1.2 發展新能源的歷史邏輯

先來讀一組可能超出我們想象的數字。

（1）人類每天消耗的能源相當于地球在1370年內生成的化石能源。[2]

（2）1gal（3.78L）汽油的形成需要億萬年前的近120t植物。形成1gal石油所需的植物重量是奶牛產生1gal牛奶所需植物重量的3萬倍。[3]

（3）全球每年由礦物燃料燃燒而消耗的有機碳需要400年才能恢復。[4]

（4）中國每年人均石油消耗量為2.4桶（1桶=158.98L），不足美國的1/9。如果要達到美國目前的人均耗油水平，中國每年的石油消耗量將超過29吉桶，接近于目前全球油耗總量30.7吉桶。[5]

上述數字提醒我們不得不面對這樣一個嚴峻的現實：通過開采化石能源維持人類社會發展的模式即將走到終點！能源問題的最終解決需要順應自然規律。

“人法地、地法天、天法道、道法自然。”這是老子的至理名言；“歷史不會重演，但總會驚人地相似。”這是馬克·吐溫的名句；“過去我父親騎駱駝，現在我開汽車，將來我兒子駕駛噴氣式飛機，最后他的兒子只能騎駱駝。”這是沙特阿拉伯的諺語。這些都在啟示著解決能源問題的最終方向：重新求助于大自然，并以遵循自然規律的方式開發利用太陽能、生物質能和風能等清潔的可再生能源！

縱觀能源發展歷史長河，煤、石油和天然氣等化石能源的使用歷史只有200多年。在大規模開采化石能源之前，人類生活和生產主要依賴薪柴、畜力和風等能源。在遠古時期，火是人類擺脫蠻荒和蒙昧的最有力武器。無論我國“燧人氏鉆木取火”的傳說，還是古希臘“普羅米修斯盜取天火”的神話，都是對此最好的注解。

我國對“火祖”燧人氏的敬仰，以及西方人對普羅米修斯的崇拜，均體現了人類對“火”的崇敬。這源于火的使用不但使人類擺脫了茹毛飲血的生活，而且通過黏土燒制和冶金工藝，使人類獲得了改造自然的強大工具，顯著提升了人類改變和適應環境的能力。

遠古時代，火的應用離不開“生物質”這一載能體，而生物質又是植物通過光合作用轉化太陽能的產物，所以，照亮人類文明進程的那束光源自太陽。風能是人類早期利用的另一種能源。亞歷山大大帝（公元10—70年）曾經利用風車演奏風琴，公元7世紀風力驅動的谷物研磨機出現在波斯，后來，荷蘭人對風車進行了大規模利用，塑造了“風車王國”的國家形象。

總之，在工業革命之前，支撐人類社會發展的能源主要是生物質能、風能和太陽能等自然能源。而發生在18世紀的第一次工業革命顛覆了這種能源結構，并開啟了化石能源稱雄的時代，人類的生產和生活方式也隨之發生巨變：大規模集中開采并利用能源，支撐人類的居住方式由分散轉向集中，城市得以快速發展；現代交通工具極大地拓展了人類的交往半徑，飛機可使人們在2天內飛貫全球；大型超市里的商品可實現全球采購，電商使得人們足不出戶即可全球購物；移動互聯網使得地球不同角落的人們可以實現即時通信……

回顧工業革命以來人類社會的發展，可以毫不夸張地說：過去兩個多世紀的所有進步，不管本質上是社會的、商業的，還是政治的，都在一定程度上得益于化石燃料燃燒所釋放出的巨大能量。

對化石能源的來源稍作分析，就可發現其開發利用的問題所在。化石能源是集中存儲了漫長地質時期和廣闊區域內積累的動植物資源，其來源決定了它們的不可再生性。煤炭是由分解后的植物、礦物質和水組成的碳基沉積巖，由陸生植物殘骸經過幾百萬年的演變而形成。石油則被認為是由沉積于海底或湖盆的海洋生物在高溫和高壓條件下經過復雜的物理化學作用而形成的；埋藏深度超過5000m的有機質碳碳鍵斷裂則形成天然氣。地球在數十億年間積累的這些動植物資源，無法長久支撐人類毫無節制地加以開采利用。喬治城大學歷史學家約翰·R·麥克尼爾認為：從19世紀到21世紀，全世界的能源使用量增加了80～90倍，成為繼對動植物實現馴養和種植之后人類歷史上最具革命性的進程，以至于很多科學家聲稱人類目前生活在全新人力驅動下的“人類紀時代”，這個以人類為中心的時代，標志著與地球演變歷史的徹底決裂。而化石能源資源儲量的有限性（圖1.10），注定這一決裂不可能持續下去。

大規模集中開發利用化石能源存在的隱患，絕非資源枯竭這么簡單。全球氣候變暖、空氣污染、酸雨蔓延、水體污染等均是人類面臨的重大問題，這些問題均與化石能源的開發利用密切相關，或者說根源就是化石能源。

全球氣候變暖的主要原因是以CO₂為主的溫室效應氣體在大氣中的累積。地球上的碳主要儲存于4個儲池，即陸地、海洋、大氣和巖石圈。碳在這4個儲池之間持續不斷地進行交換，形成了碳循環（圖1.11）。工業革命之前，碳在4個儲池之間的循環維持了碳平衡，但化石能源的開發利用卻干擾甚至破壞了這一平衡。目前由化石燃料開發利用釋放到大氣中的碳量約為9Gt/a。據聯合國2016年統計數據，全球總人口已達726291萬人，據此推算，人均排放到大氣中的碳量為1.239t/a。

根據科學家對南極及其他古氣候探測地區冰核的分析，工業革命之前的80萬年間大氣中CO₂濃度的波動范圍為170～290μL/L，其中從人類文明起源到化石能源時代開啟的這段時間內波動幅度更小，僅僅為250～290μL/L。然而最近幾十年來，該數值卻顯著偏離了這一長期波動區間，從20世紀50年代末期到2010年，CO₂濃度的增長已經超過了20%，達到了390μL/L，圖1.12是美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）2號碳觀測衛星的記錄，展示的是2014年10月1日至11月11日期間全球大氣CO₂濃度分布情況，該圖直觀地顯示了全球許多地區CO₂濃度已然在高位波動！

全球氣候變暖對生態系統的影響日益顯著，颶風、強降水、高溫、干旱、洪水等極端天氣事件頻發。氣候變暖還會導致冰川消融、海平面上升、凍土融化等生態災難。北極地區凍土層中儲存的碳幾乎是大氣層中碳含量的2倍，這些凍土層一旦融化就會向大氣層釋放過量的碳，而這又會進一步加劇氣候變暖現象，這種反饋機制一旦開啟，后果將不堪設想。

化石能源利用產生的空氣污染已成為影響人類健康的重要因素。化石燃料燃燒釋放的大氣污染物包括NO_x、SO₂、顆粒物（particulate matter，PM）、揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）等。無論從微觀尺度（圖1.13）還是從宏觀尺度觀察（圖1.14），霧霾均已成為嚴重困擾我國的大氣污染問題，而化石燃料燃燒釋放的污染物正是形成霧霾的主因。

化石燃料的勘探、開采、加工、運輸和燃燒對環境造成的影響是多種多樣的。除了上述具有普遍性的污染之外，一些偶發性事故往往也會導致災難性的后果。例如，1989年3月24日發生在阿拉斯加威廉王子灣的港灣漏油事件，就被認為是海洋史上最具毀滅性的人為環境災難之一（圖1.15）。該事故所泄漏的原油量雖然只有4萬t，遠低于其他大型事故，但危害巨大。這主要是由于該事故發生在偏遠且生態體系極度脆弱的北極地區，增加了救援和反應時間。當時，“艾克森瓦爾迪茲號”油輪在阿拉斯加東南部的布萊礁觸礁擱淺并沉沒。沉船泄漏的原油覆蓋了28000km²的海面，造成包括250000只海鳥、22頭鯨、280只水獺、300頭海豹在內的上千種動物立即死亡，以及數十億只鳥蛋被毀壞。

2010年，更為嚴重的漏油事故再次在美國發生，這次被定義為美國歷史上“最嚴重的漏油事故”發生于2010年4月20日。當時，英國石油公司在美國墨西哥灣租用的“深水地平線”鉆井平臺發生爆炸，導致11人死亡和持續87天的漏油災難，釀成一場經濟和環境慘劇。

通過分析，不難得出如下結論：無論從化石能源資源儲量角度分析，還是從其產生的嚴重環境問題角度考慮，以化石能源為主的能源結構必須向清潔可再生能源轉型！

值得欣慰的是，這一轉型已經開始，而且速度在不斷加快。這是一次符合歷史發展規律的轉型。

首先，這種轉型與經濟活動的轉變相一致。縱觀能源歷史可以發現，人類所使用的能源在形式上經歷了由“重”到“輕”，從物質形態“較明顯”到物質形態“不明顯”的漸變過程，即從固體煤炭到液體石油，再到天然氣、沼氣、氫氣，直到今天的太陽能和風能。這種轉變提高了能源輸送的速度和效率。通過管道輸送石油比利用鐵路運輸煤炭快，通過管道輸送氣體燃料比輸送石油更快，通過電網傳輸電能則不再有速度制約問題。與此相對應的是，人類的工業形式也已從早期資本主義時期的重蒸汽時代，發展到了現在的輕質、虛擬的信息時代。由此可以看出，能源喪失物質形態和經濟活動喪失物質形態一直在同步進行。

第二，這種轉型與人類所利用能源的“脫碳”趨勢相一致。脫碳是指世界上每一種先后出現的能源分子中碳原子與氫原子比率的變化。薪柴的氫碳原子比率為1∶10，煤炭的氫碳原子比大約是1∶1或者1∶2，石油則是2∶1，天然氣則提升到了4∶1。而僅就發電過程而言，太陽能、風能和生物質能發電過程則不產生碳排放問題。這意味著每一種后續的能源應用過程中所釋放的CO₂都少于前一種。

第三，這種轉型與人類居住模式的轉變相一致。圖1.16所示是人類社會的3種居住模式。在依賴薪柴和畜力的時代，人們的生活、教育、工作和休閑都集中在一個小的區域范圍內；而化石能源時代，居住在城市里的人越來越多，而且城市也越建越大，人們的生活、教育、工作和休閑等場所之間的距離也越來越大。而未來理想的模式則是大城市和衛星城相結合，即分散和集中相結合，分散居住模式正好契合了太陽能、風能和生物質能等新能源的分布式特征。

綜上所述，不難得出結論：依靠新能源支撐人類的可持續發展是歷史的必然選擇！