.2007.

[8] Nemani et al.2002.

[9] Percy et al.2009

[10] De Vries et al.2006.

[11] Janssens et al.2005.

[12] United Nations Food and Agriculture Organisation 2003.

[13] Schlesinger 2000；Lal et al.2004.

[14] Loya et al.2003.

[15] Bellamy et al.2005.

[16] Heath et al.2005.

[17] Trumbore and Czimczik 2008.

[18] Walter et al.2006.

[19] Lehmann et al.2006；Lehmann 2007.

[20] Lehmann et al.2006.

[21] Martin and Fitzwater 1988.

[22] Coale et al.2004.

[23] Tréguer and Pondaven 2000.

[24] Informationsdienst Wissenschaft（IDW）2009.

[25] Strong et al.2009.

[26] Smith et al.2005.

[27] Carey et al.2001.

技术修复

技术修复可能也是一个办法，它不涉及生命有机体且影响效果可控。修复方案包括在理论上新奇但实际上不太可行的想法，以及具有可行性但效果有限且成本高昂的解决办法。

核解决方案。下面我将介绍两个在理论上颇具传奇色彩的案例，它们分别是马尔凯蒂（Marchetti）的核解决方案和印度玄武岩海量存储。马尔凯蒂提议将天然气作为主要的化石燃料，并使用高温核反应堆进行水蒸气转化，进而将二氧化碳注入原气田，最终解决二氧化碳排放的问题。[1]即使整个流程可以盈利，也将花费数十年去建设巨大的基础设施，包括数以百计的须实现广泛商业化应用的新核反应堆（涵盖反对新建任何核电站的国家）和二氧化碳新的运输网络。

玄武岩存储。将二氧化碳储存到印度德干暗色岩的玄武岩层级和下面的岩石层的方法忽略了玄武岩渗透性不佳的特点，而且玄武岩高度风化、高温且非常容易破碎，二氧化碳不可能被很好地储存。[2]相似的情况还发生在刚脱离西雅图和温哥华的胡安德富卡海峡地壳板块的水下玄武岩（海平面1.6英里[3]以下）。[4]我认为，很少有投资者乐于去建设长达3000英里的管道将二氧化碳从东海岸运输到太平洋海底。即使这些玄武岩能够存储位于太平洋上三个州全部的二氧化碳，但这个存储量相当于整个美国二氧化碳排放量的4%。很显然，我们只能通过提高运动型多功能汽车的平均燃油经济性标准来防止更多的二氧化碳的排放。

矿物碳化。另一个不同寻常的提议是通过橄榄岩的风化（碳酸饱和）来吸收二氧化碳；[5]这个过程可以通过钻孔或者水力压裂而加速进行。先不管实际存储流程的可操作性，从美国、中亚到阿曼的二氧化碳运输走廊几乎就无法实现。经过初步的估算，每年会有10亿吨的二氧化碳气体（大部分从波斯湾区域进行管道运输）被封存。

通过使用矿物碳化和从空气中直接吸取二氧化碳的方法实现碳封存，貌似未来几年还无法实现商业化应用。碳化作用有三个主要的优势：一是碳化作用将产生大量的热；二是碳化作用可以在很低的温度下进行；三是碳化作用所需的矿物给料（硅酸盐岩石）很充足。同时，最终产物（钙和碳酸镁）是无毒的固体，对这些固体，可以在露天矿场利用简单的处理方法进行填埋或储存，但这需要大量的反应剂，而且也不会产生多么大的影响。接下来，我将对镁岩石进行论证。

利用氧化镁进行碳化反应（MgO+CO_2=MgCO_3）的最低标准是0.9吨氧气可消除1吨二氧化碳，但实际上这个过程需要大量的镁硅酸盐矿物，例如镁橄榄石、蛇纹岩。二氧化碳与蛇纹岩（Mg_3Si_2O_5）反应至少需要2.1吨岩石消除1吨二氧化碳；但由于矿石回收率不是100%以及碳酸盐反应过程中的转化也不完全，那么至少需要3吨岩石完成1吨碳封存。假设这种碳封存的方式只吸收煤炭燃烧释放的二氧化碳，那么碳化反应可以处理人类活动产生的1/3的二氧化碳，这个数量并不能阻止大气中日益增加的二氧化碳含量，而且开采矿石的成本也是惊人的。

2005年，煤炭燃烧释放了120亿吨二氧化碳，而每年用于碳封存的蛇纹岩的开采量已经超过了330亿吨，这个数量差不多是同年开采的化石燃料总量（不足120亿吨）的三倍。先不考虑蛇纹岩的开采成本、采矿和运输蛇纹岩所需的能源，仅考虑蛇纹岩巨大的开采量，就可以证明这个办法仅仅是纸上谈兵。即使抱有最大的决心并做好付出前所未有的经济损失的准备，2025年前也无法形成这样一个原材料开采量是全球化石燃料开采总量数倍的行业，可将大气中二氧化碳排放量控制在可接受的范围。

从空气中提取。从空气中提取也会碰到类似的考量。[6]从空气中提取的过程需要在高的金属塔中进行。当空气在金属塔中流动，二氧化碳将被薄雾中喷射的液体吸收剂所吸收，或者被安放在金属塔中的片状碱性化合物所吸收。拉克纳（Lackner）预测，一棵“人造树”每年可吸收二氧化碳9万吨，那么16万棵这样的“人造树”就能够吸收2005年化石燃料排放的二氧化碳总量的50%。建造这么多“人造树”在管理上的挑战还算可控，拉克纳甚至还兜售可放在庭院的电视机大小的装置，它每年就可消除掉25吨二氧化碳，大致与美国人均排放量相当。虽然从空气中提取的工艺面临着一些机械方面的挑战，不过还是比较有吸引力的。

由于地面附近的低风速（很多区域经常是无风的）会限制空气流动率，更快的流动率需要人为地去创造，或者在有风区域安装设备，尽管这样的地点并不适合存储气体。不断地将吸附剂运输到接触面不仅是设计上的一个挑战，尤其是在大风情况下；同时，这项工艺也是非常耗能的。氢化钙或者熟石灰的水解可以通过生成碳酸钙来吸收二氧化碳，但是从泥浆黏稠的硝酸盐中获取吸附剂需要很高的温度（需要持续不断的能源供应）。之后，还将有几十亿吨的空气被压缩成液体，并被排放到地下。要想准确估算出这种转化和存储的成本，不能建立在理论的构想上，而要基于大规模且持续的运营，但其尚未开启商业化步伐。二氧化碳空中捕捉是非常有趣的设计，但未来它不太可能成为控制大气中二氧化碳的非常有效的方法。

大规模工业碳捕捉和封存。这个方法在近期备受关注且具有较高的实用性，从集中燃烧源中捕获二氧化碳并进行长时间的存储，二氧化碳便不会轻易地再次进入大气中。碳捕捉和封存的支持者认为其最关键的部分便是完善的工程建设。利用水胺将二氧化碳从天然气和氢气中净化出来的方法早在20世纪30年代就已经商业化应用。[7]从燃煤发电厂排放的烟气中分离出二氧化碳正是这个化学工艺的延伸。通过管道将捕捉的气体进行运输也是日常实践的应用：在美国有将近4000英里的管道用于运输进行石油开采的二氧化碳（几乎都在得克萨斯州）。10年间，管道扩建5倍，甚至10倍都不存在不可克服的技术问题。20世纪60年代，美国共建设了7万英里的天然气管道，20世纪70年代再次铺设了同样长度的天然气管道。[8]

当前，用于石油开采的二氧化碳并不会被输送到地下进行永久存储，大规模地下存储工艺的不同之处就在于储层的选择。二氧化碳将被存储在深处的含盐层，或被盐水渗透、被油气藏消耗的岩层或者不适合开采的煤炭层。这种岩层结构的寿命较长，并且分布广泛，其中一些岩层具有特别大的存储空间，而且存储井钻井成本不会高得离谱。仅北美的深部含盐层就可容纳1万亿吨二氧化碳，就美国当前的二氧化碳排放量而言，这些含盐层存储时间可长达一个世纪之久。[9]

工业碳捕捉和封存的单组件已经具备，而且地下存储空间充足，可储存21世纪捕获的二氧化碳。所以，这个技术方法颇受大型石油和天然气公司的欢迎。相关实验证明，石油和天然气公司将从新的产业中获得颇丰的收益。同时，政府也非常赞同这个方法，根据论文发布的情况来看（截至2009年，科学网站已经发布了5000余篇有关碳封存的文章），这个方法已经成为学术界的热点。

我们来考虑一些基础的细节，这些细节是进行大规模碳捕捉和封存不可或缺的。在全球大型碳封存项目落地之前，最需要考虑的问题就是规模化，即需要处理的气体收集、压缩、运输和地下存储所需材料和能源的数量。通过与已有的碳封存项目进行对比，上述要素的必需性得以完美诠释。

2009年，仅有三个碳捕捉和封存实验项目，这些项目至少要持续5年，且每年至少需要处理100万吨二氧化碳。[10]最早的项目位于挪威北海Sleipner West，从1996年开始，这个项目每年可以将100万吨二氧化碳输入含盐层。从2000年开始，用于萨斯喀彻温省维本市油田的石油开采存储的二氧化碳来自北达科他州比尤拉区域，这些二氧化碳通过320千米的管道进行传输。大量的气体和水注入地下1.5千米处，附随石油被抽到地面的气体会被分离并再次注入地下。[11]该项目每年可吸收100万吨二氧化碳。从2004年起，在阿尔及利亚萨拉赫区域，天然气中过多的二氧化碳被移除，并被注入（年均120万吨）到距离地表2千米的高盐层。其中每个项目预计的二氧化碳总存储量高达1700万~2000万吨。

2008年，全球范围内化石燃料燃烧释放的二氧化碳总量为320亿吨；2010~2025年，化石燃料排放的二氧化碳总量将达到5000多亿吨。排放总量比这三个实验项目的存储总量还要多出4个量级。这些二氧化碳排放物中约有60%来自于大型固定污染源（发电厂、水泥厂、冶炼厂、钢铁、石油化工和合成类的工业企业）。为了吸纳这些二氧化碳，2010~2025年，碳封存总量至少要达到3000亿吨。

2008年，碳封存共消耗了15%的二氧化碳（相当于所有固定污染源二氧化碳排放总量的1/4）；按照这个比例，这个产业每年将捕捉、运输和存储48亿吨二氧化碳。大气压下的碳封存需要非常大的容量，这就是为什么密度为1.967kg/m^3气体需要更高的运输成本和存储成本。压缩的超临界气体（通常为液态）的最小密度为468kg/m^3（不足水的密度的一半），那么48亿吨二氧化碳的体积约为102亿立方米（1/0.468=2.136；2.136*4.8=10.25）。气体再次压缩将缩小气体体积，这个过程几乎不需要额外的能量；但是，温度上升导致的气体密度下降比进一步压缩导致的密度提高的速度要快，当密度高于800kg/m^3时，气体将不能被注入。即使该密度条件下所有气体被压缩，这些气体的体积也有60亿立方米。2008年，全球原油提纯约39.3亿吨，石油平均密度为0.85g/m^3，体积约为46亿立方米。

如果我们的目标是实现2008年15%的二氧化碳封存，我们则需要部署收集、压缩、运输和存储产业，通过部署油井、管道、压缩站、油轮、地上和地下存储的密集网络，这些产业年产量要相当于全球原油年产量的1.3~2.2倍。像全球石油产业的基础设施一样，如果建设二氧化碳年处理量为60亿~100亿立方米的基础设施的话，至少需要数十年，并且成本巨大很难准确估算，即便这样，还将有超过2/3的二氧化碳无法被控制。

当气体被存储在高压低温的工程结构或海洋底部浅层沉积物中，气体占据的体积会小一些，但这样的存储方式也伴随着很多其他的不确定性（不仅受限于《国际海洋法》的规定）以及还未解决的技术挑战。事实上，地下大量的存储只是从陆地上看着可行，我们建设数千英里的二氧化碳管道并不意味着所有源气都可以找到适合存储的位置。即使地下存储可行，源气也能找到合适的位置，但一些存储选择可能会遭到邻避主义的反对，一些二氧化碳管道线路位于人口密集的区域（几乎所有美国现有的二氧化碳管道都位于得克萨斯州郊区、新墨西哥州、科罗拉多州和怀俄明州）。具体问题具体分析、发布具有影响力的报告、进行优先权谈判才能决定最终的进程，而不能依靠理论上的总存储量或者平均长度的测算。

碳封存和存储并不便宜。目前，对碳捕获和压缩的最准确的估算为每吨30~75美元。[12]预测的成本相当于发电厂燃烧碎煤成本的最高值，亦相当于发电厂使用整体煤气化联合循环成本的最低值。[13]运输成本高度依赖于输送流率，随着年度吞吐量的提高，固定运输航程的单位成本呈指数级下降。[14]对于100千米的运输距离而言，每吨二氧化碳的运输成本最少增加1美元，最多为10美元。包括必要的检测在内的存储成本，取决于存储位置的具体参数，例如目标地下岩层的可接入性、深度和多孔性；目前，最准确的估算与管道运输成本差不多，每注入一吨二氧化碳约1~10美元。

将二氧化碳捕捉和存储的平均保守估值定为每吨60美元则意味着每年全球48亿吨二氧化碳捕捉和存储的总成本接近3000亿美元，而48亿吨二氧化碳相当于目前总排放量的15%，大型固体污染源排放量的25%。当碳捕捉和存储可行的时候，首先需要的是巨额投资。对于煤粉发电厂进行碳捕捉和封存而言，装机容量每千瓦的成本要比不进行碳捕捉和封存的发电成本高出60%，对于整体煤气化联合循环发电系统而言，进行碳捕捉和封存的发电成本要比不进行碳捕捉和封存的成本高出30%，当然这些估算都非常不确定。

我们可以明确目前大规模碳封存项目的技术要求，但对未来的预估我们还需持谨慎的态度，因为与当前的试验相比，我们所做的努力还将提高3~4个数量级。同时，我们必须避免现在普遍存在的一个错误认识，就是电器产品单价的快速下降。高级微处理器的生产和设计是完全自动化的过程，这个过程对劳动力和材料的需求很低，从而在大量产出条件下降低了产品单位成本。相反，碳捕捉和封存（捕捉站、管道、压缩机和注射地点）所需的大型基础设施在特定的情况下需要进行定制化，这些设备的搭建和维护需要大量的人力；同时，新型的碳封存产业所需的原材料将拉高钢铁、铝、塑料和混凝土的价格，所以，我们不能轻易地推断出碳捕捉和封存的单位成本是上升还是下降。

[1] Marchetti 1989.

[2] Jayaraman 2007.

[3] 1英里=1.609千米。

[4] Goldberg et al.2008.

[5] Kelemen and Matter 2008.

[6] Lackner et al.1999；Keith 2009.

[7] Rochelle 2009.

[8] Dooley et al.2009.

[9] U.S.Department of Energy 2008.

[10] Rai et al.2008.

[11] 38.Chandler 2007.

[12] Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）2006.

[13] Ibid.

[14] International Energy Agency（IEA）2006.

封存的能源处罚

化石碳捕捉和封存的风险具有不确定性。大型燃煤发电厂是二氧化碳捕捉和封存最重要的目标，但是这些发电厂内部的电力消耗将增加，其中不足10%的电能用于静电沉淀器移除颗粒，至少30%~40%的电能用于烟气脱硫。每单位发电排放的二氧化碳既增加了也减少了二氧化碳封存量。所以，服务于发电厂的整套系统的投资成本估算具有很大的不确定性。

政府间气候变化专门委员会（IPCC发布期刊回顾全球变暖过程）在一篇报告中预测，仅碳捕捉成本将增加新的煤粉发电厂44%~74%的费用支出，碳捕捉和地下存储的成本最大可以使整个投资增加一倍。[1]对于效率更高的天然气联合循环发电站，综合成本也得提高80%。碳捕捉和存储面临的能源处罚可能会大幅降低发电的净能源返还。

这些气体被封存后，还会存在一些问题。高度的因地制宜既降低未来气体的缓慢泄露的比率，也减少突然释放的可能性，缓慢泄露或突然释放可能是由气体进入已存在但未知的断层或裂缝，也可能是由地震造成的。未来存储本身可能就是一个问题。将二氧化碳注入位于得克萨斯州深度为1500米的卤水储集层会导致PH值的下降和碳酸盐溶解，最终从密封岩石和水泥中开辟通道因而导致二氧化碳泄露。[2]由于酸性的增加导致水合氧化铁的溶解，进而产生有毒的微量金属和有毒的有机化合物，而这些有机化合物会进入为人类提供饮用水的地下蓄水层。

二氧化碳长期存储的最好的结果是成为像碳酸盐矿物那样的沉淀物。对9个天然气区域（二氧化碳欲存储数世纪的最佳天然类比对象）的研究表明，在被存储的二氧化碳中，只有很小一部分被储存在那些区域，大部分可能会溶解在周边的水域。[3]充斥着二氧化碳的水域泄露的可能性会增加。由于全球二氧化碳存储量巨大，那么当碳封存量达到数十亿吨时，50年甚至100年逐渐累积的泄露量也将非常巨大。如果每年泄露的比率为0.1%，就相当于泄露了5亿~10亿吨二氧化碳，这将进一步提高大气中二氧化碳的含量。碳泄露对人类健康的影响并不是主要的关注点，但也不容忽略。大气中二氧化碳正常含量（现在是0.038%）是无害的，当这个含量增加到0.5%时，也不会给人体健康带来坏的影响，0.5%含量的职业接触限值是8小时，但是高浓度下接触二氧化碳就存在致命的危险。

二氧化碳存储的选址及核准将会遭受非议、争论和抵触，但这与对其他危险设施的选址和运作的反抗并不一样。反对二氧化碳封存的人们已经在互联网上组织起来，美国、瑞典和德国已经出现碳封存的反对者。[4]针对大型存储地点的选址问题，由于人们长达数十年的反对，美国第一个永久性储存高辐射废料的犹卡山项目被推迟了。我们还应考虑低概率但致命的潜在风险，[5]新的国家法规和国际法规将出台以应对史无前例的突发事件。[6]即使我们快速推动碳捕捉和封存，以使之从小规模的试验过渡到大规模的应用，但要大幅减少仍在日益上升的二氧化碳排放量，还需数十年的时间。

不过，没有任何人承诺会采取快速推动碳捕捉和封存发展的措施。除了想获得巨额经费进行新技术研究的学者之外，大规模碳封存的推动者还包括西方主流的石油和天然气公司，这些公司控制着全球10%的存储量。[7]它们认为，碳封存将创造完美的商业机遇，碳捕捉和封存的大规模开展将需要它们在钻井、存储管理、气体和液体运输方面的专业技能。石油公司（例如Baker，Halliburtion，Schlumberger）、液化空气产品公司（Liquid Air，Linde Gas，Praxair）和大型投资公司都将从中获益。上述所有企业都在等待政府强制性地推动碳封存，从而获得相关资金，但这样的政策貌似永远都不会到来，即使有一天实现了，也将无法阻止工业化前大气中的二氧化碳浓度将翻一番的发展趋势。由于矿物碳化、从空气中捕捉二氧化碳以及增强植物或土壤中碳存储能力等措施，可能不会取得快速且重大的成功，大气中的二氧化碳浓度超过450ppm实际上不可避免（不考虑持续的经济低迷和特大自然灾害的影响），地球将经受一轮更为严峻的气候变暖。

以前，我常常不同意绿色和平组织报告中夸张和生硬的结论，但我发现绿色和平组织对于碳捕捉和封存的五个观点还是准确的。[8]碳捕捉和封存不能及时提供足够的存储容量来避免二氧化碳排放量的大幅增加；反而，它们成为能源的主要消耗者，消耗量相当于半个世纪的发电量；二氧化碳长期存储的安全性和泄露的可能性依旧是关注的焦点；碳捕捉和封存需要巨额的投资；存在巨大的负债风险。

尽管如此，近些年人们对碳捕捉和封存的崇拜从未间断。政府间气候变化专门委员会并未给出可以保证高质量生活的最低能源消费的量化指标，以便指导人们将能源使用降到最低，不过这个委员会发布了二氧化碳捕捉和存储的专题报告。[9]美国政府、企业和学术界并未大力倡导降低美国巨大的人均能源消费，美国人均能源消费量相当于欧盟最富有的国家和日本的两倍；美国制定了积极的目标，即在8~10年内全面部署碳捕捉和封存。[10]

我不认为这种碳捕捉和存储是优选的解决方案，如本书开篇所述，由于投资高昂且存在环境风险，我们应该尽全力去明确如何部署相关解决方案。

具备一定规模足以影响气候变化的碳封存将是一项空前浩大的工程，其中涉及每年至少100亿吨二氧化碳的封存、压缩、管道运输和地下存储，如今很多人认为这不仅是阻止大气中二氧化碳浓度上升的全球行动的一部分，或许也是最有效的方法之一。不过，碳封存这一非凡的解决方案还是极可能走向失败。

[1] Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）2006.

[2] Kharaka et al.2006.

[3] Gilfillan et al.2009

[4] Citizens against CO2 Sequestration 2009.

[5] Leakage from a CO2 pipeline could lead to an accumulation of denser-than-air gas in low-lying areas and to accidental suffocation.

[6] Wilson et al.2008.

[7] National oil companies，some within OPEC，control the rest.

[8] Greenpeace International 2008.

[9] Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）2006.

[10] Chu 2009，1599.

第6章　从植物中提取液体燃料

液体生物燃料在交通领域的应用并不新鲜。[1]例如，伟大的乙醇燃料发起者亨利·福特（Henry Ford），其著名的T型车以汽油、乙醇或二者的混合物作为动力燃料，与现在的弹性燃料汽车相似。第一次世界大战期间，燃料需求的剧增使美国乙醇生产大大提高，但是，含铅汽油的引进和原油提炼的低成本很难为农作物乙醇的发展留有经济空间。[2]在1973~1974年和1979~1981年，OPEC进行了两轮大规模的原油提价，在此之后，形势发生了改变。巴西的农作物燃料是最早进入新能源产业的，其政府为刺激甘蔗乙醇发展实施了国家发展乙醇计划（ProAlcool），于1975年开始，如今在巴西，一半以上的汽车采用无水乙醇作为动力燃料。

然而，美国的发展相对缓慢且边缘化。1980年，美国开始进行燃料乙醇的商业化生产，经历了将近15年，产量超过50亿升；2002年，燃料乙醇才开始加速发展；2005年，其装运量超过15亿升，2007年达到250亿升（见图6-1），2008年达到350亿升（90亿加仑）。此外，美国还制定了更远大的目标：2007年6月，参议院通过了一项能源法案，要求在2022年前乙醇的使用量超过360亿加仑，即20年内乙醇产量增加17倍。即使汽油消费的增长速度不像2000年的时候那样快，2022年的产量依然有望达到1800亿加仑。

图6-1　1980~2007年美国的乙醇产量

资料来源：根据Renewable Fuels Association（RFA，2008）中的数据标绘。

由于乙醇的能量含量仅为汽油的65%，360亿加仑乙醇的能量含量仅可满足2022年汽油需求量的13%。因此，乙醇显然并不能削弱OPEC的地位。就算2022年汽油的需求量因燃料效率新要求（在美国，该要求相当严苛）而比预期中的减半，并且乙醇产量目标完全实现，乙醇燃料的市场份额可能也不会超过动力燃料总量的1/4，因此，还是不能实现能源的独立性。但乙醇倡导者忽视了这些可能性，他们只强调乙醇燃料在环境和安全方面带来的好处。

他们用各种美好的词汇描绘乙醇。例如，认为乙醇是世界摆脱对原油依赖和降低全球经济碳强度的最佳选择；[3]是一种完美的绿色能源解决方案（英国世界能源公司BP在一则广告中提到，“甜菜、玉米、小麦是我们实现可再生燃料的秘诀”）；是农民的收入稳定器；一种还有极大改善空间的燃料源。（世界领先的化工企业BASF夸口：“一家公司能从玉米中提取多少乙醇？……就像光合作用具有无限潜力一样，我们难以预料未来会发展到什么程度。”）

在欧洲，近一半的客车采用柴油发动机，因此其受生物柴油的影响较大。这种燃料可以从多种油料作物中提炼，如油菜籽、葵花籽和大豆这类常见的温带植物，还有热带的油棕榈、麻疯树；在贫困国家，燃油货车、灌溉水泵和小型发电机都依靠进口原油作为动力燃料，许多狂热的生物柴油支持者认为，这些植物可以使国家摆脱对进口原油的依赖。上述观点忽略了实际情况，就是油棕榈的种植已经成为热带森林砍伐的主要原因之一，而且我们对麻疯树的驯化和长期农艺要求知之甚少，一些不切实际的麻疯树大规模种植计划已被放弃。[4]一些生物燃油的狂热支持者想利用废油脂；还有人建议利用罕见甚至奇怪的生物燃料源，例如，加利福尼亚沿海的巨藻和遍布美国东南部荒地的葛藤，但这两种植物的收割都是不小的挑战；甚至还有人建议用阿富汗罂粟花种子，只要考虑一下那些种子的大小以及单位面积的油产量就可以知道该建议是否可行了。本书对液体生物燃料发展前景的分析首先从玉米乙醇（通过发酵成熟谷物中75%的碳水化合物来提取）和甘蔗乙醇（通过发酵甘蔗杆中的蔗糖来提取）开始，因为这两种生物燃料可能代替车用汽油。

[1] Solomon et al.2007.

[2] Smil 2005.

[3] Lugar and Woolsey 1999.

[4] Fairless 2007；Sanderson 2009.

用于交通领域的液体燃料

2005年，全球液体交通燃料的需求量约为20亿吨原油。[1]其中包括车用汽油（远比螺旋桨飞机的航空汽油需求量大）、用于陆运（汽车、卡车、越野车、火车）和海运的柴油燃料以及喷气式飞机使用的煤油。目前最成熟、产量最大的生物燃料替代品，即以0.45 W/m^2的功率密度从甘蔗中提取的巴西乙醇，有可能在整个热带地区获得发展。不过，据乐观估计，生产用于交通领域的乙醇所需的土地面积将达到6亿公顷，该面积比所有热带地区的耕地面积之和还要大，几乎占到全球耕地总面积的40%。

亚热带及温带植物的产量较低，不能与甘蔗的产量相媲美，因此生物燃料代替液体交通燃料所需的实际土地面积更大，土地不足以同时支撑燃料作物和粮食生产，而粮食生产还须满足2050年全球85亿~90亿人口的需求。

[1] British Petroleum（BP）2009.

玉米乙醇

由于美国的高汽油消耗量（2000年，其汽油消耗量相当于日本所有能源消耗量的80%）[1]和乙醇生产的低功率密度（每平方米耕地仅生产0.25W），玉米乙醇燃料只可满足美国整个燃油需求中较小的一部分。如果美国收获的所有玉米（2005年为2.8亿多吨）都按照0.4L/kg的最佳转换率转换成乙醇，那么美国的乙醇生产量相当于总汽油消耗量的13%。

反过来，如果美国的汽油需求量都用玉米乙醇来满足（按功率密度0.25 W/m^2计算），那么，玉米种植所需的耕地面积必须达到2.2亿公顷，比美国全部耕地面积还多20%。当然，更高的作物产量和乙醇产量与更好的汽车性能相结合，能够逐渐减少耕地的需求量，但即便如此，也不会有差异，因为我们无法保证这些方面的改善能够抵消不断增长的需求量。其他国家和地区用于玉米乙醇生产的土地与美国差距明显，全球平均玉米产量仅为美国的50%多。

乙醇最大理论生产潜力和其替代汽油所需产量之间的差距是巨大的，只有当目前需求量减少一个量级时，玉米乙醇才能成为美国交通领域的主导液体燃料。这一差距同时说明玉米乙醇仅仅可以满足总需求的一小部分，而且还得是在原料产量和转换效率提高并且忽略整个生产系统对环境产生的负面影响的情况下。

乙醇的推动者一直尽力将这些影响最小化，并且还夸大该燃料在减轻美国石油进口压力方面的作用。但是，我们必须注意到，最近乙醇之所以在美国如此受推崇，一部分驱动力源于原油价格高涨和中东局势动荡，更重要的是，实力强大的农业综合企业以及庞大、高效的政府机构也对这一进程产生了巨大影响。这些大型农业综合企业包括ADM公司（Archer Daniels Midland）、VeraSun公司以及Cargill公司，这三家公司的乙醇生产量约为美国乙醇生产量的30%，[2]并且享有联邦政府的补贴，也有一些大型私营公司因急切希望获得丰厚的政府补贴而从事乙醇生产。

接下来，我们具体分析政府直接和间接支持乙醇和生物柴油的例子。2006年，美国对乙醇和生物柴油的补贴总量为55亿~73亿美元（相当于每加仑补贴1.39美元），欧盟的补贴将近50亿美元；此外，相关研究发现，补贴量从范围和规模来看仍在快速增长。[3]尽管许多先进技术获得了丰厚的政府补贴，但抛开补贴不说，乙醇生产的负面因素还有很多，由于人类不断加强对全球氮循环系统的干预，乙醇的净能量回报率仍处于很低的水平。

玉米乙醇燃料的净能量分析。对于任何能源来说，首先要考虑的是其净能量回收率（即最终产品中的能量与生产产品所需能量之比），在这方面，玉米乙醇的表现不算成功。皮门特尔（Pimentel）的研究不仅计算了玉米种植的直接能源成本，还计算了田间作业机械和灌溉的能源成本，最终得出乙醇所含能量与玉米生产及发酵所消耗能量之比仅为0.77，这说明该过程的能量损耗很大。[4]Shapouri和其他研究者得出的净能量增益最小值为1.06。[5]最高能量回报率在1.56~1.67之间，这一研究结果将玉米发酵的副产品的能量值也一同计算进去，副产品主要包括用于动物饲养的酒糟和麸质粉。[6]

以上所有研究都存在缺陷，[7]因此，我们不可能通过假设而得出单一的精确值。但毋庸置疑，这里只有一个边际净能量增益，即使玉米乙醇的净能量确实可观，玉米乙醇也将是个糟糕的选择，因为净能量研究完全忽略了由于大面积高密度的玉米种植和谷物加工而造成的大规模环境恶化。[8]

环境恶化。玉米至今仍是美国最主要的中耕作物，在冠层封闭之前，土壤暴露在严重的水流侵蚀下，玉米种植已经成为导致美国农业土壤流失的最重要因素。玉米的高产量还要求人们大量施氮肥，氮肥施用量平均超过150千克/公顷，在玉米种植带超过200千克/公顷。[9]但是，由于氮肥的吸收率一般不超过40%，[10]因此肥料渗入密西西比盆地流入墨西哥湾，[11]造成近海的富营养化并使海湾形成大面积的死亡地带。玉米灌溉已经成为密西西比盆地地下水的最大用户，玉米种植区域扩展到较为干旱的西部边缘地区，同时玉米生产进一步加大，将增加已经面临枯竭的奥加拉拉蓄水层的开采需求。[12]蒸馏过程中产生的大量废水约为乙醇产出的10~13倍，同样增加了生物耗氧量的需求和燃料生产的能源负担。

用于动物饲料种植的玉米传统上与大豆交替轮作，避免了大规模单一作物种植，多数情况下降低了对氮肥的需求。如果玉米种植是为了生产乙醇，这种有益的轮作制将消失，因为与乙醇生产商签署的合同会要求保证稳定的玉米供应量，这将使美国的玉米单一作物种植面积进一步扩大，斜坡或贫瘠的预留土地将不可避免地用于进行玉米种植。当考虑到这些生态问题时，基于玉米密集种植的乙醇生产无疑成为一项不可再生、无法持续发展且破坏环境的活动。

综上所述，考虑到玉米乙醇对全球氮循环的影响和净能量回报率的分析，我们可以清楚地看到，大规模的玉米乙醇生产并不能为整个经济、社会和环境带来好处。有趣的是，我们将以乙醇为燃料的交通工具与以燃烧相同生物量产生的电力为动力的交通工具做了一个比较研究，发现后者更大程度地减少了温室气体的排放。[13]为提高乙醇转换，作物需要有更高的产量并进行更密集的耕种，那么氮肥的使用就会增加，会排放更多的氮氧化物，这比二氧化碳产生的温室效应更强。

很明显，生物燃料生产已经加剧而非减少温室气体排放。[14]此外，用真正可再生的生物燃料（即生产过程不需要化石燃料）替代汽油的需求将更加迫切。上述所有净能量计算都包含了外部的不可再生能源，包括用于玉米耕种和能量转换过程的肥料、农药和田间机械等关键投入，它们都需要煤炭、天然气、煤电和核电进行能源供应。田间机械采用乙醇作为动力燃料，该乙醇通过燃烧作物残渣产生的热量进行发酵和蒸馏，这一可再生流程将使整个工艺的功率密度低于0.1W/m^2。

[1] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009；British Petroleum（BP）2009.

[2] Solomon et al.2007.

[3] Koplow 2006；Steenblik 2007.

[4] Pimentel 2003.

[5] U.S.Department of Agriculture 2004.

[6] Kim and Dale 2002.

[7] Durante and Miltenberger 2004；Pimentel and Patzek 2005；U.S.Department of Agriculture 2004.

[8] Howarth and Bringezu 2009.

[9] U.S.Department of Agriculture 2007.

[10] Cassman et al.2002.

[11] Rabalais 2002.

[12] Guru and Horn 2000.

[13] Campbell et al.2009.

[14] Howarth and Bringezu 2009.

甘蔗乙醇

甘蔗显然是比乙醇发酵给料更好的选择。首先，该热带草本植物全年都在进行光合作用；其次，目前全球的甘蔗平均产量约为65吨/公顷（其中蔗糖产出量约占12%或7吨/公顷）；优选的栽培品种（依靠茎叶中的内生固氮菌）不需要施氮肥或只需要进行极少量的补充。此外，乙醇生产不需要任何外部燃料，可以完全通过甘蔗榨汁后剩余的纤维渣的燃烧供给能量。上述优势明显可使甘蔗种植和后续的乙醇发酵获得丰厚的能源回报。

根据马赛多（Macedo）、利尔（Leal）和达席尔瓦（da Silva）的研究，在巴西圣保罗州，典型种植和发酵流程的能量转化效率为8.3，在最好的情况下，可超过10。基于美国的比较研究，甘蔗乙醇的能量回报率至少比玉米乙醇高5倍，甚至10倍。[1]但后期有研究发现，马赛多及其同事的研究低估了甘蔗种植的能源成本，正确计算的话，巴西乙醇产生的能量仅为其生产和分配所用能量的3.7倍。[2]在全球经济合理运行的情况下，温带谷物不会用来进行乙醇生产，富裕的国家会从热带地区进口乙醇。相反，美国通过高关税阻碍巴西乙醇的进口，加大对国内低效生产的补贴力度。

同时，对从热带地区进口乙醇，也必须谨慎对待。只有甘蔗种植不占用粮食生产所需的土地，才是可取的；不过，除了巴西几乎没有哪个国家拥有这样的土地。另外，巴西乙醇可能也不会如此发展。[3]就算忽略净能量回收率，甘蔗生产大量乙醇的潜力也有其局限性，与玉米乙醇的局限性没有太大差异。甘蔗的全球平均产量目前约为65吨/公顷，即使以目前巴西的82升/吨的高平均转换率进行转换，[4]乙醇产量还不到5500升/公顷。2005年，热带和亚热带国家的甘蔗总种植面积约为1900万公顷，如果都用于乙醇生产，年燃料产量还不到全球汽油消耗量的6%。要想满足所有需求，甘蔗的种植面积必须在3200万公顷左右，相当于世界20%的耕地。由于高产甘蔗只能在热带生长，这意味着热带总耕地面积的60%必须用于种植乙醇生产的甘蔗。

尤其在实际应用过程中，甘蔗的种植与收割以及蔗糖转化并不环保。甘蔗收割前要烧去80%的蔗叶，约占甘蔗植物量的25%；虽然烧去蔗叶使人工收割更安全、更快捷，但它却成了空气污染的主要原因。[5]因此，我们必须开发需要更多能源投入的新设备以实现甘蔗的机械收割。虽然内生固氮菌每公顷可提供约190千克的氮（在不施用氮肥的情况下，良好的作物不只可持续生长几十年，甚至几百年），但除非通过施用肥料来保证营养，水土流失最终将导致产量大幅下降。[6]

[1] Brazil，Government of the State of Sao Paulo，Secretariat of the Environment 2004.

[2] De Oliveira et al.2005.

[3] Patzek and Pimentel 2005.

[4] Brazil，Ministério de Agricultura，Pecuária e Abastecimento 2007.

[5] Ripoli et al.2000.

[6] Sparovek and Schnug 2001.

乙醇生产的影响

无论是玉米还是甘蔗，乙醇作物未来的发展都不符合预期，关键问题在于，许多国家试图用农作物乙醇替代10%~20%的汽油，追求这一不切实际的高份额将导致严重的环境、经济和社会的紊乱。至少，美国和巴西拥有广阔的耕地，但仅巴西有可支持相对大规模和盈利的生物燃油工业的条件，就澳大利亚和加拿大两个土地丰富的粮食进口国而言，由于产粮地区的产量低且干旱频发，给其生物燃油的发展造成局限。而中国、印度和印度尼西亚三个世界人口最多的低收入国家的耕地匮乏，这使其排除了大规模发展农作物生物燃料种植的可能性。

从日益上涨的物价可以看出，在土地富饶国家即使乙醇工业规模相对较小，其也会产生重大的影响，一些经济学家在著作中也描述了生物燃料如何饿死穷人。[1]2006年，由于美国将20%的玉米用于乙醇生产，同年6月墨西哥湾港口的玉米的价格上涨到4.2美元/蒲式耳，比2005年玉米均价2.69美元/蒲式耳上涨了60%；直到2007年，价格仍然接近4美元/蒲式耳。[2]需购买饲用玉米的肉类生产商受到影响，而不生产生物燃料只依赖进口的国家受到的影响更大。国会预算办公室的一项研究发现，从2007年4月到2009年4月，由于乙醇生产造成的美国粮食价格上涨的幅度高达15%。[3]

为解决上述现实问题以及利用粮食作物生产燃料从而出口到贫困国家的问题，2007年10月，联合国粮食署特别报告员吉恩·齐格勒（Jean Ziegler）给出直截了当的评估结果，并呼吁将玉米、小麦及甘蔗转换燃油的计划暂停5年，他表示：“将农业粮食生产所需的土地用于生产生物燃料所需的粮食是违反人道主义的行为。”[4]同时，如果忽略了生产的外部环境因素，生物燃料的竞争力也颇具争议。如果没有补贴，那么经合组织（OECD）国家的乙醇生产只有当石油价格在65~145美元/桶时才具有竞争力。[5]显然，石油价格的波动对生物燃油的盈利水平影响巨大。

[1] Runge and Senauer 2007.

[2] U.S.Department of Agriculture 2007.

[3] U.S.Congressional Budget Office 2009.

[4] Ferrett 2007.

[5] Von Lampe 2006.

纤维素乙醇，“巨大的新能源”

但是，农作物乙醇的倡导者认为纤维素乙醇能够为所有问题提供所谓完美的解决方案：纤维素乙醇——纤维素分解获得的糖分经发酵产生的一种乙醇。作为生物圈中最丰富的高分子，纤维素由约3000个单糖单位组成（见图6-2）。

图6-2　纤维素结构式

资料来源：Smil（2000）.

这种基质成为不二的选择，每种作物（食物、饲料或者纤维），无论是收割其种子、块茎、叶子还是秸秆，均会留下大量的残余植物量。在很多富裕的国家，种植业主要以粮食种植为主，而现代栽培品种中，残余物与粮食的比例大约能达到1∶1。仅美国一个国家，每年就能够产生约10亿吨的作物残余，而世界上的富裕经济体每年能够收割约9亿吨的粮谷，同时能够产生大致相同数量的谷草和玉米秸秆。残余物中的主要聚合物可以被水解成葡萄糖分子，通过发酵，即可生成乙醇，不会对耕地提出任何附加要求。

公共投资和私人投资均使纤维素乙醇从实验室规模的加工发展到了大规模的商业应用的水平。美国能源署已经投资了六家纤维素乙醇工厂，这六家工厂已于2011年完工，一家专营玉米秸秆，一家专营废木料，其余几家则主要以农业废料及废木材为主。[1]同时，硅谷创业家们是纤维素乙醇行业内最新的推崇者：太阳微系统公司创立者，维诺德·科斯拉（Vinod Khosla）已经成为一个特别热心的倡导者，早在2006年，他就提出，到2009年纤维素乙醇的成本将极具竞争力。[2]

但要再次声明，能源梦与现实毫无关联。在单一商业化快中子增殖反应堆建立之前，该技术的倡导者认为，它在20年内就能主导全球发电；在200英里/加仑的超级汽车出厂之前，其倡导者认为它在几年内就能征服机动车市场。对纤维素乙醇来说，也是如此：现在，在生产纤维素乙醇的单一商业设备常规运转并实际投入商业运营之前（即能够赚回成本），不加批判的鼓吹者就将这种燃料视为具有竞争力的巨大能源。

维诺德·科斯拉将纤维素乙醇视为一种“比汽油更绿色、更低价、更安全的燃料，同时其转换过程也不会增加消费者、汽车制造商或政府的投入”。[3]在这一过程中，甚至热力学方面的定律也毫无用武之地：我们能够免费获得极具价值的东西。实际上，我们还是会遇到根本性的、耗资巨大的挑战。在不造成长期的、严重的环境后果的情况下，我们能够从田地中清除的作物残余物的数量是比较有限的；况且本来残余物的功率密度就非常低，比作物的功率密度要低得多；通常情况下，较难对其进行收集，运输也比较困难；一旦集中在一起，残余物的结构纤维素和木质素则不容易分解，难以产生可发酵的糖。

作物残余物并非是毫无价值的废物，并非一直等待生物燃料的狂热支持者将其转化成乙醇，它们是一种极具价值的资源，能够提供大量不可或缺而且无法替代的农业生态系统服务。[4]在人口稠密的贫困国家，作物残余物依然能够作为燃料、动物饲料及纤维物料进行大量使用，对它们的循环利用也成为支撑可靠农业管理的重要而普遍的要素。循环利用的作物残余物能够给土壤带来氮、磷、钾三种主要营养素以及多种微量营养素，它们能够给土壤补充有机元素，所有健康的土壤均集合了多种矿物成分、大量的活细菌、死亡微生物及无脊椎植物，通过类似海绵的原理保住水分，同时它们还可以防止风蚀和水蚀。

适当的农艺措施将作物残余物视为极具价值的可再生资源，对这些残余物进行无差别的反复收割将对农业和环境产生巨大的影响。因此，只有那些经过谨慎筛选的残余物才需要从农田中清除，大多情况下，少量的作物残余物根本不值得收集。

我们通过详细研究美国最丰富的作物残余物发现，在设定可容许的清理限制时会遇到一定的困难，在收割和运输原料上也有不小的挑战。美国是面积最大、产量最高的玉米种植国，每年会产出2亿吨的玉米秸秆。[5]约一半的秸秆属于茎类秸秆，1/5属于叶类，剩余的几乎全为玉米穗轴和外皮，二者数量各占一半。在美国的秸秆中，定期收割以用于牲畜饲料的秸秆数量不到5%；剩余的则在耕地过程中埋入地下，或者直接留在土壤表层，以锁住水分，防止土壤流失。很明显，秸秆可用性将会随着年产量的数量而波动；但是，即使收割量是固定的，我们也很难准确地描述在无不利影响的情况下可从田间反复收割的秸秆总量。标准假设使用的草谷比为1∶1；但是，Pordesimo、Edens和Sokhansanj则建议采用一个更加保守的比例，0.8:1（鲜重），当谷物收获期水分达到18%~31%时，这一比例是更现实的平均比例。[6]按照一般的假设，在完全遵循最佳管理实践的情况下，每公顷能够持续收割3~4吨的秸秆。

这一结论可能也过于乐观，例如，Blanco-Canqui与其他研究者发现，当秸秆收割比例超过1.25吨/公顷时，其将会改变土壤的水力特性，同时会对蚯蚓活动产生显著的影响。[7]他们得出结论，虽然特定的土地信息目前还很有限，但依然需要以此为基础确定可允许的秸秆收割水平。不同的草谷比、对平均含水率的不同假设以及循环利用要求，导致对美国年收割秸秆的干物质的估计量最低为6400万吨，最高能达到1.53亿吨。[8]还有一个相当保守的方法就是假设在传统耕种过程中，约有35%的秸秆可在不产生任何不良后果的情况下从农田间清除，而对于免耕种植这一比例提高至70%左右，进行全国加权平均后，这一比例达到40%左右，因此，每年约有8000万吨（干重）的秸秆有待清理，理论上不超过如今美国汽油消耗量的3%。显然，采用来源于秸秆的生物燃料并不是一种有效降低对进口石油产品依赖的可靠方法。

在任何情况下，农田可用性都无法与乙醇制造厂的投入相平衡。大规模工业加工要求进行可预测且统一的投入，但是作物残余物无须任何投入。作物残余物的产量将会随着作物产量而波动，作物残余物的成分也一样会随着作物的产量而波动。托马斯（Thomas）通过分析10个州100多种杂交玉米的1100多个秸秆样品发现，结构性碳水化合物总量（干物质的45%~69%）已经足以对乙醇的销售价格产生至少25%的影响。[9]因此，秸秆的收割始终是个问题。[10]将其切碎，并达到农田干燥度的最大值很容易实现，不过干燥度却是当地气候的一个不可预测的变量，秸秆可能需要数天，甚至数周的时间才能够完全干燥、使水分完全消失，而在多雨持续期，想要完全干燥几乎是不可能的。农民们不得不收集含有1/3水分的秸秆，并将带有多余水分的秸秆运输到加工厂，而这样运输费用就增加了。

收割过程中的另一个问题就是，农田中收割机收集的秸秆可能不到2/3。如果收割机能够配合料堆机，将秸秆排列成排一起使用，那么收集秸秆就会容易一些。但是，为了帮助水分含量高（40%~50%）的植物量能够在农田中实现干燥，秸秆就需要尽可能地摊开。滚筒式打包机仅能够收集一半已经切碎且完全干燥的秸秆，因此总体的收割效率仅为30%左右。

无论收割率如何，装上卡车的切碎的秸秆密度非常低，仅为70 kg/m^3，因此需要进行压缩以节约成本。如果干燥物质在80千米内的运输成本为30~35美元/吨，将新收割的秸秆运输至转化厂的效率会降低，因为在卡车搬运的物料中，30%是水。此外，将秸秆转化为乙醇很明显需要大规模、数以月计的仓储，因此资源有效性将会进一步降低；成捆秸秆中干燥物质损耗率在10%~25%之间。[11]

由于这一原因，随着大规模收割（70%~75%）可用残余物的新技术的发展，能够收割较多残余物的方案会进一步出现，但是，这种大规模的收割适用于大部分仅进行免耕栽培的地方。皮拉克（Perlack）和他的同事得出结论，只有当美国所有的农田均进行免耕栽培，并且新技术能够使农民收割农业残余物总量的75%时，较高的残余物收割率才有可能实现。他们将“免耕栽培”称为“最环保的生产系统”，[12]同样，这对我们来说也是一个启示：种植在耕地上且需要反复施用除草剂的免耕单一作物（代替现有的以玉米–大豆轮作为主的耕地式农业）如何才能做到环保呢？

此外，还有一个关键挑战，是将纤维素转化为葡萄糖。酶法水解是将葡萄糖分子从纤维素中释放出来，并将其发酵从而制成乙醇的首选方法。酶法水解所需的纤维素酶仅天然存在于相对少量的微生物中，尤其是真菌和细菌中，同时水解作用也并不容易实现；如果是这样，纤维素这种陆生植物中最丰富的结构成分便很容易快速退化和腐烂。纤维素酶于20世纪40年代才被发现，20世纪90年代才开始批量生产、降低生产成本。大规模的纤维素酶转化所需的化学及工程技术非常复杂，因此直到2007年，第一家商业化运营的纤维素乙醇工厂才出现。[13]即使2011年六家由美国能源署投资成立的试点工厂开始运营，即使工厂能够按预期运行，纤维素乙醇的发展仍面临挑战。这些工厂的联合生产量只相当于美国2005年消耗的交通类燃料总量的0.1%。[14]

通过纤维素作物残余物生产乙醇的理论产量是实际产量的两倍。若想缩小其中的差距，我们需要采用更好的方法来清除木质素，因为木质素的存在会阻隔多糖，并且抑制多糖的酶法水解作用，同时我们还要找到一种酵母，能够有效地对己糖和戊糖进行发酵，尤其对来源于半纤维素水解产生的木糖进行发酵，这种发酵方式可以在高成本的分离之前保证较高的乙醇含量。[15]所有这些挑战均来自作物基本的结构及功能特性。这些特性均是在演化过程中选择的，我们若是低估了特性修改相关的困难，那就太天真了。此外，生产乙醇的新型设备成本也相当高，我们对成本的未来趋势也没有清晰的概念。

全球经济放缓使纤维素乙醇商业化的进程进一步减慢，2009年美国纤维素乙醇基本实验生产能力的最高估值还不到美国环保署之前预计的2010年纤维素乙醇生产能力值的5%。[16]负责的、乐观的美国专家认为，未来10~15年内来源于纤维素植物量的生物燃料生产就能够实现。[17]

因此，结论就相当明确了：即使我们有了大量效果惊人且便宜的纤维素酶，且能够以非常低的成本来运营新工厂，我们依然需要数十年的时间，才能推动纤维素乙醇生产，实现商业化运营，而且找到足够有效的酶也不是唯一的决定性因素。任何高产量纤维素作物的大规模扩张都要面临很多的不确定性，因此我们无法自信地做出预测。举例来说，近些年备受追捧的美国柳枝稷并没有较长的单作历史，在养分需求和最佳农艺措施方面，也具有很大的不确定性。[18]此外，考虑作为生物燃料生产的柳枝稷及其他根茎草类有很多特性，这使它们成为一种潜在的高侵略性物种。[19]近期，一项详细的能源、环境和金融层面的综合性分析发现，通过柳枝稷生产的乙醇对不可再生能源（主要是肥料、除草剂和机械）具有严重的依赖性；因此，它并不是石油产品的很好的替代品。[20]

对于生物柴油来说，其产量比乙醇燃料的产量低得多，仅占全球生物燃料总量的15%，其中，欧洲是生物燃料的最大生产者。我分析了一项有关生物燃料生产的特殊建议：从倒掉的咖啡渣中提取生物燃料。建议提出者计算得出，通过油萃取和酯基转移能够产出约13亿升（3.4亿加仑）的柴油燃料，前提是全世界倒掉的所有咖啡渣能够全部收集到一起，并且能够采用经济规模的设备进行加工。[21]但是，他们忘记提及的是，全球柴油燃料产量现在已经超过了8000亿升，他们的方案所生产的燃料还不到目前全球柴油燃料消耗量的0.2%，因此咖啡渣很难成为拯救地球的绿色能源。

遗憾的是，生物燃料倡导者们现在又开始鼓吹使用动物油脂了。显然，他们对能源转换的理解能力尚未达到本科水平，因为他们完全忽略了将动物饲料转化为储存脂肪是个极其低效的过程。当我第一次读到使用鲑鱼油作为生物燃料的文章时，[22]我认为再也不会有比这更奇怪的建议了，关键点有两个：第一，野生鲑鱼的生存量已经由于过渡捕捞而严重下降，任何为了获取燃油而对鲑鱼进行的过度捕捞即意味着增加这种濒临灭绝生物的死亡数量；第二，人工养殖的鲑鱼，每生产1单位的可食用组织需要提供约3.1~3.9单位的鱼粉和鱼油，[23]而这必须通过捕捉大量的沙丁鱼、凤尾鱼和小虾等野生生物才能获得。因此，我们根本不应该只是为了生产出鲑鱼油燃料而考虑这种方法，它不仅会给丰富的海洋生物带来灭顶之灾，而且也会对能源产生负面的影响。

这种谬论还获得了公共资金支持，而且支持力度非常可观。其中最荒谬的就是国际能源署（IEA）的项目，该项目评估了“使用来源于风险性原材料、死亡牲畜及服用镇静剂的动物的脂肪生产生物柴油的风险。”[24]大家想象一下：我们居然依靠源于“危险材料”的生物燃料，或者更直白地说，用“疯牛”来制成生物燃料。项目发起者难道没有考虑到疯牛病吗？另一项荒谬的提议是“将生物燃料厂与整形医院建立联系。”[25]这是由新西兰的皮特·白求恩（Peter Bethune）发起的环球竞赛项目，其目标是在一种由生物燃料（部分通过人类脂肪制成）驱动的船上创下摩托艇速度的世界纪录。根据培森的说法，“在奥克兰，我们每周从抽脂手术中获得约330磅的脂肪，这些脂肪能够制成约40加仑的燃料。”[26]

[1] U.S.Department of Energy 2007.

[2] Khosla 2006.

[3] Ibid.，72.

[4] Smil 1999.

[5] Graham et al.2007.

[6] Pordesimo et al.2004.

[7] Blanco-Canqui et al.2007.

[8] Kadam and McMillan 2003.

[9] Thomas 2003.

[10] Richey et al.1980；Shinners et al.2007.

[11] Shinners et al.2007.

[12] Perlack et al.2005，19.

[13] Service 2007；Stephanopoulos 2007；Himmel et al.2007.

[14] Solomon et al.2007.

[15] Service 2007.

[16] Kwok 2009.

[17] Stephanopoulos 2007.

[18] Parrish and Fike 2005.

[19] Raghu et al.2006.

[20] Felix and Tilley 2009.

[21] Kondamudi et al.2008.

[22] Reyes and Sepúlveda 2006.

[23] Tacon 2004.

[24] International Energy Agency（IEA）2005，39.

[25] Schouten 2005.

[26] Ibid.

生物燃料，一种不适当的解决方案

最后，液体生物燃料无法作为现代交通运输的能源，最根本上在于这种液体生物燃料完全缺乏系统适用性。即使是效率最高且对环境影响最小的生物燃料，也不应该用于有关车辆中，这些车辆的性能与1950年前的更类似，而非预期的21世纪早期的车辆。这一观点站不住脚的最有力证明如下：1973~1985年，机动车辆的平均性能提高两倍之后，美国依然完全无法提高其机动车辆的平均燃油效率。[1]

如果1985年之后这一效率仍能继续提高，且这一领域不会出现任何难以克服的技术挑战，到2010年，新车的平均燃油效率将达到每加仑50英里，到2015年，平均燃油效率可以达到每加仑40英里以上，比美国当前机动车辆燃料需求的一半还要多，从而使油价失控。欧洲的汽车制造商则没有类似的记录，到2000年，其普通小型汽车的整备质量将比1970年小型汽车整备质量高50%。[2]

我们必须得出这样的结论：基于现有能源转换或即将投入商业化应用的方法生产出的生物燃料，无法替代如今车辆、轮船、飞机所需的成品油，未来数十年，它们不会而且也不能满足全球交通工具效率提升所引发的大部分需求。我们必须进一步明确：包括原动机、设备、相关机构以及未来发展预期在内的整个交通运输系统的合理化应该优先于尽管经过细致考量但内在有限的生物燃料生产。使用复杂、耗能、对环境破坏性强但实际上不可再生的工艺生产液体燃料，从而支撑效率极低的超大设备（这些设备出于可疑的原因太频繁进行全运转），增加了复杂的不合理性。

虽然在过去的5年中，有很多反对农作物生物燃料的观点，但如今一些新的不切实际的说法又被提了出来，尤其是藻类可以用来生产生物燃料的说法。在这股“海藻淘金热”中，发起者在完全可控的生长环境下进行实验室实验，然后转至大型室外培养池，一些鼓吹者甚至提出了在热力学上根本无法实现的产量。[3]这只能说明，能源神话和现实之间的较量永远不会结束。

我所做的简要分析仅仅概述了农作物生物燃料生产的一些主要问题，想了解生物燃料最综合性评估的读者可以阅读Giampietro和Mayumi最近的著作。[4]在阅读过他们的文章之后，相信读者们就可以理解作者使用“生物燃料谬论”作为标题的原因了，文中对大规模从植物中提取液体燃料的谬误进行审视，结论非常清楚：液体生物燃料无法取代，尤其不应该取代交通领域中的成品油。

[1] Gillis 2006.

[2] Sustainable Mobility Project（SMP）2004.

[3] Mascarelli 2009.

[4] Giampietro and Mayumi 2009.

第7章　风力发电

在2005年5月《地球物理研究期刊》上刊登的一篇论文中，斯坦福大学的克里斯蒂娜L.阿彻（Christina L.Archer）和马克Z.雅各布森（Mark Z.Jacobson）将全球风能的潜力进行了量化。[1]他们通过使用来自五大洲约7500个地面气象站和500个气象气球的风速测量结果，推算出了地面以上80米高空的风速情况，这一海拔相当于转子直径为77米的大型现代1.5MW涡轮机轮毂所在的海拔高度。

研究发现，在这一高度上，海面上的风速平均为8.6米/秒，而在陆地上的风速为4.5米/秒，在所有进行了风速测量的地点中，13%的地点风力均达到三级，如果在地面以上50米的地方测量，速度可以超过6.4~7米/秒。这些风力足以支撑低成本、大规模的商业化发电。假设所有选取气象站的生成数据可以代表全球风力分布情况，同时采用48%这一不切实际的高负荷率，他们得出结论，全球范围内，在高度为80米且年平均风速大于等于6.9米/秒的地点，可利用的风能能够达到630PWh，相当于72TW电力。

这项研究证实了风能分布的区域性差异，欧洲大西洋沿岸（见图7-1）和北美大平原拥有最佳风力发电条件，同时这一巨大潜能的发现也为风能大规模扩张提供了有力论据。2008年，所有类型的一次能源（化石燃料、水力发电及核能发电）的全球消耗量相当于113亿吨石油，大约相当于风能理论发电总量的1/5，同时，全球发电量总计达到17.5PWh，不到全球风力发电潜能的3%。

图7-1　欧洲大西洋沿岸的风速

资料来源：Archer and Jacobson（2005）中欧洲风速地图的简化版。

美国地球物理联合会的期刊刊登了阿彻–雅各布森的论文，其中提到“只要将潜在风能的20%转化为电力即可完全满足全球能源需求”[2]的说法，可以预见，这一说法会被多次用来证明风能在全球能源中的救世主地位。甚至在全球性评估发表之前，环境问题专家莱斯特·布朗（Lester Brown）就从一项美国风能潜力的早期评估[3]中得出结论，认为“风能不仅能够满足整个美国的电力需求，而且能够满足美国所有的能源需求。”布朗甚至宣称，“风能很可能不仅可以满足全球的电力需求，也许还能够满足全部的能源需求。”[4]

当然，这些令人吃惊的说法并没有任何详细的论述，风能如何取代焦炭这一人类用来冶炼金属的主要能源，这一话题将引人关注。不过可再生能源狂热支持者并不会细想细节问题，他们相信风能发展的转折点已经到来，风能转化将会改变世界能源的未来。

发布研究结果四年以后，克里斯蒂娜和马克·雅各布森为其观点寻找到了更加强有力的证据。通过模拟地面100米高空的风力情况并使用2.5MW涡轮机进行评估，评估结果显示风能的潜力更大。在被永久性冰雪、森林、水及建筑覆盖的区域以外，如果假设平均利用率达到20%，那么，所有大洲的潜在风能发电量可达到680PWh（78TW电力）。[5]在国家层面上看，研究表明美国的风能发电潜力几乎为当前的20倍，除去所有沿海区域，中国的风能发电潜力也为当前的60倍左右。但随着对这一巨大总量的进一步研究，我们可以明确地发现，未来全球范围内其他发电形式仍会继续存在，从现在起的10年、20年或25年内，风力发电不会主导全球需求。

[1] Archer and Jacobson 2005.

[2] American Geophysical Union（AGU）2005.

[3] Archer and Jacobson 2003.

[4] Brown 2003，1.

[5] Lu et al.2009.

风能的演变

毫无争议的是，在数千年的文明历史上，风力无疑是一种无限可再生资源，不过，直到近期风能转化才通过小型、低效的机械得以实现。虽然通过风车产生的机械能在当地及局部地区的贡献十分巨大，但是在现代社会之前，上述能量在全世界是微不足道的，[1]尤其在工业化的前几十年。价格低廉的化石燃料和水力发电抑制了风能捕获的进一步发展，直到20世纪90年代，风力动能转化为电能才开始快速发展，特别是在欧洲地区。

21世纪的前些年，风力从众多可再生能源之一变成后化石燃料时代电力供应的主要备选能源，大型风力涡轮机在设计上不断取得令人瞩目的进步，风力发电获得相当高速的发展。常规风力涡轮机的单位输出功率已经从20世纪80年代早期的不足50kW提高到20年后的1MW，在丹麦这样一个风力涡轮机设计先驱国家，该单位输出功率已经超过2MW。到2008年为止，最大的原型机（德国ENERCON公司的E-126）的转子直径为126米，额定容量达到6MW，不过该公司2009年在官方网站上宣传的最大原型机是一台2MW的ENERCON E-82型号涡轮机。[2]

目前，装机容量为1MW~2MW的风力涡轮机主要集中于大型的机组。最大型风电场（例如得克萨斯州的Horse Hollow，装机容量为735MW）的装机容量相当于中型火力发电站的容量。世界上最大的近海规划项目——伦敦阵列，距离肯特–埃塞克斯郡海岸约20千米，计划于2011年完工，该项目将配有340台涡轮机，总装机容量达到1GW，相当于大型热电站的容量，相当于英国电力总需求的1%。显然，这些机械设备外形并不小、结构也不简单、部署也不分散，因此，这种发展最迅速的现代发电模式不能被归在洛文斯派（Lovinsian）认为将拯救依赖化石燃料的罪恶文明的分布式能源转化的行列中。

全球风力发电总装机容量已经从1995年的4.8GW上升到2005年的59.1GW；2008年年末，达到120.791GW。欧洲依然是风力发电的领导者，风力发电总装机容量约为66GW（占全球总量的55%）其中德国和西班牙在总装机容量上领先，丹麦依然在人均装机容量上遥遥领先于其他国家。美国的风力发电装机容量从1981年的10MW上升到了2008年年末的25.1GW，27年内提高了2500倍。[3]

[1] Smil 1994.

[2] ENERCON 2009.

[3] Ibid.

风力发电的预期潜能

在解析关于风力发电潜能的说法之前，在将当前涡轮机及其容量增长率放到适当的背景中进行解析之前，我首先必须指明，对于熟悉地球大气环流基本特征的人来说，克里斯蒂娜·阿彻和马克·雅各布森估计的72TW全球风力发电潜能[1]并不是什么新发现。他们声称，研究旨在首次量化全球的风力发电潜能，但其实之前就有人做过此类量化，不过之前不是通过从数千个风力测量点的数据来推算，而是通过一些基本原理来推算的。

风力总潜能的理论推导起初从极小规模的日照量（即到达地面的太阳辐射）开始，太阳辐射可以驱动地球的大气环流。佩肖托（Peixoto）和奥尔特（Oort）两位气候专家估计，转化成风力的能量和因摩擦力消散的能量不到900TW；洛伦兹则将比例进一步提高，约为太阳辐射总量的2%。[2]这些总量为风力能源的可用性设定了理论上限。

位于强大而多变的高空急流中的风力最强，也最难被利用。生成的风位于地面上空海拔11千米的高度，在北半球，其纬度位置也会随着季节在北纬30度~70度之间转换。大部分人会认为上述风力的利用简直是空想，但是天空风能公司（Sky Wind Power Corporation）董事长则认为这些风力可以用来发电，从而使美国各地区平均电价仅为1美分/kWh，发电成本也是煤电成本的一小部分。[3]为了实现这一目标，我们必须大规模部署由铝合金线固定的60kW类似于直升机的空中发电机。

下面的例子也是关于空中发电的提议：加拿大公司Magenn Power提倡采用巨大的浮动式风力涡轮机，其水平旋转转子可以通过氮气球来支撑，氮气球利用超过300米长的系链连接到地面。2007年，该公司计划到2008年提供10kW的发电装置（价值在3~5美元/W，已失败）；2009年，公司承诺将在2010~2011年提供一个100kW的发电装置。[4]风力发电的狂热支持者指出，在高海拔区域风力能源充足，能够支撑现有文明百倍的繁荣发展。[5]这样说来，到达地面的太阳辐射能源也会很充足，从而能够支撑现有文明万倍的繁荣发展。但是，上述能源都不能在短时间内支撑人类文明发展。资源总量大并不能表明该资源可以快速发展，也不能表明开发该资源会很容易。

如果是（在概念上和实际上的）近地面，我们可以发现，风只有在移动到距地表至少几百米的空间时才能被截取和利用。在全球范围内，约有35%的风力能源或者只有大概不到1.2PW，或者接近2.5W/m^2的风力能源会在距地表1千米处消散。古斯塔夫森（Gustavson）“在知识匮乏的情况下，在谨慎与轻率之间采取了折中的估计方式”，他认为，实际风能利用在不改变地球大气环流和气候的情况下，近地表风能耗散量的上限为10%，[6]由这一推论得出全球风力发电潜能约为120TW。这意味着阿彻–雅各布森得出的72TW的总量很可能偏低，[7]近30年间，我们所获得的对风力发电潜能的估值也与上面类似。

[1] Archer and Jacobson 2005.

[2] Peixoto and Oort 1992；Lorenz 1976.

[3] Sky WindPower 2009.

[4] Magenn Power 2009.

[5] Vance 2009.

[6] Gustavson 1979，14.

[7] Archer and Jacobson 2005.

风能的关键局限

现在，我们对Archer-Jacobson估计的风能总量进行分析，我仅考虑资源和储量二分法、功率密度、间歇性及容量并网等一些基本因素，不会考虑诸多次要因素，因为它们无疑已经抑制了风力涡轮机的推广，且未来可能会严重限制风能发电的最终发展。这些次要因素包括大规模风电场的美观性，[1]风力涡轮机的噪音及其对鸟类和蝙蝠的影响。虽然涡轮机的齿轮箱和发电机的噪音已经基本消除，叶片噪音也通过设置适当的隔离带降低到可接受的程度，但是很多人依然对视觉污染有强烈的抵触心理，很多保守派人士对其不可避免地造成鸟类死亡而感到不满[2]——尽管到目前为止，高层建筑物、窗户、高压（HV）线和猫造成的鸟类死亡数量远远超过风力涡轮发电机。[3]

同样，我也不会考虑由发电成本造成的限制。已公开的计算结果试图表明，在美国，多年来风能的总成本都低于煤炭，[4]尽管有些分析对这一结论存在争议。[5]同样，在欧洲，Awerbuch的风险调节型发电成本估算显示，在寿命周期内，现已安装的风力涡轮机发电的成本将低于天然气，[6]但有人指出这需要持续提供大量的补贴。关于增加还是减少防止碳排放或消除其他污染物影响的额度，支持者和反对者之间的争论会变得更加复杂。由于补贴裁定的问题，成本估算结果也会变得更为复杂：补贴到底是一项值得赞赏的政策，有助于高端技术实现早期的市场渗透？还是一项会导致市场无端扭曲的政策呢？

由于同大量的补贴密不可分，相关因素成为判断风力发电成本的重要考量。补贴政策帮助欧洲和美国开启风能产业，风力发电未来的扩展空间也是个有趣的研究案例：相比对欧洲和北美的农场主进行补贴所造成作物生产过度，破坏全球农业市场，给环境增加不必要的压力，特别是化肥渗透造成的影响，对农业用地上的大型风电场的建设和运营进行补贴更为合理，在保留大部分土地用于农作物或自然植被种植的同时，我们将创造一种新的农业收入形式，还有助于降低对进口能源的依赖性。

资源与储量。在分析过程中，我将不考虑所有次要因素，首先概述风能资源总量与实际可用份额（即可作为燃料能源储备的风能）之间的差距。估计在三级以上的风力中，有70TW~120 TW的风能可以进行开采利用，矿床中（例如，油层中的现存油量）的资源储量，一般情况下，不采用强化开采的方法，开采量超不过1/3。如果是风力的话，可开采量的限制更大。在一些碳氢化合物的开采现场，使用水驱或气流提升的强化石油开采方法，可以提炼超过50%甚至70%的石油，但很显然我们无法开采出50%或70%的风能。

风力发电与水力发电潜能的相似之处也许提供了最适用的矫正方法。如果全球径流的潜在能源都能够100%高效利用，那么全球河流的理论总量大约有12TW，这一总量在概念上可类比于阿彻–雅各布森估计的72TW风力发电潜能。[7]水资源的争相利用、诸多项目的选址不适当、水流的季节性波动以及无法将水的动能完全转化成电能，意味着可开采的容量（即能够利用现有技术进行开采的理论潜能）仅占理论容量的很小一部分。根据详细的国家评估结果，全球可开采的流动水容量为理论总量的14%左右。[8]但是，技术上可行并不意味着经济上可接受，全球范围内符合经济要求的区域的容量仅占理论潜能的8%左右，这只是2009年实际总发电量的三倍。

当我们估算大规模风力发电时，需要考虑一个重要的事项，即我们并不知道：在不改变地球气候的情况下，能够转化为电力的地球大气环流最多有多少。风能利用最明显的物理限制在于大量多风地区无法搭建巨大的涡轮机电场，电场建设和运营要么完全无法（在城市区域）实施，要么（在崎岖或者偏远的地区）遇到经济上的问题，要么（在保护区，例如自然公园及风景优美的海岸线）不受欢迎。此外，大型风电场的建设也会持续遭到当地人的反对，甚至在很多适宜的地方也会遭到反对。

详细的地图测绘可以排除所有因物理障碍而被认为不适宜的区域，但还没有既客观又具体的流程可以用来描述保护区域内或附近的实际风力发电潜能，当然，我们也不能预测哪个地方适合快速建设风电场，不能预测哪个项目会因坚决反对而被迫取消。基于以上原因，我们很难对风力储备的实际量级进行量化，但即使我们保证使地面100米以上高空处的风能可用，使之足以满足如今全球的电力需求，但要达到总容量的一半也非常不可能，因为风力发电巨大的空间需求将会限制其未来的发展。

功率密度。将河流的中间或地势较低的河段拦腰截断的大型水电站必须有大型水库作为支撑（因此会造成水力发电的功率密度非常低），大型风电场也是同样的道理，其空间需求更为庞大。甚至在一些多风区域（在地面以上50米的高空中，功率等级为4级，风速7~7.5m/s），例如达科他、北得克萨斯、西俄克拉何马州及俄勒冈州海岸，冲击旋转叶片的风力平均功率密度可达450W/m^2，但风力涡轮机所需的空间（根据地点情况，至少需要5个，最多需要10个转子直径距离，以降低过度的尾流干扰）却大幅降低了每单位土地的功率密度。例如，一个转子直径为112米的3MW大型维斯塔斯（Vestas）机器，6个直径分开布局，其功率密度峰值为6.6W/m^2，但即使平均负荷率较高（30%），其年均功率密度也会降低到仅为2W/m^2的水平。

实际功率密度峰值与场址特征高度相关，布局最密集的风电场的功率密度超过10W/m^2，而布局比较广阔的风电场，一般功率密度为5W/m^2~7W/m^2，甚至也可低至1W/m^2，而风力最大、位置最好的海岸风电场，其功率密度可以超过15W/m^2。[9]因此，如今大规模风电场的一般年负荷（而非峰值功率密度）的理想估值将在2W/m^2左右。只有开采不会对大规模的风力产生重大影响时，该密度才适用于未来地区化的风电场，但是大气流动中尺度及全球尺度模型均表明，过大规模的风力开采（要求TW规模的装机容量，以满足当前至少1/4的需求）将会降低风速，也会使规模大于100千米的风力发电场的平均功率密度降低至1W/m^2。[10]

2007年，全球电力生产量达到18PWh，而这一发电量要求4TW的装机容量，将这些容量按比例分配给平均值超过50%的负荷率（涡轮机实际发电情况下一年的小时数），居于负荷率较高的热电厂（火电站>70%，核电站>85%）与负荷率较低的水电站（<40%）之间。风力发电的负荷率则低得多。尽管最近的文章中频繁地使用“30%~35%”这个范围，但是我们全面检查世界上风能最集中的欧盟地区的实际记录会发现，2003~2007年的5年，容量因子还不足21%。[11]这意味着，与先前的预测相比，风能成本高出2/3，二氧化碳减排量却低了40%。

这也意味着，在风力发电量的大规模计算中，我们不应该假设平均负荷率高于25%。如果想使风能满足如今一半的电力需求，约9 PWh，将需要功率密度为2W/m^2的4.1TW的风力涡轮机，占地面积约为200万平方千米，几乎是法国国土面积的四倍，也比墨西哥的国土面积大。平均功率密度仅为1W/m^2，所需的风电场占地面积将超过400万平方千米，几乎相当于巴西国土面积的一半，或相当于苏丹（非洲最大的国家）和伊朗的国土面积总和。

这些计算结果表明，我们如果在全球范围内开发大部分的风电，将会对空间产生巨大影响。显然，涡轮机和转化站仅会占据其中的一小块区域，作物种植和动物放牧可以在靠近塔基的区域照常进行。但是，就算假设涡轮机的平均容量高达2MW~3MW，用于搭建大约200万个涡轮机及新的传输线路来输送电力的道路（由于塔基、塔架和涡轮机的总重量超过每单位300吨，道路的承重能力必须足够强）所占土地面积将极大，比塔架所需要的土地面积要大得多；同时，为了保证这些通常位于陡峭山区的道路畅通无阻，防止其发生腐蚀以及使之在恶劣天气仍能使用，我们也要投入大量的能源。

考虑到美国巨大的电力需求，利用风能推动美国经济发展似乎还遥不可及。包括所有高压输电线路在内的美国能源基础设施，现已占据2.5万平方千米的土地，是美国国土面积的0.25%，大约相当于佛蒙特州的面积。[12]截至2000年，美国道路铺设及施工的非渗透地表面积已经达到11.3万平方千米。[13]相比之下，依靠大型风力涡轮机来满足美国所有的电力需求（约4PWh），将需要新增1.8TW的装机容量，（即使假设平均功率密度为2W/m^2），仍需占据90万平方千米左右的土地，大约是美国国土面积的十分之一，或者相当于得克萨斯州和堪萨斯州面积的总和。

风电间歇性。这些计算，虽然就空间因素而言较为真实，但不能揭示出风电间歇性的本质。用于现代风力涡轮机的计算，不像用在老（旧）风车上的计算，不是孤注一掷的。现代涡轮机当风速达到3~4m/s或10~14km/h便开始发电，风速加快，风力也会加大，风速每次加倍，风力将会增加八倍。在暴风雨天气状况下，涡轮机通过关闭来保护叶片和塔架，风速为12~14m/s（43~50km/h）时，涡轮机达到额定功率，一直维持这一功率直到风速达到25m/s（90km/h）的时候（见图7-2）。因此，坐落在多风地点的大型现代涡轮机的有效发电时间占比可达70%~85%，但发电量会在额定容量值的一小部分和最大值之间波动。

图7-2　不同风速下3兆瓦90伏涡轮机的发电曲线

资料来源：Vestas（2007）.

很多研究结果都表明，即使在独立的发电系统中，只要风力涡轮机的总装机容量不超过系统总输出量的10%，由上述变动因素引发的问题仍旧可控。英国国家电力供应公司（National Grid Transco）认为，风能可预测的间歇性不会对稳定性造成主要影响，我们能够有效地管控间歇性。[14]对于规模较大且互联性更强的系统，在多地充分分散部署风力涡轮机可减少由于风能间歇性导致的负荷变化，这种方式可防止大部分正在运转的涡轮机同时停止运转的情况；或者使用煤炭、核能、水力和风力等多样化的发电模式也可减少负荷变化。

欧洲风电的发展明显从中受益，欧洲大陆大范围、长距离、高压互联和多样化的发电方式意味着总装机容量的20%甚至30%都可来自风能，并不用依赖过多的备用容量（现在多为可快速开启的燃气涡轮机）。德国能源协会的一项研究表明，2015年风能发电计划将能满足14%的电力消费总需求，但德国并不需要建设额外的发电站来消费越来越多的风能。这项研究还认为，供电系统的安全性依旧能够得到很好的维护，国家电网仅需进行小范围的扩建（新建850km超高压线路，另外升级改造400km超高压线路）。[15]

然而，这样的利好消息也肯定有其局限性，狂热的风能支持者都忽略了这一点。欧洲风能委员会的官方网站是这样解释“间歇性神话”的，即“某些地方的风车停止转动所产生的影响微乎其微，因为在别的地方总会有风车在转动”。[16]这貌似是对的，但“别的地方”可能是几百甚至上千英里以外的地方，而且区域之间也不能进行高压传输。对于新建跨国的电力系统，当风电成为电力供应的单一最大来源时，我们需要建设超大规模的洲际和洲内的高压输电线路，从而实现强大紧密的互联电网以应对间歇性，不过建设成本和相关土地权问题都将令人生畏。

厄斯特高对地理聚合和风电输出方差的研究进一步解释了间歇性。基于丹麦的项目经验，他预测，不同区域的电力需求和风力的变化有助于平稳波动并降低高度依赖风能的系统性的不平衡性，利用这些变化可减少其他发电形式的备用容量。然而，除了预测性的内容，他还发现了限制条件，即热能存储平均需求可能会下降，“但冷疑式热能存储的最高容量需求并不会下降，在互联区域以外，风电生产容量要求将成倍增加。”[17]

相反，当风力发电过剩时，当我们将过剩的风电发送到互联的电网区域时，电价将会下降。丹麦的风电应用有新奇之处，北欧电力交易所在2009年10月引入了负电力现货价格（200€/MWh），[18]这意味着，电力市场中的风电过剩将影响煤电、水电和核电生产商。

一些地区特殊的气候特征也限制了整个系统中风电的最大占比。阿彻–雅各布森发现北美地区尤其适合风力发电，在所有有人居住的区域，该地区拥有数量最多的三级以上电站，而且风力资源丰富的场所并未集中在单一的地区，从纽芬兰到北卡罗来纳的大西洋海岸、五大湖区附近，从曼尼托巴到得克萨斯州的广阔的中大陆地带，以及加利福尼亚、华盛顿、英属哥伦比亚和阿拉斯加的西部海岸，都有丰富的风力资源。[19]

因北美东南部受无风和强风的影响，北美大陆地区持续无风和超级强风的转换频率也相对较高。在夏季和早秋，百慕大群岛西部的半定向高压单元造成该地区持续无风的状态。百慕大群岛的高压伴随着无风和弱风、有限混合层的生成（会引发空气污染）和高温。当空调装置的电力需求处于年度最大值时，当地风力发电维持在最小值水平，由于这段时间电力需求无法依赖风能来满足，百慕大群岛不得不从五大湖区或中西部地区进口大量的电能，不过这需要大量额外的远距离高压线路来进行输送。

此外，在夏季和早秋，全球循环会带来频繁的飓风，将影响从得克萨斯州到新斯科舍的海岸和附近内陆地区。所有风力发电装置将会被频繁关闭数日，所有的涡轮发动机和塔架都面临着严重损坏的危险，有可能需要长期维修。2005年“卡特里娜”飓风就造成墨西哥湾的许多离岸石油钻井设备受到损坏。当然，有人会说涡轮机不应该安装在这些危险的区域，电能应该产自内陆地区，设备在那里不会遭受飓风的袭击，不过频繁的龙卷风袭击仍不可避免。

容量整合。继风能涡轮机选址之后，我们现在需要考虑充分互联的问题，这在理论层面还是非常有希望的。国家可再生能源实验室的一项研究表明，在美国，5英里现有230kV输电线路范围内潜在风能可达175GW，10英里现有230kV输电线路范围内潜在风能可达284GW，20英里现有230kV输电线路范围内潜在风能可达401GW。[20]但是，相比于最近的输电线路的距离，输电线路的容量更为重要，美国输电线路的整体水平比欧洲低，欧洲拥有强大的贯穿整个欧亚大陆的电网，可以实现从南到北、从东到西的洲际互联，而美国国家电网很难与之相比，美国有很少甚至没有从风能潜力最大的中心区域到海岸地区的高压互联电网。

达科塔州由于缺乏大量的基础设施，无法为加利福尼亚州和东北部地区提供主要的供电服务。马克·雅克布森和马斯特斯（Masters）认为，当平均建设成本为31万美元/千米时，新建1万千米高压线路仅需要花费31亿美元，不到22.5万个新涡轮机成本的1%，且高压直流线路的成本会更低。[21]对于任何概念性的特大项目，上述预估数据的问题还是很多，当前的电网（基础设施老旧、负荷过重、较为脆弱）需要大量且昂贵的升级改造，[22]而且获得线路建设权比资金筹集难度更大，所以这样的电网扩建不太可行。

这也正好解释了卡瓦略方案等项目建议为什么不现实，卡瓦略方案计划利用通过2000千米长的高压线路与加利福尼亚进行连接的堪萨斯州风电场，取代加利福尼亚州的亚代阿布洛峡谷2.2 GW核电站。假设项目2010年上线，容量系数高达60%，如果大规模空气压缩存储技术得以应用的话，系数将达到令人难以置信的70%~95%。[23]对于如此浩大的项目，理论上的估算是一回事，工程实施的可行性又是另外一回事了，2010年，美国和其他地区都未出现过类似的工程项目。

中国也面临着同样的问题。近期有报告显示，2020年中国将至少增加20GW的风电装机容量，成为世界上最大的风电市场；2050年，中国风电装机容量将达到400GW。[24]中国风力发电潜能高度集中在两个区域：一个是东南沿海地区，尤其是福建省；另一个是中国的西北部，主要集中在内蒙古。中国人口最多的省份是四川省，四川省是内陆地区，根据多数卫星图像所显示的，大部分人居住在被雾气环绕的大型山间盆地，这些雾气就是由于长时间不刮风导致的。在成都，年均无风率达到42%（北京为20%，上海为10%），而冬天的无风率达到50%，很显然，在这种地区不适合大规模推广风力发电以满足四川省1亿人口的用电需求。[25]在美国，任何大规模的风力发电首先都依赖于大容量、长距离的高压输电线路。

[1] Pasqualetti et al.2002.

[2] Marris and Fairless 2007.

[3] U.S.Department of Agriculture，Forest Service 2005.

[4] Jacobson and Masters 2001a.

[5] DeCarolis and Keith 2001.

[6] Awerbuch 2006.

[7] Archer and Jacobson 2005.

[8] International Commission on Large Dams（ICOLD）1998.

[9] McGowan and Connors 2000.

[10] Keith et al.2004；Keith and Adams 2009.

[11] Boccard 2009.

[12] Smil 2008a.

[13] Elvidge 2004.

[14] British Wind Energy Association（BWEA）2005，4.

[15] Deutsche Energie-Agentur（DENA）2005.

[16] European Wind Energy Association（EWEA）2007.

[17] Ostergaard 2008，1459.

[18] Nord Pool 2009.

[19] Archer and Jacobson 2005.

[20] National Renewable Energy Laboratory（NREL）2003.

[21] Jacobson and Masters 2001b.

[22] Schewe 2007.

[23] Cavallo 1995.

[24] European Wind Energy Association（EWEA）and Greenpeace 2004.

[25] Domros and Peng 1988.

认识到风电的潜能

风力发电能够走多远，增长速度到底有多快，这些都充满了不确定性。2007年，全球风力发电占总发电量的1.25%，其中丹麦风力占比最高，占比为21%，西班牙约为12%，葡萄牙是9%，爱尔兰为8%，德国的占比是7%，而美国风电占比不足2%。[1]从1995年开始，如果全球风力涡轮机的安装保持平稳增长，未来50年风力发电厂的装机容量将会超越2006年所有发电厂的装机容量之和。但上述现象并不会发生，因为不管是生物体还是新技术，初期的高增长将逐步变得平缓，并呈现出对数曲线增长趋势。

21世纪50年代，全球风能装机容量达到4TW，能够提供9 PWh（相当于当前全球总发电量的一半）的电量几乎是不可能的，大规模风力涡轮发动机的产能非常可能接近于最终风电产能，这也无法详细说明。很多因素将共同决定风电的最终发展，不仅包括其他发电形式的成本、核能的复苏，还包括全球变暖的影响程度和相关资金补助的多少，以及持续期间。

一些长期目标制定得非常宏大，根据巴卡拉（Pacala）和苏克罗（Socolow）的估算，在将风能作为替代能源的情况下，想将二氧化碳排放量维持在稳定的水平，那么到2054年，2TW的风能峰值容量才能替代700GW的煤炭发电量，4TW的风能峰值容量才能替代1.4TW的天然气发电量。[2]要想实现上述目标，在接下来的50年间，每年须增加40GW的风电；但2000~2008年，每年新增加的风能不足13GW。欧洲风能委员会（EWEA）和绿色和平组织发布的《风力12》报告预测，到2040年，全球风电装机容量将达到3.04TW，按照30%的负载率来计算，3.04TW的风电占全球发电量的22%。[3]按100%的绝对负载率来计算，2006年风电占总发电量的50%。之后，绿色和平组织和欧洲可再生能源委员会又发表了一篇报告，这篇报告中2050年风能在全球电能中的占比略微下降。[4]然而，这些数据也存在问题：2000年，风电总装机容量不足20GW，2040年若想达到3.04TW，接下来的40年间，风电装机容量就要保持增长，并且每年新增的装机容量保持在6倍于2000~2008年平均值的水平上。

为了更好地理解风电装机容量的高增长，我们将其与1960~2000年全球的核电和水力发电容量的上涨进行对比，核电装机容量增加到350GW，水力发电的装机容量增加到600GW。即使考虑到风力涡轮机可轻易复制的模块化特性以及高速安装的效率，涡轮机的应用道路仍旧艰辛而漫长，我们无法确定什么时候算是真正的成功，这样的成功又能维持多久，每10年增加750GW的装机容量绝对是前所未有的挑战。另外，我们还没积累大型风力涡轮机运行的长期经验，不能确定它们的平均寿命周期——（可以平稳运行25年，还是30年？另外，还有维护和迭代的周期——甚至在近海区域，主要部件至少可工作20年？

不管风电装机容量最终会怎样增长，技术的发展和大规模电网管理的措施都表明，只有风力发电规模足够大，达到GW级的存储量，独立国家电网才可以大部分依赖风力发电，满足用电需求，不过这种情况在任何国家都不可能发生。诸如丹麦等一些国家拥有充足且相对稳定的风能流，其小型和中型电网也需要与热电（化石燃料和核能）和水电实现大容量互联，这些国家的风电占比应该可以提升至40%，特殊的甚至高达50%。

拥有大容量高密度高压电网的地区（例如欧洲西北部）和可以逐步建设该类型电网的风力资源丰富的地区（美国大平原和加拿大草原地带）的风电供电占比最终会达到30%。从全球范围来看，到2030年或2040年，该比例有望达到15%，但30%的目标很不现实，50%简直就不可能了。我们可以清晰得出如下结论：虽然来自大型涡轮机的风能转换会成为重要的电能供给来源，但是除了在一些相对较小的区域以外，风能并不能成为最大的单一能源，更不用说成为占据主导地位的发电来源了。

[1] Global Wind Energy Council（GWEC）2009；U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[2] Pacala and Socolow 2004.

[3] European Wind Energy Association（EWEA）and Greenpeace 2004.

[4] Greenpeace International and EREC 2007.

第8章　能源转型步伐

尽管2008年夏天油价上涨到近150美元/桶，7月美国原油进口支出更是近420亿美元（2007年为220亿美元），人们越来越担心美国对国外原油的依赖性，但能源领域的某些发展还是较为乐观的。

研究人类基因组排序的克雷格·文特尔（Craig Venter）曾宣称，在他研究机构工作的科学家已经创建了首个合成的细菌基因组，[1]这是实现完全合成细菌有机体的关键一步，文特尔创立的合成基因组公司也希望利用它们来生产乙醇或氢。[2]美国有名的亿万富翁T.布恩·皮肯斯也开始推行他的能源转型计划。[3]

2008年7月，皮肯斯发布了该计划，其中计划的推动者是一位发迹于得克萨斯州油田的年近八旬的石油商，他花钱支持人们放弃使用石油，皮肯斯希望通过该推动者的背景来获得极大关注。皮肯斯大肆宣传，他出现在很多电视节目中，在国会作证，然后再通过电视广告寻求公众支持，号称减少美国对国外原油依赖性计划的最大吸引力在于其简单易懂的连锁效应。

首先，皮肯斯想要在北美大平原（“风力的沙特阿拉伯”）上安装足够的风力涡轮机，从而替代目前所有的天然气发电；其次，他想要利用节省下来的天然气来推动天然气汽车的有效清洁出行；再次，他相信这一替代会打造国内大规模的航空新行业，提供生产巨型涡轮机和辅助设备的高薪就业机会，并为人口逐渐减少的大平原地区带来经济复苏；最后，他更加相信这一替代可减少向石油生产国巨大的财富外流，按照他的计划，美国石油进口量将减少1/3以上。此外，皮肯斯还宣称他一直通过在西得克萨斯建立全美最大的风电场（4GW），利用自身资金推进相关计划。

随着石油价格高达147美元/桶，阿尔·戈尔也在2008年7月号召利用绿色可替代能源，以求快速、根本地替代美国整个火力发电行业。[4]戈尔深信皮肯斯计划执行时间会极短且经济可行性高，他表示：“我现在提出10年内实现100%的可再生能源和清洁无碳能源发电，这个目标合理可行且深具变革意义。对于那些认为10年时间不够的人，我敬请他们重新考虑全世界科学家都指出的如果10年内不有所作为的话，人类将面临的风险。”针对那些无论出于何种缘由拒绝尽责的人，戈尔只提出了两种选择：要么被说服共同参与，要么被要求永远退出。[5]

在我看来，戈尔和皮肯斯的计划与近期关于新能源转换可以很快产生深远影响的承诺、预测和愿景有很多相似之处，所有人都忽略了一个左右着复杂能源系统行为的最重要事实：即能源转型固有且缓慢的步伐。

[1] Gibson et al.2008.

[2] Smith et al.2003.

[3] Pickens 2008.

[4] Gore 2008.

[5] Ibid.

现状

我已经进行解析并提到了大量与戈尔和皮肯斯计划类似的承诺。如到2000年，煤电成为旧日的遗迹，核裂变可满足所有需求，而且超高效增殖反应堆也已发挥作用；到2000年，美国30%~50%的能源利用来自可再生能源；到2000年，全世界将有一半的能源来自天然气。10年前，燃料电池汽车的推销人员就告诉我们这些汽车会大规模上路使用，逐步替代古老低效的内燃机。

现实情况是这样的：美国火力发电厂的发电量几乎占50%，核电站发电量占20%。所有核电站使用第一代水冷式裂变反应堆，在全世界任何地方，商用增殖反应堆不会是在独立运转。2008年，包括玉米提炼乙醇、风力、光伏和地热在内，美国可再生能源利用占比不足2.5%；[1]天然气在全世界商用能源中的占比为24%，未达到20世纪80年代早期预测的50%的份额，这意味着它的重要性仍不如煤炭，后者2008年在全世界商用一次能源中的占比达29%。[2]此外，燃料电池汽车并不是随处都可以买到。

美国另一个著名的能源计划再次证明了忽略能源转型渐进性所造成的错误，1973年11月尼克松总统宣布了上述计划，并在1974年1月的国情咨文中重申“能源计划将成为国家目标：10年后，即1980年，美国将不再依赖从任何国家进口石油，便可满足本国人民工作、家庭生活及交通出行的能源需求。”[3]1973年，美国进口原油数量占比略高于1/3，而2008年该数字接近70%（见图8-1）。戈尔的再生能源计划延续了尼克松和卡特总统不切实际的传统，卡特总统以喜欢穿能源消耗较低的羊毛衫闻名，他在1979年7月表示“从此刻开始，美国使用国外原油的数量将绝不会超过1977年，”不过，他又将能够实现能源独立的日期修改到了1990年。[4]

图8-1　美国原油对外依存度的实际趋势及预测趋势

资料来源：通过英国石油公司（BP，2008）对原油消耗和进口的统计计算出的数据。

[1] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[2] British Petroleum（BP）2009.

[3] Nixon 1974.

[4] Carter 1979.

转型历史

我们可以得出这样的结论：上面提及的所有预测、预期和计划都以惨败而告终，因为参与者认为，不同于先前的能源转型，他们希望实施的转型会持续下去，而且会以前所未有的速度发展下去，如今能源转型的支持者和推动者明显也是这么认为的。他们有可能是正确的吗？

为了回答上述问题，我们首先需要做一个简单的定义：能源转型覆盖新的一次能源（煤炭、石油、核电、大型涡轮机捕获的风力）从开始使用到占据整体市场巨大份额的全过程。尽管我认为“巨大份额”应该至少为15%，或者占总量的1/7，但该数值必然是任意的，因为只是在调整需求、不需要新技术解决方案支持的情况下，低于10%的市场份额通常都可以达到；20%或25%的份额显然将会起到决定性作用。新能源供应类型若想成为单一最大贡献者，在三种供应类型的情况下，其市场份额必须高于33%，在四种供应类型的情况下，市场份额必须高于25%；若想成为市场的绝对主导者，能源供应占比必须超过50%。当然，这些数值并不针对全球，很多案例是国家范围内的。

一些良好的历史数据使得人们有可能找到能源转型的临界点，可以首次实现几千年来依赖生物质燃料（包括木材、木炭、秸秆、煤炭、煤炭原油混合物）的大规模转型。在美国，仅在19世纪80年代早期，煤炭（和少量石油）的能量含量超过燃材，最佳的历史重建期是19世纪90年代末，当时世界上一半的能源首次来自化石燃料的燃烧，极少部分来自煤炭；在俄罗斯，这个时间段不早于20世纪20年代晚期；在中国，主要是20世纪60年代；在非洲的许多国家，传统生物质燃料仍将继续在能源整体供应中占据主导地位。[1]

就全球的化石燃料而言，1900年煤炭在能源总量中的占比是95%，1950年减少到60%，仅在1965年被石油所超越，2000年这一占比已经下降到不到24%。即使2000年，煤炭的绝对重要性还是继续加大，2001年开始恢复相对重要性。如今，2008年煤炭提供了将近29%的一次能源占比，相对而言煤炭重要性比1973年第一次能源危机的时候要高，占比约为27%，绝对而言煤炭现在提供的能源值是1973年的两倍。全世界（主要归功于中国、印度、澳大利亚和印尼的大量出口）已经向煤炭利用回归（见图8-2）。[2]

图8-2　1900~2008年全球商业化初级能源供应的比例

资料来源：Smil（2008b）和英国石油公司（BP，2008）。

到1965年，原油在世界一次能源供应中占比已经达到最高，尽管1973年占比份额高达48%，但从那时开始其相对重要性开始减小，2008年其占比低于37%。此外，20世纪煤炭比其他燃料在能源供应中的作用更大，超过石油约5%。大家普遍认为“19世纪煤炭占主导而20世纪石油占主导”的观点是错误的。就全球而言，1800~1900年仍依赖木材燃烧，而1900~2000年主要依赖煤炭燃烧。很多非洲和亚洲国家不使用煤炭，世界范围内燃油在诸多方面还是不可或缺的：它们提供了全世界40%的发电量，在美国这一数值达到50%，在非洲大陆工业化程度最高的国家南非将近达到80%，在印度几乎是60%。[3]

从煤炭到石油全球规模的转型步伐如下：19世纪60年代，石油实现商业化生产花了50年时间，从而占据全球一次能源市场10%的份额，然后从10%的份额增长到25%花了30年的时间。天然气占比从1%增长到20%花了不到70年（1900~1970年）的时间，从此天然气成为年产量增幅最大的燃料，但是，到2008年，上文中也有所提及，天然气的市场份额仅为20世纪70年代预期值的一半左右，数值为24%，低于煤炭占比。[4]

爱迪生燃煤发电的同一年（1882年），水力发电也开始得以应用。第一次世界大战前，全世界水力发电量占比约为一半，其后续快速、可持续的绝对扩张并不能阻止相对发电量占比的大幅下降，到2008年，水力发电量占比约17%。核裂变发电量占比快速上升，在首个核电站1956年调试运行后的27年，其全球范围占比达到10%。然而，20世纪80年代，核能发电量多半不再增加，目前核能发电量占比基本与水力发电量占比持平。[5]

能源转型涉及的不仅是新燃料来源，还包括新原动机不断的扩展应用。例如，通过将一次能源转换成机械能实现人力、畜力替代的设备，可以旋转涡轮发电机组进行发电，或作为汽车、轮船和飞机的推进力。从已有的原动机转型到新的转换设备花费的时间通常很长，随着詹姆士·瓦特（James Watt）改良方案的推出，蒸汽机大规模的商业应用开始于18世纪70年代，直到20世纪中叶仍很重要。自由轮可以极有力地展现其耐久性，在1942~1945年，自由轮装载着美国的货物和部队前往欧洲及亚洲，加快了二战胜利的到来。

鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel）在1892年开始研发高效内燃机，到1897年样机才完成，1903年内河船只安装首批小型船舶主机，1911年远洋船只安装首批柴油主机。1939年，这些主机支持全世界1/4的商船的出行，实际上每个新货轮都安装了上述主机，但2751艘自由轮仍采用的是大型三重扩张燃油蒸汽机。[6]美国铁路直到20世纪50年代末期才停止使用蒸汽机车，而中国和印度甚至到20世纪80年代还在依赖蒸汽机车。

车用柴油机的应用再次体现了能源转型步伐的缓慢。作为现代社会最重要的交通运输推动因素，以汽油为燃料的内燃机首先在19世纪80年代中期由奔驰、迈巴赫、戴姆勒进行部署，然后发展到成熟应用，但美国形成大规模的汽车拥有量是在20世纪20年代，欧洲和日本是在20世纪60年代，这意味着引擎从面世到决定性地征服市场，在美国用了30~40年，在欧洲用了70~80年，它们才实现半数家庭以上都拥有汽车。首个柴油动力车（梅赛德斯–奔驰260D）于1936年面世，不过到20世纪90年代柴油动力车在主要欧洲国家的新车市场中占比才开始超过15%，近10年柴油动力车在所有新售汽车中的占比超过1/3。柴油动力车的发展再次证明了从首次面世到实现高市场占有率需要花费半个世纪的时间。[7]

同样地，在工业化国家，任何内燃机，不论以汽油还是柴油为燃料，都需要花费半个多世纪才能取代农业役畜。美国农业部1963年停止使用役畜，在很多低收入国家用引擎替代牲畜还未实现。最终，当人们被问及什么是世界上最重要的持续性推动因素的时候，多数人想不出是蒸汽轮机。查尔斯·帕森斯（Charles Parsons）1884年发明了蒸汽轮机，接下来的125年其地位基本无可取代，冶金行业的逐步发展使得蒸汽轮机机型更大、更高效，如今在全世界化石燃料电站和核电站中，蒸汽轮机发电量占比超过70%，剩余的来自汽油、水轮机和柴油。[8]

[1] Smil 2010.

[2] British Petroleum（BP）2009.

[3] Ibid.

[4] Ibid.

[5] Smil 2010.

[6] Bunker 1972.

[7] Smil 2010.

[8] Smil 2006.

为何能源转型会呈现渐进性

任何常规性基础方法都无法解释能源转型的渐进性。就一次能源供应而言，实现高市场占有需要的时间多数取决于筹资、建设、完善大型且昂贵的基础设施的时间。例如，世界石油行业每年会出产300亿桶的石油或40亿吨的液化气和石油气，世界上100多个国家开采石油，开采设施包括机动式物探钻机、巨大炼油厂、3000个油罐车和300000多英里长的输油管道。[1]即使近期会有替代性能源出现，但花费了一个多世纪建造的巨型基础设施就这样被遗弃，如同遗弃了5万亿美元，相当明显，在未来10~20年，任何替代性能源输出产值都无法达到石油的输出产值。

对原有的机器，人们通常有一种惯性依赖，习惯于虽然效率不怎么高但营销和服务较成熟且问题也较为熟知的机器（蒸汽机、汽油发动机），而不习惯于使用新机器。人们担心快速采用高级转换器会带来意想不到的问题，长期来看，可预见性比潜在的高性能更有价值，而且由于新机器的复杂性，新转换器的广泛应用可能会延缓，延缓因素包括早期柴油颗粒物高排放，还有供应链的新需求，例如，是否有足够的低硫柴油燃料产能？是否有可提供液体替代燃料的加油站？

所有能源转型都有一个共同点：都需要花费数十年完成转型，能源使用和转型越普遍，替代所需的时间就越长。尽管这句话的后半部分看起来很像真理，但通常也被忽略，否则，人们也不会不现实地预测电动汽车或燃料电池汽车的发展，以及清洁煤炭或可再生能源转换。人们评估非常规化石燃料、新生物质燃料、可再生能源发电的潜在市场占有率，必须牢记能源转型这一共同点。

[1] Hilyard 2008.

可再生能源挑战

上文提及的每类可替代能源的全球能源市场份额都不到5%，主要来自艾伯塔油砂的非常规石油，如今仅提供3%的全球原油量，仅占一次能源总量的1%。[1]可再生能源转换，包括巴西、美国、欧洲的液体生物燃料发电和欧洲、北美的风力发电，还有相当少的一部分地热和光伏发电，占到全球一次商业能源量的0.5%。[2]美国非常规原油相对生产率几乎可以忽略不计，秸秆提炼乙醇相对生产率为4%，风力发电小于1.5%，太阳能发电约为0.02%。[3]

然而，如今的发展是否有本质的区别呢？与一个世纪或半个世纪前相比，我们难道没有掌握无与伦比的、更为强大的技术手段来加快能源转型？事实上，我们有，但我们也面临着无与伦比的、更大规模的挑战。全球和美国市场中新能源市场份额仍可以忽略不计，由于未来全球能源转型的规模前所未有，可支撑大部分能源供应的绝对数量还是相当大的。19世纪90年代末期，当煤炭（少量石油）燃烧量超过了木材、木炭、稻草，它们每年各自的提供量相当于5亿吨的石油。如果未来数十年，我们力争用可再生能源替代全球50%的化石燃料，我们需要替代的化石能源量相当于45亿吨石油，相当于从头开始创造一个产业，其能源输出将超过打造了100多年的石油产业的全球总输出。

如果依据阿尔·戈尔的具体目标，美国可再生能源带来的挑战更容易量化。2008年，美国化石燃料电站和核电站共发电3.75 PWh，戈尔想利用可再生能源完全替代上述两种非可再生能源发电形式。化石燃料电站和核电站的装机容量约为870GW，负荷率为50%，美国花费了57年才达到这一装机容量。[4]2008年，风能和太阳能发电量占总量的1.2%，装机容量约为25GW，负荷率值为24%。[5]因此，即使所有必要的高压输电互联设施就位，替代一个煤炭或汽油或石油或核机组的产能需要两个以上的风能或太阳能机组，美国未来十年将增加1740GW的风能和太阳能产能，是过去50多年新增产能的1.75倍。

当然，这还不是全部内容。如果该目标可以实现，那将意味着未来10年整个化石燃料发电和核电行业会消失，仅发电厂的替换成本至少就高达1.5万亿美元，按照每千瓦1500美元的平均成本，新增加产能需要花费至少2.5万亿美元。可以想象，前期的目标可以通过一些财会方面的技巧实现，但负债累累且经济不稳定的美国，仅在10年间要从何处寻求到2.5万亿美元进行发电相关的新基础设施的投资？由于这些新发电厂所在区域目前未通过高压输电线路实现与电力消耗中心的连接（风力来源覆盖大平原、东西海岸，光伏覆盖西南地区和其他区域），戈尔自己也承认该“适用型”提议需要美国重新进行大规模的电力布线。

风力发电量在总量中的占比少于2%，且由于将电力从西南地区、得克萨斯州和中西部地区的新电力中心向东及向西进行传输的容量有限，新的风力项目已经被推迟了。美国如今的高压线路约长212000英里，互联电网滞后严重阻碍了风力和太阳能发电的快速发展，美国土木工程师协会预计，到2030年将需要1.5万亿美元的投资用于提升电网的稳定性和互联性。[6]

但是，考虑到新电力线路建设工程开工前，仅监管、审批就可能耗费数年，最终成本必然会逐步升高。总的来说，认为10年间美国的风能和太阳能发电量就能与热电厂持平绝对是种狂妄自大，热电厂经过60年才能达到这样的发电量水平。10年间抵消4万亿美元成本，同时电网扩容至少25%，其余部分实现现代化建设，还能将大型项目管理审批时间从逐年缩减到仅仅数月都是妄想。

[1] British Petroleum（BP）2009；Canadian Association of Petroleum Producers（CAPP）2009.

[2] International Energy Agency（IEA）2009.

[3] U.S.Department of Energy，Energy Information Administration 2009.

[4] Ibid.

[5] Ibid.

[6] American Society of Civil Engineers（ASCE）2009.

错误类比

但是，戈尔认为，该规划既可行又能够负担得起，因为“随着可再生能源需求的增长，成本将会持续下降，”然后，他列举出具体的关键性例子：

近日，专门用来生产太阳能电池的硅的价格高达每千克300美元，但最新签订的合同价格可低至每千克50美元。上述情况与计算机芯片类似，每18个月可支持同样运行效果的原料价格会降低50%，年复一年，连续40年都是如此。[1]

戈尔通过类比推测出：未来10年，每18个月光伏发电成本将可以减半。

但这样的类比是错误的，这种推测也是不可能实现的。首先，如果10年间光伏电池成本每18个月降低50%，则第10年年末的成本仅是初始成本的1%，而就组件而言，现在零售价每瓦约5美元，2020年前将降至每瓦0.05美元，然后，电价就会相当便宜。这种类比从功能性来看就是错误的。英特尔1971年的首个微芯片使用了2250个晶体管，而到2007年英特尔最新的双核处理器使用了8.2亿个晶体管（见图8-3）。[2]摩尔定律[3]（集成电路芯片中的晶体管数每两年都会翻一番）会发挥作用，是因为叠加到硅片上的晶体管愈加密集，而不是出于晶体硅价格下降的原因。毕竟，一块空白的硅片价值仅占成型的微处理器总价值的2%。

图8-3　摩尔定律图示

资料来源：Intel内部数据（2007年、2010年）。

毫无疑问，光伏电池的价格越来越低，1980年组件的成本高于每峰瓦20美元，1985年为10美元，10年后约为5美元，到2009年年底的时候几乎为4.5美元。[4]此外，在研究过程中，即使价格最实惠，对组件的利用也未能呈现数量级的提升。1980年，最好的薄膜利用效率为8%，1995年该效率翻倍达到16%，但2010年仅为20%；而价格更高的多功能集中单晶电池1995年利用效率为30%，2010年这一数值增加到40%（见图8-4）。[5]

图8-4　不断提升的光伏电池转换效率

资料来源：美国可再生能源实验室2010年发布的Best research-cell effic-iencies（最佳研究——电池转换效率）表格。www.npv/thin_film/docs/kaz_best_research_cells.ppt.

研究中的最高能源转换率是在15~20年而非15~20个月翻倍，加上内在物理限制，会使多功能集中单晶电池数量翻倍变得尤其困难。此外，光伏行业计划2009年年底，将太阳能组件的价格降到每瓦4.5美元，10年内降到1.5~2美元，对比摩尔定律预测的数据，降幅极为缓慢。电池本身仅占总成本的一部分，此外还包括组件、逆变器、调节器的配备（占最终成本的80%）和安装（占20%）。根据从事太阳能研究与咨询的Solarbuzz的调研，2000年年末到2009年年末，小型家庭光伏系统（2kW）生产的电力价格仅降低了10%，数值从每度40美分降至35美分；同样，最大的工业光伏系统（500kW）生产的电力2009年后半年也只比2000年后半年便宜了7%。[6]

就新能源和原动机而言，每隔两年微型处理器的性能就会翻倍，这是技术快速革新的现象之一，不符合革新的常规。未来10~25年，内在物理限制会约束效率的提升，使其达到如今光伏电池（薄膜非晶）效能的两倍或者最多三倍；这个时间段内单位成本可能会减半或者降到1/4。

戈尔的10年跨越计划很大程度上低估了新输电线路的建设，这些输电线路将负责从美国风力（北达科他州）和太阳能（亚利桑那州）资源较丰富的地区向东西海岸大城市输送电力（见图8-5）。他认为，连锁故障是现有分散和老旧的电力线路的固有问题，10年花费4000亿美元建设现代电网，这个成本与每年造成美国经济损失1200亿美元相比，不足为奇。[7]

美国输电网既分散又老旧，这是不争的事实，而且与聚乙烯绝缘的新型高压地下电缆，逐渐成为高压输电线路建设的备选，价格也大幅下跌，[8]不过挑战还是巨大的。2008年，全世界线缆连接总长度仅为6000英里（包括直流、交流和海底线缆），最长的一段是连接新南威尔士州与南澳的线缆，仅为110英里（220 kV，220MW），[9]这条旨在实现相邻两州电力交易的线缆，尽管线路多数穿过灌木丛，仍需要为期两年的审批过程，建设周期需要21个月。

图8-5　美国未来高压输电线路的挑战

资料来源：作者自制插图。

将上述所有成就与实现美国超级电网的需求进行对比，美国至少需要建设50000英里的新线路，从大平原到海岸地区需要铺设多条地下线路，每条长度都达到1000英里，甚至1500英里，每条线路容量都以千兆瓦计算，而不是仅仅几百兆瓦。整个工程需要对现有系统进行大规模地快速扩容，那些认为工程可以在几年内进行设计、获批、满足相关规定的见解则是完全忽略了美国的工程建设能力、监管环节的官僚主义、邻避主义以及好讼的特点。

皮肯斯计划也要求大规模建设远距离高压线路，同时将美国大多数加油站改为天然气和汽油加油站，所以没有必要对该计划进行解析。2008年10月，皮肯斯提出警告称，不断演变的信贷危机将破坏工程最初的核心建设内容，即美萨电力公司在西得克萨斯负责建设的4GW风电场。2008年11月，他表示该工程规模将会缩减，2009年7月，这项计划完全停滞。[10]很明显，10年内皮肯斯认为的风力大规模取代天然气的现象都不会在美国实现。

对比有关快速能源转换的最新提议，戈尔计划乃至皮肯斯计划都采用了克制且相对保守的模式，前者仅针对美国电力，后者仅针对美国电力和汽车。相比较而言，雅克布森和德卢基（Delucchi）[11]建议，按照WWS（风能、水能和太阳能）路径仅在20年间就可以将全世界所有能源供应改为由可持续能源进行支撑。考虑到多数大型水电站的预期容量已经建设就绪，这一宏伟计划就依靠安装总容量为380万MW（每个5MW）的大型风力涡轮机和总容量为89000MW的光伏及集中式太阳能发电站（平均300MW）来实现了。他们估计，上述所有设施（不包含必要的新建输电线路）的成本将近100万亿美元。

为了实现这个发展如闪电般的妄想，人们需要放弃全世界所有正在使用的能源基础设施（除去水坝和高压线路），并在2030年前完成新的设施建设。考虑到发起者的预估值，加上庞大的新传输网成本、因突然舍弃化石能源而产生的资本流失以及税收收入减少，上述提议产生的年均成本相当于美国国内生产总值（GDP），或基本相当于全球经济生产值的1/4。

很多终身致力于能源研究的人都分享了我对该项目可行性的分析，这比仅仅引用几条《科学美国人》上的尖刻评论更为有效。雅克布森和德卢基的观点就曾经发表在该杂志上。迈克尔·布里格斯（Michael Briggs）写道：“作为一个关注能源研究的物理学家，我发现，他们的文章相当粗制滥造，他们给出的界限都不负责任，里面有许多错误，指出所有这些错误需要花费好长时间。《科学美国人》发表如此粗制滥造的文章，也会对杂志的声誉有所影响。”[12]赛斯·达亚尔（Seth Dayal）补充道：“这篇文章极其不负责任，里面的言论只有在那种廉价、低俗的小说的最后部分才能看到。可悲的是，主编出于一定的考虑选择不仅将这些哗众取宠的内容发表出来，而且对这些观点还表示支持。”[13]

从前政治家支持不切实际的项目是为了增加媒体曝光度，精明的商人推行计划是为了最终获得收益，但全世界历史最悠久的科学杂志之一刊登这样的“童话故事”就完全是另外一码事儿了，任何经验丰富的工程师、任何负责任的能源系统参与者都会发现他们的观点极其不成熟。

历史的证明毋庸置疑，必需的技术和基础设施势在必行，大量不可预见的社会经济调整、大国经济全球规模性的能源转换都是长期、固有的问题，这就是为什么禁止那些英雄主义且史无前例的特别承诺与行动以后，任何大幅加快能源转换的计划都无法实现。此外，未来10年，无论是在美国还是在全世界，任何新能源与原动机都无法实现20%~25%的市场占有份额，无法大有作为。我们都极其向往没有化石燃料燃烧的世界，乐观地讲，我们共同努力奋斗、坚持不懈可能会加速这一天的到来，但付出的代价是昂贵的，而且也需要花费极大的耐心。如同过去一样，未来的能源转换会在数十年间实现，而不仅仅是几年的时间内。

[1] Gore 2008.

[2] See the introduction.

[3] Intel 2007，2010.

[4] Solarbuzz 2009a.

[5] National Renewable Energy Laboratory（NREL）2009.

[6] Solarbuzz 2009b.

[7] Gore 2008.

[8] Hampton et al.2007.

[9] ABB 2008.

[10] Power 2009.

[11] Jacobson and Delucchi 2009.

[12] Briggs 2009.

[13] Dayal 2009.

结论　经验教训及政策含义

我在基本原则、工程项目以及简单且富有启示性的量化内容的基础上，对著名的能源神话进行解析和评述，总结出显而易见以及不易察觉的经验教训。一些神话好比总结了错位的热忱与夸张性宣言的警示寓言，其中的内容其实很久之前人们就应该留意；另一些神话则包括了不加批判地一味拥护、草率地执行以及未经过复杂现实的检验而空有的一腔热情，如果按较现实的时间表、适当的规模发展，这些神话里有的内容还是具有价值并可以满足需求的。

为了让读者可以从我对单个能源神话的评述中学到些东西，我将为大家介绍它们的特定内涵，同时指出相关经验的实用价值。考虑到新提案、建议的数量，同时有些观点还来自新政府，因此了解相关教训对实际运用的影响尤其重要，可以减轻甚至解决美国面临的巨大能源挑战。

电动汽车

迄今为止，在电动汽车大规模市场渗透规划中可以获取的最重要的经验在于，这样看似革新的原动力转型无法与任何关键一次能源的节能效应相媲美。如果这些汽车所需的额外电能——一方面是通过更广泛地使用现有基础设施进行生产，例如使用容量系数更高的煤炭、天然气火电厂；另一方面是通过增加效率相似的新产能进行生产——那么，通常原油需求会大幅下降，但美国对于化石燃料的依存度不会有明显的减弱迹象。

即使所有汽车制造商想要实现电动汽车全面推广的计划，[1]但到2015年全球在用的客车中电动汽车占比仍不到2%。如今，尽管与100年前相比，在技术发展、经济提升、环保需求加大的背景下，大规模使用电动汽车变得更加容易，但期望内燃机发明者和使用者轻易放弃是很幼稚的。

只有支撑新汽车的额外电力可以来自效率最高的联合循环发电或可再生能源，化石燃料燃烧和二氧化碳排放才会大幅度减少。当然，这也需要在风力涡轮机和光伏方面进行大规模基础设施投资，其在几年间也不可能部署到位。我们通过使用更高效的汽油燃料汽车，尽快地淘汰效率低下的汽车，[2]持续传播已通过实践证明且可靠性高的混合动力汽车设计，就可以更快地减少当前对石化产品的依存度。

拥有100多年历史的电动汽车，也为政策制定者提供大量的重要经验。第一，在技术革新最初阶段，分辨出哪个方案最终可以占据主导地位不仅难度大，而且通常也不太现实。1900年，专家就电动汽车达成了共识，但8年后福特T型车只是使人们对电动汽车保持好奇而已。同样，2000年专家们还在关注燃料电池汽车，仅仅几年时间，关注点就转到混合动力汽车上，然后再次转换到电动汽车上。在其他能源领域，类似的例子也很多，前文提到的增殖反应堆的失败就是个明显的例子。

第二，某个方案最终的命运通常也取决于是否有合适的基础设施。即使在一战前就出现了性能更佳的电池，但在那样一个发电效率低、输电能力有限的开拓时期，建设加油站网络要比提供范围广、可靠性高的充电服务更容易。与皮肯斯计划预想的利用风力涡轮机替换天然气发电并使用节余天然气为汽车提供动力相比，如今在现有热电站增加联合循环装置使得天然气燃烧更加高效，同时使用额外电能支撑混合动力或电动汽车，会更加容易。

第三，最终占据主导地位的方案不一定在各方面都具有优势。对比电动汽车，一战前燃烧汽油的汽车起步难、噪音大并且污染高，不过，大规模的生产使其价格实惠、值得信赖，而这两个特点也将决定未来众多创新的最终命运。

第四，电动汽车的再次推广也面临着所有工程系统共同的挑战：即主导原动力的强大惯性。成功的方案可以广泛地进行应用，[3]有巨大的基础设施支持，[4]生产者和使用者对使用和提升主导技术也更加在行、更加有余，因此，坚持选择已有并证明可行的方案还是大的方向，即使这些方案并不是最优的。

第五，新技术优势不明显，也没有人们所想的那么出色，但还是坚持这种技术的应用，或者新技术近期内无法占据主导地位，但还是坚持趋势无可避免，在上述情况下，新技术的大规模应用可能无法实现。错失实现市场渗透的关键时机可能会带来相反的效果，人们可能会草率地否定这些新技术未来发展的可能性。与燃料电池、分散式发电和氢经济相类似，电动汽车也为上述因素所困扰，我们对化石燃料的依赖性仍旧和过去一样强烈。

[1] This is a most unlikely assumption，given the parlous state of America’s carmakers，the difficulties faced by the European car industry，and the considerable challenges confronting Japanese and Korean car companies.

[2] These least efficient vehicles account for a disproportionate share of gasoline consumption.

[3] There are now nearly 300 million gasoline-fueled vehicles in the United States and some 800 million worldwide.

[4] The United States alone has nearly 120，000 gasoline filling stations，and nearly half the output of its refineries is automotive fuel.

核能

那些不现实且最终也无法实现的核能期望给提出夸大主张的人们上了最重要的一课，他们提出了尚未实现大规模商业应用的新能源，例如光伏或燃料电池，也提出了在能源商业化应用初期就得到验证的技术，例如风力涡轮机或混合动力车的相关技术。但是，美国核能利用的相关教训更令人深省，它近乎完美地展现了我称之为技术创新最具标志性的失败。

新技术占领了极大规模的市场份额，并证明了自身的可依赖性和经济性，但因其重要性远低于起初不现实的预期效果，也未能解决一些长期的挑战，所以新技术的发展令人质疑，其进一步扩大应用也可能受阻。一些能源转换方式，虽然现在被吹捧为完美的长期能源供应解决方案，但可能也会面临和新技术应用同样的境遇。面对高压输电大规模发展且不同负载能力的发电设备带来的挑战，不加批判地推行风力发电是否能够解决相关问题？如今不切实际地预测电池单位价格大幅下跌，那么光伏发电的未来又将如何？

我们错误地预测核能发电短期及长期的容量，应该获取下列经验教训：细致、定量地预测数十年技术进步，即使本质上不是徒劳的，但都非常值得怀疑。我们最好是要找到重要的发展趋势及潜在规模，而不是进行具体的预测。不然，好的时候，可能只是无法实现既定目标；不好的时候，将会变得极其可笑。遗憾的是，不管是从经济或意识形态角度推广特定技术的人们，还是继续呼吁实现不切实际目标或公布夸大预测结果的政府，往往都忽视了这个教训，他们都觉得新能源转换未来会占据很大的市场份额。

人们过去从核能发电中吸取的教训具体如下：核能发电的价格不会极其便宜，相关结论往往都是夸张的说辞，只能用来鼓舞人心，而没有任何事实依据作为支撑。不过，基于核能发电历史的政策结论很明确，它们往往基于成功的案例，而非失败的案例。管理有方的核能发电能对现代电力供应起到重要且切实的推动作用，而且即使价格相对较高，它也是减缓气候变化中人为影响的最佳方案之一，因为我们知道怎样设计和建设核电站，从而保障其安全、高负荷运行。核能发电会产生碳排放，生产建设核电站所需的材料要消耗化石燃料，而且铀浓缩期间使用的电力大部分由化石燃料支撑，不过和其他形式的一次能源相比，其碳强度还是极小的（见图C-1）。

图C-1　各类初级能源的二氧化碳排放量

注：黑色柱条和白色柱条分别代表各类能源转换效率在最小值和最大值的二氧化碳排放量。

资料来源：根据国际原子能机构2001年的数据绘制。

因此，任何现代经济大国制订长期理性的能源计划时都不应排除核能这个选项，人们需要争论的是如何使用最佳方法来推动核能发展，而不是争论是否需要推动。同时，所有争论必须考虑到不合理的风险感知所带来的挑战，它们不仅会影响核电站建设新方案的实施，还会影响放射性废料固定处理场所的选址和维护。遗憾的是，几十年来人们花大力气说服公众吸烟危害多么大，但没人在适当的时候花大力气宣传核能发电的危害性，这既是科学技术的失败，也是政策的失败。

分布式能源转换

过去几十年中，预测分布式能源转换会在现代社会能源服务市场占据巨大份额是失败的，我们可从中明确地获取两条经验：第一，要想实现任何长期的能源目标，不应让意识形态成为推动力；第二，追求目标不应将建设首选能源供应系统的单一技术或管理方法吹嘘得无所不能。能源供应与使用的根本转变无可避免地会产生社会经济与政治影响，不过它们不应成为推动社会转型的工具。追求能源供应的长期变革时，应该考虑明智的选择，而不是单一的选择。

其他经验教训同核能发电的经验教训较为类似，或者几乎相同。首先，针对特定方法的倡导者，对那些忠实的信徒，我们不可能指望他们对倡导的解决方案提出客观的评价。因此，不能仅因为这些方案比其他方法占据的优势大，因其可以推动某些社会发展或环保目标的实现，因其可以作为社会经济、政治或环境变革的工具，我们就接受上述解决方案。

其次，在技术和工艺商业化应用早期就主张其未来会更有作为，主张其实际应用范围会更广，我们必须要以批判的态度来审视和质疑上述观点。同时，笼统指责和斥责那些表现不佳或失败的方法不见得是正确的，更为理性的选择和范围较小的应用可能仍是能源整体解决方案中极有价值的部分。

分布式能源应用生动表明追求理性的能源解决方案必须以认清复杂现实为坚实基础，包括支撑能源转化技术和基础设施的可用资源及工程知识，此外普遍的配用电模式，以及包括热能、动能或光能在内的期望能源服务的易得性和稳定性也必须纳入考虑的范围。公正地审视现状和需求，我们会发现能源供需的众多不匹配，能源供应由分散式、小规模的能源转换支撑，其特点是绝大多数情况下功率密度较低、单位容量内在受限且通常能源转换效率不理想，而能源需求通常来自现代城市工业区，尤其来自特大城市。

石油峰值

石油峰值到底何时来临一直困扰着人们，实际上，预测未来事件发生的具体日期一点儿用处都没有。类似的日期必然不准确，认真对待类似日期的人注定也是可悲的。另外，这也是种常见的错误，现实中人们往往关注不太重要的事情。就石油峰值而言，我们逐渐应用其他能源，虽然没有具体日期，但廉价液态石油使用量会不可避免地下降，不管这一天何时到来，其峰值产出也不会像过去燃材或煤炭产出那么显著了。

如何评价即将来临的石油峰值产生的影响，也包含着重要的经验教训：这不仅会带来可怕的经济后果，还会造成现代文明的灭亡。本书旨在批判各式各样的神话和谬见，过分激进或毫无道理的预测和诠释多数会得以修正。但是，石油峰值也指出了相反的修正有时也是必要的，就像我们停止大规模追求核电以及意识到增殖反应堆不会是救世主时世界没有毁灭，当全球原油开采趋稳或开始长期下降趋势时，世界也不会毁灭。如果我们不追求氢能经济，不追求生物燃料的使用、不试图使每辆汽车都以电力为支撑，不进行二氧化碳地下压缩封存，世界同样不会毁灭。任何单独或集体性的审议讨论都不足以提供未来数年可以发扬光大的蓝图，我们所能做的只是带着明确的目标去努力，在努力的过程中，往往需要无数次的调整和修正，并且还要对逆转的发生有所准备。毫无疑问，如果石油峰值支持者展望的不是一场灾难，他们在实际解决方案上提供正确的观点，而非大力宣传世界毁灭这样的情节，他们将会对能源论战产生积极有益的影响。

碳封存

到目前为止，批判性审视大规模碳封存方案为我们带来了最重要的经验教训，即避免不良环境影响或使其最小化，远远要比影响产生后再去消除它重要得多，我们应该优先选择前者，并将其作为工程与管理的重要准则。然而，大规模碳封存的拥护者认为，排放量的进一步大量增加不可避免，降低影响的唯一现实选择就是碳捕获与封存，所以他们不去理会上述准则，这看起来是用理性的方式进行真实性的评估，然而事实上他们的任何主张都经不起评判性的分析与探讨。

我们更加细致地审视可能产生的结果，发现即使针对不可避免的趋势，也必须要用事实加以说明。富足的国家、那些人均排放量最大的国家可采取一些方式管理调节能源利用，加深现有的经济去碳化，使得总体排放速率实现绝对下降（见图C-2）。毕竟，在许多富有国家，过去20年人均能源使用基本无增长或增长幅度相当小，由创新及建设性税收大力驱动的合理化理念，使其发展趋势缓慢。此外，低收入国家快速实现现代化，不复制富裕国家采用的大量不良方案，包括建筑与交通系统的设计方案，即可获得丰厚的经济收益。因此，在数十亿吨二氧化碳进行大规模地下封存之前，我们应该认真并坚持不懈地彻底探讨所有规避策略。

图C-2　1950~2010年，美国经济的碳强度呈下降趋势

资料来源：通过Marland et al.（2007）和美国经济分析局的数据计算得出。

关于大规模碳封存实用性的主张，可看作是以不充分的信息与经验为基础的承诺。掌握碳封存系统运行流程（例如，液气压缩、泵送和管道运输专门技术），依据对合适的沉积底层的最初评估以及数年跟踪小规模试点工程的结果，开展可行性的理论评估无法成为充分的理由，用以支撑那些经济技术实力雄厚的企业实行宏伟计划，使其年均产出可与全世界最大的原材料加工行业相当。如果太快采取重大步骤，碳封存会变成大规模商用前不仔细开展技术评估的又一失败案例。

农作物乙醇

非常遗憾，由于过度重视技术创新的积极作用而忽视了许多消极的后果，农作物乙醇生产的快速扩张被视为过于完美的新能源选择。为玉米种植者创造稳定的收入来源，提高对国内能源生产及技术创新的投资，以及减少石油进口，这些优势都无法弥补不断扩张的燃料作物种植给环境带来的巨大影响，也无法弥补国家和全球粮食价格的高涨，同样也无法弥补要求的巨额补贴——尤其是农作物乙醇对更高程度的能源自给自足产生的影响其实是微乎其微的。

的确，农作物乙醇在成本上有许多优势，但从长期来看，其经济、社会和环境成本远远超过其带来的微小的短期利益。从美国最近关于乙醇的经验中得出的最重要且普遍的教训就是，我们需要将所有长期的能源政策决策与短期的企业利益[1]完全区分开来，还要将其与所有没有把握的党派承诺完全区别对待，尤其是对那些参与政治竞选活动的党派而言，快速更迭的政权提出的不切实际的期望会忽略很多环境、工程及经济现实。

最后，将生物燃料信奉为战略博弈的变革力量或者环保政策的工具，强调了不可靠的次要解决方法，反而忽视了许多相较更重要且更具决定性的因素，会引发危险。比起通过花费数十亿美元用来将中西部地区的玉米转化为乙醇，通过良好的财政和消费政策（使联邦和州预算平衡，并抑制住失控的贸易逆差）以及通过持续的技术创新来真正从实际上使车辆的平均效率提高一倍，以更好地服务于美国的长期战略规划。

[1] In the case of ethanol，these involve massive subsidies such as those received by Archer Daniels Midland and others from the federal government.

风力发电

与乙醇应用的案例相类似，近期关于风力发电可以推动快速、可靠并可持续发展的夸大性期望也是片面的。能源资源毫无疑问很充足，但经济上可行的部分相当小，多数情况下不到理论容量的10%。此外，最为盈利的风力发电场所在空间上分布极其不均匀，在那些已经与其他发电来源丰富的区域实现了远距离高压互联的地区，风力发电近期内想要实现大规模发展都将受到限制。

在其他时候，只有必要的高压线路或高压电网部署完成，大规模风力项目（GW级）才可以继续开展，不过上述新电力线路的建设需要大量的前期投资，规划和审批流程也会持续多年，如此一来，众多国家政府提出的2020年或2030年风力发电的比例恐怕无法达到。另外，我们也不应该低估现代社会电力需求和风力发电典型负荷率之间不匹配所带来的后果。

现代社会的电力消费越来越需要全天候的电子控制和通信功能的配备，包括美国和中国在内的国家所制定的长期规划都指出了对电动火车和汽车逐渐增加的依赖性。上述用电将增加发电系统的基本负荷，如今发电系统主要依靠核电站，负荷率通常高于90%，而较少依靠风力发电，其低负荷为20%~25%。作为高互联电网的一部分，选址合适且建设完善的风电场应该在未来能源转型中发挥重要作用。即使不追求那些新能源转换无法实现的目标，风力发电想要发挥更大的作用，也很有挑战性。

能源转型

过分热情地追求新能源和新能源转换的人们经常会忽略能源转型带来的经验教训，其中新能源应用类似加拿大油砂和液体生物燃料，新能源转换涉及燃料电池汽车、集中式太阳能、水力发电组合设备的商业发电。无一例外，它们都发现了现实令人深省。2008年，通过成本高昂、环境税收压力大的开采方式，阿尔伯塔省油砂的开采量占据了加拿大全国原油产量的40%，而全球来看这一占比不到2%。此外，对于未来生产成本的不确定使得长期开采量预测仅仅变成一种猜想。人们起初不加批判地接受2005年和2006年农作物燃料相关的宏伟计划，后来渐渐地通过批判性的分析发现，上述燃料成本过高，并且对环境和粮食价格都会造成恶劣影响。

燃料电池汽车的发展正是如此，不列颠哥伦比亚省伯纳比的巴拉德电力系统公司的历程对此给出了完美的阐述。1979年，杰弗里·巴拉德（Geoffrey Ballard）成立了该公司，公司探索氢动力汽车的使用，并将其作为实现燃料电池汽车目标的典范。氢动力汽车于1993年在多伦多证券交易所上市，1995年在纳斯达克上市。1997年，其股价开始上涨，随着对燃料电池汽车的不现实预期越来越高，2000年初价格超过每股200美元，各种显贵都跋山涉水来到温哥华，尝试使用巴拉德燃料电池的氢动力公交车排气管中排出的洁净废水。但不久以后，现实情况就不同了，在2000年年底前，股价开始长时间下滑，到2008年年底跌至每股3美元（见图C-3），2010年仍是如此。巴拉德公司最终不再推动氢燃料的应用，转为专注铲车及紧急供电所需的燃料电池。

不论是一次能源供应构成中大规模且急速的改变，还是新能源转换技术的快速商业化应用及广泛推广，能源转型历史强烈表明了任何相关的宏伟规划都不会取得成功。分析全世界主要经济体的能源转型，可以发现一个显著的共同点：即过去两代人都不懈地坚持着一次能源的供应模式。无论是对新燃料、新发电模式的使用，还是对新设备的利用，一厢情愿、极其热情地坚信看似最优的解决方案的功效，并不足以从根本上改变逐渐开展的能源转型，上述创新总是与需要高投入的重大基础设施建设相关联。此外，创新不可避免地会遇到环境、法制和机构体制上的问题，对风险的非理性认知也会造成影响。

图C-3　1994~2008年巴拉德电力系统公司在多伦多证券交易所的市值

资料来源：基于在多伦多证券交易所网站上创建的图表（http://www.tmx.com，股票代号：BLD-T）。

简短小结

在文章的结尾，我将提出一些简短的关注能源神话长久盛行原因的观点内容，并提供建议，教授读者如何抵制能源神话所带来的影响。

第一，不要相信有关未来新能源或新能源转换技术应用的速度、时间及范围的任何主张，这些主张看似坚定但不负责任。也许上述主张最明显就是可以抵制跟风，推进那些许诺某个时期可完成深远变革的规划设计。由于新能源及能源转换既会面临飞速的发展，也会遭遇重大的失败和退步，所以我们无法进行详细的预测。

其次，不要低估老式能源（全球范围内煤炭的重要性仍高于天然气）及已有设备的持久性与适应力，尤其是那些经历了一个多世纪发展的设备，包括蒸汽轮机和内燃机。说到内燃机的最新机型——DiesOtto，它有潜力比目前市场上最好的混合驱动的运行得效率更高。

第三，不要仅仅因为新能源和工艺与某些预设的意识形态或社会模型相匹配，就不加批判地接受。风力涡轮机或薄膜太阳能电池看起来可能是绿色发展的奇迹，在未来10年可重新为美国提供动力能源，但我们的文明是由化石燃料来创造的，其社会轮廓和技术根基无法在10年、20年内重塑。

第四，覆盖范围广且通常较昂贵的基础设施需求必须在能源供应和新方式被广泛采用前就得到满足。甚至在基于微处理器的电子产品兴盛时，人们都必须依靠之前广泛建设的发电与输电基础设施（绝大部分需要化石燃料作支撑）实现发展，基于微处理器的电子产品在所有快速技术创新中还是最具标志性的。

第五，能源转型本质上需要数十年的长期持续发展，而不是短短几年就可实现的。因此，我们要采取各种方式来避免将能源创新与计算能力提高相混淆，能源创新并不遵循摩尔定律，我们不能在18~24个月内一直将能源利用效率翻番，同时将能源转换的成本减半。

最后，也许有些遗憾，让我们摒弃通过呼吁理性就能根除能源神话的任何错误观点。罗马剧作家特伦斯（Terence）早在21世纪前就明白了这个道理，这也是为什么我将他的话作为引语和结语：“人们总是相信他们愿意相信的东西。”上述观点可能是对的，但它很难作为理性能源政策或其他政策的坚实支撑。

后记

能源至关重要，已经毋庸置疑，但这并不意味着对能源发展问题就可以轻松地凝聚共识；恰恰相反，能源思想界今天呈现的是众说纷纭，能源产业界试图追求能源创新应用的此起彼伏，以及能源政策管理面对现实时的左右为难，已经到了需要去伪存真、正本清源的时候。

我们作为国电通公司发展策划部团队，作为身处这一大潮中的亲历者，对此深有感触并有所期待，却又往往力不从心。但历史给了我们一个巨大的荣耀，让我们承担斯米尔先生《能源神话与现实》一书的中文翻译。虽然工作的过程似乎漫长又颇有些艰苦，但那么多默默帮助和真诚关心我们的领导、同事和同行，让我们不敢有丝毫的懈怠。

现在，等到这本书就这样准备瓜熟蒂落时，我们不禁热泪盈眶，感慨万千。

身处能源革命的宏伟时代，作为能源工作者，我们相信自己已经以这样的方式，参与了这个时代的创造与进步。虽然作为译者力求慎之又慎，达成完美，但疏漏和错误之处仍会不少，只能以对能源事业的赤子之心来安慰自己。这也让我们更清醒地认识到，在这样伟大的事业中，更要靠众人拾柴火焰高。我们的这份贡献，但愿能如期成为星星之火！

译者感悟

国电通公司发展策划部多年来致力于产业宏观研究、公司战略发展的工作，需要不断拓宽知识领域，完善知识体系，因此一直保有持续学习国内外各种知识的习惯。在本书的翻译过程中，为力求表述出作者原意，翻译组成员翻阅大量相关资料，并自发对问题进行讨论、分析，整个过程提升了我们的思辨能力，使我们的知识更加多元化，并极大扩展了我们的国际化视野和思维。

此次《能源神话与现实》的翻译工作，使我们直接了解国际能源信息，锻炼了我们的翻译能力。同时，我们也深刻感受到，与斯米尔先生论证的严谨性相比，我们的研究工作还有很多进步的空间，在能源发展历史、国际能源趋势判断上，还缺乏一定的底气。斯米尔先生的书提醒我们，能源研究要以全局的视角进行俯瞰，尤其在当前能源转型的重要时期，必须避免只重局部或盲目跟从，需要以全面系统、交叉融合的学习和研究，使我们在能源发展的十字路口不被人云亦云的“神话”或“权威”冲昏头脑，从而摸准行业发展脉搏，探索中国能源可持续发展的最佳路径。

——白明月

说来很是巧合，当我看到《能源神话与现实》这本书时，发现斯米尔先生竟是我的母校曼尼托巴大学的教授，可惜当年在曼尼托巴大学学习的时候尚未接触能源行业，未曾对斯米尔先生有所了解。

怀着亲切与崇敬，我参与了本书翻译的修订工作。在此过程中，深深地感受到，即使是用自己的母语，在转述别人的观点时，还是会觉得有些词不达意。为此，我通过查阅大量西方能源历史、经济发展、名家观点，尽量站在作者的角度，努力了解他的思想，力求精准体现原作之意。在翻译的过程中，我脑海中常常浮现起在冬季长达半年、最低气温可达–40贑的温尼伯，在那个熟悉的校园，一位年长的学者孜孜不倦地翻阅各类书籍，列述大量数据，形成了内容详实的文章，以及其中对现代能源理解深刻同时也具有争议的观点。对我来说，此次翻译不仅是一种对语言的学习，对能源发展的学习，更是对斯米尔先生严谨的工作态度的学习。

——杨旻

本人有幸参与了《能源神话与现实》一书的翻译及统稿工作，在翻译的过程中，我发现作者通过总结西方在电动汽车、核电、分布式能源等领域最常见的错误结论，提出了一系列建设性的科学方法，用以解决全球能源带来的挑战。其中，作者在描述能源相关错误结论的时候，列举出各种事实案例作为支撑，尤其利用数字信息进行对比分析，这增加了译者的工作难度，我们需要在理解文章本身内容的基础上，多渠道查阅和参考相关背景资料，保证准确无误地译出原文想要表达的含义。因此，翻译的过程，同时也是一个学习的过程，我们通过了解不同类型能源的发展阶段及存在的不确定因素，期待为读者展现更加客观的能源现实，为读者合理评估能源前景提供帮助。

——张曦娟

我为能够参与斯米尔先生著作的翻译深感荣幸。作为译者，从通篇的理解到对单个词语的斟酌与揣摩，都怀着对作者及其研究成果的尊重与敬畏之心。翻译过程中，主要遇到两个难点，难点一是如何将抽象的词汇转换为行业内普遍认可和接受的中文说法。例如，“soft energy”一词，其直译为“软能源”，但经过讨论后，最终将其译为“分布式能源”，更符合国内习惯用语，且从内容上并不缩减内涵。难点二便是如何更准确地理解和传达作者贯穿始终的辩证思维。看似潜力无限，实际上局限重重，看似穷途末路，实则是创造力的源泉。作者的这种辩证思维对译者的理解能力提出挑战，对译文的语气表达提出了更高要求。作者还在论证过程中引用了大量的数据并进行了精确的计算，这需要译者查阅大量专业资料并对专业人士进行咨询。此外，除了能源本身，作者还放眼整个生态系统，从全球视角分析和探究能源的发展，这种跨学科研究的能力以及在“神话”面前保持独立思考和清醒头脑的品质都让我深深折服。怀着对能源事业崇高的使命感和对研究工作的赤诚之心，作者言己之所信，不堆砌文字，不哗众取宠，不在自己的专业领域固步自封，其在本书传递的精神正为我们这些身处能源革命浪潮中的搏击者点亮航灯。总之，书中关于能源的知识和研究方法都使我受益终生。

——王杨

对于身处能源变革时代中的我来说，能够参与此书的翻译，是一段宝贵的经历。因为我从事与能源相关的工作，一直在对能源的发展问题进行探索与思考，经常会阅读一些能源相关的材料与书籍，对于国外的能源著作，一般以阅读译本居多。翻译让阅读本书的过程变得非常不一样，这不仅是一个细细研读的过程，同时也是向作者学习的机会。斯米尔教授不仅是一位拥有深厚文学功底的作者，而且还是具有独特视角的学者，在翻译“第3章分布式能源幻想”时，作者将“分布式能源发展之路”借用诗歌形容为“人迹罕至的路”，十分形象、贴切。这种学术与文学完美的结合，大大增强了此类学术文章的美感和可读性，但同时也提高了翻译的难度，为力求“信、达、雅”，我们查阅了大量的英文资料，这本身也是一个学习和提高的过程，在翻译之外，我们收获了更多关于能源领域的知识，在探索能源发展的道路上取得一点进步。

——解睿

全球能源发展经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到油气电气时代的演变过程，身处全球能源互联网的大势中，我们从事能源行业的工作者就像一艘艘飘摇不定的小舟，缓缓而坚定地朝着目的地前进。当我有一丝迷茫的时候，我接触并参与翻译了斯米尔先生的《能源神话与现实》一书，感到非常荣幸。在翻译的过程中，我感觉到自身翻译水平还有很大的提升空间，为此我翻阅了很多能源方面的著作，以及翻译技巧方面的书籍。斯米尔先生渊博的能源知识和前瞻性的、敢于批判的现实意识为所有的能源工作者指明了用辩证思维思考的新方向以及多方向创新的新道路。

——鞠思伟

翻译此书是一件非常难得的幸事。瓦茨拉夫·斯米尔先生是一个伟大的博学家，在此书中运用了大量数据和基本事实来对能源发展进行论证，对数据和术语的翻译需要查阅许多相关文献进行比对和理解，这对我本身来说是一次挑战和学习的机会，启发我对能源行业有了更深入的理解。传统能源面临着创新发展的难题，我们的工作，就是用信息通信改变能源的传统属性，但能源作为国家发展的重要支柱之一，其创新并不是简单的将传统业务与互联网思维的相加，我们需要肩负起寻找适合自己的道路的责任。斯米尔先生的书，启发我在以后的工作中能够进一步理解公司业务所处的行业前景和产业环境，用更广的视角和层次思考自己的工作。

——张晖

对我来说，参与编译《能源神话与现实》一书，与其说是一项工作，倒不如说更是一个学习及“洗脑”的过程，一直以来莫名占据我思想主导地位的一些观点——如电动汽车将快速占据市场、分布式能源未来将大行其道——都受到了强烈的冲击。而随着斯米尔先生深入浅出的论述，我仿佛有一种醍醐灌顶的顿悟，一种拨开云雾见月明的通透。古人云，朝闻道，夕死可矣，斯米尔先生为我们打开了一扇客观认识能源世界的大门，在追寻能源之“道”上，希望我们可以走更远。

——李宁

参考文献

作者简介

瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil），温尼伯曼尼托巴大学环境学院特聘教授，同时也是加拿大皇家学会会员。斯米尔跨学科研究成果包括能源系统研究（资源、能源转换及能源影响）、环境变化（尤其是全球生物地球化学循环）、技术发展史，以及能源、环境、食物、经济和人口的互动关系。斯米尔在相关领域的著作有30余部，发表论文300余篇，并在北美、欧洲和亚洲多地进行演讲。