能源
Author: [巴西] 若泽·戈尔登贝格
Date: 2020-08-14T16:00:00+00:00
Keywords: 科普
Description: 从煤炭、石油、核能、地热能到太阳能和风能，毫无疑问，能源问题已成为当前人类社会面临的一项重大课题。在政策决策者、经济学家、环保人士和行业专家们考虑投资哪一项先进技术，如何推广使用可再生能源，以及如何规划使用日益减少的不可再生能源的问题时，能源问题的重要性显得尤为突出。 若泽·戈尔登贝格，被美国《时代周刊》杂志评选为世界顶级“环境的领导者和梦想家”之一，他将通过介绍世界能源系统的基础原理、问题、通过技术及非技术方案解决当前最紧迫的能源问题来帮助读者全面了解能源知识。 本书中，戈尔登贝格教授用“一问—答”的方式来解答这些问题：什么是风、浪和地热能？核废料处理有哪些问题？什么是酸雨？什么是温室气体效应？什么是碳捕获和储存？什么是智能电网？什么是《京都议定书》？什么是“限额与交易”？这本书揭示了人口增长的能源消耗、可再生能源资源、目前的能源储备量（以及其将于何时消耗殆尽）、地缘政治问题、环境问题、环境灾害的频率、能源效率、新的技术方法，以及改变消费模式的解决方案。本书将是你寻找有关能源信息的首选用书。
Publisher: 华中科技大学出版社
Rights: Copyrights as per source stories

版权情况：

书名：

作者：［巴西］若泽·戈尔登贝格 著，陆继宗 译

出版社：华中科技大学出版社

出版日期：2020.8

ISBN：9787568060141

版权所有  侵权必究

总序

欲厦之高，必牢其基础。一个国家，如果全民科学素质不高，不可能成为一个科技强国。提高我国全民科学素质，是实现中华民族伟大复兴的中国梦的客观需要。长期以来，我一直倡导培养年轻人的科学人文精神，就是提倡既要注重年轻人正确的价值观和思想的塑造，又要培养年轻人对自然的探索精神，使他们成为既懂人文、富于人文精神，又懂科技、具有科技能力和科学精神的人，从而做到“物格而后知至，知至而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。”

科学普及是提高全民科学素质的一个重要方式。习近平总书记提出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。”这一讲话历史性地将科学普及提高到了国家科技强国战略的高度，充分地显示了科普工作的重要地位和意义。华中科技大学出版社翻译出版“牛津科普读本”，引进国外优秀的科普作品，这是一件非常有意义的工作。所以，当他们邀请我为这套书作序时，我欣然同意。

人类社会目前正面临许多的困难和危机，例如，环境污染、大气污染、海洋污染、生态失衡、气候变暖、生物多样性危机、病毒肆虐、能源危机、粮食短缺等，这其中许多问题和危机的解决，有赖于人类的共同努力，尤其是科学技术的发展。而科学技术的发展不仅仅是科研人员的事情，也与公众密切相关。大量的事实表明，如果公众对科学探索、技术创新了解不深入，甚至有误解，最终会影响科学自身的发展。科普是连接科学和公众的桥梁。这套“牛津科普读本”，着眼于全球现实问题，多方位、多角度地聚焦全人类的生存与发展，包括流行病、能源问题、核安全、气候变化、环境保护、外来生物入侵等，都是现代社会公众普遍关注的社会公共议题、前沿问题、切身问题，选题新颖，时代感强，内容先进，相信读者一定会喜欢。

科普是一种创造性的活动，也是一门艺术。科技发展日新月异，科技名词不断涌现，新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，如何用通俗易懂的语言、生动形象的比喻，引人入胜地向公众讲述枯燥抽象的原理和专业深奥的知识，从而激发读者对科学的兴趣和探索，理解科技知识，掌握科学方法，领会科学思想，培养科学精神，需要创造性的思维、艺术性的表达。这套“牛津科普读本”采用 “一问一答”的编写方式，分专题先介绍有关的基本概念、基本知识，然后解答公众所关心的问题，内容通俗易懂、简明扼要。正所谓“善学者必善问”，“一问一答”可以较好地触动读者的好奇心，引起他们求知的兴趣，产生共鸣，我以为这套书很好地抓住了科普的本质，令人称道。

王国维曾就诗词创作写道：“诗人对宇宙人生，须入乎其内，又须出乎其外。入乎其内，故能写之。出乎其外，故能观之。入乎其内，故有生气。出乎其外，故有高致。”科普的创作也是如此。科学分工越来越细，必定“隔行如隔山”，要将深奥的专业知识转化为通俗易懂的内容，专家最有资格，而且能保证作品的质量。这套“牛津科普读本”的作者都是该领域的一流专家，包括诺贝尔奖获得者、一些发达国家的国家科学院院士等，译者也都是我国各领域的专家、大学教授，这套书可谓是名副其实的“大家小书”。这也从另一个方面反映出出版社的编辑们对这套“牛津科普读本”进行了尽心组织、精心策划、匠心打造。

我期待这套书能够成为科普图书百花园中一道亮丽的风景线。

是为序。

杨叔子

（序言作者系中国科学院院士、华中科技大学原校长）

中文版前言

本书试图回答关于能源的最常提出的一些问题。它不是为技术专家们写的，而是为普通大众以及能源政策制定者写的。这些政策制定者要解决把能源作为一个因素考虑在内的有关问题。

这对中国的读者可能是有用的，因为中国正在经历面临着诸多选择的能源转型。

在中国，消费的能源几乎70%来源于煤，非化石燃料所占的比例接近10%，余下的部分是石油和天然气。虽然能源消费量将持续增长，但能源消费结构会向减少地区污染和温室气体排放方向调整。化石燃料含有硫元素，硫燃烧会生成硫氧化物，这也是全世界大城市空气质量变差的主要原因之一。同时，化石燃料燃烧也不可避免地会排放CO_2。

为了解决这些问题，中国很可能将非化石能源的消费比重在2020年提高至15%，在2030年提高至20%。另外，提高能源利用效率也将起重要作用。

要实现这些改变，需要制定哪些政策？成本是多少？人们的生活方式需要有哪些转变？对能源安全有什么影响？核能将扮演什么角色？

本书试图回答100多个这样的问题，这可能对我们的中国同行是有用的，就像在巴西和其他一些国家中那样。

若泽·戈尔登贝格

序

能量是生命的一个基本要素。没有能量就没有运动、没有运转的机器、没有通信，即没有人类生活。文明社会之初，人类对能量的需求是非常适度的，仅需要能够维持生存的能量，即从他们采集来、吃进去的食物中得到的能量。全世界每年需要大量油和煤来驱动我们的小汽车和大卡车，以及由火电站、水电站、核电站来发电。没有能量，我们的文明的发展将戛然而止。问题是，在21世纪，我们所使用的能源几乎都来源于化石燃料（化石燃料又称化石能源、矿物燃料，如煤、石油和天然气）。这种依赖性产生了一些威胁我们生活方式的严重问题：耗尽了储存的化石燃料并导致产生了环境问题，特别是全球变暖。为了解决这些问题，人们应该对能源了解得多一些。我们将通过回答下列主要问题来寻求解决方案。这些问题可归结为五个方面：

现今能源的利用情况：人类对能源的需求是什么？这些需求是如何与经济增长以及其他幸福指数相关联的？

世界目前的能源系统：当今的一次能源是什么？它们是如何被利用的？

目前能源系统的问题：当前能源系统面临的问题是什么？

技术性解决方案和政策：当前能源问题的技术性解决方案是什么?人们会采取什么样的政策？

非技术性解决方案：对于当前能源问题有没有非技术性解决方案？

在此之前，我们将在标题为“能量：基本概念”的一章中阐明一些概念，这些概念对理解本书即将讨论的一些主题是有用的。

1  能量：基本概念

什么是力？

为了生存和迁徙，人类需要克服重力，即地球对其他物体的吸引力。我们也必须克服阻碍运动的其他力，如摩擦力。依靠肌肉的力量，人类能够克服这样的阻力，从而抬高物体或使物体运动起来。除了我们的肌肉的力量外，自然界还有各种各样的力。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)把力称作能够引起物体运动的任意因素。他建立了一个关系式，用来决定引起某种运动所需力的大小：

力(F)=质量(m)×加速度(a)

量度力的单位是牛顿，1千克物质受到的重力是9.8牛。

通常，施加在一个物体上使它运动的力，不止一个。例如，马拉一辆车的时候，还必须克服车和道路之间存在的摩擦力。

什么是功？

当一个物体从地面上方的一定高度掉下时，重力(F)将会做一定的功(W)，功的大小等于力与物体在力的方向上移动的距离(d)的乘积：

功(W)=力(F)×距离(d)

功的常用单位是焦耳，1焦耳是克服地球引力把一个102克的小苹果举高1米所需的能量。

什么是能量？

如果一个人想把同一个物体举到它下落前的初始高度，那么，他就需要消耗与物体下落时重力所做功的数量相等的能量。能量可以表征物体做功的能力的大小。

能量可以是动能(如由波浪或风产生)、重力势能(如来自瀑布)、电能(如来自汽轮机或电池)、化学能(如由柴油或汽油燃烧等放热反应产生)、热能(如由木炭或木材燃烧产生)、辐射能(如来自太阳光)，以及核能(如由铀原子裂变或氢核聚变产生)。一些形式的能量比另一些更有用，有些不同形式的能量是可以相互转换的。例如，从核反应堆获得的能量，可以用来加热水并产生高压蒸汽，进而这些蒸汽又能推动涡轮机，使涡轮机发电。

移动物体的能力对我们的生存来说是至关重要的，因为所需要的功的大小很大程度上取决于我们做了多少事和消耗了多少能量。

自然界常见的力有哪些?

有三种类型的力被认为是基本的：引力、电磁力和核力。

引力存在于物体之间，是由物体的质量产生的。根据部分日常生活经验，我们知道，只要放开托举物体的手，物体就会下落。自古代开始，科学家们就研究物体在下落时所做的运动，第一个完全理解此类运动的是17世纪在英格兰研究引力的牛顿。牛顿所做的工作就是使人们能够理解为什么物体会掉到地面上，为什么月亮绕地球旋转，以及为什么地球绕太阳转动。他提出了一个概念：在任何两个质量分别为m1和m2的物体之间都存在吸引力，它正比于这两个物体的质量，而随它们之间距离的增大而减小，即正比于距离的平方的倒数。这就是万有引力定律。这个定律可以证明地球施加在一个物体上的吸引力，就好像地球的全部质量集中在地球中心一样。

电磁(电和磁)力因电荷而存在。不同电荷(正的和负的)之间是相互吸引的，同种电荷是相互排斥的。公元前5世纪时，人们就对磁力有所了解了。希腊人熟知存在于某些矿物之间的吸引(或排斥)力，中国人使用这些矿石制成指南针，用作辅助航海的工具。希腊人也注意到了，经毛皮摩擦过的琥珀，具有吸附细小物体的能力。公元17世纪左右，科学家们已经明白，经过毛皮摩擦的材料，有的具有吸引力，有的具有排斥力。这种理解促使本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)在1747年提出了正负“电”的概念。他还阐明了闪电是由积聚在云中的“电”造成的。

1785年，夏尔·奥古斯丁·德库仑(Charles Augustin de Coulomb)开始测量这些力。他所发现的是关于两个电荷之间吸引(或排斥)力的定律，这种力与存在于两个物体之间的万有引力类似：正比于两个物体所带电荷的量，反比于它们之间距离的平方。

海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)发现快速震荡的电荷发射电磁波，电磁波在空间传播，并有一个电分量和一个磁分量。他的发现开启了通向无线电通信的道路。

核力存在于组成原子核的核子之间。

原子有一个类似于太阳系那样的结构，其中的“行星”环绕一个中心旋转(就像地球绕太阳转动那样)。在原子中，电子(带有负电荷)被原子核(带有正电荷)吸引，并以行星绕太阳旋转的方式，环绕原子核运动。就整体而言，原子是电中性的，其直径一般为10-8厘米。分子是由原子结合而形成的。

化学元素是以环绕原子核的电子数目来表征的,例如，氢原子有1个电子，氦原子有2个电子，铀原子有92个电子。原子核的直径非常小，一般只有10-13厘米。质子之间的排斥力是非常强的。为了抵消这种力，还存在一种把质子与质子结合起来的核力。在原子核里面，还有一种不带电的粒子，叫作中子，中子也在此结合过程中起作用。

气体的膨胀力在古代已经被人们知晓，但对膨胀力的研究的进展却与力学的研究完全无关。这两者的研究在18世纪末才被统一起来，那时的科学家认识到了机械功是可以全部转化成热的。J.J.汤姆孙在用于制造加农炮的铁块上钻孔时，第一个注意到了这一现象。1843年，詹姆斯·普莱斯考特·焦耳(James Prescott Joule)确立了热和机械功的等价关系。

更近些时候，气体动理论使得人们对机械功和热之间的终极关系有了完全的理解。按照这个理论，气体是由彼此相互碰撞的，以及与容器壁碰撞的分子所组成的。因此，温度越高，分子的平均速度就越大。

什么是摩擦力？

摩擦力不是像引力或电磁力那样的基本力。它是表面不规则以及(或者)彼此相互接触的物体之间的力。它的特征是完全经验性的，以及依赖于接触表面的性质的。

例如，两块非常干净的玻璃板，一旦相互贴合在一起，那么即使在真空中也难以把它们分开。就像在两个表面之间存在一个“吸盘”，若要分开这两块玻璃板，就得把它们打碎。

在所有类型机器的运行中，摩擦力都起着非常重要的作用，因为克服摩擦力就需要做功，如果没有摩擦力的话，这些功就可以另作他用。因此，摩擦力有时被称作“耗散力”，“耗散力”是不可逆的。如果运动逆向进行，像两个平面彼此相对滑动那样，能量必须被再次消耗。

在没有摩擦力的情况下，一个周期性地回到原点的体系，如摆动着的单摆，是能够持续不断地运动的。但是实际上，空气会引起摩擦力，所以摆动的幅度将逐渐减小，直到停止。在真空中，一个单摆在减慢和停止之前，会摆动很久，因为在此情况下只在悬挂点处有摩擦力。

如何量度能量？

把1牛的力位移1米时所做的功定义为1焦。地球作用在1千克物体上的重力是9.8牛，因而1焦是把102克的物体举高1米所需的能量。

功(或者产生它所需的能量)也可用卡来量度。1卡是把1克水的温度升高1 ℃(例如从13.5 ℃升高到14.5 ℃)所需要的能量。1卡约等于4.19焦。

做一定量的功所需的时间是极为重要的。例如，一个人能够把40块25千克的石头从地面一块接一块地搬到一辆小车上，但是他不能够一次就把它们(1000千克)都搬到车上，尽管在这两种情况下他所做的功是相等的。单位时间里所做的功叫功率(P)，它是用瓦来量度的。1瓦等于1焦/秒。在不少国家中使用的量度功率的单位是“马力”(1马力约等于746瓦)。

吨油当量(toe)是一个常用单位，它等于1010卡，因为1千克石油蕴含10000千卡能量。通常把其他能源的能量都换算成吨油当量，包括用千瓦·时量度的电能。

能量可以凭空产生吗？

当人类开发斧头或杠杆之类的工具，让自己的工作更容易的时候，也在付出巨大努力去寻找不需要借用肌肉力量就能工作的机器。人类一直沉浸在制造“永动机”或永久运转的机器的想法之中，“永动机”一旦运动起来就永远不会停止。制造此类机器的所有努力均告失败。失败的原因就是牛顿的万有引力定律的本质：由引力产生的能量总是守恒的，也就是说保持为一常数，既不能被创造，也不能被消灭。例如，如果一物体从一给定的高度掉到地上，就做了确定的、数量不变的功。为了将此物体提升到同样的高度，恰好就需要做与它掉下时所做功的数量相等的功，而与提升此物体所经过的路径无关。

这是一个最为基本的发现，因为它意味着能量既不能被创造，也不能被消灭。其推论是在引力场中不可能制造一种机器，它能产生机械功(如磨碎谷物)，而不需要有系统以外的能量来源。

图1.1  罗伯特·弗拉德的“永动”机器

1630年，罗伯特·弗拉德(Robert Fludd)提出了最令人感兴趣的“永动”机器方案中的一个(见图1.1)。他设计了一台机器，在这台机器里，由重力来推动一个连接在一条没有尽头的带子上的水轮，这条带子转而又把所有的水送回到原来的蓄水池中去；而旋转的水轮则带动一个装置去研磨玉米或其他谷物。很明显，这一奇妙的机器是不能工作的。

热力学第一定律是什么？

机械能守恒定律可以推广到包含热的现象中去。在一个孤立系统中，机械能和热能的总量是守恒的。这就是热力学第一定律，它是说一个封闭系统中包含的能量的总变化，等于该系统与外界交换热和功的(净)效应。换言之，能量既不能被创造，也不能被消灭，重力所做的功就是一个例子。

热力学第一定律可以推广到所有形式的能量：机械能、热能、电能、磁能、化学能和核能。

第一部分  目前能源是如何使用的？

2  目前能源的使用

人类维持生存需要多少能量？

一个成年人要维持生存，每天所需的能量最少约为1000千卡。一个成年人每天摄入的能量若少于这个量，体重将会减轻并最终可能导致死亡。第二次世界大战期间，集中营的囚徒每天得到的能量少于1000千卡，而一个从事正常活动的成年人每天需要约2000千卡能量，对于一个从事繁重体力劳动的人来说，4000千卡的能量是每天必需的。表2.1列出了一些人类活动所消耗的能量。

人类的其他活动需要多少能量？

为了满足现代社会人类发展的需求，必须给能源消费量设置一个合理的增量。

纵观历史，人们可以清楚地看出，随着人类技术的进步，人类所需的能量也在增加。图2.1显示了人类发展与下面四类能源需求之间的关系：食品、住房和商业、工农业、交通运输业。

图2.1  人类发展阶段和人均能源消费量

100万年前，起源于东非的原始人尚未掌握如何用火，仅仅依靠从那些生吃进去的食物中摄取的能量(约2000千卡/天)而生存。10万年前，狩猎人开始消耗更多的食物，并且通过燃烧木材来烧煮食物和维持小茅屋的温暖。更往后一些，初级农业时代的美索不达米亚人使用了在农耕活动中劳作的牲畜的能量。近代早期(约公元1400年)，东北欧高级农业时代的人们用煤来取暖，并且开始使用瀑布和风产生的机械能。在此时期，交通运输业也开始在商业中起重要作用。1875年，英国的工业界人士开发出了蒸汽发动机，商业和交通运输业有了显著发展。后来，在20世纪，技术人员改进了蒸汽发动机，还发明了内燃机(奥托循环和狄塞尔循环)、电动机，发现了核能。在工业化国家中，人均能源消费量在原始人类的100倍以上。

现在，世界人均能源消费量约为1.8吨油当量/年(约50000千卡/天)。美国的人均能源消费量约为世界平均值的6倍(约300000千卡/天)。

我们所用的能源是什么？

直到中世纪晚期，人类所消耗能量的主要来源是生物质，或可再生的、以生物为基础的能源，也就是农业和林业的废弃物。其后果是，欧洲的森林被大量砍伐以获取木材燃料。然而，随着人口数量和能源消费量的增加，人类在寻找除木材燃料以外的新能源，诸如提供水能的河流，可用于加热和产生蒸汽的煤，驱动内燃机的石油及其蒸馏产物(汽油、柴油)，产生热核电力的铀。

图2.2表明从20世纪开始，当机械和新技术投入使用后，能源消费量增长巨大。该图也显示了煤、石油、天然气、核能，以及可再生能源使用量逐渐增加。

图2.2  1850—2000年能源的使用情况

我们所用能源的起源是什么？

来自太阳的辐射持续不断地到达地球，其辐射强度为1363瓦/米2，相当于地球每秒接收到的太阳辐射能量为1.73×1017焦。其中大约有30%的辐射被反射到大气中和再发射回太空中，剩下的70%影响着地球气候的形成。约23%的太阳辐射消耗在海水的蒸发上，形成了水蒸气和水的凝结物之间的循环，这叫作水循环。一部分的水积蓄在高出海平面的湖泊中，或者河流中，河水和湖水又可奔腾流回大海。在此过程中，水力可以用来发电。最终，约47%的太阳能被大气层吸收，加热空气、海洋，以及地球表面(决定了地表的平均温度)。空气受热产生了风，风可以用于风力发电，风也导致了海浪的形成。一小部分入射的太阳辐射，通过光合作用被植物所俘获，这又形成了有机质(例如木材燃料)。偶尔，其他有机质(如浮游植物和海洋动物的残骸等)被堆积或由于沉积作用、地震等地质运动而被掩埋。在这些情况下，缺氧阻止了完全燃烧。经过几百万年，这样被掩埋的物质就形成了石油、天然气和煤。现今，我们正在使用这些化石燃料(见图2.3)。

图2.3  地球的能量流

能源消费量以什么速度增长？

1971年到2006年，世界能源消费量的年均增长率为22%。然而，不同能源的增长是不均衡的：以年计，煤增长18%、油增长13%、天然气增长20%、核能增长07%、可再生能源增长66%。能源消费量在国家之间也是不均衡的，发达国家的能源消费量增长率是每年14%，而发展中国家是每年32%。经济合作与发展组织国家的总能源消费量自2000年以来就稳定在这个水平上，而近年来已被非经合组织国家超过。

能源的增长主要是由人口增长和“人均”能源消费量的增长所驱动的。

人口增长与能源消费量增长之间的关系是什么？

人口增长是能源消费量增长的主要因素之一。1850年到1990年，世界人口的年均增长率是1.1%，世界能源消费量的年均增长率是2.2%。

过去的12000年间，人口增长的变化如表2.2所示。

预测指出，2050年世界人口可达86亿左右，2100年可达102亿左右。在今后几十年中，人口增长是决定能源消费量的主要因素之一，所以罗列出那些能够减小此种增长的因素是很重要的。人口增长的主要原因是为了扩大家庭规模而无计划地生育，以及人口动量大(人们过早地生养小孩的后果)。

通过加强家庭计划生育减少意外怀孕，可能会将2100年的预估人口从约102亿降至约83亿。通过投资人文发展，降低人们对大型家庭的追求，又可以将2100年的预估人口从约83亿进一步降至约73亿。

如果女性的平均分娩年龄有所提高，人口动量将会减小。平均分娩年龄提高5年，我们就能实现人口的进一步减少，将2100年的人口从约73亿降至约61亿。所有这样的减少都只是可能达到的理论上限，但是它们着重指出了那些可以在22世纪真正减缓人口增长的可能行动。

众所周知，发达国家已经经历了人口转变，它导致总生育率(total fertility rate，TFR)下降到2左右，这是所谓的人口置换率。导致总生育率降低的真实原因是非常复杂的，且需要与自然界相协同，原因包括上面列出的那些。可以预计，发展中国家也会有类似的趋势。

为什么“人均”能源消费量在增长？

能源消费量的增长是与城市的发展紧密相连的。过去，初级农业时代在食品、住房、商业和工农业等方面消耗的能源数量属中等程度。能量主要通过使用牲畜和奴隶而获得。都市生活的发展，增加了对建筑和交通运输的需求，需要的能源就多了。但是，人均能源消费量的“爆炸”式增长是伴随着蒸汽机之类的机器的发展而真正开始的。蒸汽机开启了建造铁路、发展商业和交通运输业以及建设大城市之门。19世纪末的电力发展打开了通往现代科技之路，现代科技成果包括冰箱、洗衣机、收音机、电视机和通信设备等，所有这些使我们的消费方式发生了革命性变化，也相应地增加了人均能源消费量。

能源与发展之间的关系是什么？

收入增加是大部分人所渴望的，通常是与发展密切相关的。更高的人均收入意味着个人可以拥有更多的物质财富，诸如汽车、家用电器、更好的住房，所有这些都需要更多能源。不过，人均收入和能源消费量之间的关系较为复杂。

图2.4反映了一些国家2008年人均国内生产总值(GDP)与人均商业能源消费量(以吨油当量为单位)的对应关系。人均国内生产总值用购买力平价法来测算(以2000年数据为基准)。

煤、石油、天然气都是商业类型的能源。非商业能源，或常规能源，包括各地收集的、未被加工的、以生物质为基础的燃料，例如作物残渣、木材和动物粪便。

很明显，这只是一个粗略的简化，其中已经假设了这两个指数之间是线性关系。虽然在许多国家中，这是一个作为规划工具被反复使用(并将被继续使用)的概念。

至少有三个理由表明为什么能源消费量和收入不是直接联系在一起的，或者不是线性相关的。

首先，我们来回顾一下历史：美国在1850年到1950年，或者说在这个国家工业化初具规模时，人均能源消费量的增长要比人均收入的增长快得多。1950年后，相反的情况出现了，收入要比能源消费量增长得快。出现这种情况是由于美国的产业发展重心已经从基础设施建设转向服务业了，而后者对能源的需求要少一些。

其次，我们可以比较一下工业化国家：美国的人均能源消费量要比具有相同人均收入的瑞典高出40%，尽管瑞典的气候更恶劣。这主要是因为瑞典有隔热性能良好的住房和更小、更高效的汽车。

最后，我们可以比较一下工业化国家与发展中国家：发展中国家，大部分位于赤道区域，气候更温和，故取暖所需的能源较少。另外，在发展中国家，非商业能源是很重要的，特别是在农村地区，那里的经济是基于以物易物体系的，而不是用货币来计量的——这一事实，使得其数据不能被收集到并在图2.4中反映出来。

什么是能源强度？

能源强度(I)为能源(E)与国内生产总值(GDP)之比，即

I=E/GDP

一个国家的能源强度随时间的变化，反映了经济结构的变化(纳入GDP之中)、能源混合的变化和能源使用效率的变化(纳入一次能源消费，即E中)的综合效应。

对于某些工业化国家，如英国、美国、德国、法国和日本，能够追溯一个多世纪以来的能源强度演变的数据(见图2.5)。这样的追溯，可以让我们看到在基础工业和重工业发展之时，能源强度在增加，最终达到一个峰值，然后稳定地下降。此工业化过程中的后来者，如日本，其能源强度的峰值要比先驱国家的低，表明其已经较早地采用了革新的、近代的和节能的工业过程与技术。

图2.5  工业化国家能源强度的长期历史演变

虽然能源强度是一个非常粗略的指数，但它有一些吸引人的特点：当人均能源消费量和人均国内生产总值在发达国家与发展中国家之间的变化大于一个数量级时，能源强度变化的影响因子不会大于2。这部分的原因是如下事实造成的：发达国家和发展中国家的能源体系，在“现代”经济层面上有着相同的特征。

特别是20世纪70年代石油危机后，通过能源使用效率的提高和导致后工业化经济出现的结构改变，工业化国家成功地降低了它们的化石燃料消费量。作为这些因素的一个综合后果，虽然许多发展中国家的能源强度仍然以每年1.2%的速度在增加，但经济合作与发展组织国家的能源强度在过去几十年间平均每年下降了2.3%。

什么是人类发展指数？

除人均收入外，还有另外一些指数，如寿命、文化程度和总人口出生率等，也是与能源消费量密切相关的。因此，一个更复杂的指数HDI(human development index，人类发展指数)，被建议用来弥补使用人均收入作为发展量度的不足。

HDI由下列因素组成：

寿命：由生命期望值来量度；

知识：由成人文化程度(权重2/3)和受学校教育的年数(权重1/3)来综合量度；

生活水平：用购买力来量度，是以对地区生活成本(或购买力平价)做了调整的实际人均国内生产总值为基础的。

每个这样的指数被赋予一个0到1之间的值，然后对这些数值取平均值，得到一个综合指数。例如，如果生命期望值最小是25岁、最大是85岁，则对于一个生命期望值为55岁的国家，它的寿命因子为0.5。用同样的方法也能得到知识因子和生活水平因子。

图2.6为众多国家每年的HDI与人均商业能源消费量的点状图。

从图2.6可以看出，当每人每年的商业能源消费量在2吨油当量以上时，大多数国家HDI在0.7以上。然而，人均商业能源消费量似乎只是保证HDI所衡量的可接受的生活水平所需的最低能源需求量，与各国消费模式和生活方式的关系不大。人均收入不同的国家具有相似的HDI，这意味着低收入能够用延长寿命和增长知识来补偿。

从图2.6还可以看出，在许多国家中，世界人口的相当一部分只有很低的HDI。由世界银行主导的分析指出，20多亿人口没有得到充足的依靠气体、液态燃料以及电力的能源服务。没有能源，经济发展和生活水平提高的机会就受到了限制。妇女和儿童更会不成比例地受到影响。

获得经济适用的能源服务是人类活动、发展和经济增长的基本条件。大城市和边远地区在获得经济适用的能源服务方面存在的巨大差异是不公平的，且与人类发展的理念是背道而驰的，将威胁到社会的稳定。

什么是国民幸福指数？

国民幸福指数的概念是在试图定义一个估量生活质量和社会发展的指数时发展出来的。这个指数涵盖的范围要比GDP或HDI更为广泛，它包括对健康和幸福的估量。

国民幸福指数的变化之一是，它是对由社会统计数据导出的各种指数取平均值而得到的，这些社会统计数据包括经济状况、环境状况、身体状况、精神状况、工作场所状况、社会状况、政治状况、消费者债务、污染水平、收入分配、疾病情况、抗抑郁药的使用情况、失业率、离婚率、犯罪率以及个人自由情况等。

目前，许多国家展开了国民幸福指数的调查，但受到了广泛的批评，因为国民幸福指数是依赖于对幸福真实含义的主观判断的。

第二部分  当今全球能源体系

3  能源

什么是一次能源？

世界的能源系统是非常庞大的：2008年，它的数量达到了4919艾焦，约等于117.5亿吨油当量。当人口数量为67亿时，这近似等于每人每年1.75吨油当量(见图3.1)。

一次能源为：

太阳能：它是水能、风能和生物质能，以及化石燃料(煤、石油和天然气)等的形成基础；

地热能：来源于地球的熔融核心；

潮汐能：来源于月球的万有引力；

核能：来源于原子核。

可再生能源是人们从地球的物理或生物资源中提取出来的能源，这些资源被提取后是能够得到自然补充的。生物质能、水能、风能、地热能以及波浪和潮汐形式的海洋能等都是可再生的。严格来讲，核能是不可再生的，因为铀(核能可由它产生)的储量是有限的，虽然以当前的消耗速度来看，铀尚可使用很长一段时间。

到目前为止，太阳是地球上占主导地位的能量来源(见表3.1)。

2008年，在地球的能源构成中，化石燃料占主导地位，总共占了全部的851%：石油占全部的346%、煤占284%、天然气占221%。核能占2%。剩下的129%是可再生能源，它又可分成传统生物质能(79%)、现代生物质能(23%)、水能(23%)、风能(02%)、地热能(01%)、直接太阳能(01%)和海洋能(0002%)。现代生物质包括生物酒精、生物柴油、电能和热电联供(CHP)能源。

表3.2列出了2008年全球的一次能源。

*1吉吨油当量 ≈ 41.87艾焦。

什么是二次能源？

一次能源(石油、煤、天然气、核能和可再生能源)在投入使用之前，通常必须经历一些明显的转换过程。例如，从开采煤(这是一次能源)到终端(如电灯泡)之间有一个漫长的过程，要经过把煤转换为电能(一种二次能源)的发电厂，再通过电网把电能分配给终端。当一次能源转换为二次能源时，通常会有30%的损失。

能源的终端使用，通常被分为工业、交通运输业、居民社区、商业和公共服务业，以及其他(农业、林业)等类别，还有非能源使用，如表3.3所示。

为什么能源转换会有损失？

在从一次能源到可消费终端产物的转换过程中，最重要的转换是产生电能和动能。这个过程通常是由燃烧化石燃料产生蒸汽，然后由蒸汽产生机械能和电能。

使用由沸腾的水形成的蒸汽来产生机械能的想法已经有很长一段历史了。例如，在2500年前，古希腊人利用气体的膨胀力开启神庙的门，而不需要用人的手去操作。这可能对雅典人有着非比寻常的影响。

然而，要以一种持续的方式产生机械功，人们就需要一种能够循环运行的机械，即这种机械能够连续地回复到起始的运行状态，并不断重复。早先，古希腊人利用气体的膨胀力打开神庙大门并不符合这种要求。18世纪早期，英国的一位铁匠兼机修工托马斯·纽科门(Thomas Newcomen)努力开展了这项探索。他制造了一台巨大的小功率机器(功率约为4马力，即3000瓦)，其煤耗率很高而效率低于2%。这台机器最初用于煤矿抽水。纽科门的机器，除了体积庞大外，还需要一个人来操纵阀门，而且一次循环要花很长的时间。

19世纪早期，詹姆斯·瓦特(James Watt)改进了这种机器，他将气缸隔热，并导入了一个额外的冷却蒸汽的冷凝器，将蒸汽冷却并送回气缸中去。这种机器的效率提高了5%左右。随着机器的不断改进和其效率的提高，这样的机器还可以在离煤矿很远的地方运转。蒸汽机效率的提高进程见图3.2。

从某种意义上来说，工程师把速度调节器引入蒸汽发动机后，它们就被纺织工业大范围地使用，也被火车发动机所使用，从而引发了工业革命。

蒸汽机效率的不断提高，使得萨迪·卡诺(Sadi Carnot)1824年就开始研究热机的效率究竟有没有任何理论极限存在，即在气体膨胀转换为机械功的过程中有没有这种极限存在。

卡诺指出，当热量从高温热源向低温热源传递而做功时，永远不会有100%的效率，也就是说，总有一些热量会耗散掉。例如，他指出，如果初始温度是177 ℃，终了温度是27 ℃，则效率为0.25。换言之，只有25%的热量转换成了功，余下的75%则损耗到低温热源中去了，当然还有一小部分损耗在克服摩擦力做功上。初始温度(T_0)比终了温度(T)高出越多，转换效率也就越高。

把能量全部转换成功是不可能的。

热力学第二定律的一种表述方式是：在自然界中出现的事件都有一个时间方向。热量可以从高温物体传递到低温物体，但是相反的过程不会发生。热现象是不可逆的，而机械事件是可逆的。

另外，更近些时候，一些高效率的系统已被开发出来，诸如涡轮机、内燃机(如四冲程内燃机和柴油机)、喷气发动机、反应堆和喷气火箭。最初的蒸汽机具有的最大效率是5%，但随着时间的推移和技术的改进，它们的效率已经可以达到50%左右。现代的热机，如涡轮喷气发动机，工作温度在1000 ℃的量级上，因而有着更高的效率。

什么是桑基图？

桑基图是一类流程图，它能够把能量、材料、成本的转移过程，甚至战争中军队的调动过程直观显示出来。图中的箭头的宽度正比于流的数量。

在热机里面发生了什么，可以用桑基图做一个图像化的表示(见图3.3)。

图3.3  热转换为功的桑基图

桑基图是以马修·亨利·菲尼亚斯·赖亚 尔·桑基(Matthew Henry Phineas Riall Sankey)的名字命名的，他被认为是使用此图的第一人。1898年，他在一本论述蒸汽机能量效率的书中使用了此类图形。

现在它们被广泛用于将一次能源的能量流直观表示出来，即描绘出一次能源转换成电能和热能，然后转换成终端使用的能量的流程图。图3.4为美国能源系统的桑基图。

图3.4  美国能源系统的桑基图

4  化石燃料

什么是化石燃料？

化石燃料——煤、石油、天然气，以及它们的副产品——提供了85%左右的当今世界所需能量。这些燃料的使用推动了工业经济的发展，并且驱使遍及现代世界的生产活动和日常生活的各个方面形成一个整体。

通常，可以把天然气、石油和煤的资源基础分成以下两类。

储量，反映每一种燃料的现存数量，具有合理的确定性。储量是根据可获取的地质数据和工程数据测定的，这些数据来源于已探明的矿藏和当前的经济条件与运行状况。某种燃料的已探明储量的寿命(以年为单位)，是将这种燃料的储量除以当前的年消费量而得到的。

资源量，反映的是石油、天然气、煤的未开发资源量，它可能会使储量的寿命扩大5～10倍。这些资源的开采会涉及先进的技术、高昂的成本，以及可能造成的严重的环境问题。

1869年到2006年，已探明石油储量的1/2、天然气储量的1/3和煤储量的近1/4都被消耗掉了。

关于煤，我们知多少？

煤(或者矿物煤)是一类矿物质的通用名称，这类矿物质是由陆生植物形成的。陆生植物在100万年前被埋在地下，经历了化学和地质过程，形成了泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。在这条矿物链上，碳的含量从木材的49.65%，逐渐增加到泥炭的55%、褐煤的72.95%、烟煤的8424%和无烟煤的9350%。这些不同类型燃料的热值随着碳含量的增加而增加，从泥炭的4.0～4.5千卡/千克(16.7～18.8千焦/千克)增加到无烟煤的7.8～9.1千卡/千克(32.6～38.1千焦/千克)。

煤通常含有许多杂质，如砂灰和硫黄，它们的含量可达到百分之几。这样的杂质降低了每千克煤中碳的含量，并且造成了污染。

煤的储量在下列地区特别大：北美洲(29.8%)、欧洲与欧亚大陆(330%)和亚太地区(31.4%)。而在世界的其他地方煤的探明储量很小。2009年，全世界煤的总探明储量为8260亿吨。假如年开采量为34.1亿吨，这些储量可以持续用242年。

全世界的电力生产严重依赖于煤，煤的发电量占到总发电量的383%(天然气占181%、核能占17%、水能占165%、油产品占75%、生物质占11%)。

2008年，全世界建设中的燃煤发电厂的总装机容量为216吉瓦，其中中国的燃煤发电厂的装机容量为112吉瓦。

关于石油，我们知多少？

石油是由液态碳氢化合物组成的，是在海洋动物和有机物经过几百万年形成的沉积物中发现的。从化学上讲，石油起源于碳水化合物的氧化(也就是说，是由有机物形成的)。自然界中发现的石油一般是由95%～98%(质量分数)的碳氢化合物构成的，含有5%(质量分数)的硫黄杂质。经历了如此长期的演化，石油通常储存在砂岩地层或者圈闭等地质构造中，石油就是从这些地质构造中开采出来的。

石油是液态碳氢化合物、石蜡、环烷烃和芳香族化合物等的复杂混合物，它们的沸点各不相同。因此，如果加热石油，沸点低的产物会首先蒸发。这个过程叫蒸馏，在石油精炼厂中发生。石油的蒸馏可以把不同的成分分离开来，从最重的成分(燃油)，到柴油、煤油和汽油。这样的过程并不能改变这些成分彼此之间的比例，但是更为精细的方法能够把重的产物分裂为轻的，例如，柴油可分裂为轻的汽油，这个过程叫“裂化”。

许多国家都发现了石油，但是在很多国家里它或已被消耗殆尽，或接近消耗殆尽。当今世界石油储量的大部分在中东(约占世界储量的566%)；北美洲石油储量占世界储量的55%，中南美洲占14.9%，欧洲和欧亚大陆占10.3%，非洲占96%，亚太地区占3.2%。

2006年估计石油的剩余储量为10300亿桶，目前正以每天7000万桶的速度(每年255亿桶)在消耗。以这样的消费速度，所剩储量的使用年限将不会超过41年。

这些数据指的是可用当前技术萃取的石油(即“常规石油”)的储量。还有更大数量的“非常规石油”(或非常重的油)储存在加拿大艾伯塔省的砂岩地层中。另外，近海石油也可以将现有储量的寿命延长几十年。

什么是非生物石油？

关于石油和天然气矿床的形成有另一种理论。根据这种理论，石油根本不是化石燃料，而是在地壳深处由无机物形成的。该理论认为，形成石油矿床所需要的高压只有在地幔深部才能出现，而且在沉积地层的碳氢化合物中包含的有机物，尚不足以支持在超大油田中出现数量如此巨大的石油。

非生物石油的概念首先在20世纪50年代被提出，而后为托马斯·戈尔德所详细阐述：氢和碳在高温和高压的作用下，形成碳氢化合物分子，它们通过岩石缝隙逐渐地渗透到地球表面，而这种高温和高压只有在地球形成过程中生成的地幔里才有。但是，石油里面发现的生物标志物，是在类似于热电厂管道与火山那样的极端环境中生存的细菌新陈代谢而产生的。大多数地质学家拒绝接受戈尔德的理论，该理论由于缺乏清晰的实验证据而饱受争议。

石油价格是如何变化的？

原油价格与任何其他商品价格很相似，在短缺或者过剩的时候会有很大的波动。原油价格也深受垄断联盟竞争活动或政治事件的影响。

早期使用的石油的价格非常高昂(约70美元一桶)，但它的蕴藏量非常丰富，从而导致其价格急剧下降，几乎有一个世纪的时间保持在不到10美元一桶。自从1973年10月6日在以色列、叙利亚、埃及之间爆发“赎罪日战争”开始，OPEC——石油输出国组织(当时它的成员包括伊朗、伊拉克、沙特阿拉伯、科威特、委内瑞拉、卡塔尔、印度尼西亚、利比亚、厄瓜多尔、阿拉伯联合酋长国、阿尔及利亚和尼日利亚)——对支持以色列的国家实施石油禁运。结果，石油的价格在6个月内上涨了400%。1979年的伊朗门事件和1980年爆发的伊朗与伊拉克的战争结合起来又造成了原油价格的新一轮上涨。

20世纪80年代，石油价格戏剧性地跌至历史最低水平，但更近一些时候，由于中东的动乱，特别是伊拉克与利比亚(美国、欧洲国家和日本石油的主要来源地)的动乱，其价格又涨到几乎100美元一桶。图4.1是以2009年的美元不变票面价画出的油价变化曲线图。

关于天然气，我们知多少？

像石油一样，天然气也是被封存在多孔渗透层里面，多孔渗透层处在主要由砂岩构成的岩层下面。天然气的主要可燃成分是甲烷(CH_4)。天然气的其他与能量有关的成分包括丁烷、乙烷和丙烷等。天然气也含有少量非可燃成分，包括氮、二氧化碳等。

商品天然气一般是从陆源植物和海洋有机物中获得，通常是和石油混合在一起的。经过长期的地质年代，几乎所有的天然气都通过地壳而迁移，并最终泄漏到大气中去。但是这样的迁移也可能被岩层阻挡，聚集到可以容纳大量气体的储层中去。

那些不能用常规生产技术萃取的天然气，叫“非常规天然气”。非常规天然气的主要类型是页岩气与天然气水合物。

天然气水合物是一种固态晶体物质，由水和天然气(主要是甲烷)构成，在其中，水分子形成了一种包围天然气分子的、类似鸟笼的结构。这种水合物的鸟笼结构把组分气体富集起来，使得1立方米的天然气水合物可以产生约160立方米的气体。天然气水合物是在中等程度高压与中等程度低温的条件下形成的，广泛分布在外大陆边缘沉积地层和极地沉积地层之中。

根据2007年至2009年不同组织所做的评估，全球常规天然气的已探明储量大约为187.5万亿立方米。2009年的产量是3.0万亿立方米。以这种开采速度，此储量至少可延续开采62.5年。常规天然气的主要储藏地是中东(40.6%)、欧洲和欧亚大陆(33.7%)、亚太地区(8.7%)、非洲(7.9%)、北美洲(4.9%)和中南美洲(4.3%)。

页岩是一种沉积岩，由黏土、石英以及其他物质组成。它是最常见的岩石之一，随处可见。然而，大多数页岩的渗透性不足，不允许大量液体流动，因而不是天然气的合适来源。最近页岩气在北美洲快速发展，那是在水平(而不是垂直)井眼周围制造大量人工断裂构造的技术进步的结果。美国页岩气的产量从1996年的0.3万亿立方米上升到了2008年的2万亿立方米。此种情况下所用技术(包括页岩储层水力压裂法)的目的是让被封闭在岩石之中的气体逸出。

什么是化石燃料储量和资源的预期寿命？

表4.1总结了2006年有关化石燃料探明储量的消费情况。化石燃料探明储量是指自然地出现在地壳内部或表面的固体、液体或气体物质的集合，它们的存在形式使其具有经济开采的可行性。此表也显示了每年的消费量和探明储量的寿命。非常规能源可以将石油、天然气和煤的探明储量的寿命延长5～10倍，但是，它们的提取将涉及先进的技术、更高的成本和可能产生的严重的环境问题。

全球化石燃料储量的分布如何？

如表4.2所示，石油和天然气的储量主要集中在中东：石油储量占全球的56.6%，天然气占40.6%。相反，煤储量的分布则要均衡得多：298%在北美洲，33.0%在欧洲和欧亚大陆，31.4%在亚太地区。而中东却几乎没有煤。

5  可再生能源

什么是可再生能源？

根据定义，可再生能源是不像化石燃料那样能被消耗殆尽的能源形式。可再生能源几乎都起源于太阳，并且只要太阳还在，它们就可以一直延续下去。大部分可再生能源，诸如风能、波浪能、水能、太阳能，以及生物质能，起源于入射到地球上的太阳辐射。潮汐能是由于地球、太阳和月亮之间的万有引力产生的，地热能则来源于尚未冷却的地球中心。

什么是生物质？

生物质是生物体产生的物质，如木材、木炭，以及来自农业和动物的有机残渣的通称——它们都可以被当作能源使用。以质量计算，45%的生物质是由碳组成的，通常以由碳、氢和氧所组成的碳水化合物形式出现。生物质资源丰富，直到19世纪中叶，它还在人类家庭取暖、烹饪和工业用热过程中占据主要地位。类似于所有来源于太阳的能源，它是一种可再生能源。

通过光合作用，生物质不断地生成，有人估算出每年有2000亿干吨的生物质产生，而其中只有很小一部分以获取能源为目的被利用。

在许多发展中国家，生物质仍然主要用于做菜烧饭，而且用的还是效率很低的原始炉灶。全球所消耗能源的6%仍被用于烹饪，因此引起了一些健康问题(与不充分燃烧产生的烟灰有关)。

用燃料木材来做菜烧饭的基本问题是它的效率较低，通常在10%以下。用石头或砖块支起的炉灶在发展中国家的庞大低收入人群中被广泛使用。虽然使用这种炉灶产生能量所需费用较低，但这些炉灶的污染很严重，而且容易引发意外事故。改进这种原始炉灶的费用不高，而且能显著提高其效率。改进这些炉灶的第一步是要有一个减少木材、木炭、粪便等农业废物或煤油燃烧的更好的设计方案。金属炉或隔热炉能把效率提高到25%以上。

通过筹资和补贴，非洲、亚洲和中美洲的几个项目已经在向边远地区和城市外围或者贫困地区推广效率更高的炉灶方面取得了成功。

还可以通过要求将厨房炉灶的燃料来源改成液化石油气(LPG)来提高其效率。这样一种改变使得污染戏剧性地减少了：与原始炉灶相比，气体炉灶排放出的污染物降低至原来的1/50，而效率提高了5倍。

生物质利用的现代化是我们面临的一大挑战，我们已经具有了一些非生物学和生物学方法。

其中一个非生物学方法是直接焚烧木材来产生热和电。其他一些方法包括使用木炭来做菜烧饭与炼钢，以及气化碳基材料来生产合成气体、甲醇或其他产物。

主要生物过程是：

(1) 产生甲醇的可生物降解材料的无氧消化过程，此过程可以在家庭降解器上小规模进行，或者在垃圾填埋场或城市废水处理站中大规模进行；

(2) 产生乙醇的糖(主要从甘蔗中获得)发酵过程，乙醇可以用来代替汽车中的汽油；

(3) 糖发酵过程之前的糖化作用(通过有纤维素的材料，如植物的酶法水解)。纤维素由长串的葡萄糖组成。

最近，在一些欧洲国家，特别是奥地利、丹麦、德国、匈牙利、荷兰、瑞典和英国，以及一些发展中国家，现代生物质的使用量在增加。

什么是水电站？

大坝通常指从它们的底部算起，高度为15米或以上的水坝。如果水坝的高度在5至15米之间，而水库的容量在300万立方米以上的，也归入大坝一类。

小型水电站(小水电)的装机容量通常在1000千瓦至30000千瓦之间，灌溉面积在13平方千米以下。

全世界大坝的数目在45000座以上，它们在帮助社区和经济体利用水资源方面起了重要作用。利用水资源可以为食品生产、能源获取、洪水控制和居家生活等方面服务。据估计，当前全世界30%～40%土地的灌溉用水依赖于大坝，大坝的发电量约占全世界发电量的16.5%。

20世纪30年代到20世纪70年代，“大坝的建造”在许多人眼中是“发展和经济进步”的同义词，而且还被视作现代化的象征。因此，大坝的建造就明显加速了。这一趋势在20世纪70年代达到了顶峰，那时平均每天有两三座大坝在世界的某个地方被委托建造。

水电站通常利用水库来均衡水流，使水流驱动涡轮发电机。水被储存在水坝后面，可用来季节性、年度性地调控河流，在某些情况下甚至是常年性地调控河流。这些大坝，最为理想的是建造在狭窄的峡谷上，这些峡谷很深，并且洪泛区的面积相对较小。例如，靠近(美国)大峡谷的胡佛大坝(它刺激了拉斯维加斯的发展)，以及建造在阿尔卑斯山脉里的那些大坝。由于具有建造大坝的理想条件的地方不多，因此也常常会建造一些较矮、较长的大坝，这样也使得洪泛区的范围大大地扩展了。建造在奔腾河流上的大坝常常没有蓄水的水库，且使用的是封装型发电机，或称灯泡型发电机。

建造大坝需要巨大的财政投资。据估算，过去的一个世纪，在世界范围内，至少已有2万亿美元被投入到大坝的建造中。20世纪90年代，估计每年有320亿～460亿美元花费在建造大坝上，其中有五分之四是发展中国家投入的。在发展中国家，每年有220亿～310亿美元被投资于建造大坝，大约五分之四由公共部门直接投资。大坝带来的直接利益，例如提高粮食的安全性，促进地区就业与技能发展，实现边远地区的电气化，以及扩建道路等社会基础设施，被广泛认为足以平衡巨大的大坝建造投资。

目前，全球有总装机容量约1000吉瓦的水电站在运行中，装机容量约150吉瓦的水电站在建设之中。水力发电的理论潜力比实际发电量高出5倍。

什么是风能？

在遥远的古代，风就被用于帆船航海，但是到公元7世纪才开始被用于研磨谷物。公元17世纪，风车在欧洲已经非常普遍，1750年左右，在荷兰有6000～8000架风车在运行，其功率通常为7.5千瓦。20世纪初，这些风车被广泛用于抽水、灌溉和发电。在独立的系统中，必须用蓄电池储存电能，以供在没有风的时候使用。

风车的功率随着风的速度变大而急速变大。典型的风速为3～10米/秒，即10.8～36千米/时。与人们的普遍认知相反，一年中的风速是相当有规律的，其变化幅度不会超过平均风速的10%～15%。如果风速是6米/秒，则每平方米能产生的功率约为140瓦。

现代的风力装置是非常庞大的，其风翼的长度超过80米，功率可达约5000千瓦。2010年底，全世界风力机的装机容量是198吉瓦。

那些等待安装的风力装置，有时会遇到来自社区的阻力，这是由环境问题(如噪声或者自然景观的破坏等)引起的。为了解决这些问题，许多风力装置被安装在近海地区或远离密集人口的地方。

什么是光伏电池板？

光伏(PV)电池是1954年由贝尔实验室的研究人员发现的，它直接把太阳能转化为电能。入射的太阳辐射(光子)激发出了半导体材料中的自由电子，当电子离开它们的位置时，破坏了位于电池前后部电荷的平衡，产生电势差，从而产生了电流。这类似于在传统铅酸电池中所发生的情况。大家可以把这个过程形象地想象成如下的情况：一个双层的车库，汽车停得如此之满，以致车辆不能移动，如果有人把一辆车移到上面一层，下面一层剩下的车就能移动了。汽车的移动类似于电流。一个光伏模块由一些电池板组成，每一块电池板宽1～10厘米，功率为1～2瓦。所产生的电流是连续的，供小型电器使用非常理想，但也能转变为交流电以供大型设备使用。

历史上光伏电池发电被用于特定市场和特殊用途，如孤立的社区、电子设备(计算器、手表和通信设备)、卫星、遥感器和道路旁的信号灯等。这种特定市场应用的问题是范围小、成本高。大规模的生产则要求降低成本。在一些高度与世隔绝的地方，将效率为10%的光伏电池覆盖在面积为10000平方米以上的土地上，一天可以产生5000千瓦·时的电力。某些商业电池效率可达15%。光伏电池板的安装数量正在迅速增加，光伏电池板发电潜力巨大。一种想法是，太阳能屋顶建筑的电力可以“接入”电网。光伏技术可能是将来分布式能源系统的主要技术。

到2010年末，全世界已安装的光伏发电系统的装机容量达到了40吉瓦。德国是当今市场的引领者，领先于日本和美国。先前，日本是光伏模块技术的“领跑者”，集中在电子产品(例如计算器和手表)这一特定的消费者市场。北美洲工业界历来集中在大规模的应用方面。这一市场中的其他供应者有中国、西班牙和意大利。光伏电池发电的制约因素是它的成本、单块模板产生电力的限制，以及市场提供的硅不足。生产光伏电池板需要大量的单晶硅，而现在却存在供应瓶颈，这就限制了这种技术的扩展。每一峰瓦要消耗14克硅。目前，光伏发电系统接入电网的安装成本略低于2000美元/千瓦。

在那些不能连接电网的偏远落后地区，光伏电池板通常与电池、充电控制器和逆变器等连在一起，虽然装置很小，但其所产生的电力足以冷藏药品，保存粮食与渔业产品，照明居民房屋、学校和医疗中心，抽取井中的水，以及支持通信与娱乐活动。存在的问题是电池和电池板的处理，因为它们含有铅和其他危险的重金属，如镉；另一个棘手的问题是缺乏维护，这种情况频繁出现在只注重安装一个系统的、没有适当的技术支持或备件的示范项目里。

什么是太阳热能？

加热水的太阳能设备通常是被动的。在此过程中，太阳光被装置在建筑物水箱顶部的一块板吸收，水通过这个水箱循环流动。然后，升温了的水被储存起来进行分配。集热器是用玻璃覆盖的板，水从它的下面流进金属管。通常，还有一个辅助性的电力或燃气系统，当没有阳光或阳光被云层遮住，或者在冬季水温低于50 ℃时，该系统可用来加热水箱中的水。

用太阳能来加热水已经有许多年的历史。有些国家(如以色列)和城市(如西班牙的巴塞罗那)出台了安装太阳能电池板的强制性法律和激励措施，这可以有效地取代化石燃料和木材进行加热。在天气炎热的情况下，太阳能加热可以满足约75%的热水需求。在欧洲天气寒冷的情况下，这个比例下降至20%，甚至更低。中国致力于推广一种低成本的太阳能热水系统，它的价格比西方国家的便宜，仅为120～150美元/米^2，而欧洲的为700～800美元/米^2。2006年，中国至少有3000万人使用太阳能热水器。

什么是太阳能光热发电？

这种技术是把太阳光聚焦到一个集热器上，把一种液体加热到几百摄氏度，产生蒸汽供发电机发电用。最常见的使用这种技术的是抛物柱面镜，做成这种形状的大型镜子可以把照射到它们上面的太阳光聚集到置于曲面中心的一根管子上，在那里加热循环流动的液体。基于这种技术的市场项目竞争激烈，然而在技术层面仍有待研究和改进。美国加利福尼亚州有一些使用抛物柱面镜的大型发电厂(输出功率350兆瓦)在运行。西班牙打算立即启动两家此类发电厂，总输出功率为100兆瓦，还有输出功率为1000兆瓦以上的设施处于最后的设计阶段。

什么是波浪能？

由风引起的海洋表面的波动起伏，可以被用来驱动产生电力的机械装置。这种潜在的能量非常巨大(2.5×106兆瓦)，但是获取这些能量的技术还处于襁褓之中。主要原因是波浪能的能量密度低：海浪的典型长度是60米，它们的最大高度是3米，沿海岸线所能获得的最大功率密度是36瓦/米，为了产生1000千瓦的功率，我们所需的装置要长达30千米。目前，要获得这种能量，其消耗的成本高到令人无法接受。

什么是潮汐能？

地球和月球之间的引力导致了潮汐的形成，即每24小时海平面升、降两次。通常升高的高度不太大(1米左右)，但是依据海岸地区的地理情况，有时在海湾和河口处升高的高度会变大。

这种现象最为明显地发生在加拿大新斯科舍省的芬地湾。此海湾入口处的潮汐只有5米高，但在海湾的尽头可达13米高。

大量海水的这种运动，可以用于水力发电。目前，潮汐能的最重要商业应用出现在法国的兰斯，那里海湾的面积为22平方千米，水力发电的功率可以接近250兆瓦。

什么是地热能？

地热能是来源于地球炽热核心的能量。众所周知，如果钻一口井，每深入100米，温度上升接近2 ℃。因此，地下10千米深处的温度接近200 ℃，可用它来生产蒸汽和发电。然而，在火山区域附近有“热点”(hot spot)或间歇泉存在，那些地方的地表会自然生成高压高温的热水或蒸汽，这就使得获得电能更加容易。1904年，第一个地热电站在意大利的拉尔代雷洛投入建设，1912年开始运行，功率为250兆瓦。

2009年末，全世界地热能开发利用中，地热能发电装机容量为86吉瓦，地热能供暖装机容量为49吉瓦，发电量为475太瓦·时。

可再生能源的潜在储量是多少？

可再生能源的理论潜在储量是巨大的：其大小约为每年5尧焦，几乎是当前的能源消费量500艾焦/年的10000倍。然而要将此潜在储量转变为可利用形式时，却遇到了问题，所以技术上的潜在储量要比理论上的小，但仍然很可观。相反，目前可再生能源的产量是很小的，如表5.1所示。其只有约63.5艾焦/年，且大部分是生物质能形式的，所以很有希望加大可再生能源的利用。

可再生能源产生能量需要多少土地？

人们对产生大量可再生能源所需土地量与产生化石燃料所需土地量的比较的关注正在日益增加，因为后者的能量密度非常大。每千克化石燃料，其体积只有边长不到10厘米的小方盒那样的大小，可产生接近3千瓦·时的能量。若用光伏电池板产生同样大小的能量，通常需要占地50平方米，而且还要求在白天运行。因此，可再生能源所需的面积是非常大的，并且还可能受空间的限制。

产生生物质能也需要大量的空间，因为光合作用是一个内在的低效能量转换过程。甚至在集中种植速生树木的种植园中，一个燃烧木材的发电厂的功率密度也不会大于0.6瓦/米^2。这样的设施所要求的空间要比燃烧煤和天然气的发电厂大2到3个数量级(100到1000倍)。

光伏发电厂能够以比燃烧木材的发电站大得多的功率密度发电。太阳辐射转变为新的生物质能的效率，大体来说，不会大于1%，而即使低效的光伏电池的效率，也有5%左右，当今最好的商用设施可超过10%。如果只考虑光伏电池的面积，这意味着功率密度大都在10～20瓦/米^2。但是将所有有关的空间要求都考虑进去时，典型的密度范围下降到4～9瓦/米^2，比以木材为动力的电力生产高1个数量级，不过比化石燃料电力生产的普遍模式要低1到3个数量级(要求有10至1000倍的更大的空间)。

太阳能光热发电的功率密度要稍微高一些，如果只考虑太阳能集热器的面积，可有高达45～55瓦/米2的功率密度，但是把所有因素(包括地面空隙、进出通道、塔台设施)都考虑进去的话，功率密度就只在10瓦/米^2的数量级上了。最后，风力发电的功率密度与燃烧木材的发电站的功率密度差不多或稍微大一些，大部分使用加强型(1～6兆瓦)风力涡轮机的新装置的功率密度也只有0.5～1.5瓦/米^2。

仅对发电厂而言，此功率密度普遍超过2000瓦/米^2，高的可达5000瓦/米^2。当将所有其他要求(煤矿、仓库、环境监测、沉淀池)都考虑进去时，功率密度不可避免地要减小(在100瓦/米^2到1000瓦/米^2的数量级范围内)。

相反，那些能够连接到已有天然气供应设备上的小型燃气轮机发电厂，则能以高达15000瓦/米^2的功率密度发电。使用更有效的联合循环(利用一台燃气轮机的废气产生蒸汽，供一台附加的蒸汽轮机使用)的大型发电站(＞100兆瓦)将以较小的功率密度运行。为了使这样的发电站能够运行，还必须进一步提高天然气开采能力，那么燃气发电的总功率密度将减小到与燃煤发电相似的范围内，或许略大一些，大多数情况下在200～2000瓦/米^2的范围内(见表5.2)。

被大型风力发电区域占用的土地大部分可以用来种植庄稼或放牧牲口，但不可以再用于其他的用途，而且在星星点点地散布着风力机的大面积土地上，还需要铺设供建造和维修所用的进出道路，并且会产生一些不适合人类永久居住的缓冲地带。在可再生能源转换的所有情况下，为了确保把电力从阳光区、多风区或者适合大规模生物质生产的区域优先输送到主要大城市和工业区，则需要多得多的土地。

增加使用可再生能源的前景如何？

目前，新型可再生能源供应形式(现代生物质发电、地热供暖与发电、小型水电站发电、低温太阳能供暖，以及风力发电)的供应量占全世界一次能源总供应量的2%。

然而，来自太阳能光伏发电系统的电力生产，以及接入电网的风力机已经有了令人印象深刻的增长。1998年到2008年，风力发电的平均增长率约为30%，接入电网的光伏能源几乎以40%的比率增加，燃料乙醇为13%，地热产物为20%。即便如此，新的可再生能源使用量要增长到占全球总能源使用量的主要份额，可能还要几十年时间，因为它们目前占全球总能源使用量的比例很低。不管怎么说，有些国家定下了雄心勃勃的目标，例如德国的目标是到2050年，可再生能源消费量要占全国总能源消费量的50%。最近几年，地热能(在冰岛)和太阳热能(在中国)的消费量的增长率也令人印象深刻。

在过去几十年里，成本的实质性降低使得许多可再生能源技术可以与化石燃料技术在某些应用方面一争高下。现代分散型的生物质能形式，特别是向乡村地区提供清洁能源的形式，是以生物质能作为基础，一直通过低效和有污染的方式被使用的。通过种植多年生作物，能够以破坏环境程度最小的，甚至有利于改善环境的方式经济地生产生物质。当前，受减少二氧化碳排放政策的刺激，它的生产和使用对形成国际生物质能源市场是有帮助的。沿海地区和其他多风区域的风力发电，在短期内也是被鼓励的。至于其他潜在的、有吸引力的选择，包括边远地区的地热供暖与发电、小型水电站发电、太阳能供热和太阳能发电。

大部分可再生能源技术可以大幅度降低成本。要想使这些可再生能源具有竞争性，则需要进一步进行技术开发和市场调节，使产量能够增长到大规模生产的水平。

可再生能源也存在负面因素，与水力和地热等资源不同，风能和太阳能的供热或发电是间歇性的，不是完全可以预测的。但不管怎么说，它们在乡村地区发挥着重要的作用，因为电网扩展到那些地区的建设费用非常昂贵。它们也能以合适的配置方式对并网电力供应有所贡献；在有足够强大的输电网覆盖的地区，如果该电网是与水力发电或以燃料为基础的发电一起操作的，间歇性的可再生能源能够稳定地提供占总供电量10%～30%的电量。新出现的储能技术(如压缩空气储能)和对电网操作实行的新策略，促进了间歇性技术的进一步推广。另外，氢气可能成为间歇性可用能源产品的储存介质。

由于许多可再生技术运用的规模小、模式简单，所以它们是不断削减成本的好选择。成本的降低通常在技术运用的开始是快速的，但随着行业的成熟，成本降低的速度将会逐渐变慢。

6  核能

什么是核能？

核能不是基于机械能(像水力)或者化学能(像燃烧化石燃料)的能量。核能是由铀原子核的分裂产生的。这种分裂释放出了锶(Sr)和氙(Xe)等放射性碎片中的动能。这个过程叫作“核裂变”，能够被合适的“炮弹”(如中子)轰击铀原子核引发。伴随核裂变的有中子或质子的发射，以及像X射线之类的辐射。最后的碎片，即核废物，具有高度放射性，因而是使用这种能源带来的严重问题之一。

在由一个中子引起的铀原子裂变过程中，平均能够产生2.5个中子，这些中子转而又会引发新的裂变，形成一条导致大量其他原子裂变的反应链。如果这个过程迅速发生，就产生核爆炸，这是基于极短时间里有大量的铀原子经历裂变而形成的。如果这个过程减慢下来，碎片扩散时就能产生大量的热量。在核反应堆里，这些热量被转移，使水沸腾、产生蒸汽，然后用于发电，就像在燃烧木材、煤或天然气的热电站中所进行的那样。

核裂变释放的能量要比燃烧燃料产生的能量多得多，这就是为什么少量的铀能够产生大量的电力。例如，1千克铀在核反应堆里“燃烧”能够产生50000千瓦·时的电力，而1千克薪材只能产生1千瓦·时的电力(见表6.1)。

自然界发现的铀，只有0.7%能在反应堆中使用。换言之，在每1000个铀原子里只有7个对能量的产生是“有用的”。所以在制备核燃料时，需要一个复杂的“燃料循环”：首先是铀盐的采集和提纯，然后把它们转换为气体，将铀“富集”成可裂变的铀235(235U)。一旦富集的铀棒被制成，它们就构成了可发电的核反应堆中的堆芯。

核反应堆中的冷却剂把裂变过程中产生的热量传递出去，限制了核反应堆温度的上升。它也把热量传递到发电的部分，在那里产生电力。

核反应堆基本上有两类：在反应堆内部产生蒸汽的沸水反应堆(BWR)和在转移热量时压缩热水(而不是使它沸腾)的压水反应堆(PWR)。

在2010年，世界范围内有442座核反应堆，发电量占全世界总发电量的14%。这些核反应堆中，有104座在美国，50座在法国，54座在日本，32座在俄罗斯，21座在韩国，17座在德国。在美国，核反应堆的发电量占了总发电量的19%，在法国近似为80%。余下的核反应堆在发展中国家，主要在中国和印度。全世界已有的核反应堆的总装机容量与水力发电站的近似。

全世界的核能发电量在总发电量中所占的百分比，近年来有所下降。20世纪80年代中期，核电并网装机容量达到30吉瓦/年这一峰值。有证据表明，近些年已经下降到5吉瓦/年或更低。人类正在努力延长已有发电厂的寿命和刺激新厂的建立，从而促进“核能复兴”，以此来维持核能在全世界日益增长的发电量中所占的份额。经济合作与发展组织的核能委员会和国际原子能机构认为，在2050年之前是可以实现这种增长的。

为什么核能的增长在1985年开始下降？

全球已有的核反应堆，大部分是在1975年前开始建造，1985年竣工的。1979年美国的三哩岛核电站和1986年位于乌克兰(现属)领土的切尔诺贝利核电站发生事故后，新的核反应堆的建造速度就戏剧性地下降了。

这种下降的原因是复杂的，涉及经济、环境和相关政策等方面。单就经济规模而言，目前这一代核反应堆的功率，大部分都已达到10亿瓦的量级，需要几十亿美元的投资。与此相关的是，安全要求的提高和核电厂退役费用的增加也影响核能发电在经济上的可行性。与其他技术和乐观的预期相反，核能并没有遵循“学习曲线”(learning curve)的规律，即成本随着经济的规模化而降低。而且，还有一些相关的政策，大多与核扩散的危险性有关，因为核技术本质上是一把双刃剑，它能够扩散可用于核武器生产的浓缩铀或钚。此外，也存在一些与储存核废物相关的问题。

核废物处理问题是什么？

从核反应堆中移走的使用后的元素，其体积虽不到废物体积的1%，但其放射性占了总放射性的95%。放射性原子是不稳定的，它们发射粒子或“衰变”直至变成稳定的原子。这个过程可以用术语“半衰期”来描述，意为“衰变”掉一半放射性原子所需的时间。在此过程中，核废物的活性第一年减少90%，但是如果要恢复到铀矿石的水平，则需要10万年的时间。铀-235裂变产生了氙和锶(及其他元素)的放射性同位素，直到形成稳定成分前，它们一直在经历放射性衰变的过程。一些中间产物，特别是锶-90和铯-137(半衰期为30年)，是极其容易致癌的，并且在环境中持续存在的时间是如此之长，以至于可以在人体骨骼中“安家落户”。

核废物必须深埋在具有坚实而稳定的地质构造或海床下的地下储存库，以及经玻璃固化的水泥、沥青和树脂容器中，储存时间有时长达几十年，甚至几个世纪。对于这些核废物，至今仍然没有终极的储存方法。美国原计划于2019年在尤卡山建成一座永久性的大型核废物处理库，容量为70000吨。建造这个储存场所的成本，估计在100亿至200亿美元之间。然而，由于国际环保组织的反对，美国政府在2009年停止了这一项目。芬兰正在建造一个较小的处理场来储存本国核反应堆的核废物。法国建有核废物处理场，但在其中处理核废物是有附带条件的。美国超过100座正在运行的核反应堆产生的废物，目前被储存在核反应堆所在地的混凝土砌块中或充满了水的池塘里。

核能“复兴”是怎么回事？

核能生产——在整个生存周期内——排放出的温室气体是很少的，因为核电并不燃烧化石燃料。温室气体是在建造核反应堆和准备核燃料的过程中产生的。核反应堆运行时，也不排放那些化石燃料燃烧时产生的污染物，如二氧化硫(SO_2)和氮氧化合物(NOx)。因而，从环保观点来看，作为电力生产的核反应堆是有吸引力的，最近，由于人们对全球变暖关注的增加，强烈要求“复兴”核工业的呼声再次响起。

铀的储量是比较丰富的，提炼每千克铀的成本可以低于40美元。2009年，以这一成本计算，铀的储量是57万吨，年开采量是4.4万吨，故理论上只能开采13年。

铀的储量、资源量和可采储量，都是基于一个单程燃料循环运行过程。封闭的燃料循环和再生技术可将铀资源量增加50～60倍。钍基燃料循环将进一步扩大裂变资源的基础。

如果其他一些与核能使用相关的问题，如核废物处理和核扩散危险能够妥善解决，核能将对21世纪的能源供应做出更大的贡献。

过去几年里，一些国家，特别是美国试图促进核能“复兴”。到2010年底，这种“复兴”的信号开始出现在中国、俄罗斯和东欧国家，一些新的核反应堆开始建造。另外，大约还有50个发展中国家有兴趣建造核反应堆，虽然它们中的许多国家并没有大到足以容纳大型核电站的电网(这种电网是非常昂贵的)。

由于日本发生福岛核事故，上述计划被打上了问号。福岛核电站中6座核反应堆因一次地震与接踵而来的海啸受到严重损坏，后果非常严重。由于位于核反应堆堆芯中的燃料棒部分熔化，释放出的放射性铯-137的量比切尔诺贝利核事故中释放出的量高15%，是广岛原子弹释放量的100倍。此次放射性物质的泄漏迫使生活在距离福岛核电站半径20千米以内的数十万居民疏散。这次事故被定为核事故严重程度分级表上的第七级，与切尔诺贝利核事故的级别相同。

福岛核事故令全世界都加强了避免此类事故发生的安全措施，以及重新评价未来核能在世界能源矩阵中所起的作用。

经济合作与发展组织的一些国家(德国、比利时、意大利和瑞士)决定分阶段逐步淘汰那些到达使用期限的已有核反应堆，并且取消建造新核反应堆的计划。日本已经取消了建造核反应堆的计划。国际原子能机构削减了其原计划到2035年建造新核反应堆数目(大约200座)的50%。中国已经停止了处于安全规程审查期间的扩大计划。

什么是核聚变？

核聚变是一类核反应，在此过程中两个(或更多)轻的原子核聚合成一个重核。它与核裂变相反，裂变是一个像铀这样的重核分裂成两个较轻的碎片，释放出可观的能量(以及放射性产物)。

核聚变反应只有当相互作用的核靠得非常紧密时才可能发生，这是非常困难的，因为两者都带有正电荷，在它们之间存在很强的排斥力。不过，核聚变能够在高温下发生，那时聚变反应速度极快。曾经有室温条件下也能发生“冷聚变”的说法，但还没有被其他实验独立地确认过。

在恒星，包括太阳上面，核聚变会自然发生，这是到达地球的太阳辐射的来源。为了获得电力，科学家们一直试图在实验室里控制核聚变，但是存在着许多有待解决的技术问题。的确，在产生电力的过程中，核聚变相比核裂变有着更大的优点，那就是聚变反应只产生极少的核废物。

第三部分  当今能源系统的问题

7  化石燃料枯竭与能源安全

化石燃料会耗尽吗？

虽然化石燃料的储量非常大，但从本质上讲，它们是会被消耗殆尽的。如我们在前面讨论过的那样，各种能源目前已确定的储量寿命，石油是42年，天然气是64年，煤是149年。在它们中间，很明显，石油是最便于使用的，因为它易于储存和运输。目前的交通运输系统几乎都是依靠石油衍生物驱动的。

据调查，在一些国家中石油生产正处于高峰期，由此引起了有关“石油的末日”的问题。非石油输出国组织国家的石油生产在20世纪初开始发展，在2000年达到高峰。根据多种信息来源，其石油产量目前正在下降。

据估计，现有石油储量的将近一半，即0.92万亿桶，在1860年至2006年间就被用光了，剩下的1.03万亿桶继续在开采。

无论如何，石油储量究竟有多大，是一个非常有争议的问题，因为石油的探测是与所涉及的技术和成本紧密相连的。

“石油的末日”意味着，必须以很高的代价把非常规石油采掘出来，并进行开发。对于用于探明北极地区储量、重油沥青储量和油页岩储量的深水探测，需要用到提高原油采收率提高的技术。

这些资源的利用，可能会产生附加的环境问题，如近海地区的大型石油钻探，英国石油公司引发的墨西哥海湾灾难就是一个很好的例子。加拿大油页岩的开采，则是化石燃料探测导致新环境问题的一个例子。

“石油峰值辩论”是怎么回事？

地质学家和经济学家之间，在回答地壳储存着多少石油、天然气、煤和铀的问题上，有着截然不同的观点。

越来越多的资源地质学家预计，石油资源的生产在不久的将来，即在今后的10～20年会结束。这些地质学家的论据是石油必须首先被发现，然后才能被开采这一事实。大型(“超级巨大”)油田发现的全盛期在20世纪60年代中期，随之而来的则是全球石油储量大幅下降。1980年至2007年，全球石油产量仅有82%为新探明的石油储量所补充。

在不寻找新的石油资源的情况下，不断地开采更多的石油，最终将在石油被开采到储量只剩一半时，出现石油产量的峰值。达到峰值之后，全球可提供的石油将年复一年地减少，减少的速率与采收率有关。因此，在决定产量峰值的水平和峰值出现的时间点时，假设的全球最终石油资源蕴藏量是一个关键参数。自20世纪中期起，人们已经根据全球常规石油资源蕴藏量，按照传统的途径，对可开采的石油做了估算。大约有100份覆盖范围很广的估算报告，特别是那些在20世纪70年代所做的不同估算。然而，大部分估算都是在12.6泽焦至16.7泽焦的范围内。到2008年底，石油产量已累计达到6.5泽焦(约156吉吨油当量)。如果依照较低的估计值，产量差不多已经到了一半之处(峰值)，从那里开始产量就要下降。如果使用较高的估计值，峰值的出现时间也只不过后移10年左右。

术语“可开采的”并不是对“油层中现存的”的一个确定描述，而是指因受地质的复杂性和经济方面的限制而不能开采的以外的部分。一种用于开采出更多石油的技术叫“提高原油采收率”，这种技术是用来提取残留的石油的，不用这样的技术开采，这种油将不会到达地面。另一种技术是深海提取，那是在深度不断增加的海底使用的技术，在那样的地方有时还有很厚的盐层覆盖在油层上面。

经济学家相信通过技术创新将可以探测到目前尚未被确定的，或者以现有技术在经济上不可开采的额外储量。高价格不仅推动了市场资源(更小的油田、更高的采收率、更具挑战性的环境等)的前沿发展，还促进了勘探与生产方面的技术研发。

经济学家声称，当前人类对全球非常规石油资源的巨大规模和重要性的了解很少，而且报道出来的数量都是以一成不变的开采技术为基础估算的。当(常规的和非常规的)石油生产达到最高可持续水平的时候，产量是由一个“波动的平台”所表征的，而不是在高峰之后紧跟一个悬崖式的跌落。未来的石油生产的轨迹如图7.1所示。

图7.1  未来的石油生产

地质学家则反驳道，即使非常规石油的基础资源被开采出，其产量也会因为较高的投资比与生产成本，以及环境法规而受到限制。这种限制明显给产量设置了上限。总而言之，全球石油供应量正在逼近峰值，并随着油价越来越高开始不可逆转地下降。

开采量评估上的差别，以及技术和价格所起的作用，解释了在时间和产量上的变化。地质学家和经济学家都看到了非常规石油供应所起的作用。但是在能以何种速度发展，以及经济与环境的成本究竟有多少等方面，他们的意见有分歧。

对于煤和天然气，也有类似于石油那样的研究，但是此类能源的储量是非常大的，如对于天然气来说，探明的储量甚至正在增长，所以人们对这些能源的担忧就没有那么严重。

什么是能源安全？

不间断地提供“生死攸关”的能源——“能源安全”——在每个国家都是头等大事。对于大部分工业化国家而言，能源安全与依赖进口和日益老化的基础设施有关；而对于许多新兴经济体来说，则另有其“脆弱点”，如技术力量的不足和迅速增长的要求。在许多低收入国家，供给和需求“脆弱点”的交叠，使得这些国家的能源特别不安全。

对于石油和它的衍生产品，形势已变得特别严峻，几乎在所有国家中，它们至少提供了交通运输所需能源的90%，而且目前很少有合适的替代品。全球面临的形势，特别是亚洲的新兴经济体对交通运输使用燃料的需求正在稳步上升。如果石油供应中断，将对食品生产、医疗保险、安全保障，以及现代化国家的其他重要职能等方面造成灾难性的后果。

剩下的石油资源在地理分布上日益向少数几个国家和地区集中，这就意味着大多数国家必须进口更高份额，甚至全部靠进口获取所需的石油。生活在83个国家中的超过30亿人，消费的石油产品75%以上需要依靠进口。在下一个10年或20年后，生活在本国石油资源有限的国家中的另外17亿人，很可能要遭遇类似的高度依赖进口的问题。常规石油生产的日益集中和全球需求模式的迅速转变，使得一些分析家和政治家担心会发生一场“能源抢夺”的“资源战争”。

在那些依靠天然气供热和发电的国家里，依赖进口也是很普遍的。生活在32个欧亚国家中的差不多6.5亿人，他们所需天然气的75%需要依靠进口。另外，现在依靠国内有限天然气储量的拥有7.8亿人的12个国家，在将来也会出现明显的进口依赖。短期供应的瓦解和价格的快速上涨常常是最为严重的能源安全问题，特别是对那些依靠单一天然气供应来源而天然气管道数量又有限的国家来说则更是如此。

在拥有25亿人的35个国家中，进口能源(主要是石油)的成本超过出口收入的20%，在另外的拥有2亿人的15个国家中，这个数字超过了GDP的10%。

电力供应方面的这些“脆弱点”常常因需求的压力而更为脆弱。世界人口的大多数——约42亿人——生活在53个国家里。在不远的将来，这些国家需要大规模扩充它们的电力系统的容量，因为这些国家要么是电力的获得率低于60%，要么是在过去10年里电力需求的平均增长率在6%以上。燃料和基础设施两方面都需要进行这样的扩充，而且还要以不损害国家的主权或电力系统的适应能力为先决条件。

发展中国家获取能源服务的问题是什么？

贫困——与低收入相关联——常常作为最关键的社会挑战而被感知，这种挑战是在考虑能源获取问题时需要解决的。最新的综合估计指出，有26亿人生活在每天的生活费不到2美元的条件之下。在这些人中，约有14亿人生活极端贫困，占不能获得电力的15亿人中的绝大部分。

超过25亿人依靠传统生物质能，如木材燃料、木炭、农业废弃物和动物粪便，来满足他们煮饭做菜的能源需求。

生活极端贫困的绝大部分人，已经在有限地享用现代能源和清洁能源，这些能源包括电力或者像液化石油气那样的现代厨用燃料。在通过增加粮食产量和减小收获后的损失来与极端饥饿所做的斗争中，增加获得现代能源和清洁能源的途径可以成为一种有效的手段。在这两种情况下，实现这些目标所需的能源技术，往往能在当地产生。灌溉就是一个例子，灌溉需要大量电力输入，而电力是可以从风力泵或光伏电池板获得的。

电力使农村医疗中心能够提供夜间医疗服务，并且有助于留住有资质的工作人员和允许更多的先进医疗设备(例如，消毒设备和药品冷藏设备)投入使用。另外，开发、制造和分配卫生用品、药物，以及通过信息与通信技术(information and communications technology，ICT)接触健康教育媒介等方面也需要能源。

为了实现在2030年普及现代能源服务这一更为宏伟的目标，按照最新的预计，全球需要7560亿美元的额外投资，即每年360亿美元。这比2030年全球能源投资规划的3%要少。其结果是，一次能源的需求量和二氧化碳排放量将平稳地增长。

到2030年，所有人都可以获取能量、电力以及现代燃料或现代炉具等，然而面临的挑战仍然极其巨大。要实现这一目标，全球每年将需要投资160亿～650亿美元，但这只占能源基础设施总成本的一小部分。

现代厨用燃料的普及可能稍微增加或并不增加温室气体的排放。立竿见影的好处包括改善了人们的健康状况，使得每年的死亡人数减少80万～180万，减少了人们花费在煮饭做菜上的时间，并因改善能源获取途径而带来了社会经济利益。在我们这一代之后，这些带给人们的好处将会越来越多。

8  环境问题

为什么环境问题在今天如此重要？

在一个并不太长的时期内(工业革命后大约150年)，人类活动引起的环境问题的影响力已经可以与自然作用的影响力相提并论了。人类已经拥有了与地质影响相当的力量，例如，自然力量(如风、流水、雨、火山喷发)一年大约移动5000万吨物质。当前全球人口平均每人每年使用8吨矿物资源，一年大约要搬动480亿吨矿物资源。一个世纪前，世界人口约为15亿，人均每年使用的资源少于2吨，所以总的影响是现在的1/16。这种影响变大所带来的一个结果是，环境领域中的新问题或新区域已经变成了令人有兴趣研究和关注的对象。

环境问题通常分成三大类：

(1) 局部性的；

(2) 区域性的；

(3) 全球性的。

局部性污染的治理涉及净化空气、提供新鲜清洁的水、清除和填埋固体废弃物与废水、清洗街道等。自罗马时期以来，这些活动是一些“模范”中、小城市的特征。而在许多发展中国家，由于缺乏用于清除废弃物和建造下水道与自来水厂的资源，大部分人杂居在他们自己制造的瓦砾和垃圾中间。这在大城市的贫民窟中十分明显，一般而言，这些贫民窟包围了“繁荣岛”，在“繁荣岛”里，富人的生活质量可以与欧美国家媲美。局部性污染与贫困是密切相连的，通常由地方政府来处理这些问题。

区域性污染主要是由与繁华社会相伴而来的汽车、能源生产和重工业引起的。大城市及其邻近区域，如洛杉矶、墨西哥城和圣保罗，长期以来一直处在“令人窒息”的污染环境中，这些污染是由燃烧化石燃料产生的排放物和形成的烟雾造成的。有时候，产生的污染大到足以引起区域性的甚至跨越边界的问题，例如，源于美国的“酸雨”对加拿大湖区生活造成了破坏。同样的情况发生在斯堪的纳维亚(半岛)，它是由波罗的海另一边的工业活动造成的。区域性污染必须由州或者国家层面的政府来处理，最终可能要在几个州或国家之间进行协同合作。

全球性污染是第三类污染，迄今为止，它最明显的影响是平流层臭氧层(或臭氧保护层)被氯氟碳化物(chlorofluorocarbons，CFCs)和“温室效应”所破坏。这些问题是大气成分的改变所致，与国界线并无多大关系。此种全球问题的起因是大气，而大气可以出现在地球的任何地方。全球性污染只能在国际层面得到解决。

把环境问题分成局部性的、区域性的和全球性的三大类，多少带有一些任意性，因为某些问题起始于局部，但容易发展成为区域性的，甚至全球性的重大问题。那些屡见不鲜的，且常常引发极大的公众关注的原油泄漏事件就是如此。

哪些是局部性环境问题？

局部性环境问题有三类。

城市空气污染：主要是由使用汽油和柴油的小汽车和大卡车排放污染物造成的。污染物的成分包括二氧化硫(SO_2)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)和颗粒物(particulate matter，PM)，它们是由燃烧化石燃料，特别是石油和煤，以及发电和工业产生的。

室内空气污染以及颗粒物和一氧化碳的排放：它们是取暖和烹饪时使用固体燃料(生物质和煤)而产生的，同时还有工业和制造业生产过程中的有毒排放物。

地表水(河流、湖泊、河口)与地下水污染、土壤污染：这些都是由石油副产品的泄漏、农业肥料和农药的使用、加油站油品的泄漏以及其他工业废料的泄漏造成的。已废弃的工业区和采矿区，若没有采取适当的停运操作(清除、隔离和储存、复原)，也会产生明显的危害。

什么是城市空气污染？

城市空气污染可能是最为明显的，同时也是最令人讨厌的文明产物。甚至在16世纪，它就已经是一个重要的问题。那时，英国议会在伦敦举行的会议因严重污染的“插曲”而不得不延期举行，就是因为使用木材和煤为居民供暖而发生的。烟灰和颗粒物的排放能使大气中的水蒸气凝聚成水滴，形成浓浓的雾。最严重的事故发生在1952年，那年笼罩伦敦的浓雾，造成了约4000人死亡和超过20000例患病记录，其中泰晤士河的污染也是罪魁祸首。这场灾难促成了1956年英国《清洁空气法案》的通过，该法案设置了污染物排放的上限和空气质量的可接受水平。继英国之后，北美洲、西欧的许多国家和日本都制定了这方面的法律，建立了监控、规范和评估环境质量的一些环保机构，产生了非常好的效果。

五种主要的城市空气污染物是：

(1) 硫氧化合物(SOx，主要是SO_2)；

(2) 氮氧化合物［NOx，主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO_2)］；

(3) 一氧化碳(CO)；

(4) 颗粒物(包括重金属，如铅)；

(5) 臭氧(O_3)。

能源系统是二氧化硫的主要排放源(占总排放量的90%)。在过去20年间，那些与大气中水蒸气结合而形成硫酸型酸雨的二氧化硫的排放量，在发达地区已经减少了，而在发展中地区还在增加。

在工业化地区，工业和交通运输业是二氧化碳的主要排放源。化石燃料的燃烧和燃料木材的燃烧产生的二氧化碳排放量占了人类总排放量的1/3。在发展中地区，原始灶具、火炉和锅炉中的低效燃烧则是其主要的来源。

什么是室内空气污染？

室内空气污染与以下三类问题有关。

传统的——由于烹饪一般在室内进行，它产生的烟雾、颗粒物、一氧化碳和其他气体，主要影响农村贫困地区。发展中国家10亿以上的人口是此种污染的受害者。

职业的——导致硅肺和汞中毒等疾病，主要危害矿工和工厂工人。

现代的——影响生活在现代化的、密封性好的建筑物中的人们的污染，是由建筑物材料中氡与石棉以及绝缘泡沫塑料释放出的甲醛造成的(即所谓的“病态大楼综合征”)。

我们将把讨论限于“传统”型的污染，那是与燃料木材的危害紧密联系着的。

1989年，木材的总产量约为35亿立方米，这是砍倒树木并收获的木材的量，并不管其用度如何，工业用木材和燃料用木材两者的量差不多。

在工业化国家，82%的木材不是用于燃烧，而是以工业利用为目的的；在较不发达国家，80%的木材被用作燃料。对于不少发展中的亚洲、拉丁美洲和非洲国家来说，木材和生物质构成了总能源的40%～60%。在撒哈拉以南非洲国家，家庭烹饪用掉的能源占国家总能源的60%，有几个国家甚至超过了80%。另外，一些贫穷家庭要花费20%，甚至高于25%的家务时间去收集木材。

贫困地区的人们燃烧生物质进行烹饪，已被世界卫生组织(World Health Organization，WHO)确定为当今世界主要的室内空气污染问题。WHO估计约有15亿人生活在不健康的空气中。暴露在高浓度木材烟雾(通常是WHO推荐极限值的10倍或更高)中的情况，已经在遍及发展中国家的排放研究中有所报告。这又反过来与急性呼吸道感染，特别是肺炎，以及其他多种小病痛联系起来了。

妇女——她们通常要承担90%的家务工作——和她们的孩子们成了最为持续地暴露在室内空气污染中的人群。例如，在一些发展中国家(印度、尼泊尔、尼日利亚、肯尼亚、危地马拉和巴布亚新几内亚)，人们通常暴露在平均浓度比WHO指导值高出10～200倍的悬浮颗粒物中，平均浓度5倍于极限值的一氧化碳中，以及平均浓度至少为WHO指导值的100倍的苯并［a］芘(benzo［a］pyrene)中，而苯并［a］芘是已知的致癌物。在这些国家，家庭制造的污染的水平等同于每天抽几包香烟所吸入的颗粒物剂量。事实上，急性呼吸道感染是发展中国家中危害儿童健康的首要因素，估计要对每年约430万的死亡病例负责。在所有的地方性疾病（包括痢疾）中，急性呼吸道感染是慢性病的最普遍的病因。

暴露在高度污染的室内空气中的人们的生活条件，在非洲已经被很多的研究报告所记录。撒哈拉以南非洲国家的大部分人口生活在农村地区。例如，在肯尼亚只有20%的人口生活在小镇和城市中。家庭住房一般由狭小的多用途建筑物组成，人们在同一间屋子里烹饪、睡觉和工作，很少有单独用作厨房的屋子。在许多情况下，总的室内空间小于40立方米。在肯尼亚马塞人所处的极端情况下，烹饪区域的室内空间的体积只有不到20立方米。还有，农村厨房通常没有良好的通风条件。

燃料与炉灶的不同组合，会产生差别很大的室内排放水平，这不仅仅是因为炉灶效率越高，烹饪时间越短，也因为与不同的燃料使用有关。

哪些是区域性环境问题？

这些污染问题通常起源于城市，然后扩散到别的地理区域，而且会频繁地穿越国界。

主要的区域性问题有酸雨和海洋污染。

酸雨，导致硫酸(H_2SO_4)和硝酸(HNO_3)的沉积，硫酸和硝酸是由水(雨、雪等)分别与SO_2和NO_2起反应而生成的。SO_2来源于化石燃料中的杂质，NO_2则是这些燃料的高温燃烧导致空气中的氮与氧化合而产生的。

州际或国际水域中石油泄漏和其他泄漏会造成海洋污染和跨边界水体污染，由有毒物质的渗透也会造成地下蓄水层的污染。海洋是陆上人类活动造成的大部分液体废物和相当一部分固体废物的最终归宿。超过75%的海洋污染来自陆地的污染源，污染物通过排放进入河流、海湾和公共海岸，最终进入海洋；当然也有来自大气的污染。余下的海洋污染来自与能源有关的海运、海洋倾倒和深海石油开采与加工。

什么是酸雨？

30多年前，瑞典就已经在关注酸化的危害了，并将河流和湖泊中出现的鱼的数量下降与水的酸度变化联系了起来。酸度是用一个称作pH的指标来量度的。

7是pH的中性点，即纯水的pH。纯水包含有数目相等的正、负离子。pH低于7的液体是酸性的，pH在7以上的是非酸性的，或碱性的。美国和瑞典的酸雨pH通常在4至5的区间内。

酸雨中的两种主要的酸是硫酸(H_2SO_4)和硝酸(HNO_3)。这些酸是由二氧化硫(SO_2)和氮氧化合物(NOx)在大气中形成的。化石燃料燃烧的产物，即SO_2和NOx，能够被风刮到远离排放点1000千米的地方。这就使得酸雨不只是一种一次污染源，而且因频繁地穿越国界而成为一个区域性问题。SO_2和NOx通过以下两种机制来产生它们的破坏作用：

(1) 干性沉积，破坏植被和建筑物；

(2) 湿性沉积，溶解在雨中、云中，或大气水蒸气中。

目前，人类对酸雨在产生过程中的化学性质还只有部分了解。这看起来与酸雨的不同形成机制、主要化学反应所依赖的地域和气候条件，以及当地大气的化学成分等因素有关。阳光、烟灰和微量金属，在某些环境下也能加快酸雨形成的过程。

因火山的喷发、生物质的燃烧、闪电等形成的硫和氮氧化合物存在一个自然流量，但是这个被均衡扩散的自然流量并不会形成高于028克/(年·米^2)的硫的沉积流量。然而，真正重要的是人为造成的硫和氮的沉积流量，因为它主要集中在一些工业地区产生。

哪些是全球性环境问题？

有一些环境问题是穿越国界线的，例如化石燃料的燃烧和原始森林的采伐造成的二氧化碳排放，以及甲烷和其他一些对温室效应有贡献的气体的排放。

其他一些间接与能源有关的全球性环境问题包括：臭氧的排放；为了获得燃料木材和木炭、扩大农业生产而进行的森林采伐；重金属(例如汞，那是由燃煤热电厂排出，而后进入食物链中的)在活生物体内的积累；电气设备所用液体中的人造有毒化合物(例如多氯联苯，polychlorinated biphenyls，PCBs)；来自核事故、核试验、放射性泄漏的放射性物质。

什么是温室效应？

地球大气对于入射的太阳辐射来说，几乎是完全通透的。太阳辐射的一部分被反射回太空中去，而它的大部分，作为可见光，投射到了地球的表面，在那里，它们被吸收或者以热辐射的形式重新发射出去。但是大气中包含有少量的气体，主要是二氧化碳，对热辐射来说是不通透的，它们就像一条毯子，使得整个大气层变暖，于是地球的表面就像农场里的温室，在冬天保持足够的温暖，允许不合时令的蔬菜和花卉生长(见图8.1)。

图8.1  温室效应示意图

在1896年，斯凡特·阿伦尼乌斯提出，人为排放二氧化碳的结果是使地球变暖，不过在20世纪中叶以前，这一观点始终只是一个学术课题。

这条“毯子”形成的来源是有机物的燃烧或氧化，几千年来它几乎一直保持为一个常数。然而，从18世纪末的工业时代开始，由于化石燃料燃烧量的增加，大气中二氧化碳持续增加。

由于温室效应，地球排放到太空中去的热量更少了。大气的存在允许地球上有生命。大气使得白天和黑夜的温度变化不太大。没有大气，估计地球表面的温度将为－20℃至－15℃。月球和火星的表面没有大气，因而它们的表面有巨大的昼夜温差。金星的表面“覆盖”了一层厚厚的二氧化碳，使得其表面始终保持着很高的温度。

产生热的程度与每一种气体的浓度和性质有关，也与这些气体停留在大气中的时间长短有关。

来自火山的喷发、工业硫的排放，以及其他源头的气溶胶(小颗粒)也能吸收和反射辐射。在大多数情况下，气溶胶倾向于使气候变冷。气溶胶和臭氧(对流层和平流层)也是引起温室效应增大的因素，然而这种效应要小得多，但科学上的不确定性甚至更大。此外，地面“反照率”(albedo)——反射的量度——是有变化的，例如，森林的采伐和土地利用情况的改变会引起变化。任何人类行为对地球辐射平衡造成的改变，包括温室气体和气溶胶的数量增加造成的变化，最终将改变大气和海洋的温度，以及相关的气流和气候类型。这些变化与自然的气候变化是相叠加的。

全球变暖与能源之间的联系是什么？

与全球变暖关系最大的温室气体是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和哈龙［氯氟碳化物和六氟化硫(sulfur hexafluoride)］。它们在大气中的体积分数的变化范围很大，从二氧化碳的383×10－6到甲烷的770×10－9不等。然而，阻止热量从地球到大气散发的有效性，是与此类气体的特性有关的。例如，阻止这种散发的有效性，一个甲烷分子是一个二氧化碳分子的21倍。

2005年，不同温室气体对全球变暖的贡献值如下：二氧化碳的贡献值是76%(60%来自化石燃料的使用，16%来自森林采伐)，甲烷的贡献值为16%左右，一氧化二氮为6%左右，含氟气体的贡献值为2%。

此外，对于不同的温室气体，其排放量的变化率是不相同的：二氧化碳的排放量每年增加0.4%，甲烷每年增加08%，一氧化二氮每年增加0.25%，氯氟碳化物每年增加4%。二氧化碳的主要来源是化石燃料的燃烧，甲烷来源于有机残余物和排泄物(包括动物和人类的排泄物)的生物分解，氯氟碳化物的来源是广泛用于头发定型剂、冰箱和空调的致冷剂。

能源生产中排放碳(CO_2和CH_4)的主要国家是工业化国家(美国、俄罗斯、日本、德国、加拿大、英国以及其他少数国家)，但是发展中国家(中国、印度、巴西、墨西哥和其他国家)的排放量也在迅速增长。另外，滥伐森林造成的二氧化碳排放和发展中国家土地利用状况改变造成的其他形式的二氧化碳排放，也有明显的影响。二氧化碳的排放源在表8.1中列出。

*其他包括商业、公共服务、农业/林业/渔业。

什么是政府间气候变化专门委员会？

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)是一个政府间的科学组织，其任务是审阅和评估全球最近产生的，与了解气候变化有关的科学、技术和社会经济形式等方面的信息。这个委员会是1988年由联合国的两个下属组织，即世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)和联合国环境规划署(United Nations Environment Programme，UNEP)建立的。

IPCC并不进行原始的研究，也不监测天气或相关现象。IPCC的评估，主要是在同行评审过的和已出版的科学文献的基础上进行的。IPCC的一项主要活动是为实施《联合国气候变化框架公约》相关课题准备特别报告。

IPCC在1990年出版了第一次评估报告，在2009年出版了第四次评估报告；第五次评估报告将在2014年出版。

IPCC的报告是《联合国气候变化框架公约》缔约方会议采纳政策的基础，《联合国气候变化框架公约》是1992年被批准的，其目标是要把大气中温室气体的浓度稳定在可以防止气候系统受到危险的人为干预的水平上(《联合国气候变化框架公约》第二条)。

气候变化有什么表现？

1995年至2006年的11年间的平均温度，打破了自1850年以来的测量记录。1906年至2005年，地球的平均温度增加了0.74 ℃。最近50年，每10年的温度增幅近似等于过去100年中观测值的两倍。在最近一个世纪里，北极平均温度的增幅是地球平均值的两倍。

冰川和雪山，以及极地冰冠在减少。在北极，春季的解冻量自1900年以来已经增加了15%。动力学解冻效应对海平面上升的贡献甚至更大。海洋吸收了太阳辐射到地球上的热量的80%以上，海洋深至3000米的平均温度升高，导致海洋体积增大和海平面上升。20世纪海平面上升了17厘米，1961年至2003年以1.8毫米/年的速度上升，1993年至2003年以3.1毫米/年的速度上升。

美洲西部区域、北欧、北亚与中亚的降雨量增加，以及地中海地区、南非、萨赫勒地区(撒哈拉沙漠和其以南较肥沃地区之间的一地带)和东南亚部分地区的干旱加剧，是主要位于北大西洋地区的气旋活动加强的证据。强降水的增加与全球温度的升高和大气中水蒸气浓度的升高是一致的。从1970年开始，长时间的严重干旱更是频繁地发生，而热带、亚热带地区尤甚。与干旱相关联的是海洋温度与风速、风向的改变，以及山脉、冰川解冻的增加。

一些极端事件数量的增加或许是信息获取的显著改善和人口的增长造成的。极端事件相对来说是罕见的，出现的概率仅为5%或以下。这是以长期以来事件的出现情况作为基础来确定的。基于这样的定义，1960年以来每年的地震次数大致保持不变，但自1995年以来，气旋出现次数约增加了50%，洪水出现次数约增加了100%。

什么是气候模型预测？

按照政府间气候变化专门委员会的模型估计，1999年至2099年，地球的平均温度将上升0.3 ℃至6.4 ℃，海平面将上升0.18米至0.59米，海洋的pH将减小0.14至0.35。

模型也预言，陆地上的温度增幅将比海洋上的更大，而且北纬地区更高；长年积累的雪和冰将减少；热浪和强降水将增加；气旋将更为强烈；温带风暴将向两极移动；洋流将减少约25%，从而改变墨西哥湾暖流——其结果将是西欧的冬天更加令人难受。

然而，为了把大气中二氧化碳的体积分数稳定在450×10－6的水平上，我们需要把化石燃料的排放量减少至少50%。

由人类活动带来的二氧化碳排放，1000多年来一直在使全球变暖、海平面上升。要把这些气体从大气中除去，也需要同样长的时间。

可再生能源对环境的影响是什么？

虽然能源的使用对环境的影响通常与化石燃料的使用直接相关，但也有些问题是起源于可再生能源的使用，如果我们所做的评估包含其所涉及的全部设备和技术，并贯穿从“摇篮”到“坟墓”的整个过程，则得出的结论会更加明显。

目前可再生能源对全球能源消费量只有较小的贡献，随着可再生能源贡献的增大，这方面的问题将受到人们更多的关注。最重要的可再生能源的主要影响如下：

液态废弃物的流出和生产现代生物质过程中的肥料使用，使得硝酸盐及其他毒性物质污染了地下蓄水层，通常会给鱼类和海洋生物带来巨大的威胁；

风力设备引起的噪声污染和视觉美学的破坏，以及风力设备中的叶片在工作时会对鸟类迁徙构成威胁；

太阳能集热器和电池中用的铜和铅造成了毒性废弃物在环境中的积累；

小型水电站用的水库，干扰了地区动物群落和植物群落，并与旅游业产生了矛盾。

水力发电厂的影响是什么？

水力发电厂，特别是大型的水电厂，能够严重地干扰生态环境，因为它们需要建造大型水坝，从而淹没大片区域、改变水流方向、阻碍鱼类洄游。

洪水是衡量大坝对环境的影响的一个重要指标，但并不是仅有的一个。其他的影响还有人口(包括传统的原住人口)迁移，河流流域下游改道(在大坝建成以后出现)，上游沉积物积聚，鱼类洄游受阻，藻类(富营养化)、水生植物和蚊虫增加，地方特有物种灭绝，以及历史与人文遗产和旅游资源受损。大坝的溃决是另一个潜在的巨大危险。通常，可以根据每公顷水库的发电量对水力发电设施的影响做出估计。这个数值越大，对环境的影响越小。对于水力发电厂来说，典型的阈值是22千瓦/公顷。

水力发电厂在运行时并不产生二氧化碳或其他与化石燃料相关的污染物。但有一个例外，即甲烷，那是出现在水库中的有机质(特别是洪水到来之前不能除去的植物覆盖层)分解而产生的；不过，水力发电厂的建造和停运也是会导致二氧化碳的排放的。

石油的渗出和泄漏有多么严重？

石油泄漏是由于人类的活动，液态石油碳氢化合物释放到了环境中去。此术语常指海洋中石油的泄漏，即石油被释放到海洋或近海水域中。石油泄漏包括原油从油轮、深海平台、钻探塔和钻探井中泄漏，精炼石油产品(诸如汽油、柴油)与它们的副产品以及大型船舶用重油(如船上燃料舱燃油)的泄漏，或任何油性废物或废油的泄漏。每年消费的石油的大约一半是通过海洋运输的，在运输过程中泄漏是经常发生的。石油污染是一种非常明显的海洋污染，因而会引起公众的强烈抗议，结果导致了补救措施的产生。自然渗出和运输泄漏的总年均泄漏量是900万桶，其中180万桶泄漏到美国水域。

最近发生在墨西哥湾的深水探测事故凸显了石油泄漏的严重性。马科多油井(Macondo well)是英国石油公司使用越洋有限公司(Transocean Ltd.)的深水地平线号(Deepwater Horizon)半潜式浮动钻探设施，在路易斯安那海岸钻探的油井。高压甲烷气体逸出引起的大火和爆炸吞没了钻探设施，并使它沉没，开始了灾难性的石油泄漏。根据英国石油公司的估计，这次的石油泄漏量高达230万桶。

墨西哥湾发生的事故，并不在该类事故中占第一位，它造成的环境后果也并没有更为严重，因为以密西西比河为源头的污染，一个多世纪以来已经使这一水域的海洋生物大大地减少了。1979年中期，墨西哥国家石油公司正在钻探的伊克斯托克初探井发生井喷，这是目前所知的历史上第二大石油泄漏事故。据估计，直到约10个月后的1980年3月23日伊克斯托克初探井被覆盖为止，它排出了330万桶石油到墨西哥湾。表8.2列出了主要的石油泄漏事故。

最初估计的海湾战争的石油泄漏量大约为600万桶。然而，根据联合国的一份报告，其他一些没有被包括在官方统计数据中的泄漏源，直到1991年还一直在向波斯湾排放石油，所以泄漏量可能高达2400万桶。

1989年在北极地区发生的埃克森·瓦尔迪兹号泄漏事故的石油泄漏量相对来说要小些，只有26万桶，但由于当地生态的敏感性，该事故引起了媒体铺天盖地的报道，导致了数十亿美元的损害赔偿诉讼，并使该地区的石油钻探暂停下来。

滥伐森林是能源利用引起的吗？

世界范围的滥伐森林，主要原因是要改变土地利用状况，以满足扩大农、牧业面积的需求。

滥伐森林和沙漠化是人类极度的开发与地区生态的脆弱联合导致的。这样的活动包括人口增长和迁移的压力；农作物置换；在非洲，牧民跨省界、跨国界的季节性迁移被阻止；因土壤和其他条件不适宜而鼓励人口迁移的不良政策；把在木材生产、森林产品、庄稼和家畜饲养等方面的掠夺性活动放在过于优先地位的国家发展策略。后两者是巴西亚马孙雨林滥伐的主要起因。

即使没有政府的诱因，滥伐森林也是一门有利可图的生意：1公顷原始林被焚毁，转变为牧场后，它的市场价格将变为原来的两倍多。另外，木材带来的收入也是非常高的，某些品种的木材——如桃花心木——具有很高的出口价值。人工林的面积虽然正在增加，但只占全球森林面积的38%，或1.4亿公顷。约22%的人工林被用于水土保护，约78%用于生产木材，包括能源。

收获燃料木材并不是造成发展中国家滥伐森林或接踵而来的沙漠化的主要原因。只有在诸如岛屿和高海拔地区那样的敏感地区才会出现沙漠化这一例外情况，那些地区的植被不足以为日益增加的贫困人口提供所需能源。

就全球来说，虽然使用木材作为燃料并不是造成滥伐森林的主要原因，但世界上也还是有一些“热点”地区，在那里，使用木材作燃料的确是滥伐森林的最主要目的。如前面所讨论的，这种情况主要出现在非洲，那里的大多数人依靠燃烧木材来煮饭做菜。焦炭生产也是引起大面积森林退化的原因。泰国北部就有这种情况，那里生产的焦炭被供应给孟加拉国。巴西北方的一些州也是如此，那里生产焦炭供钢铁工业使用。许多时候，工业消费来自锯木厂的“生物质废物”，这仍然是一个存在于一些焦炭工厂和冶金工业的事实，因而它也应为滥伐森林现象负间接的责任。另外，还有一些工业，如制陶业、石膏业和食品工业，频繁地使用燃料木材而不会考虑木材的来源。

除了引起沙漠化，滥伐森林也对二氧化碳排放导致的全球变暖有明显的影响。每公顷热带雨林可吸收500吨二氧化碳，当森林被毁坏，土地被清理时，这些二氧化碳就只能进入大气中了。

什么是生态足迹？

生态足迹是人类对生态系统需求的一个量度，它测量的是生物生产性土地生物生产力是指生物吸取外界物质和能量制造有机物质的能力，以单位时间内生产的有机物质总量来计算。生物生产性土地(以公顷为单位)的面积，这些土地是生产人类活动所需资源和吸收人类活动所产生的废物并使之无害所必需的。

生物生产性土地包括：①满足人类对食品、纺织品、木材、能量和基础设施空间的要求所需的土地；②吸纳人类经济活动产生的废物(主要是二氧化碳)的土地。生物生产性土地包括耕地、森林、鱼塘，但不包括沙漠、冰川或公共海洋。

常被用作快速记录某一活动或组织的碳排放量的“碳足迹”，是生态足迹的一个重要贡献者。可把生态足迹的碳分量理解成，隔绝二氧化碳排放所需要的生物生产性土地。这是一个表明在我们这颗行星上燃烧化石燃料需要占用多大土地面积的指标。

有几种方法可把化石燃料的消费量转化为对应的土地面积。每一种方法都基于不同的原理，但是所有方法几乎得出了相同的结果：全世界每年人均消费2吨油当量化石燃料，对应于1公顷生物生产性土地。1公顷约为一个足球场的大小(或10000平方米)。

酒精是可再生能源的一个潜在载体，在技术上和性质上等同于化石燃料。它是一种较易被存储和运输的均匀和浓缩燃料，能够以与碳氢化合物同样的方式为人类提供能量。由于这些原因，它已经在有些地方被用作汽油的补充物。因而，对应于化石燃料消费的土地，可以被表示为生产出足够数量酒精的生产性土地。此面积由种植植物(通常是甘蔗和谷物)的面积，以及生产它们需要的加工处理能量所必需土地的面积构成。

另一种方法是估计要消除燃烧化石燃料排放的二氧化碳所需土地的面积。这种方法的依据是，如果希望避免气候的改变，过多的二氧化碳是不允许在大气中积累的。如果我们继续过量消费化石燃料，那就有责任处理其所衍生的废物。这种方法要求我们在计算“碳沉积”土地的数量时，也要计入那些正在被我们排放到大气中去的二氧化碳数量。

对生态足迹的其他贡献来自耕地、放牧地、渔场、林地和建筑用地。

按照各种生态足迹计算，人类的消耗速度已经超过了地球生产这些资源和吸收其衍生废物的速度。改变这种糟糕状态的办法是，大幅度减少对化石燃料的消费，并在其他社会活动中推行可持续的发展实践。

9  能源成本

什么是能源成本？

全球各地的能源成本与一系列的因素有关。作为商品的化石燃料，其价格由国际市场决定，但是可再生能源的价格则由各地区的条件决定。例如，风力发电的生产成本可为4～8美分/(千瓦·时)。在条件最有利的地区与最不利的地区之间，它们的成本要相差一倍以上。

表9.1列出了所有可再生能源以及核能、煤、天然气发电的指导性成本，以做比较。

*海洋温差发电(ocean thermal energy conversion，OTEC)。

当把化石燃料发电与核能发电相比较时，必须考虑投资成本和燃料成本，以及燃烧化石燃料的发电厂排放二氧化碳的情况。这样的排放被认为是“外部性”的，并且至今尚未计入它们危害人类健康和环境的成本。在一些国家中，这种情况似乎将要改变或者正在改变。外部成本或许就是对生产者收取的碳排放税或排放费。产生的后果将是，化石燃料会变得比其他不排放二氧化碳的能源(如可再生能源和核能等)更加昂贵。

什么是外部成本？

外部成本被定义为那些没有计入传统能源成本的市场交易成本，外部成本可正可负。负外部性是指产生的副作用，或是直接对公众产生有害影响，或是通过环境，如燃烧化石燃料产生污染，产生有害影响。另一方面，正外部性是一种利益，是那些延伸到直接启动活动(如开发公共园林)之后所获得的利益。

英国经济学家阿瑟·庇古(以福利经济学著称)争辩说，外部成本的存在，为政府通过法律或条例来进行干预提供了合法的依据。“庇古税法”的思想推动对负外部性征税，负外部性本质上针对的是那些具有有害影响的活动。因而，庇古税把重点从对负外部性补贴转移到了对正外部性补贴的一边，或者为了进一步激励正外部性的相关活动而转移到创造利益的活动一边。

对外部性最有效的解决方法之一，是把它们包括在所进行活动的成本之中，也就是所谓的外部性内部化。这可以防止把外部性视为市场失灵，反过来，这也可以减少政府投资的成本。人们普遍认为，这种方法要比政府监管更有效。

控制与能源生产有关的负外部性的另一种方法是“总量管制与交易”(cap and trade)制度。总量管制与交易制度给某个给定能源群在一个特定时间段内的排放量设定了最大值。未用完的额度可以进行交易，卖出和购入，或储蓄起来以供日后使用。随着时间的推移，控制的总量就会降低，从理论上讲，这会刺激更为有效的加工过程出现，使得出售许可额度给效率低的生产者时能够获得额外的利润。

20世纪90年代，欧盟委员会启动ExternE。这是一个重大的研究计划，为与能源有关的外部性定量化提供科学基础，对内部化的设计给出一个指导性的支持。这个计划使用一种自下而上的影响路径，先是通过改变空气、土壤和水的质量来改善单源排放，进而改善排放日益增加等物理性影响。

对ExternE的研究发现，在欧洲联盟地区内，化石燃料和核燃料在2003年的外部成本在400亿欧元到700亿欧元之间。这项研究着重指出，如果把确定的外部成本包括在能源价格中，将使煤或石油发电的成本加倍，也使天然气发电的成本增加30%。

外部成本的典型例子是在使用化石燃料的热电站的发电成本里面加上碳排放费。这种附加费或许是每排放1吨二氧化碳，成本增加25美元，这可能要使煤的发电成本增加2.1美分/(千瓦·时)［从6.2美分/(千瓦·时)涨到8.3美分/(千瓦·时)］，天然气的发电成本增加1美分/(千瓦·时)。对欧盟来说，生物质发电、水力发电、光伏发电、风力发电的外部成本一般较小。

什么是“学习曲线”？

可再生技术对环境的好处是众所周知的，但是，作为最新的技术，其成本要比以化石燃料为基础的常规技术高。

例如，作为全世界最重要电力来源的燃煤发电，其成本估计为6.2美分/(千瓦·时)，而太阳能光伏发电的成本估计在25～160美分/(千瓦·时)(见表9.1)。这并不是一种罕见的情况，人们当前使用的大部分产品，如汽车，现今是许多人都可以拥有的，而在100年前首次引入时是非常昂贵的，规模经济和技术创新下的大批量生产明显地降低了汽车的生产成本。

加速新技术开发与可再生能源的广泛使用是密切相关的，可再生能源是保持环境可持续发展的基础。一种特定能源的“市场渗透”是一个多因素的复杂结合的结果，这些因素包括竞争性能源的可获得性、使用它们的方便性以及它们的成本。通常，销售增加、规模经济和“学习曲线”会使价格下降。

还有一个叫“进步率”(progression ratio，PR)的指标，可以用来测量当产量增加时，某一种给定技术成本的下降情况。一般来讲，80%的进步率意味着每次产量翻番时成本下降20%。进步率越小，成本下降得越快。

新技术在最初被引入时，可能需要补贴，一直要到产量的增加可以使成本降低为止。不过，这样的补贴可能会在市场的长期运行中扭曲，因而，随着正在发展的技术趋向成熟，需要逐步取消这些补贴。

能源补贴力度有多大？

决策者通常在调整能源补贴时，会解释说这有助于发展经济、减少贫困、增加能源供应的安全性。明智地使用能源补贴确实有助于处理市场失灵或者对社会与分配目标做出反应，特别是在那些没有直接为穷人提供资助的社会福利机制的地区。对于保证获得现代能源服务，包括电力，补贴是至关重要的。另外，设计得很好和目的性明确的补贴，能够克服因减轻特定情况下的环境问题带来的市场失灵，例如在滥伐森林已经很严重的地方，可以避免依旧鼓励使用生物质。

然而，能源补贴能把社会推上无效率消费和生产之路。对消费者的化石燃料补贴会造成依赖性，也会让使用者对改用清洁能源不太热心。类似地，对于特殊能源技术的补贴会损害其他技术的开发和商业化，而这些技术最终可能会在经济(以及生态)上更具吸引力。就其本身而言，补贴会“锁定”一些技术，而排斥另一些更有希望的技术。

国际能源署(IEA)估计，与化石燃料有关的消费补贴在2008年已达5570亿美元。分析指出，如果到2020年逐步取消这些补贴，与补贴率基准保持不变相比，会使全球一次能源需求下降5.8%，与能源有关的二氧化碳排放量将下降6.9%。

对消费者和生产者两方面的化石燃料总补贴(近7000亿美元/年)大约等于世界GDP的1%。

经过正确估算，经济合作与发展组织国家2008年的农业补贴接近4000亿美元。

另一方面，全球补贴研究中心(Global Subsidies Initiative，GSI)估计全球每年大约有1000亿美元花费在补贴各种化石燃料上，主要的国家是德国、西班牙、日本和美国。

第四部分  技术性解决方案与政策

10  能源效率

当前能源体系已有的解决方案是什么？

当前能源体系已有的解决方案包括提高效率、增加对可再生能源的依靠、开发新能源技术，以及加速采用新技术的政策。

这些解决方案是相互补充的，为了获得可再生能源开发了一个新技术，而它同时又提高了效率，这种情况是完全可能存在的。在此意义上，太阳能技术的开发利用就提供了这种巨大的可能性。只要有可能，就必须提高能源的使用效率，因为这将延长化石燃料的寿命、减小对环境的影响，以及通过投资回报来创造经济利益。

能源效率的潜力是什么?

一种能源的理论潜力与它的技术潜力、经济潜力和市场潜力之间有一段很长的路要走。

理论潜力是指在物理定律——特别是热力学定律——和已有自然资源的基础上可获得的能源资源量。

技术潜力是指通过减小摩擦和其他损失，以及利用更为有效的技术可以节约的能源资源量。技术潜力没有考虑经济因素。

经济潜力在理想的开放市场经济中是可以发挥作用的。在这种经济中，投资者之间可以竞争，所有用户可以获取信息以供决策。在一个理想的开放市场中，价格管理是不受政府干预的。

市场潜力是在给定的商业条件下预期能够获得的。商业条件由市场壁垒、政府干预等缺陷，以及公开买卖的中间代理商的信息缺失所决定。市场潜力也由社会壁垒所决定，在这些社会壁垒中，诸如生态问题和健康因素等外部性因素，都是应考虑进去的。

能源效率的优势是什么？

20世纪的能源系统是在能源(主要是化石燃料)足够便宜和丰富的时期发展起来的，从经济角度讲，为了节约能源而付出经济代价是不值得的。石油危机之前，大多数工业在能源上的花费只占其成本的几个百分点。石油危机之后，由于石油成本是原来的4倍，所以在“供给侧”和“终端侧”两方面都做出了巨大的努力来提高能源利用效率。“供给侧”是指从一次能源到电力的转换过程；“终端侧”是指使用电力或燃料的设备，如冰箱、照明设备或汽车。

提高能源效率的好处是减少了化石燃料的使用以及增加了供给的安全性，所以完成同样的任务只需要较少的能源。影响环境的因素也有所减少。

降低能源消费量的机会存在于能源链条的每一环节，但是在住宅、工业、交通、公共事业和商业等行业，这些机会在将一次能源转化为能源服务的过程中显得特别重要，因为这些行业对能源链条的每个环节均有需求。如果陈旧和低效的技术被替代，则在未来20年内，经济转型期国家削减超过40%的能源消费量是会产生成本效益的，并且是可以实现的。在大多数发展中国家，成本效益的改进潜力在30%到45%之间，甚至超过45%，这是因为当前它们正在使用的大部分机器都是过去从工业化国家进口的技术落后的设备，因而效率不高。

在工业化国家和经济转型期国家，通过结构改变，每年约有2%的隐性改进可以得到提高，结构改变可以是转向服务业与低能量密集型工业生产，以及因为住房和交通运输行业的饱和效应(即汽车、冰箱、电视机等在数量上有一个社会能够忍受的上限)而推动改变。增加能量密集型材料的循环使用和替代、提高材料使用效率，以及加强耐用品和投资品的使用，都可以带来结构的改变。结构的改变和效率的提高的综合结果，或许可以将能源强度的年降幅提高到2.5%。至于有多少潜力能被实现，则取决于政策框架与措施的有效性、观点与行为的改变，以及节约能源与提高材料利用率的创业活动的水平。

能源效率的障碍是什么？

能源效率或能源节约是经济效率的一个构成要素，不过并不总是占主导地位的。生产部门只是将能源简单地视为资本、劳动力、原材料以外的一个相对次要的生产要素。另外，与能源相关的议题常常涉及与企业终极活动不太相关的专门知识。这种情况会使一家公司、经济部门甚至国家更加难以从销售一次能源产品中获得收益。在采取节能措施后，至少原则上在利润会降低的一些行业中，就会出现反对节约能源的情况。例如，专为富人供应豪华汽车的制造商、靠出售电力赢利(除去有价格补贴的部分，如对低收入人群的价格补贴)的电力企业、大型石油公司，以及像石油输出国组织(OPEC)这样的国际机构，都会遇到这种情况。

除了公共事业方面的收益损失外，节约能源的主要阻碍还有以下方面：某些行业的能源价格低廉，但其并未全面反映该行业的一般成本；当公司努力采取措施把节能作为固定成本时，却得不到能源的优先供应；当长期效益不明显时，消费者对换用更有效的节能系统不理解；耗能产品的制造商和销售商提供的信息有所缺失；市场提供的节能设备有限；第三方投资短缺；在伴随着高利率的通胀环境中，出现追求短期利益的财经观点；缺少关于强制节能措施的法律和管理手段。

电力生产的能源效率潜力是什么？

使用化石燃料的常规电力生产系统(汽轮机和锅炉)，其最大效率鲜有大于35%的，这意味着化石燃料所提供能量的65%作为低温热量耗散掉了。不过，现代汽轮机常能回收损失掉的热量，利用余热来生产更多的电能，将效率提高到了约50%，这样的系统叫作联合循环系统。

由于这些系统的引入，1990年到2007年，天然气热力发电的效率从34%提高到了42%。燃煤发电没有从中获益，其效率基本保持不变，主要原因是大多数发展中国家还没有用上现代化设备。至于石油，实际上同样保持不变，其原因是相似的。

如中国和印度的燃煤发电厂的效率较低，仅为20%左右。相比之下，日本的热电厂的平均效率，在1965年已达36%。2004年，日本热电厂的平均效率已经达到40%，有些机组的效率甚至已达52%。丹麦的热电厂1960年的平均效率为36%，2000年为52%。

建筑物的能源效率潜力是什么？

建筑物对能源有两方面的需求。

运行能源(通常称作直接能源)是建筑物内设备包括供暖、制冷、照明、通信与娱乐、卫生设备以及其他在运行时所需要的能源。运行能源的成本最终体现在能源服务的月度账单上。

隐含能源(通常称作间接能源)是在建筑材料的生产和运输、家具与家电制造，以及提供水和卫生等基础设施服务的过程中所需的能源。隐含能源的数量很大程度上取决于建筑的设计和建造技术。

可以设法通过增加建设投资以减少隐含能源的消耗，或者加大对更为节能的家电设备的投资以减少建筑物运行中的其他能源消费，从而使建筑物更加节能。在50多年的生存周期中，经济合作与发展组织国家建筑行业的直接能源占到经济合作与发展组织国家所使用能源的84%，这意味着每年沉没能源的15%消耗在建筑物的运行上。这个数值在一些工业化国家中甚至更高，而在发展中国家则较低。

在欧盟，空间取暖成了能源消费量最大的项目。在中国的寒冷地区，建筑物的能源消费量占总能源消费量的比重为2/3。虽然商业建筑物照明有时候是较大的电力消费项目，但在炎热的气候条件下，空调用电才是最大的电力消费项目。

在建筑物中，优化单个组分效率的那些途径，可以使供暖和制冷利用能源的效率提高20%～30%，而采用集成设计原理的整体方法的新途径已经被证明，与标准实践相比，可以节约60%～90%的能源。

在许多欧洲国家中，已经出现了可以将供暖和制冷的能耗降低90%或以上的被动式节能屋。这种被动节能就是在冬天或夏天，只用非常少的外部能量分别给房子供暖或制冷。其中增加的建筑物隔热投资，可以被减少的供暖和制冷系统投资部分所抵消，由于运行的能源成本几乎可以被消除掉，所以这种新的选择是非常具有吸引力的。

发展中国家的建筑物通常并不要求外界供暖或供应热水，这样就大大地节省了能源和成本。另外，如果几乎只使用当地的材料，生产成本也能降低——就像印度使用低成本的砖块建造房屋。

如何能提高建筑物的能源效率？

当今使用的所有能源，接近40%花费在建筑物的建造和使用上。可用于建筑物的节能技术和实践有如下几种。

围护结构  节能窗，隔热层(外墙、屋顶、地板)，减少空气渗透

室内空调  空调节能措施(例如，热隔离、改良型热交换器、先进制冷技术、节能电动机)

离心式压缩机，节能型风扇和水泵，用于大型商业建筑物的变风量系统

家用电器  先进压缩机，中空隔热板(冰箱用)，高转速洗衣机和烘干机

厨房用具  改进型节能生物质炉具，节能煤气炉具(点火装置、燃烧器)

照明装置  紧凑型荧光灯，改进型荧光材料，固态电子整流技术，先进的照明控制系统(包括采光传感器和占位传感器)，以及作业照明

电动机  变速驱动，尺寸优化，电能质量的改进

其他  建筑物能源管理系统，被动式太阳能利用(建筑物设计)，太阳能热水器

法律标准(如建筑法规)，见多识广的消费者、规划者和决策者，机动灵活的运营商，以市场为基础的激励机制(如市场认证)，适当的能源支付系统，是成功实现节能改进的核心。

北美的冰箱的耗能变化为实现增加节能的可能性提供了一个很好的例子。尽管冰箱的大小已超过50年前的3倍，但它们用电更少且成本更低。1947年至2002年，冰箱的尺寸从不到400立方英尺(约11立方米)增加到1800立方英尺(约51立方米)，而平均价格从1975年到2000年则下降了2/3。每台冰箱消耗的能源，在1945年至1975年，从400千瓦·时/年增加到1800千瓦·时/年，而后到2000年左右下降到462千瓦·时/年。

耗能的下降就是通过使用更好的隔热材料来把热量损失最小化而实现的。

什么是建筑物改造？

在工业化国家，为绝大多数人提供住房的问题已经解决，主要的住房问题是对已有的建筑物进行改造以达到节约能源的目的。在这个过程中，可以节省可观的能源。除了对新建房屋施行更严格的建筑法规和对已有房屋施行更严格的维修规定之外，还有能源证书的制度和对更为有效的节能技术给予资金奖励(诸如减税和投资)。通过这些措施，过去20年间瑞士在商业建筑物上节约了50%的能源。

发展中国家面临着房屋严重不足的问题，所以在改进建筑物的建造方法时有着许多的机遇。经验证明，建造能效更高的建筑物的成本并不比传统建筑物的建造成本高多少。可以通过建筑法规和标准来加速推进节能建筑物的建造。

有人用图解模型对一个“人造”城市所做的模拟表明，如果规定要建造能效更高的建筑物和采用更紧凑的城市形式(至少具有中等密度和混合布局)，那么节能潜力至少可以翻倍。在这种模拟中，也包含了通过分布式发电以及电、热和空气调节结合而成的热电联供来优化能源系统(把城市能源利用效率再提高10%～15%)。热电联供将在第11章中讨论。

城市化对能源使用的影响是什么？

城市化，在巴西、中国、印度以及其他一些国家中急剧加速，大片新建筑在商业区内雨后春笋般地矗立了起来。在印度，商业建筑每年规划增长7%。目前，它的总建筑面积仅为2亿平方米，而到2030年，预计其城市新增商业建筑面积达869亿平方米。

全世界大约70%的能源是被城市所消耗的，即使大约只有一半的人口生活在城市里面。在大多数发展中国家，特别是在中国，城市居民由于收入高，其能源消费量约为全国平均消费量的2倍。在美国和欧盟国家，居民收入较为平均，城市中的能源消费量略低于全国平均水平，因为城郊和乡村地区更为富有，房屋更大，小汽车和卡车的使用都比城市频繁。

在城市地区，相对单个消费者或技术产品的特征来说，系统的特征一般是决定能源利用效率更为重要的因素。例如，对城市交通运输的能源利用来说，实载率高的公共交通方式和非机动的交通方式在城市公共交通运输系统中所占的份额，是更为重要的决定因素。

建筑法规以及建筑标准与规范的日益严格，是推动建筑施工甚至城市向更为可持续发展的方向前进的一个根本性因素。不过，法规和标准也会导致被淘汰的技术和观念存在“锁定”的风险，因此，让建筑法规处在动态的、不断采用最先进技术的水平上，则是很有必要的。

工业的能源效率潜力是什么？

就全世界而言，工业的能源消费量占总能源消费量的35%，有将效率提高25%的潜力，其中30%可能存在于发动机的效率上。

在许多工业领域中，有几种像装配部件那样的通用“水平技术”。例如发动机、传动装置、压缩机、锅炉、物质分离膜、钢材切割和穿孔的激光处理器，以及用于制冷和空调的太阳能供暖等。

还有一些用于钢铁、化工产品、有色金属(诸如铝和锌)、纸和纸浆、食品和饮料等的生产的“专门技术”。这些技术是非常特殊的，而且不能跨行业使用，例如啤酒生产中的食品包装和水净化就不能用于其他行业。

发展中国家(如中国)的工业，通常不像经济合作与发展组织国家中类似的工业那样运行。但是，即使是最有经验的实践，也仍然比使用最好的方法的效果要差。例如，中国制氨业的能源强度的数值是39～65，而在经济合作与发展组织国家中，这个数值只有33～44，而在已有的最佳实例中，能源强度的数值只有19.1。本书提到的能源强度是指每单位产品所消耗的能源，测量的是生产每千克产品所需的能源，通常是以千克油当量为单位来量度的。

在不同的工业部门中，采用已有的最佳的技术可以比当前平均水平节约10%～30%的能源。采取这些措施的回报周期一般为不满9个月到4年。对原材料和能量流的系统分析表明，在过程集成、热泵和热电联供等方面明显有潜力存在，例如在奶制品、巧克力、氨和氯乙烯中有30%的节省空间，这是可以看得见的节能效果。

国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)的能量管理标准在提高工业终端使用效率方面是卓有成效的。强制措施和市场策略能够促进需求侧的有效调整。国际标准化组织是总部位于日内瓦的一个国际组织，正式成立于1947年。它是全世界最大的国际标准开发者和公布者，审批所有技术领域中的国际规范。

交通运输业的能源效率潜力是什么？

2008年，整个交通运输业的能源消费量占全世界能源消费量的27%(从1971年的23%开始增长)。对于经济合作与发展组织国家，2008年它是33%(从1971年的24%开始增长)。对于非经济合作与发展组织国家，2008年它是18%(从1971年的13%开始增长)。

可以通过减少电动机所需的功率提高机械效率(目前是40%)。通过减小空气阻力、滚动阻力、重量、变速传动装置中的摩擦力，以及车辆配件的负荷等都可以做到这一点。把实际的平均机械效率提高到65%左右是一个可以实现的目标。相反，由于受热力学定律的限制，热效率(thermal efficiency)只能小于40%。

典型的例子是美国汽车的机械效率，在城市里行驶时平均约为35%，在高速公路上行驶时约为50%，总的机械效率平均为40%。大功率汽车的效率较低，小功率汽车的效率较高。

提高给定负荷下的机械效率，需要降低驱动发动机所必需的功率，特别要关注用于泵送、克服摩擦力和驱动发动机附件的能量。达到这一目的的策略有许多种，它取决于发动机的大小、摩擦力本身的来源和发动机的速度。当今使用的奥托点燃式发动机(汽油发动机)是一种低成本、具有高功率质量比的装置，因此目前很难用其他装置来替代它。

现代交通运输系统中，不利于改进的有如下一些情况：虽然为保证更高的能源效率而设计更好的汽车发动机和车辆，但会被消费者考虑的另一些因素所抑制。这些因素包括视觉吸引力、安全性、容量、性能和舒适(甚至奢华)程度。安全性也是在能效设计中必须考虑的关键因素之一，如“小型的、能效更高的汽车增加了高速公路事故的死亡率？”就是人们常常讨论的话题。

正因为如此，近年来新汽车的最大功率一直在增加：新汽车的平均功率质量比已经从70马力/1000千克(约52千瓦/1000千克)增加到90马力/1000千克(约66千瓦/1000千克)，虽然最大功率仅在不常遇到的行驶条件下用到，如在高速情况下的加速和在崎岖山路上的行驶。有些政府已经在设法通过增加对汽油供应商的税收来抑制这种趋势，但是，制造商通过有组织地采取提高燃料经济性的策略，而不是支付即使并不高的“油老虎”税费来反对这种税收。

发展中国家在提高它们的交通运输系统的能效时，出现了一些特殊的问题。世界领先的汽车制造商，如通用汽车集团、日产汽车集团、大众汽车集团、梅赛德斯奔驰汽车集团、斯堪尼亚集团，以及菲亚特汽车公司，已经在许多国家建立了子公司，在那里组装汽车和卡车，或者完全在当地生产。这些在国外生产的汽车基本与制造商在自己国家里生产的一样。尽管如此，这些汽车和卡车的燃油效率仍要比工业化国家中的同类产品低20%～50%，主要的原因是维修保养经验欠缺、燃油质次以及路况不佳。

在海运方面，将最先进的知识应用到船体和螺旋桨的设计与维护中，可以使旧船的能源消费量减少4%～20%，新船的能源消费量减少5%～30%。降低船舶运行的速度对于降低能源消费量明显是有利的。例如，船舶的速度从26节下降到23节，就能节约30%的燃料。

什么是“反弹”效应？

短时期内，在消费者层面，为节能所做的努力很明显是有益的；类似地，生产能量密集型产品的工业通过减小能耗也能够显著增加利润。

然而，能源消费量的缩减，会引发一些其他的行为，这是由更多地使用同类产品或者转向使用其他能源而产生的，也就是说，可能会产生一种“反弹”效应。例如，作为一种直接反弹效应，一位车主可能会去驾驶一辆能效更高的汽车，而不是一辆能效低的汽车。间接反弹效应可能是车主用从能效高的车上省下的钱，再去买一辆车。类似的效应也会在建筑物的能源消费中出现。还有凭借新技术创造新的生产可能性和促进经济增长的经济系统效应。

与这个课题相关的研究很多，反弹效应的大小在0%到50%之间变化，这与具体的情况有关。各种用途的“反弹”效应的典型值：空间供暖是10%～30%，空间制冷是0%～50%，照明是5%～20%，水加热是10%～40%，住宅照明则是5%～12%。

汽车效率提高10%，就能使行驶距离平均增加2%。根据一些研究，对于家用电器(或“白色家电”)，在购买具有更多功能的大型家电时，间接效应将导致90%的反弹效应。这些百分比并不反映经济系统效应。

在一个人口不断增长、收入不断增加的社会，从能源效率着手实现节能，其反弹效应可能导致这一途径不足以制约总能源消费量的增长。在此情况下，能源效率的提高仍然会被能源消费量和碳排放量的增长所抵消。

11  新技术

什么是热电联供？

热电联产或热电联供(combined heat and power，CHP)装置使得在能源系统中同时生产电能和热能成为可能。它们通常回收和使用来自燃煤热电厂的废热。

这些系统在东欧被广泛用于分送热水(温度在80 ℃至150 ℃的水)至普通住宅和公寓，甚至将中心电站产生的热量供应给整个地区。因此，这些系统被称作“区域供暖”(district heating)系统。中等温度的热能也可以用于吸收式制冷机的制冷。一座生产电、热、气的工厂被称作三联供电厂或多联供电厂。

在欧盟，有11%的发电厂采用热电联供，但是在成员国之间存在2%到60%的巨大差别。

在巴西，热电联供被广泛地应用于利用甘蔗渣的工业设施中。甘蔗渣是甘蔗已被提取了甘蔗汁并已转变成糖或乙醇后产生的。甘蔗渣是固体燃料，燃烧它们可以产生在制造糖或乙醇的工业过程中所需的全部热量和电力。在现代高能效设备中，剩余下来的甘蔗渣被用于发电，所生产的电力被出售给电网。

新技术对化石燃料的作用是什么？

近年来，一场技术革命正在发电厂中进行，一些先进的系统正在取代汽轮机。天然气燃气联合循环发电厂具有成本低、效率高、环境污染小等特点，任何有天然气供应的地方都可以利用这种技术。在一些国家，这种技术甚至正在取代新的大型水力发电项目。基于燃气轮机与联合循环的热电联供(热量和电力的联合传输)成本效益更高，并且能在能源经济中起到比汽轮机热电联供大得多的作用，这是因为联合循环可以利用废热而汽轮机则不能。往复式发动机和新兴的微型涡轮机与燃料电池技术也强化了包括商业建筑和公寓大楼在内的小范围热电联供技术。通过氧气的不充分氧化，煤气化得到的合成气体(主要是二氧化碳和氢气)通常被称作“合成气”。合成气使得煤气化联合循环发电厂可以高效地，并以与天然气联合循环同样低的空气污染物排放量来发电。这些工厂被贴上了整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle，IGCC)的标签。现今，由整体煤气化联合循环热电联供发电厂发的电，可以与利用煤或蒸汽的热电联供发电厂或单供电发电厂所发的电一较高下。

由合成气衍生出的、非常干净的合成燃料，如合成的中间馏分油和二甲醚等，可以立即在补充常规液体燃料(用于交通运输、烹饪、峰值发电等)方面发挥重要作用。它们能够缓解供油安全方面的担忧，促进更严格的空气污染规范的实施。以较低的价格为全球市场生产这样的燃料是可行的，其价格可以与边远地区大量供应的天然气的价格竞争，而这些天然气的价格之所以低廉，是因为如果不能把它们销售出去，它们就将变成闲置资产。在缺乏天然气而富产煤的地区，通过煤气化和“多联供”——清洁燃料、化学产品和电力资源多种组合的协同生产——生产这种燃料是一种有前途的策略。

这样的系统可以包括额外的合成气生产，通过管道把这些合成气输送到工厂和大楼里面的小规模热电联供系统中去，从而使得在大规模和小规模的情况下，都能干净而且有效地利用煤炭。在一些以低质量石油气为基础的国家中，“多联供”活动已经在快速发展。

什么是碳捕集与封存？

碳捕集与封存(carbon capture and storage，CCS)是一项收集发电站排放的二氧化碳气体并在高压下将它们埋入地下的技术。该技术可以把二氧化碳埋入被采空了天然气、石油或煤炭的地层中或自然出现的洞穴中，以及盐碱含水层或深海之中。如果这些地方没有渗漏发生，它们可以被认为是永久的储存库。

这种技术过去被用于提高石油采收率(enhanced oil recovery，EOR)，就是把二氧化碳泵入石油储层中，从而把不会自行喷出地表的油苗开采出来。人们已经拥有近40年的提高石油采收率的经验，目前约有4000万吨的二氧化碳用于此目的。

由化石燃料能源排放出的二氧化碳中大约1/3来自热电厂。从发电厂烟囱排出的燃烧后的气体中捕集二氧化碳的想法不是源于对温室效应的担忧，而是将捕集的二氧化碳作为商用碳酸(例如，用于饮料和干冰制造业)的一个可能来源。好几家这种回收二氧化碳的工厂已在美国建成并运行过，但是它们之中的大多数是亏本的，在20世纪80年代原油价格下降时，这几家工厂就关闭了。

一旦二氧化碳被捕集，接下来的问题就是如何移除它。它的商用价值是极其有限的，因此捕集大量的二氧化碳并不能刺激经济增长。除此之外，还有二氧化碳泄漏的风险。空气中二氧化碳浓度过高会导致人窒息，甚至死亡，如1986年喀麦隆共和国发生的那样，尼奥斯湖湖底的火山地带喷发时伴随高浓度的二氧化碳，造成1700多人死亡以及大量牲畜与野生动物丧生。捕集二氧化碳的过程通常需要大量能源，这将降低发电厂的转换效率并减少发电厂可以提供的电力——这样一来，就增加了发电厂每单位发电量产生的二氧化碳量。

虽然碳捕集与封存技术通常与燃烧煤和天然气的热电厂有关，但这并不妨碍把它应用于生物质(如甘蔗渣)发电厂。在此情况下，是不可能将液态二氧化碳排放掉的，因为大气中的碳在发电厂里被化合，转化为能量，并被注入地下。

发现适合存储二氧化碳的储存库并不是一个简单的问题，在实践中可能会遇到很大的困难。把二氧化碳从源头传送到终端储存库的可能途径是通过天然气管道(这会引发与土地所有者和生态敏感地区相关的问题)输送，或者通过公路或铁路(这会加重交通运输的负担，需要更多的能源)运输。

从燃煤的热电厂捕集和封存二氧化碳的成本相当高昂。虽然少数率先执行的工厂项目目前已经在运行之中，不过据估计，执行工业规模的碳捕集与封存项目的电力成本要上升50%～100%。考虑整个生命周期的排放，碳捕集与封存技术能够将固定污染源的化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量减少65%～85%。捕集和封存二氧化碳的成本，估计每吨在30美元到200美元的范围内，这与是否有适合存储的地点及其性质有关。如果需要通过管道来远距离输送二氧化碳，成本还将上涨。

交通运输的前景是什么？

汽车使用量的增加似乎是不可避免的，不过对大都市的交通而言，过度使用汽车是一个问题——而不是一种解决方法。

目前几乎有10亿辆汽车在世界上行驶，但是每1000人的汽车拥有量的变化范围是很大的。在美国，每1000人至少有800辆汽车，而在经济合作与发展组织国家中，每1000人约有500辆汽车。在发展中国家，目前每1000人约有100辆汽车，汽车的使用量如果达到经济合作与发展组织国家或美国那样的水平，那么与环境、基础设施和土地利用相关的问题将无法解决。

从社会组织的角度来看，解决大都市交通问题的最好办法是公共交通。利用公交走廊和进行交通管理是相对便宜和快速的解决方案。此外，在邻里社区内行动应该鼓励居民使用非机动交通工具出行。

从技术的角度来看，交通运输的前景是与现有发动机效率的提高和向电动机的转向相关联的，会有一个混用的过渡时期。生物燃料也为解决化石燃料的替代问题提供了一个可能的——即使是部分的——解决方案。

天然气、液化石油气和氢气是交通运输的替代能源吗？

天然气是燃料的替代品之一，与汽油相比，使用天然气最多可以减少70%的二氧化碳排放量，而且减少了颗粒物和SOx的排放。液化石油气和压缩天然气都比汽油具有更高的氢碳比，因而每单位能源排放的二氧化碳更少。此外，由于液化石油气和压缩天然气具有高辛烷值，因而可以在高压条件下使用。

虽然使用液化石油气或压缩天然气并不需要在发动机设计方面做出明显的改动，但是必须采取一些预防性措施来阻止不充分燃烧带来的NOx与碳氢化合物排放量显著增加。

氢气也是一种重要的能量载体，能用于超低排放量的车辆。由于氢气的能量密度低，所以它的储存是个问题。最为可行的存储氢气的方法是将其进行压缩，虽然还有液态氢与金属水合物等可能的储存形式。氢燃料电池也在研究和开发之中。虽然支持者们声称，如果操作得当，氢气并不比汽油更危险，但是考虑到氢气是一种容易爆炸的气体，因而在它被公众接受之前，相关安全隐患问题必须得到解决。

出于对氢气与已有基础设施(生产、储存和运送)兼容性的考虑，氢气的制备技术需要非常显著的改变。目前，最有可能的氢气来源是天然气。煤的生产者们对氢气也有着很大的兴趣，在将来，也可能用生物质(一种可再生能源)来制备氢气。

电动汽车可行吗？

当前，使用电池的电动汽车对环境的污染是很小的，特别是对城市的环境来说。如果驱动它们的电力来自使用非化石燃料的发电厂，那么，电动汽车的使用可以显著减少温室气体的排放。推广电动汽车的主要障碍是当前的化学电池生产技术有些跟不上，这导致电动汽车成本高、车身重、续航里程短。而且，不管在哪里，可以在几分钟内给燃油汽车加满燃料，而电动汽车的电池充满电通常需要很长时间。因此，如果要大规模使用电动汽车，必须先对公共设施做很大的改变，这不仅要求电力分配系统和汽车性能不断改善，而且要求电力生产行业进一步发展。

混合动力汽车(hybrid electric vehicle，HEV)是联合使用电池和一个小型内燃机来行驶的，电池提供驱动系统的能量，小型内燃机则使用汽油、柴油或生物燃料等发电来给电池充电。再生制动也对电池充电有帮助。现已开发出来的更轻和更持久的锂电池是用于替代传统的铅酸蓄电池的。

使用混合动力汽车，可以节省高达50%的燃料，能减少70%的废气排放。这一技术最大的优点是车辆中燃烧汽油的发动机是以不变的转速工作的，所以能节约燃料、降低污染和噪声的水平。混合电动汽车的效率可达40%(油耗为每升30千米或18.64英里)。

混合动力汽车的排放量更小、燃料经济性更高，和传统车辆相比要高30%～50%。插电式混合动力汽车(plugin hybrid electric vehicle，PHEV)是下一个目标，其具有潜在的零排放运输能力，这种能力取决于续航里程。目前，具有高效率的纯电动汽车或电池动力汽车(battery electric vehicle，BEV)，由于续航里程短、电池寿命短，因而市场渗透受到限制。提高插电式混合动力汽车所用电池的性能，可以使电池动力汽车有更高的市场渗透率。当然，给电池充电前依然要先发电；如果电力来自化石燃料发电厂，那么使用电池动力汽车，也不过是把排放源从汽车转移到发电厂而已。

什么是燃料电池？

燃料电池或燃料蓄电池通过电化学方法产生能量，与常规发动机中的燃烧过程不同。氢气与氧气发生化学反应，形成水并产生电力。燃料电池的类型较多，其中，可供汽车使用的主要候选电池是基于质子交换膜的电池(也称作固态电解质燃料电池)。这种电池生产成本低、大小合适、设计简单，在低温下也可以使用。

汽车中的燃料电池组需要氢气，这些氢气能通过使用乙醇、甲醇或天然气而产生。

燃料电池的效率比内燃机高得多，而且因为燃料是经电化学转化的，所以并不排放污染气体。在美国，燃料电池广泛用于太空计划，由于它们的成本高、体积大，所以直到最近，仍无法把它们用于汽车。但在最近的10年里，一些重要创新的实现改变了这种情况，使得这种电池在不久的将来可能会成为最有前途的技术之一。

电池存储技术的进展如何？

1859年，法国物理学家加斯东·普兰特发明了第一个铅酸蓄电池，它由被一块亚麻布隔离开并悬挂在充满硫酸溶液的玻璃罐中的两片金属板所组成。当今广泛使用的蓄电池，在本质上仍是普兰特蓄电池的变型。

自从普兰特蓄电池在美国出现以来，最大的进步是1977年埃克森公司研发出了锂电池，并使它商品化。锂电池是由被电解液分隔开的两个电极组成的，电解液通常是聚合物凝胶。电池在充电时，锂离子从由锂金属构成的正电极，经过电解液迁移到通常由碳构成的负电极上。放电时，离子在连接电池的外电路中流动。正极通常是由磷酸铁锂组成的。

近年来，锂电池成了移动电子设备的最重要的存储部件。它们的效率为90%～95%，能量密度比所有的商用充电电池都要高，其体积比能量范围为250～350瓦·时/升，重量比能量范围为100～200瓦·时/千克。而铅酸蓄电池的体积比能量范围仅为50～100瓦·时/升，重量比能量范围为5～50瓦·时/千克。

锂电池可以被制成6.2千瓦·时的模块，将这种模块组装在一起，得到几百万瓦·时的电能。现在市场上有一些配电箱，容量为24千瓦·时。这些模块的充电时间，短到只需要30分钟。

镍铬和镍金属氢化物电池的性能处于铅酸电池和锂电池之间。

能源储存的作用是什么？

诸如风能和太阳能之类的可再生能源只能间歇性地提供能量，所以必须有一种可以储存能量并用以发电的方式。在诸多可以储存能量的技术中，抽水蓄能具有最高的额定功率(约1000兆瓦)与最长的放电时间(100小时)。其次是压缩空气蓄能(compressed air energy storage，CAES)，它具有1～100兆瓦的额定功率与1～10小时的放电时间。锂电池和其他许多电池的额定功率在0.01～1兆瓦，放电时间为0.1～10小时。

最为普遍使用的储存技术是压缩空气蓄能。最近，人们在使用绝热压缩空气蓄能方面已经取得了进展。在绝热压缩空气蓄能过程中产生的热量可以被储存起来，并且可以在解压过程中再次被利用，这样可以显著提高系统的效率。对于负载均衡而言，存储在大型地下盐穴中的压缩空气看来是一种经济上和技术上可行的选择。长期存储氢的成本也是较低廉的，因为它的能量密度非常高。

水力系统是最经济的选择，但是因为受地理条件和公众的接受程度影响，抽水蓄能发电厂的潜力也是有限的。

远距离电能传输的作用是什么？

电能传输允许不同形式的可再生能源联供，甚至可以在洲际层面上进行，并且可以把可再生能源较多的地区与电力需求量较高的地区联结起来。当传统的交流电传输技术无法进行500千米以上距离的电能输送时，高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电技术被运用于远距离电能输送上，例如，可以利用这一技术把地球上阳光地带的丰富太阳能资源产生的电能输送到需求的中心，这样就促进了可调节的巨大太阳能发电所产生的电能的供应。

许多公司正在认真地考虑用光伏电池覆盖撒哈拉沙漠的大片区域，通过高压直流输电技术把电能输送到数千千米以外的欧洲。这样远距离地输送电能的构想是非比寻常的。

高压直流输电技术的优点之一，是超高功率的远距离输送的成本并不高，只有0.5～1.5欧分/(千瓦·时)。输送电能的过程中会出现损耗，输送距离超过1000千米时，损耗约为总数的3%。目前，高压直流输电的功率可达3吉瓦，输送距离约为1000千米。一种使用高压直流输电技术的轻型转换器，在20世纪90年代被引入。与交流电的电缆不同的是，对位于地下或水下的高压直流电缆来说，在输送功率和距离上并没有物理极限。这种新型技术在海底电能输送方面正在形成一个新兴的市场，例如把风电场发出的电能输送到无法建造架空线路地区的电网。

什么是智能电网？

智能电网由一个对所有流入的电流保持跟踪的智能监控系统组成。它们能够整合像太阳能和风能这样的间歇性可再生能源，启动洗衣机这样的家用电器或其他用电设备。

20世纪的电网仅仅拥有可以把一些发电站发出的电力输送给大量用户的电缆，是一个单向传输系统。智能电网是双向的，可以将来自许多来源的分散的电力反馈回电网，包括在屋顶上装有太阳能电池板的家庭发出的电。白天，太阳光照射时，家庭把电力输入电网；夜晚(或当云层遮挡太阳光时)，电网将电力输回家庭，并且能将其净消耗的电力计算出来。

另外，具有无线网络通信功能的智能电网也能替代手工抄电表。

生物质的前景如何？

从太阳光到化学能的转换，几乎支持了地球上所有植物和动物的生命。估计每年有200亿吨的碳经过光合作用存储在陆地植物中，另有130亿干吨的碳存储在海洋植物中。生物质是人类最古老的能量来源之一，现今它所提供的能量仍然占到全球一次能源的10%左右。有多到占世界人口1/3的人，仍然依靠木材燃料、农作物秸秆、动物粪便和其他家畜排泄物来满足他们的家庭能量需求。生物质的这种传统利用，估计要占到全球能源供应中的生物质的60%以上，其中大部分出现在正式的市场经济国家以外，主要是在发展中国家。用于发电、供热或者用作交通运输燃料来源等现代用途的生物质，估计占全球生物质能源消费量的比例不到40%。

然而，生物质的现代利用为减少对化石燃料的依赖、抑制温室气体排放和促进经济可持续发展提供了更大的可能性。现有一系列生物质能技术适用于大、小规模的能源应用。它们包括汽化、热电联供、填埋气的利用、城市固体废弃物的回收、生物燃料(乙醇和生物柴油)在交通运输中的使用等。最近人们对生物质能的研究主要集中在交通运输部门所用液态燃料的生产和应用方面。鉴于对全球石油供应和目前可供交通运输部门选用的燃料缺乏多样化的日益增加的担忧，此种燃料的利用体现了目前生物质能具有的较高使用价值。最终，在生物质能的所有应用中最有前景的可能是那些包含集成系统的应用，例如，在交通运输用液态燃料和热电联供中，把生物质作为燃料和原料的来源。

乙醇是汽油的一种良好替代品吗？

乙醇(C_2H_6O)是一种主要用于奥托循环发动机的、作为汽油替代品的燃料。与从煤和其他化石原料得到的有毒甲醇相反，生物乙醇是一种非常清洁的和可再生的燃料。生产乙醇的常规流程是糖的发酵和蒸馏。这种流程通常被称作第一代技术。此外，还可以通过更为繁复的过程［诸如费托法(FisherTropsch process)，即把一氧化碳和水的混合物转化为液态碳氢化合物的一系列化学反应］从化石原料中得到乙醇，或者由纤维素的酸法或酶法水解得到，这被称作第二代技术。用生物乙醇作为燃料的地区性优点，在巴西圣保罗市得到了证实。圣保罗市广泛使用了乙醇，从而减少了铅、硫、一氧化碳和颗粒物的排放，显著改善了空气质量。另外，乙醇的使用以减少二氧化碳排放的形式带来了全球性的益处。目前，乙醇替代了巴西将近50%的汽油，不然的话，这些汽油仍然在巴西被使用。

巴西政府鼓励用甘蔗生产乙醇，以及使用燃料为“纯” 乙醇(含96%的乙醇和4%的水)或者乙醇汽油(含78%的汽油和22%的无水乙醇)的奥托循环发动机。这两类专用发动机最近被灵活燃料汽车(flexible fuel vehicle，FFV)所替代。借助电子传感器，FFV技术等同于将汽油乙醇混合物通过车辆的喷射系统注入并改变燃烧条件的技术。灵活燃料汽车使消费者可以根据加油站的价格，进行完全自由的选择。最近的进展已经使得使用这种灵活燃料技术的价格相对便宜(每辆车的额外成本只有100美元或更低)，而污染物排放量与汽油差不多或更低一些。现今，在巴西所销售的汽车，95%都是灵活燃料汽车。

生物柴油的前景如何？

1912年，鲁道夫·狄塞尔声称：“植物油作为发动机燃料，这一用途现在似乎还不重要，但是在一段时间后，这种油能够成为与现时的石油和煤焦油一样重要的能源。”

生物柴油是通过向植物油和脂肪中添加甲醇(或其他醇类)与催化剂发生酯交换反应(transesterification reaction)而生产出的。甘油是这一反应过程的副产物。生物柴油的特性明显地随所用制造技术与原料的不同而变化。

生物柴油是一种可以作为压燃式发动机中柴油的替代品使用的燃料，是从可再生的、不以石油为基础的原料，如植物油(大豆油、芥菜油、蓖麻油、芥花油、油菜籽油和棕榈油等)、动物脂肪(家禽内脏、牛羊脂肪、鱼油)，以及用过的烹饪油和动物润滑脂(来自餐馆和工厂)中生产出来的。用非食品原料来制造生物柴油，尤其令人感兴趣。在美国和欧盟国家，藻类生物柴油(algaebased biodiesel)可能会有非常高的单位面积产量——棕榈油的15倍以上、油菜籽油的60倍、大豆油的200倍。

生物柴油的生产甚至比生物乙醇的生产更依赖于可利用的原料和土地。虽然生物柴油被认为是一种“可再生”的燃料，但制造它所需的物质之一是从天然气中得到的甲醇，而天然气是一种化石燃料。先进的生产流程是，用费托技术来替换那些来源于化石燃料的甲醇。

生物柴油通常被认为是“无硫”的，除非这种生物燃料是经硫酸催化生产出来的。生物燃料是吸湿的和容易生物降解的，这对环境来说可能是个有利因素，但也带来了生物燃料的质量控制问题，主要在湿、热的地区储存时会碰到这个问题。总的来说，与常规的化石燃料相比，除NOx外，生物燃料燃烧产生的污染较少。

在印度尼西亚和马来西亚，将棕榈油用作生物燃料却受到了严厉的批评，因为这种用途导致原始雨林减少，除了温室气体排放之外，原始雨林的减少造成了生物多样性的减少和土地利用情况的改变。这些批评似乎有些言过其实，因为目前生产的棕榈油只有10%用于生物柴油制造。

生物能源与食物之间有竞争吗？

农产品的实际价格在经过几十年的下降之后，于2007年至2008年出现价格上涨，这通常被看成是造成饥荒的一个原因，而这又引发了政治上“要燃料还是要食物”的争论。

在美国和欧盟国家，人们一直在争论燃料(如乙醇)用地和食物用地之间的竞争是不是引起全球饥荒以及导致亚马孙和其他热带地区滥伐森林的原因之一。合计起来，自2006年1月以来谷物的价格已经翻倍还不止，而且其中60%的涨幅在2008年1月以后是紧随着石油价格的上涨出现的。不过，近年来，农产品的价格随着石油价格的下降也降低了。与此相反，已经有了一种观点，认为谷物的高价格并不一定会伤害最贫困的人群，因为世界上营养不良的8亿人口中，有许多是农民或农场工人，谷物的高价格对这些农民或农场工人是有利的。

要进一步探讨这个问题，我们要重点记住的是：全世界目前有9300万公顷的土地上种植着大豆，1.48亿公顷的土地上种植着玉米。在巴西，生物乙醇主要是用甘蔗来生产的，甘蔗的种植面积在500万公顷以上；世界上最大的生物乙醇制造国是美国，用玉米来制造生物乙醇，用地1100万公顷以上。在欧洲，乙醇主要用甜菜和小麦生产。中国是用玉米和小麦生产乙醇的。

全世界范围内，已有15亿公顷适宜耕种的土地用于农业，另外有4.4亿公顷的潜在土地可以利用，其中2.5亿公顷在拉丁美洲、1.8亿公顷在非洲。而目前用于种植生物燃料的土地面积还不到已利用土地的1%，即使这个数字增加一个数量级，也不会令人感到不安。这个问题已经在许多机构的报告中被透彻地分析过，特别是世界银行，它指出有几个单一因素驱动谷物价格上涨，其中不包括生物燃料的制造。这些因素有能源和肥料的价格过高、美元的持续贬值、澳大利亚的干旱、全球对谷物需求的增加(特别是在中国)、一些国家进出口政策的改变、期货交易中的投机行为，以及美国和欧洲生产生物燃料所带来的地区性问题等。生物燃料的生产似乎并不是2008年谷物价格猛然上涨的重要推动因素。

也有人争辩，亚马孙流域的森林被滥伐是由巴西东南部生产生物燃料直接或间接引起的。显然，这一观点并不完全正确，历史上亚马孙流域的森林滥伐速度是每年50万～100万公顷，而在巴西东南部的甘蔗种植园扩大之际，这个速度已经在下降。实际上，亚马孙流域的森林被滥伐是由复杂的因素引起的，主要是牛的饲养量增加和大豆的种植面积增加，而这两者均与甘蔗种植面积扩大无关。

12  政策

可再生能源的政策目标是什么？

早在2010年，至少在全世界85个国家，包括欧盟所有的27个成员国，都在国家层面上引入了可再生能源的政策目标。另外，许多国家把可再生能源发电所占的份额从2%提高到30%作为目标。在以下这些方面也有另外的一些政策目标：总的一次或终端能源供应所占的份额，各种技术的特定装机容量，或可再生能源生产的包括热量在内的总量。不少国家也针对生物燃料制定了目标。

欧盟的目标是，到2020年，其总的最终能源消费量的20%，以及各个成员国交通运输能源消费量的10%，均来自可再生能源。

什么是生物燃料强制令？

2010年，有31个国家采用了针对乙醇(混合在汽油中的)与生物柴油(混合在柴油中的)的生物燃料强制令。要求使用乙醇的比例在10%至25%之间，使用生物柴油的比例在2%至10%之间，一般要在2022年前或更早达到这种要求。

巴西目前已经有了一个针对乙醇的E25强制令，规定在巴西全国使用含25%乙醇、75%普通汽油的混合燃料。另外，巴西针对生物柴油也有一个B5强制令，规定使用含5%生物柴油、95%普通柴油的混合燃料，并在2013年开始执行。

2010年，有其他的30个国家或采用乙醇强制令，或采用生物柴油强制令，或者两者皆采用。这些国家是阿根廷、澳大利亚、比利时、玻利维亚、加拿大、中国、哥伦比亚、哥斯达黎加、捷克共和国、多米尼加共和国、埃塞俄比亚、芬兰、德国、印度、意大利、马来西亚、荷兰、挪威、巴基斯坦、巴拿马、巴拉圭、秘鲁、菲律宾、葡萄牙、韩国、西班牙、泰国、乌拉圭、英国和美国。

如果要在2022年满足乙醇强制令的要求，那么，所需要的乙醇数量将是每年2000亿升。目前，基于第一代技术的产量大概是每年700亿升(主要在美国和巴西)，这几乎可以替代全世界每年汽油消费量1.2万亿升的5.83%。

什么是可再生能源配额制？

可再生能源配额制是一项政府政策，它规定了由可再生能源提供的能源生产销售或装机容量的最小百分比，强制要求公用事业公司或私人企业执行这些规定。

可再生能源配额制政策，也叫作可再生能源义务法或配额政策，在美国、加拿大和印度，按州/省执行；在澳大利亚、韩国、智利、中国、意大利、日本、菲律宾、波兰、罗马尼亚、瑞典和英国则全国统一执行。2010年，全球有63个州、省或国家都在执行可再生能源配额制政策。大部分可再生能源配额制政策要求可再生能源发电的份额，到2010年或2012年要占5%～20%，不过后来将此目标的实现日期依次推迟到2015年、2020年和2025年。虽然达到配额的具体方法，在各个国家或州之间变化很大，但是大部分可再生能源配额制的目标被转移到了巨大的开采预期投资中。

什么是综合平均节油标准？

燃料的经济性标准对提高发动机效率和降低燃料消耗是非常有效的。如果把它与税收刺激和消费者信息相结合，标准的综合有效性可以得到显著提高。这种标准的最佳例子是美国在1975年第一次提出的综合平均节油(corporate average fuel economy，CAFE)标准。这种标准，给每一家汽车制造厂生产的载人小汽车和轻型卡车(总质量为3866千克及以下的车辆)设置了平均节油率。最初，美国采用的标准是25英里/加仑，接着，欧盟采用了40英里/加仑的标准。如果一家汽车制造商生产出的车辆的平均节油率下降到规定标准以下，则这家汽车制造商必须支付罚金，比标准每低0.1英里/加仑每辆车罚5.50美元，还要乘以这家汽车制造商供应美国国内市场的汽车总数量。1983年以来，汽车制造商已经支付了超过5.9亿美元的民事罚金给美国财政部。大部分欧洲的汽车制造商每年通常要支付从不足100万美元到超过2000万美元不等的综合平均节油标准民事罚金。亚洲的汽车制造商和大部分美国国内大型制造商则从未支付过民事罚金。

2009年，美国政府建议对2012年到2016年的车型实施新的国家节油计划。该计划最终要求平均节油标准为35.5英里/加仑，即小汽车39英里/加仑，卡车30英里/加仑。

2011年，美国政府和主要汽车制造商达成协议，到2025年把小汽车和轻型卡车的节油标准提高到54.4英里/加仑。

什么是“上网电价”？

“上网电价”是在州或国家层面采用的一项政策，但不是国际性的，它们确保电网接入可再生能源生产厂，并设置一个固定的保证性价格，使得电能生产者能够以此价格把可再生能源发的电出售给国家电网。

一些政策规定了固定的上网电价，而另一些则是给予市场或与成本有关的税收一些固定的优惠。到2010年，已有87个国家采取了“馈售”政策。美国早在1970年就采用了，德国也在1990年采用了。在随后的10年里，其他一些欧洲国家也陆续采用了此政策。在世纪之交，许多发展中国家与其他一些国家(包括澳大利亚和加拿大)中的州/省也采用了同样的政策。

为可再生电力提供强有力的、可以预见的、稳定的“上网电价”，在一些发达国家(如德国)中已被证明是成功的，并加速了对可再生能源的投资。如果订约过程为中标人提供了足够的保障，使他们能够以合理的利率筹措资金的话，对可再生能源设定一个配额也能起到同等的效果。

什么是气候公约？

1992年，在巴西里约热内卢举行的地球高峰会议通过了《联合国气候变化框架公约》，其最终目标是要把大气中温室气体的浓度稳定在一个安全恰当的水平上，并且能与生态系统的恢复能力和自然调节很快相适应。

该公约的基本原则之一是“共同但有区别的责任”，因此发达国家缔约方(《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家)自身有责任制定国家政策，限制温室气体的人为排放。另外，它们应对那些容易受到气候变化不利影响，在适应这些不利影响时付出代价的发展中国家缔约方(《联合国气候变化框架公约》附件Ⅱ国家)给予帮助。

《联合国气候变化框架公约》已从1994年3月21日开始执行。至今已有190多个国家作为它的缔约方批准了这一公约。

什么是《京都议定书》？

1997年，在日本京都召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方会议制定了《京都议定书》。根据此议定书，《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家(工业化国家)有责任自行制定出分类量化的、在2008—2012年应达到的减排目标。国与国之间的目标各有不同，但是它们一致同意将温室气体的排放量在1990年的基础上减少5%。发展中国家(非《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家)被免于制定强制性的目标和时间表。由于这一原因，美国虽签署了《京都议定书》，但并没有批准该议定书。尽管如此，《京都议定书》也在2005年开始生效。

为了降低减少排放量的成本，《京都议定书》确立了三个机制：

(1) 联合履行(joint implementation，JI)机制；

(2) 排放贸易(emission trade，ET)机制；

(3) 清洁发展机制(clean development mechanism，CDM)。

联合履行机制和排放贸易机制是仅涉及工业化国家的机制，而清洁发展机制则包括发展中国家。

按照《京都议定书》制定的条例，对于清洁发展机制，《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家可以将已经为发展中国家所实现的减排，作为自己总的减排承诺的一部分，只要这种减排是在为发展中国家设置的条款中规定的，并且持有合格的减排证明文件。

根据清洁发展机制颁发合格证书的减排，必须被加到任何一个没有合格证书的项目活动中去。例如，把消除发展中国家石油勘探中天然气(甲烷)的燃烧的成果转移到二氧化碳中去将是完全合格的，因为甲烷对气候变暖所产生的作用要比二氧化碳大得多。

2009年的哥本哈根世界气候大会则见证了在环境治理上的倒退。大会没有对《京都议定书》在2012年后的后续方案做任何决定，而是用自愿承诺来替代《京都议定书》的强制性承诺，这实际上是将《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家与非《联合国气候变化框架公约》附件Ⅰ国家等同起来的做法。不过，工业化国家宣布建立一个新的基金，由缔约方会议掌管，以适应气候变化和帮助发展中国家制定减少排放量的措施。该项基金到2020年，金额应达到每年1000亿美元。

2010年缔约方的坎昆会议为在2012年后延长《京都议定书》做出了新的努力，但没有获得成功。不过，对于哥本哈根会议上建议建立的基金还是采取了具体的操作步骤。通过该次会议，人们认识到避免滥伐森林是防止气候变化的一个有效手段，确认要减少森林砍伐，因为它对减少全球二氧化碳排放量的贡献接近18%。会议决定，如果国土上有热带雨林的发展中国家能够减少森林砍伐(及其造成的二氧化碳排放)，就可以因避免排放而获得国际补偿。这种机制类似于清洁发展机制，并被称为“减少森林砍伐和森林退化带来的温室气体排放计划”(Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation，REDD)。挪威已经为巴西的减少森林砍伐和森林退化带来的温室气体排放计划提供了1亿美元。

2011年在南非的德班会议上，《京都议定书》第二承诺期的存续问题得到了解决，针对新的议定书的谈判也已展开。会议同意这一谈判在2015年给出结论，在2020年对所有国家设立强制性的减排标准。

什么是“总量管制与交易”？

总量管制与交易是一种政策手段，用于促进各国减少污染物的排放量。它起源于美国，用于减少二氧化硫排放。排放二氧化硫是酸雨产生的主要原因。这项政策以下列方式推行：总的强制性限制由国家根据能够承受的排放量设置，各工业部门不得超过被分配到的排放配额。至于如何达到这些配额是很灵活的，工业部门可以改变其生产过程，或者向其他工业部门购买排放证书，因为有些工业部门比其他一些工业部门能更容易地达到它们的地区性减排标准。这是一个非常成功的计划，促进了创新，提高了效率。

按照《京都议定书》，欧盟作为一个整体做出承诺，相对于1990年的数量，到2012年要减少8%的温室气体排放量。实现这一承诺的责任，是以经协商同意的各国配额为基础，由各成员国分别承担，这些配额可以转移到主要排放国。相应地，欧盟成立了欧盟排放交易体系(European Union Emissions Trading System，EU ETS)来进行排放交易。每吨二氧化碳当量的排放价格由市场决定，在2006年达到了30欧元，但在2007年，由于排放许可证供过于求，价格下降到低于5欧元。

“总量管制与交易”方案有一个优点，可以精准地确定有多少吨二氧化碳当量排放量需要减少，且由市场决定每一吨的价格。

什么是碳排放税？

碳排放税是用于减少二氧化碳排放的另一个政策手段，它根据化石燃料(煤、石油和天然气)的含碳量征收。对可再生能源和核能那样的非碳能源不征收碳排放税，这样可以增加它们的竞争优势。碳排放税优于“总量管制与交易”的优点之一是它为每吨二氧化碳当量的排放量设置了一个固定的成本，但是对于这种税带来的减排结果，尚不能过于自信。

由碳排放税产生的收益，也可以由拍卖总量管制与交易的排放许可得到。总量管制与交易难以应用到全球，不过这个过程可以从各国管理的总量管制与交易的子系统(如欧洲已做的)开始，最后把这些系统连接起来。甚至在一些征收碳排放税和其他税的司法管辖区内，也可以有平行的总量管制与交易系统存在。

温室气体定价政策可能会成为能源系统向低碳排放技术、燃料和行为转移的关键因素。而对于哪种定价方法——碳排放税和总量管制与交易——更好，存在着不同的意见，因为这两种方法可以被设计得非常相似。通过对排放许可的成本价格设置上下限，总量管制与交易的参与方能够粗略估算碳排放税价格。为了避免人为引起的气候变化造成严重的影响，发达国家必须对温室气体的排放设置直接价格或固定价格(根据规章决定)，到2020年左右，每吨二氧化碳当量的排放价格至少是100美元，到2050年或许要在300美元以上。发展中国家必须得到保护，不受到发达国家转移这种价格所带来的经济和权益方面的影响。这种转移可能集中在基础设施的开发上，这些基础设施是过渡到低排放能源体系所必需的，包括电网、低排放发电厂、城市公共交通设施等。

什么是技术“跳跃”？

发展中国家能源消费量的迅速增长已经形成了创新的重要舞台，特别在能源密集型的基础材料工业(钢铁、化工材料、水泥等)方面，工业化国家的这些需求已经达到饱和状态。由于这些原因，尽早把现代技术合并到“跳跃”传统发展模式的发展过程中去是很重要的。

这个过程已经发生，在发展中国家采用和推广创新和最先进技术的惊人速度充分显示了这一点。一个突出的例子是发展移动电话的速度，甚至在没有传统电话体系的国家，特别在边远地区，也是快得惊人。在印度的乡村可以看到另外的例子，日光灯照明已经替代了陈旧、低效的白炽灯。其他技术，如在大型沼气生产设施中利用农村废物制造沼气，也能达到其他几个目的，如照明、抽水、生产肥料以及为污水处理提供电力。即使在亚马孙河流域的边远地区，黑白电视机也已经成为老古董了。这与移动电话的使用情况差不多，在许多地方，移动电话在数量上已经超过了固定电话。

尽管技术的“跳跃”具有吸引力，但它不能被看作一种普适的对策，因为有些时候所需的产品或技术在发达国家中是无法获取的，或者并不适合发展中国家的需求，有时也需要去打破发展中国家的劳动力相对价格与资本之间的平衡。因为在工业化国家中，劳动力是昂贵的而资本是相对便宜的，而许多在发展中国家中产生的新技术是劳动节约型和资本密集型的。另一方面，由于劳动力低廉和资本稀缺，所采用的技术就可能不同。因此，有时候，发展中国家更需要一些适合本国的自然资源条件，而不是工业化国家馈赠的创新技术。例如，在大多数热带国家中，包括印度、巴西和印度尼西亚，不仅生物质的生产是劳动密集型的，生物质也是比化石燃料更容易获得的资源。因此，在许多发展中国家，生物质是主要的能源，但是在工业化国家就不是必需的能源了。

什么是可持续发展？

目前，世界的能源系统严重依靠会枯竭的化石燃料，这是不可持续的。换句话说，它不能无限期地持续下去。

可持续发展的概念是在1987年的《布伦特兰报告》中被提出的，该报告是应联合国的要求而准备的，报告中有如下内容：

可持续发展是符合目前需求的、不损害后代而满足自己需求的发展。它包含两个关键的概念：

“需求”的概念，需求特别是世界上穷人的基本需求，对之应给予高于一切的优先权；

技术和社会组织能够限制环境能力，使之符合现在和将来需求的概念。

借助能源来看可持续发展，能够有助于澄清先前的定义，因为能源体系的性质为“我们应该考虑几代人的发展”这一复杂问题提供了答案。

如我们已经指出的那样，化石燃料是会枯竭的，以不变的生产速率和消费速率来计算，目前已知的石油储量大约可以沿用41年，天然气将沿用64年，煤将沿用155年。由于化石燃料在世界能源供应中所占的支配地位和它们有限的预期寿命，不能考虑把它们作为多于一代人或两代人的主要能源——这样就提供了对“不损害后代而满足自己需求”的一个量度。只有可再生能源(还有核能，但必须解决了与之相关的其他问题后)能做到这一点。

从这一角度来看，我们应该把“可持续发展”看成一种“可以延续下去的发展”。

第五部分  非技术性解决方案

13  生活方式与能源

生活方式与能源之间的关系是什么？

一般而言，生活方式是一种日常生活的模式，这种模式是在某一特定时间和空间范围内，人们的价值观念、人生态度、认知方式、举止表现、行为活动和彼此互动的综合。生活方式的选择受技术、经济、政治、制度和文化等多重因素的影响。更简单地说，生活方式就是一个人生活的样子。

描述生活方式要比定义生活方式容易得多，通常可以用饮食类型、个人的希望与需求、世界观、支出模式、宗教信仰、地理位置、消费水平与模式、消遣与工作等来描述生活方式。

消费模式和生活方式常被认为是同义的。生活方式作为一个术语，被社会科学家使用时是指价值观念，也就是社会偏好，但是两者在程度上是有差别的：一系列的行为变化(消费模式的变化)最终形成了价值观的变化。在这里，可以在生活方式的演化与生活本身的演化之间做一比较：当变化着的环境到达某一点时，为适应这种变化而出现物种进化的现象，在一些情况下，进化了的物种与它们原来的状态差别很大。汽车的出现可以与发生在约5.3亿年前的寒武纪生命大爆发现象相比拟。

在短时期内，不断增加的变化能够被市场消费者所驱动。可以通过信息和教育来改变人们的购买需求，以此达到预期的效果。在中长时期内，有一种方法依赖于可持续发展为人类带来福祉和千年发展目标的指标，则能够在能源消费量上产生温和的抑制效应。

技术开发可能是非常好的改变生活方式的驱动力。电力、航空运输以及无线电与电视等的发展速度，成了生活方式在此方向上发生改变的基本的和全球性的要素，尽管国家之间和国家内部存在文化及社会差异，但这种差异对生活方式改变的影响较弱。

然而，为了改变生活方式的范围或者引领新的生活方式，需要在许多行为上做出变更。例如，与邻居拼车上班并不代表生活方式的改变，但最终可能会导致此种变化的发生。

如果特别关注与生活方式有关的能源消费量，你会觉察到在经济合作与发展组织国家中，重要的变化出现在能源的终端使用上(见表13.1)。

工业能源消费量占总消费量的份额，1975年为32%，2008年下降到23%。

但是，这种下降是因为在同样的时期内，交通运输业的能源消费量占总能源消费量的份额从26%增加到33%。能源消费的这种转移在世界上部分较为富裕的人口的生活方式中得到了体现。

在非经济合作与发展组织国家中，交通运输能源消费量只占了较小的一部分，而居民消费则更为重要(见表13.2)。

技术开发是改变生活方式的唯一驱动力吗？

在一些情况下，改变生活方式的驱动力是技术开发。一方面，这种机械的看法掩盖了文化、宗教和教育的差异；另一方面，它在解释世界许多地区消费模式的均一性方面是相当令人信服的。

消费模式和经济体系之间存在一种趋同性。文献显示，发达国家和较不发达国家之间的消费模式正在变得越来越相似。

例如，这一点在电力消费的影响上清楚地显示出来了（见表13.3）。

电力在能源消费中所占的比例显著增加，从1973年的88%增加到2008年的17.2%。

电力在现代社会中日益重要的原因是，电力一旦产生，就较易实现远距离输送，并为各式各样的家庭和办公室提供方便。因为这种方式使它有别于固体燃料(如煤)和液体燃料(如石油)等其他能源。另外，电能几乎能够以100%的效率转化为机械能。

电力的缺点是，它通常是人们利用化石燃料生产出来的，所需要的原料较为昂贵并会产生污染。这就是为什么人们利用可再生能源生产电力的实践在当前受到了很大的关注。

交通运输对生活方式的影响是什么？

表13.4显示了不同客运模式的常规能耗，单位是千瓦·时/千米或千瓦·时/(千米·人)。表

乘客乘坐汽车时的能耗至少是乘坐公共汽车或短途火车时的3倍。

然而，很显然，大量对于城市规划和公共交通的设想是可以实现的。例如，在美国公共交通工具仅被6%的旅客使用，而在德国则在15%以上，在日本为47%。

公路货运则比快速交通要多消耗10倍以上的燃料。

改变生活方式的决定性因素是什么？

生活方式强有力地影响着消费模式，特别是能源消费水平。改变生活方式的一些决定性因素有生育意愿、饮食习惯、宗教信仰和气候条件。

20世纪90年代，家庭规模反映了人们选择组成小家庭的趋势是长久持续的。生育率的下降与妇女具有更好的社会经济条件和更高的受教育程度相关，城市地区更是这种趋势的“驱动者”。但是这种趋势在一些地区特别显著，例如在孟加拉国，社会经济发展的中等程度增长与生育率的戏剧性下降同时发生。

除了价格、市场以及消费者的收入、知识水平、境况和食物偏好外，消费者需求的另一个决定性因素是兴趣和习惯。已有足够的证据表明，宗教信仰一般会影响消费者的态度和行为，特别会影响他们购买食物的选择和饮食偏好。在许多地方，宗教信仰在食物的选择方面，甚至起了最为重要的作用。宗教信仰对食品消费的影响取决于宗教本身以及个人遵循他们所信仰宗教教义的程度。

气候会影响房屋建造的方式，甚至洗澡习惯，例如，洗澡在日本人的生活中是极为重要的，而且能量消耗也是极大的。挪威人在大多数生活区域、大多数时间内都要取暖，而日本的传统是只在人当时所处的空间内取暖。

捕捉能源消费中生活方式重要性的一个方法是分析一个国家或一些国家的能源密集度。对经济合作与发展组织国家的详细研究指出，能源密集度的最终下降源于两个不同的因素：

节能技术在制造业、交通运输业、居民家庭和服务业中的引入，这些行业要对能源密集度的减少做出80%的贡献；

消费模式的结构性改变，这是生活方式的根本性改变，它是剩下的20%的贡献者。

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第13章

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1.一般认为自然界有四种基本力。除了这里提到的三种力以外，还有一种弱力，就是引起原子核β衰变的力。核力(也称强力)的强度是电磁力的100多倍。弱力和强力都是短程力，只能在原子核的范围内起作用。——译者注

2.原文如此，J.J.Thomson通常是指发现电子的约瑟夫·约翰·汤姆孙。这里显然应是William Thomson(威廉·汤姆孙)，焦耳汤姆孙效应的发现者之一。——译者注

3.吨油当量(英文为ton of oil equivalent，缩略词为toe)，是一个能量单位，等于燃烧1吨油所释放的能量，其数值约为418.68亿焦(因各种不同原油所含的热量值略有不同)。在数量很大的场合，也用百万吨油当量(Mtoe)和10亿吨油当量(Gtoe)等更大的单位。——译者注

4.1千卡 ≈ 4185.85焦。——译者注

5.生物质(biomass)是一个农业科学、地球科学和能源科学通用的术语，意指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动物、植物和微生物。这些有机体是潜在的能源物质，由它们产生的能量叫作生物质能(biomass energy)。——译者注

6.此数值为太阳常数。我国目前采用的太阳常数是1981年世界气象组织发布的1367瓦/米^2±7瓦/米^2，通常取值1366.1瓦/米^2。——译者注

7.经济合作与发展组织(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)简称经合组织，是由36个市场经济国家组成的政府间国际经济组织，成立于1961年。——译者注

8.人口动量(population momentum)，是一个人口学术语。它是量度人口增长势头的一个指标，人口动量越大，其增长势头越大。人口动量也译作“人口惯性”或“人口发展势头”等。——译者注

9.此处“购买力平价”的英文原文为purchasing parity power，但在大多数文献中用的是purchasing power parity，首字母缩写为PPP。有绝对购买力平价和相对购买力平价两种。在不同货币国家(或地区)，购买同一种货物的货币值是不同的，购买同一货物的不同货币之间的比率就是汇率。简单地说，绝对购买力平价是指经过汇率调整后的购买力。有了这一概念后，不同货币国家(或地区)的购买力就有了进行统一比较的基础。——译者注

10.桑基图(Sankey diagram)，亦称桑基能量分流图。1898年，桑基绘制了著名的“蒸汽机的能源效率图”，因此用他的名字来命名。——译者注

11.圈闭(trap)，地质学名词，是指油气能够聚集而不能流散的地层。——译者注

12.艾伯塔省(Alberta)，加拿大西部的一个省，盛产石油、天然气、油砂、煤炭等矿藏。世界著名旅游景点班夫、路易斯湖等亦在该省。——译者注

13.原文为abiotic oil，直译为非生物石油。但实际的意思是非生物形成的石油(abiotic formation of oil)，其意思见正文。——译者注

14.托马斯·戈尔德(Thomas Gold)，奥地利出生的犹太人，在英国剑桥大学完成学业，并成为20世纪50年代剑桥大学的三名杰出青年科学家之一，后来到美国，先后在哈佛大学、康奈尔大学任教授。他在生物物理、天文学、宇宙学、航天工程和地球物理等领域均有重要贡献。他有许多与众不同的观点，如不同于宇宙大爆炸模型的理论，地球生命来源于其他星球的生命，以及石油的非生命起源等。——译者注

15.干吨(dry ton)，计量去掉水分后质量的单位，例如，10吨的物质含有10%的水分，那它就重9干吨。——译者注

16.光伏电池板是一种用来吸收太阳辐射作为产热和发电的能量来源的电池板，通常由60个太阳能电池组成。多个光伏电池板可排列组成一个阵列，从而提供商用的太阳能电力。——译者注

17.原文niche，原意壁龛，在生态学中译作生态龛，商业中则是指有特定要求、固定顾客群和产品的专营市场。这里用的是后一种意思，故译作特定市场。——译者注

18.峰瓦(watts peak，Wp)，太阳能装置的功率计量单位，是太阳能电池板在标准状态下的最大发电功率。例如称某种光伏电池板有1峰瓦，即此光伏电池板的标称功率为1瓦。——译者注

19.芬地湾(Fundy Bay)，北美洲东海岸的一个海湾，位于加拿大的新不伦瑞克(New Brunswick)省与新斯科舍(Nova Scotia)省之间，在美国缅因州的北面，是全世界最大的潮汐所在地。——译者注

20.兰斯(La Rance)，法国西北部布列塔尼地区的一条河流，河水流入英吉利海峡。——译者注

21.拉尔代雷洛(Larderello)，意大利中部城镇，在佛罗伦萨和比萨的南部。在古代，那里就以温泉闻名，罗马人经常去泡温泉。目前，拉尔代雷洛是世界上地热资源较丰富的地区之一，其地热发电量占全球的十分之一。——译者注

22.此句话容易引起误解，认为核能是释放出的碎片动能，实际上释放出的是原子核的结合能。——译者注

23.尤卡山(Yucca Mountain)是内华达州的一条山脉，靠近加利福尼亚边界。尤卡山核废物处理库属于地质储存库，原计划2020年左右建成，但2009年被中止。经上诉，2013年又发放了建造许可证。——译者注

24.燃料循环(fuel cycle)，全称应为核燃料循环(nuclear fuel cycle)，亦叫核燃料链。它是核能利用中的一个术语，指核反应堆使用的燃料所经过的所有处理环节：开采，提纯，浓缩，燃料的制作、使用与后处理，废物处理等。——译者注

25.国际核事故分级表是国际原子能机构于1990年编制完成的，用来将核事故分级。核事故分为七级，第七级为重大事故，也是最高的一级。——译者注

26.不一定都只有两个碎片，也有分裂成三个碎片的二分裂变现象，只不过出现二分裂变的概率很小，大约只有万分之一。铀的二分裂变现象是由我国已故物理学家钱三强和其夫人何泽慧在法国发现的。此外，还有分裂成四个碎片的三分裂变现象，不过发生的概率更小。——译者注

27.原油采收率(enhancedoilrecovery，EOR)，也称三次采油，是一种提高油田原油采收率的技术。在石油开采中，通常把由于油层的压力而自行喷出的石油的开采称为一次采油；向油层注入水、气，给油层补充压力而开采出石油称为二次采油；用化学物质来改善油、气、水与岩石相互之间的性能，从而开采更多的石油，称为三次采油，即提高原油采收率。——译者注

28.这是指2010年4月20日，英国石油公司(BP)在墨西哥湾的深海石油钻探平台上发生的严重事故，由一口海底喷油井的泄漏引发了平台爆炸。事故中有11名工人死亡，17人受伤。喷油井连续喷了三个月的原油，直到同年7月15日喷油井口才被封住。这是深海石油钻探历史上最严重的一次事故。——译者注

29.原文为zetajoule，缩写为ZJ。英文大数记法中的zeta是10^21，中文可英译为泽［它］，后文就用泽焦代表1021焦。——译者注

30.马塞人(Masai)，也可译作马萨伊人，是肯尼亚和坦噶尼喀境内的游牧民族。——译者注

31.斯凡特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)，瑞典科学家，原为物理学家，后被称作化学家。他是物理化学的开创者，是最先提出温室概念的人。他是1903年诺贝尔化学奖获得者，是瑞典第一位获得诺贝尔奖的科学家。——译者注

32.气溶胶(aerosol)，是一种由分散、悬浮在气体中的固体或液体小颗粒形成的体系，又称气体分散体系。其小颗粒的直径为0.001～100微米。——译者注

33.哈龙(halon)，一类卤代烷类的有机混合物。20世纪80年代以来，一直作灭火材料用。后因发现它对环境破坏极大，对人体也有害，故已逐步停止使用。——译者注

34.《联合国气候变化框架公约》(United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC)是一个国际公约，1992年5月在联合国总部纽约通过，1992年6月在巴西里约热内卢召开的有世界各国政府首脑参加的“地球峰会”期间开放签署，1994年3月21日开始生效。——译者注

35.第五次评估报告由三份工作组报告和一份综合报告组成。2014年11月2日由三个工作组报告综合而成的《综合报告》，在丹麦首都哥本哈根发表，宣告第五次评估报告全部完成。该报告由来自全球的831名作者撰写，其中中国作者有44名。该报告指出：温室气体的排放以及其他的人为因素已成为气候变暖的主要原因。本书第1版在2012年出版，当时这份报告尚未完成。——译者注

36.这里指1979年6月3日在墨西哥坎佩切湾发生的伊克斯托克Ⅰ(IxtocⅠ)油井的井喷。——译者注

37.生态足迹(ecological footprint)也称生态占用，是加拿大资源生态学家威廉·E.里斯(William E. Rees)在20世纪90年代初提出的一个概念，意指能够持续地提供资源和消化废物的土地和海洋的面积，计量单位是“全球公顷”(gha)。生态足迹是一把公平尺，用它既可以定量地测出可持续发展的程度，也可以比较各国、各地区消耗的自然资源是否合理。——译者注

38.意指可以提供这种生产力的土地。——译者注

39.全名为阿瑟·塞西尔·庇古(Arthur Cecil Pigou，1877—1959)，英国经济学家，其代表作是《福利经济学》(The Economics of Welfare)。他的税法思想是要把均等牺牲改变为最小牺牲，即赋税不应对全体人群都均等，而应是在处于同等地位的人群中均等。认为商品税可适用均等牺牲原则；所得税则应该适用最小牺牲原则，实行累进税率，即收入越高税率越高。下文中的庇古税，是指庇古主张征收的环境税或生态税。——译者注

40.ExternE是“external costs of energy”(能源的外部成本)的缩写。ExternE是欧盟从1991年开始实施的一系列针对生态问题的研究计划和应对措施的总称。——译者注

41.学习曲线(learning curve)是以知识为纵坐标、经验为横坐标的曲线，描述的是在一定时间内获得知识的速度。这个概念最初在1885年用于心理学学习之中，但到1909年此名词才正式出现。可通过实践或经验获得知识，从而使成本下降。——译者注

42.“沉没能源”原文为sunk energy，意指已经消耗掉的能源。sunk是sink(沉没)的过去分词，在经济学中，常与成本(cost)连用构成sunk cost(沉没成本)，指已经产生并已支付的成本。sunk cost与retrospective cost(回顾成本)同义，所以这里也可译作“回顾能源”。——译者注

43.能源证书(energy certificate)，又称节能证书。这是一种可转让的证书，由国家机构颁发。通常用于提供可以使用某种特殊类型的能源或者有资格获得财政支持的证明。——译者注

44.分布式发电(distributed generation)，亦称现场发电(onsite generation)，是一种小型、联网的生产或储存电能的方式。它的优点是可以开发利用各种可能的能源，从而促进节能、减排和可再生能源的发展。为此，我国国家发展和改革委员会于2013年7月18日发出《国家发展改革委关于印发〈分布式发电管理暂行办法〉的通知》(发改能源〔2013〕1381号)，鼓励和推动这种发电方式。——译者注

45.热效率(thermal efficiency)，通常是指在高温热源和低温热源之间工作的热机，将热能转变为净输出功的能力。根据热力学第二定律，功可以全部转变为热，而热不可能全部转变为功，这就对热效率有所限制。另外，根据导致热力学第二定律产生的卡诺定理可知，在所有的热机中，可逆循环热机的效率最高。故热机的效率还与所采取的循环有关，例如用于汽车的奥托循环的热效率现在可达56%～61%。原文中的热效率40%含义不明。——译者注

46.白色家电(white goods)是指电冰箱、炉子、洗衣机等白色的家庭大型电器用具。——译者注

47.再生制动(regenerative braking)亦称反馈制动，是一种使用在电动车辆上的制动技术。这种技术把车辆制动时的动能及时转化使用或者存储起来供以后需要时再使用，如转化为电能、对电池充电等，而传统的制动只是产生废热。——译者注

48.加斯东·普兰特(Gaston Planté，1834—1889)，法国物理学家。1859年，他发明了铅酸蓄电池，后经改进最终成了世界上第一款可充电的并投向市场的商用蓄电池。——译者注

49.填埋气(landfill gas)，即填埋垃圾所产生的甲烷、二氧化碳等的混合气体。——译者注

50.奥托循环发动机(Otto cycle engine)，亦称四冲程发动机、奥托内燃机。奥托循环是一种理想的热力学循环，效率可达到55%，由19世纪德国工程师N.A.奥托(Nikolaus August Otto)提出。奥托制造出了第一台据此原理工作的内燃机。——译者注

51.鲁道夫·狄塞尔(Rudolf Diesel)，德国发明家和机械工程师。柴油机的发明者，现在柴油的英文diesel一词，就是用他的姓氏命名的。——译者注

52.生物燃料强制令(biofuels mandate)，也可译为“生物燃料要求”“生物燃料授权”等，意指由立法机构、政府或行业组织制定的带有一定强制性的规定，要求必须使用一定比例的生物燃料。——译者注

53.综合平均节油标准，也可译作综合平均燃油经济性标准。为了降低在美国销售的小汽车和轻型卡车的平均耗油率，美国国会于1975年制定了这一法规。——译者注

54.1英里/加仑≈0.43千米/升。——译者注

55.上网电价(feedin tariff)，亦可译为馈电费率，是为加速对可再生能源的投资而设计的一项政策。通常是在固定电价(fixed feedin tariff)的意义上使用此词，这里亦是如此。——译者注

56.1997年12月11日，《联合国气候变化框架公约》第三次缔约方大会在日本京都召开。149个缔约方的代表通过了《京都议定书》(Kyoto Protocol)，并于1998年3月16日至1999年3月15日开放签字，共有84国签署，于2005年2月16日开始强制生效。到2009年2月，一共有183个国家通过了该议定书。该议定书规定从2008年到2012年，主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2%。——译者注

57.清洁发展机制是《联合国气候变化框架公约》第三次缔约方大会(京都会议)通过的发达国家在境外承诺减排目标的一种履约机制。它们可以将在境外实现减排作为自己履约的一部分，即允许发达国家和发展中国家转让减排量的抵消额度。——译者注

58.坎昆(Cancun)，墨西哥东部著名旅游城市。2010年，《联合国气候变化框架公约》第十六次缔约方会议暨《京都议定书》第六次缔约方会议在那里召开。——译者注

59.德班(Durban)，南非东部海滨城市。2011年，《联合国气候变化框架公约》第十七次缔约方会议暨《京都议定书》第七次缔约方会议在那里召开。——译者注

60.《布伦特兰报告》(Brundtland Report)，是挪威前首相布伦特兰夫人任主席的“世界环境与发展委员会”于1987年公布的一份报告，又称《我们共同的未来》。“世界环境与发展委员会”亦称“布伦特兰委员会”，是联合国决定在1983年成立的。著名的“可持续发展”的概念就是在该报告中首次被提出的。——译者注

61.寒武纪生命大爆发，是指寒武纪时期，在短短的几百万年内，突然同时出现了许多门类的动物，古生物史上称之为寒武纪生命大爆发。达尔文在《物种起源》中提到了这一事实，后来被教会用作反对进化论的主要论据。达尔文对此解释说：寒武纪的动物一定是来自前寒武纪动物的祖先，是经过很长时间的进化过程才产生的。作者用此例子说明汽车也是经过很长时间的演化才出现的。——译者注

62.即运送1位旅客1千米路程所消耗的能量(千瓦·时)。——译者注

63.热电联供(combined heat and power)，亦有人译作废热发电。但原文的意思不仅指利用废热来发电，也包括把发电厂发电的余热用于其他目的。——译者注

Table of Contents

能源

总序

中文版前言

序

1 能量：基本概念

什么是力？

什么是功？

什么是摩擦力？

什么是能量？

如何量度能量？

热力学第一定律是什么？

能量可以凭空产生吗？

自然界常见的力有哪些?

2 目前能源的使用

为什么“人均”能源消费量在增长？

人口增长与能源消费量增长之间的关系是什么？

人类的其他活动需要多少能量？

人类维持生存需要多少能量？

什么是人类发展指数？

什么是国民幸福指数？

什么是能源强度？

我们所用的能源是什么？

我们所用能源的起源是什么？

第一部分 目前能源是如何使用的？

能源与发展之间的关系是什么？

能源消费量以什么速度增长？

3 能源

为什么能源转换会有损失？

什么是一次能源？

什么是二次能源？

什么是桑基图？

第二部分 当今全球能源体系

4 化石燃料

什么是化石燃料储量和资源的预期寿命？

什么是化石燃料？

什么是非生物石油？

全球化石燃料储量的分布如何？

关于天然气，我们知多少？

关于煤，我们知多少？

关于石油，我们知多少？

石油价格是如何变化的？

5 可再生能源

什么是光伏电池板？

什么是可再生能源？

什么是地热能？

什么是太阳热能？

什么是太阳能光热发电？

什么是水电站？

什么是波浪能？

什么是潮汐能？

什么是生物质？

什么是风能？

可再生能源产生能量需要多少土地？

可再生能源的潜在储量是多少？

增加使用可再生能源的前景如何？

6 核能

为什么核能的增长在1985年开始下降？

什么是核聚变？

什么是核能？

核废物处理问题是什么？

核能“复兴”是怎么回事？

7 化石燃料枯竭与能源安全

“石油峰值辩论”是怎么回事？

什么是能源安全？

化石燃料会耗尽吗？

发展中国家获取能源服务的问题是什么？

第三部分 当今能源系统的问题

8 环境问题

为什么环境问题在今天如此重要？

什么是城市空气污染？

什么是室内空气污染？

什么是政府间气候变化专门委员会？

什么是气候模型预测？

什么是温室效应？

什么是生态足迹？

什么是酸雨？

全球变暖与能源之间的联系是什么？

可再生能源对环境的影响是什么？

哪些是全球性环境问题？

哪些是区域性环境问题？

哪些是局部性环境问题？

气候变化有什么表现？

水力发电厂的影响是什么？

滥伐森林是能源利用引起的吗？

石油的渗出和泄漏有多么严重？

9 能源成本

什么是“学习曲线”？

什么是外部成本？

什么是能源成本？

能源补贴力度有多大？

10 能源效率

交通运输业的能源效率潜力是什么？

什么是“反弹”效应？

什么是建筑物改造？

城市化对能源使用的影响是什么？

如何能提高建筑物的能源效率？

工业的能源效率潜力是什么？

建筑物的能源效率潜力是什么？

当前能源体系已有的解决方案是什么？

电力生产的能源效率潜力是什么？

第四部分 技术性解决方案与政策

能源效率的优势是什么？

能源效率的潜力是什么?

能源效率的障碍是什么？

11 新技术

乙醇是汽油的一种良好替代品吗？

交通运输的前景是什么？

什么是智能电网？

什么是热电联供？

什么是燃料电池？

什么是碳捕集与封存？

天然气、液化石油气和氢气是交通运输的替代能源吗？

新技术对化石燃料的作用是什么？

生物柴油的前景如何？

生物能源与食物之间有竞争吗？

生物质的前景如何？

电动汽车可行吗？

电池存储技术的进展如何？

能源储存的作用是什么？

远距离电能传输的作用是什么？

12 政策

什么是“上网电价”？

什么是“总量管制与交易”？

什么是《京都议定书》？

什么是可再生能源配额制？

什么是可持续发展？

什么是技术“跳跃”？

什么是气候公约？

什么是生物燃料强制令？

什么是碳排放税？

什么是综合平均节油标准？

可再生能源的政策目标是什么？

13 生活方式与能源

交通运输对生活方式的影响是什么？

技术开发是改变生活方式的唯一驱动力吗？

改变生活方式的决定性因素是什么？

生活方式与能源之间的关系是什么？

第五部分 非技术性解决方案

参考文献