出品|網易科學人欄目組
作者|晗冰
每天我們人類都要消耗一百萬兆焦能量，這大約相當于美國亞利桑那州Palo Verde核電站在滿負荷運行情況下，日產量的3000倍。
隨著全球人口的急劇增長以及發展中國家工業化程度的逐步上升，人類對能源的渴求已經達到了前所未有的水平。目前我們消耗的能源中，一半以上來自于地殼深處提取的化石燃料。據估計，自1850年開始石油的商業化開采以來，我們已經消耗了1350億噸原油。這些石油主要被我們用于汽車行駛、發電廠供電以及家用取暖。而這一消耗數字還在持續增長。
但是，由此產生的氣體已經給地球生態系統造成了潛在的災難。無論是煤炭、石油還是天燃氣，其燃燒都與地球大氣中溫室氣體的水平密切相關，也是氣候變化的主要原因。科學家們一直認為，如果不改變我們現有的消耗化石燃料的習慣，整個人類社會正在走向災難。但問題在于，如果我們不使用化石燃料，該如何讓夜晚的燈光依舊？
世界能源理事會最近發布的一份報告指出，“能源行業正在面臨幾十年以來的重大轉型，這種變革的影響要深入得多，存在著政治、經濟和社會等方面的諸多問題，此外也需要我們每個人對自己的行為習慣做出轉變。”
毫無疑問，改變現有的能源獲取方式是我們面臨的重大挑戰之一。很多科學家認為目前的最大問題依舊是如何應對未來幾十年內能源需求的爆炸式增長。
英國能源研究中心主任吉姆沃森（Jim Watson）解釋稱，“目前世界上仍有約12億人沒有得到現代能源服務。亞洲、拉丁美洲以及非洲部分地區的需求將有顯著增長。”
現在世界上依舊有約30億人在使用簡單的爐子或者直接燃燒木材、動物糞便或是煤炭來做飯取暖。隨著發展中國家工業化程度不斷提高，他們需要更多的電力供應。在發展已經起步的國家，隨著財富增加導致中產階級生活方式不斷改善，從而使得能源消耗將飆升。
圖：自1850年開始石油的商業化開采以來，我們已經消耗了1350億噸原油
伯明翰大學下屬的伯明翰能源研究所所長馬丁·弗雷爾（Martin Freer）指出，“在全球范圍內，能源面臨的最大挑戰是制冷降溫。”隨著印度和中國中產階級數量的增長，相應的空調需求。聯合國政府間氣候變化專門委員會指出，到本世紀中葉，家庭對制冷的需求將超過供暖需求。實際上估計到2040年，世界能源消費將增加近50%。
但一方面我們要減少碳排放量，同時又怎樣才能滿足不斷增長的能源需求？事實上，前景并不像想象的那么黑暗。目前世界上約五分之一的能源消耗來自于可再生能源，比如風能、太陽能、水力以及地熱能。從現在到2040年，預計可再生能源行業每年將持續增長2.6%。
直至現在，水力發電是主要的可再生的能源，而風力發電則是增長最快的。但太陽能發電技術的進展使得其在陰天條件下也能夠產生電能，由此帶來了太陽能發電數量的激增。
譬如在英國，過去12個月新增太陽能發電設備12GW，這相當于一整座燃煤發電站。在全球，去年太陽能發電量增長率近50%。許多國家的研究人員正在致力于如何在柔性材料上設置新型光伏電池，從而進一步降低太陽能發電成本。
然而，將這些新能源所產生的電力并網并不容易。沃森指出，“在部署諸如風能以及太陽能等間歇性可再生能源方面，如何保證其與系統兼容是一個巨大挑戰。”在很多國家，其現有的整個電網旨在處理穩定可靠的發電，而風能和太陽能高度依賴于天氣狀況，這意味著其在用電高峰時不一定能夠滿足用電量需求。
沃森解釋稱，“不同季節的用電量差距很大。”大多數國家目前是通過維持可靠發電站的常態化運行來解決這個問題。這意味著核能、天燃氣以及燃煤發電站平峰時處于低水平運行狀態。而當風力下降或是太陽下山之后，其就會相應提高生產力，
根據麻省理工學院能源科技主任羅伯特·阿姆斯特朗（Robert Armstrong）的說法，這反而限制了可再生能源的實際使用量。阿姆斯特朗的模型表明，在沒有能量存儲的情況下，僅有10%的電力來自于太陽能。“原因在于太陽能發電主要集中在中午，所以未來應對早晚用電高峰，你需要啟動更多的太陽能發電裝置來匹配需求。這牽扯到建造和投入資金的很多問題。”
對此的一個解決方案是使電力分輸的網格更大，也就是創建所謂的“超級網絡”。其基本思想是，如果能量能夠在一個更廣泛的區域之內共享，那么諸如太陽能和風能就能夠得到更為充分合理的利用。
相關方案設想將幾個國家的能源網絡連接在一起，從而使得國與國之間可以共享電力。幾十年來，關于在歐洲與美國之間建立超級電網的想法已經得到了反復討論。最近有人呼吁建立一個全球能源網絡，這一想法得到了中國國家電網的支持。
現在全世界已經有所動作。英國正在與法國，比利時，丹麥，愛爾蘭和挪威建設能源網絡，而日本，俄羅斯，中國，蒙古和韓國也在建設超級電網。
俄羅斯斯科爾特科技研究所亞洲超級電網項目經理Ksenia Letova說：“將需求較少地區的電力轉移到最需要電力的地區將有助于實現巨大的經濟效益。“在日本和韓國等國家，由于在夏季大量使用空調，往往出現用電的季節性高峰。而在俄羅斯遠東和西伯利亞，恰恰是最低電力需求的時期。
而利用鄰國的過剩可再生能源或將有助于降低建造新能源項目的成本。例如超級電網有計劃在蒙古戈壁沙漠和中國西北部地區開發大型風力和太陽能發電站。這些地區人口稀少，但輸出過剩能源可帶來顯著的經濟效益。
Skoltech科學技術學院能源系統中心主任Janusz Bialek指出，“最大的問題在于建造超級電網的成本問題。長距離傳輸電力會造成大量損耗，很多參與國家都需要升級電力傳輸設備。同時，這種超級電網產生的任何故障都會威脅到很多國家的能源供應安全。“
而能源安全已經成為地緣政治格局的主要推動力。目前擁有大量石油儲備的國家在很大程度上能夠影響到全球政策。像沙特阿拉伯這樣的國家由于地下埋藏的大量石油，成為了不少國家結盟對象。
然而，隨著各國對可再生能源的依賴程度大大增加，這也在不斷悄然發生變化。目前世界上最大的石油生產國是沙特阿拉伯，美國和俄羅斯。相比之下，目前最大的太陽能生產商是中國，德國和日本，而美國，中國和德國是世界風能領域的領導者。
諸如摩洛哥等國家開始在境內的沙漠地區建設規模龐大的太陽能發電項目，希望將這種資源大量出口到其他國家，這可能導致這種小國將在全球舞臺上發揮更大作用。如果蒙古能夠在戈壁建立了巨大的風能和太陽能儲備，它完全可以改變其在世界上的現有地位。
然而，如果能找到存儲電力的好方法，則國家之間電力共享的需求將會減少。除了廣泛的可用性和可操作性，化石燃料比可再生能源還有一個重要優點，那就是它們非常易于儲存和運輸。
圖：化石燃料非常易于儲存和運輸
目前，對于存儲太陽能或風能產生的電力并沒有什么簡易方法。像電容器和飛輪這樣的技術僅僅能夠存儲幾分鐘或幾小時的能量。許多在研究太陽能、風能產生的電力過剩時該如何存儲電力。水庫可以提供一些解決方案。在英國，過剩的電力被用于將水泵送到蘇格蘭和威爾士水庫，從而被存儲為勢能。當需要時，水被釋放以驅動渦輪機發電機。
目前正在北海鋪設的海底電纜也將很快使得英國能夠使用挪威的大量水電資源。通過風能和太陽能產生的過剩能量也將通過這條線路輸送挪威進行存儲，然后在需要時再輸送回來。
但建設新的水電大壩對環境有一定的爭議性。因此研究人員也在尋找另一種解決方案。一些人正在尋找開發電池組以存儲這種能量，但是目前的電池技術還不足以有效地存儲大量能量。
“我的想法是，通過燃料的形式來解決，”阿姆斯特朗說。 “我們或許可以通過過量的太陽能或風能分裂水生產氫氣，采取一些過剩的能源制造合成碳氫化合物。
目前世界上有一些小規模的項目正在從事此類研究。例如，蘇格蘭的阿伯丁正在運行世界上最大的氫燃料電池示范項目。研究人員將可再生能源用于產生氫氣，從而為市內的10輛公共汽車供電。
對過剩可再生能源的存儲也有助于解決很多國家面臨的取暖問題。沃森指出，“像英國這樣的國家面臨的重要問題是，如何使得取暖具備可持續性。這些國家依舊在使用化石燃料進行取暖。我們需要找到一種能夠將能源存儲數個月的解決方案。“
目前北歐的大多數國家都使用天燃氣來進行取暖。英國國家電網電力網發展負責人朱利安·萊斯利（Julian Leslie）說，如果英國放棄天然氣轉而用電取暖，那么電網容量將需要擴充四到五倍。萊斯利指出，“這太過于昂貴。“
在減少二氧化碳排放量方面，沼氣和生物燃料通常被視為化石燃料最可行的替代品之一，像BP這樣的公司在開發生產線方面投入巨資。然而使用這些燃料不能阻止溫室氣體釋放到大氣中。隨著世界許多地區頁巖油和天然氣開采量的加大，似乎我們在未來一段時間內還將依賴化石燃料。
“到2050年，我們仍將從化石燃料中獲得75％的能源，”阿姆斯特朗說。 “關鍵問題將是如何減少這些能源的二氧化碳排放。這將需要碳捕獲存儲和利用。降低捕獲碳的成本可能是最困難的，但我們還需要找出如何存儲的方法。
碳捕獲包括從煙囪排放的廢氣中洗滌出二氧化碳氣體。通常，這涉及昂貴的化學品來捕獲二氧化碳，并且在現有技術條件下需要對發電廠進行重新設置，從而使得混合物能夠在洗滌過程中被加熱。但是，現在研究人員正在開發一些利用金屬離子的新方法，從而減去在洗滌過程中加熱化學混合物。
圖：或許有一天能源公司將能夠控制我們的家用電器運行
一些人認為，我們大可以通過更為直接的方式解決可再生能源面臨的諸多問題可以通過更直接的方式克服，例如更密切地監測各個家庭的能源消耗情況。到2020年，歐盟計劃在家中安裝5億個智能電表，以監測能源使用情況。
詳細的分時需求有助于電力公司更好地管理電網。蘇格蘭愛丁堡Heriot-Watt大學智能電網講師Valentin Robu指出：“人工智能對分析電網大量數據并采取實時控制決策至關重要。
它也可能導致我們消費技術方式產生根本性變化。 “在不遠的將來，或許當我們要求能源公司提供價格最便宜的電力時，他們會給我們發送一些連接到我的WiFi網絡的插頭，”Leslie說。 “這意味著你不再能夠控制你的洗碗機或洗衣機。
相反，這意味著我們的能源公司將控制我們的家用電器運行。當天氣晴朗，太陽能充足或需求低時，他們可以授權打開這些電器。
這種方法意味著從根本上消除我們在過去一個世紀中堅持的“按需使用電力”消耗能量方式。相反，當我們的冰箱等電器運行可以由天氣狀況或不同時間段來確定。例如，我們的洗碗機可能在白天我們不在家時運行，而不是在晚上工作。
Leslie說：“多年來，我們都是隨心所欲地消耗能源。或許今后我們的能源使用將不得不由其存在和可用性來決定，而不是讓能源生產來迎合我們的需求。”
(責任編輯：王真_NT5228)
