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氢锂无未来?细数新型能源的七宗罪!

撰文:徐鸿鹄 | 排版:王晓峰 | 校版:几何智库

⚠ 全文总长约含6500字,预计您的阅读时间为15分钟。

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马斯·索维尔说,经济学的第一课是稀缺性。

即我们没有足够资源来完全满足所有人的愿望。

而政治学的第一课,则是无视经济学的第一课。

能源的惰性,引擎依赖症,马尔凯蒂宿命论,能源的七宗罪让人类举步维艰…


 

懒惰的巨变


语中的die Wende表示逐渐地转向的意思,也可以表示突然的U型掉头。


在这个词被应用于能源领域之前,最常用的是后面的这个意思,用来描述1989年东德所发生的那件事情。


德国人的民族信仰,更具有反工业化,崇尚自然主义,浪漫主义的特征。尽管德国人期望自己成为快速实现脱碳的典范,但这注定是一个旷日持久的过程。


优秀的转换效率,卓越的生产力(从不到1W微机电到工业GW级供能),无与伦比的灵活性(甚至只需要拨动开关),多种原因促成了电力成为当今人类首选的能源形式,并成为支持现代文明运行的必需品。


只有在运输方面,电力还没有为全部关键领域做好准备,而其中的一些领域,短期的未来也不会被电力所覆盖(比如航空和远洋运输,乃至于太空运输)。


新概念靓丽光环的背后,人们不得不再次提起那句拉丁语格言:日光之下没有新鲜事。


历史失败的教训还历历在目:皮肯斯计划谷歌能源计划的失败,就是人们高估新能源发展而导致误判的典型案例。

我们以前认为随着当今新能源技术的稳步发展,我们或许可以避免带来灾难性的气候变化,但是我们现在知道这个愿望脱离了实际。

问题是,要将对流层的平均温升控制在2摄氏度以内的话,我们还无法精确计算化石燃料的二氧化碳排放空间还有多少,因此我们只是武断地给出了一个上限,并将其作为全球能源政策的最高准则。



另一方面,则是现实的依赖,短期内,我们无法摆脱对化石燃料的依赖,长期来说,完全取代化石燃料仍然挑战重重:

2004−2014年的十年间,德国电力生产二氧化碳排放量仅下降了5.4%(德国联邦环境署,2016),而同期美国电力生产的排放量下降了12.9%(美国能源情报署,2016),是德国的两倍。


美国没有强制性的脱碳目标,仅仅是依靠市场的力量来驱动能源转型,其脱碳效果反而要比德国高度吹捧的国家能源转型计划更加有效。


这个无奈的现实让德国情何以堪?



解铃还须系铃人,回看历史,我们意识到,某个技术是否能大规模的应用与其自身的性能息息相关:


  • 对基础技术和工艺是否具备充分的科学认知?

  • 是否有合适的高性能材料?

  • 材料的供给量是否可以满足需求?

  • 生产工艺是否满足所需的用量和质量?

  • 基础设施的建设是否周期过长?

  • 是否存在大规模竞争的市场?


世界上没有一蹴而就的事情。

我们需要时间筹集资金。

需要时间实现大规模的资源开采和转换。
需要时间建设大量的基础设施将能源推向全球市场。


往往这些执行层面的技术和经济问题都被人们轻而易举地忽视了。


百年之前的1900年,
我们已经有了大量的汽油,但是没有大量的汽车,没有大量的舰船支撑全球贸易



我们已经有了电力,但是没有任何家用电器,没有消费类电子产品

我们已经有了能源密集型工业,但是没有氨的合成工业(氨工业是地球能养活70亿人的关键原因之一)


 

从发明,创新到大规模商业普及通常会有一个很长的时间跨度,因为能力所限,人们需要花费很长的时间来完善新发明新生产方法和技术基础。

过去的能源转型都刺激了技术的进步,并为发明创造提供了前所未有的机遇。
同时,新能源带来了巨大的挑战,废弃旧设施,兴建新设施,重组生产和运输方式。所有这些活动都成本昂贵,旷日持久,造成严重的社会经济秩序混乱。

 

能源,材料,和运输的这些基础保障了现代文明的正常运作,但也限定了其作用范围。这些基础稳步提升,但其性能最多每年增加1%-3%,这些基础的输入成本和长期下降也是稳步和缓慢的。


对一些基本的能源生产过程和转换过程来说,比如煤炭的地表开采和专列运输,油轮运输原油,炼油厂处理燃料,火电厂的涡轮发动机组或长距离输电电压,在过去的几十年中,它们的最佳性能,最大额定值,单位容量都没有或者只有极少的提升。


能源的惰性让人类步履维艰。

 

 

能源七宗罪


源转型历史还表明了,很多意料之外的情况会对新能源及新能源转换技术的经济可行性,公众接受度,以及政府的支持产生很大的影响。 


这种影响会改变人们对新能源的应用或普及速度,甚至会出现技术的倒退。


这不是危言耸听!


要知道,在能源行业里,过去50年里,人类已经至少经历了七种类型的“意外”。


这就是我们要历数的七宗罪:

1.能源价格出现不可预测的变化。比如1973-1981全球原油价格上涨,然后又是雪崩式的下跌。


2.全球能源市场突然出现新的主要消费者。比如中国从1980年开始,从石油出口国,转变为2009年开始的全球最大能源消耗国。


3.对某些之前认为是有效且有价值的方法失去信心,即突然拥抱某些有问题的或者不成熟的技术,但是又同样地抛弃这些技术。比如核能发电一度被认为是解决电力短缺的终极方案;比如加拿大巴拉德动力系统公司2000年至今研发投入高达10亿美元,在经历了第一轮氢燃料动力的热潮后,2016年光芒散尽经历低谷,一度决定放弃开发这一技术(更戏剧性的是,此后氢燃料电池技术又在全世界范围内炙手可热了,巴拉德甚至垄断了全球超过70%的氢燃料电池份额)。



4.能源的使用对环境产生长期影响。比如,酸沉降在1980年是西欧和美国环境方面首要担心的问题,而随着燃料脱硫,低硫燃料的发展,这个问题被淡化。另外中国对于煤炭的大量消耗虽然有酸沉降的问题,但这里的人们却更在乎全球变暖带来的问题。

5.前所未有的经济危机。比如2008年的经济危机让美国很多能源目标和期望脱离了预定的轨道。



6.财政管理不善。其影响很大,转型可能被推迟或终止(政府给予整个能源产业或某些特定能源的补贴,也会给能源开发带来影响,这些干预措施花销巨大,形式各不相同,有的项目支持的坚定程度令人难以置信),比如从上世纪50年代开始,核聚变研究已经花费了数百亿有些产业支持和信贷供应很不稳定,可能几年后就被削减撤销,一开始的乐观很快就被怀疑取代。可再生能源发电,生物替代燃料领域都是重灾区。美国在乙醇路线上的支持从2005年开始,但是2015就已经大幅收缩了,中国在2000-2014年,燃煤发电建设浪潮总计投资超过了1万亿美元,这些发电厂预计要使用至少30-35年才能收回成本。

7.政府不断希望支持新潮的解决方案,但这些方案的长期影响能力有限,甚至没有效果。比如20世纪70年代美国核能扩张离不开人们对这一技术的巨大期望,人们希望液态金属快中子增殖反应堆的快速发展,能够实现20世纪90年代完全取代化石燃料,但在1978年,这一技术路线即被放弃,目前仍没有任何一座液态金属快中子增殖反应堆正式服役;20世纪70年代,全球水电大坝建设经历了巅峰的十年,可在2010,世界银行竟然不愿意给任何新的水利项目发放贷款了。



七宗罪带给我们的启示是:能源转型不是由一个简单的因素引发的。

 

在历史的观点下,能源转型甚至需要特定事件的序列才能实现——少了任何一个环节,或者因为不可预见的时间造成推广的延迟,都会导致截然不同的结果,并极大地延长转型的过渡周期。

液化天然气的发展就是一个很好的例子,表明了转型之路的艰难。



液化天然气的普及经历了四个阶段:

1.天然气液化技术的发明和商业化:1852-1895
2.建立液化天然气的供应链(液化—油轮运输—再气化):1915-1959
3.提高液化总量和液化天然气油轮的运载能力,从而降低成本:1964-2015
4.让更多国家进口并使用天然气,扩建大型终点站,输气主干线和配气管道:1984-至今

液化天然气经历了无数的艰难险阻,才漫步来到我们面前:克服第一代液化天然气系统的高昂建设成本,欧佩克控制能源价格上涨,伊朗政治因素,美国政府放松油气价格的国家干预,低廉页岩气开采和原油价格下跌等等,每一项阻碍都有可能中断能源发展的进程。

如今,液化天然气产业已经涵盖遍布四大洲的超过30个进出口国家,贸易额占国际天然气贸易的32%,交易方式也很灵活,传统长期合同与现货市场购买并存,这种能源形式已经站稳了脚跟。



液化天然气的历史清楚地表明了,具有创新性的理论概念变为现实技术的可能性,以及推动这些技术进步,降低其成本并普及创新成果,直到最终形成新的能源产业,需要长达几十年甚至上百年的时间跨度。

如果液化天然气占据天然气能源供给绝大部分份额,又要多久呢?


如今经济停滞不前,能源价格下跌,已拟定的液化天然气项目频频取消,导致液化天然气的发展再次放缓,从任何一个角度来看,液化天然气的发展史都完美诠释了主要能源转型的两大内在属性——复杂性多变性

 

 

引擎依赖症


新世纪里,一个颇为常见的思想误区,便是认为正在进行的能源转换速度要比过往转型的速度快得多。这一误解来自于将能源转型(铁板一块的热力学定律)与现代电子产业发展(尚未达到普朗克尺度的摩尔定律)的不恰当类比。


在电子产业里,英特尔占全球微处理器的市场份额接近80%,但它也只有10个生产基地。全世界也只有300个高品质晶硅生产基地。

如此少的生产设施与能源或汽车制造业的情况截然不同。


假设把全球材料的5%用在能源产业里,数千个大型煤矿和火电站,大型油轮和天然气运输船;数万个大型变压器,水电站和油田;数十万个加油站;数百万公里长的石油管道,天然气管道,高压输电网…


这些基础设施的材料包含的能量,根据国际能源署的测算,就等价于至少15亿吨原油的能量了。看到这个数字,你觉得投资人会在收回投资成本并产生效益之前,简单地跟这些基础设施说再见吗?


2010年-2015年,光伏发电增长了6.7倍,但2015-2020的周期里,预期仅会增加0.3倍。这还是发展飞快的光伏产业,与摩尔定律相差甚远。


光伏电池的效率提升非常缓慢,美国国家可再生能源实验室对单晶的最佳转换率做了测算,非聚光型电池与薄膜太阳能电池转换效率的平均年增长率只有1.6%和3.8%。也就是说,市面上普通的太阳能电池性能要实现翻倍,需要18-44年。


风能也面临同样的问题,在可以预期的未来,其他发电技术的发电量都无法达到GW的级别,摩尔诅咒的迷惑力,无法用在能源行业。


一个国家的风能和太阳能装机总容量可以轻易地大于化石燃料的装机总容量,但由于可再生能源固有的低容量系数特性,导致了其发电量的占比不会超过所有一次能源发电总量的20%。



截止目前,风力发电和太阳能发电都没有进入真正意义上的全球性扩张阶段。


全世界目前最多的燃油发动机,是轿车和轻型卡车上使用的内燃机,更具体地说,是以汽油为燃料的火花塞点火发动机,以及在汽车,重型卡车,火车,轮船和重型机械上使用的柴油发动机。

截止2015年,这些机器的总数量接近15亿,总装机容量超过150TW!

 

纯电驱动是汽油和柴油发动机的唯一对手,但其大规模普及被多次延后,从如此浩大的替换总量上,你就能够明白,如果让电动汽车作出较大贡献,需要多大的增长量(至少要达到新车销量或在用车辆的10%),而目前,这个数据还不到1%,因此,纯电驱动不会在短期内完全取代内燃机。

 

瑞典在2015年宣布,将在2050年成为世界上“首批摆脱化石燃料的福利国家之一”。问题是,如果瑞典打算在其国境线以内不烧石油,那么瑞典就无法通过空运或集装箱货轮和散装船进口任何东西,因为要全球运输业到2050年完全停止使用液体燃料几乎是不可能的。



难道瑞典会要求把所有的进口货物用生物燃料卡车从欧盟运送到它的国境线上,再用骡子拉过边境嘛?

目前,柴油发动机广泛应用于繁忙的公路,铁路运输,大容量远洋运输方面更是完全占据了主导地位。目前还没有其它发动机可以替代柴油发动机,核心就在于,没有一款引擎能在成本,服务,可靠性,耐用性上与柴油机匹敌。

 

还有统治航空业的杀手锏:燃气轮机。基于类似的理由,短期内它也无法被替代。事实上,从20世纪60年代开始,燃气轮机就已经主导了全球的空运市场。



被问及世界上最重要的连续工作的原动机时,大部分人都不会想到另外一种引擎:蒸汽轮机。蒸汽轮机被安装在化石燃料发电站及核电站内,供应了全世界70%的电力,没有哪种引擎能够产类似的容量(最高单机容量高达1.75GW),效率(大于40%)和可靠性。


他们都不会消失。究其原因,要么是没有同样有效且可靠的替代品(发电,航空航海),要么是替代品无法迅速完成更替过程。


电动汽车是描述后者的一个绝佳案例。考虑到上述未来电池化学所面临的众多基本挑战,并考虑到新电池材料和概念的上市时间从10年到20年不等,对未来技术商业化时间表的预测需要更加谨慎。

 

要知道,人类对传统引擎的依赖要比一次能源的依赖更加严重。

 

如果燃料的转型以十年的跨度计算,那么原动机则以代(20-30年)计算比较好。因此,可再生能源转换对运输业的影响,在很长时间内都会局限在生产内燃机的燃油替代品上。

 

 

马尔凯蒂宿命论

前全球范围内,能源系统主要是在数量相对有限的地点集中式开采高能量密度的燃料,然后分散出去使用。


而未来如果要大规模采用可再生能源的话,能源系统就必须转变为在全球大量地区收集低能量密度的能源,再把它们集中用于人口日益增长的能源消费中心地区。

可再生能源占用广袤的土地,功率系数也低。

如果美国全部电力由可再生能源替代,国土面积则需要再扩张25%-50%,而如果利用化石燃料,水能,核能发电的现有规划,则全部仅占用了0.5%的国土面积。

全新的能源系统需要全新的能源供给管理和保障。


 

我们的住宅,工业和服务于燃油车的交通基础设施,都是化石燃料时代的产物。
如果利用可再生能源驱动化石燃料的基础设施(包括运输),就必须把分散的能源集中起来,以弥补两到三个数量级的功率密度差异。

 

比如,要充分利用电力这种相对分散取得的能源,来满足拥有较高功率密度要求的汽车产品,这种不匹配意味着,如果一定要建立一个基于电力的生态,就必须要进行深度的空间重组建设,而这会带来重大的环境和社会经济影响。

 

近期,中期范围内,我们的选择都将受限于技术创新和社会适应的速度。曾经的转型经验表表明,能源转型取代化石燃料,需要长达几代人的努力,大量昂贵的现有能源基础设施和原动机都存在极大的惯性,而建设新的转换设备和新的输配电网络又需要很多的时间和资本投资。因此未来的几十年里,大多数现代化国家的一次能源供给必将依然极大的受限于化石燃料。


 

世界上从不缺乏例外。快速的能源转型也是存在的。但通常出现在国土面积较小的国家。


无论人口稀少,还是人口密度很高,无论是富裕国家,还是不发达经济体,只要它发现某蕴藏丰富的新型一次能源,它们就能快速发展这种能源,并在不到一代人的时间里完成能源基础的转型。

1959年荷兰斯洛赫特伦市发现了一座巨大的天然气田——格罗宁根气田,并随后实现了快速能源转型。
1938年科威特在布尔干意外发现了白垩统砂岩上的世界第二大的超级油田,一代人的时间就步入了现代社会。

相反,对于大型经济体而言,尤其是有着相对较高人均能源需求的国家,由于已经建设了与其燃料需求相匹配的广泛基础设施,因此无法迅速地实现能源替代。

英国大力推动储粮丰富的近海地区天然气发展,但花了30年的时间仍无法达到荷兰在10年内取得的成果。


日本能源近乎完全依赖化石燃料的海运进口,尽管其造船技术一流,但其液化天然气能源替代速度之慢,与其世界第二的经济排名毫不相符。



马尔凯蒂曾经说过这样一段话:

一种能源的宿命似乎从其儿时就已注定。发展的趋势,经历了战争,经历了野蛮的价格震荡,经历了大萧条,却依旧安然无恙。即使探明了一次能源储藏的最终可用总量,似乎也无法对替代速度产生任何影响。 


尽管存在战争,经济停滞和快速增长等重大干扰,但能源系统好像自带一张日程表,一封遗嘱和一座时钟,它能够消化掉所有干扰,“具有充分的弹性,其发展趋势完全不受外力影响“


凯文凯利说,热代表着快,猛和高效,冷代表着慢,稳和灵活。总这个比喻来看,能源是冷的,而生命,也是冷的。


能源变革已经日益成为日常的口头禅,而锂电池和氢能源,正迎来全新的挑战和较量。这不由得让人思考:它们是否能够跳出马尔凯蒂的宿命论呢?




特邀撰稿:徐鸿鹄

作者微信:honghu967935

作者简介:最终的分析中,所有的知识皆为历史;抽象的意义下,所有的科学皆为数学;理性的世界里,所有的判断皆为统计。小步快跑,持续增值,拥抱偶然,抱团协同,抵制焦虑,相信未来

 

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About The Author
王晓峰
德国经济工程工学硕士 十一年德国汽车行业质量管理经验,拥有VDA 6.1/6.3/6.5以及IATF 16949 二级审核员认证资质。曾先后服务于多家世界前十的汽配集团,负责过质量体系的开发和改进,以及供应商全球化体系的质量管理与审核。现任职于某德国顶级汽车供应商ADAS商业单元,任职质量经理,负责多款主流车载传感器的项目对接,质量控制计划制定,产品工艺品控以及生产流程审核!
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