能源史话 | 能源替代的驱动力 ——高效能源替代低效能源

发布时间:2017-08-03来源:i能源 作者:熊焰

摘要:纵观几千年历史,以煤炭使用为标志,人类进入工业社会不过近200年的时间,但是,这一时期人类社会面貌改变之大、之快前所未有,超过以往任何时代的总和。

  能源替代是大势所趋,人类的能源使用史就是一部能源替代史。纵观能源升级换代的过程,有三大重要驱动因素:高效能源替代低效能源、清洁能源替代化石能源、经济能源替代昂贵能源。

  其中,高效能源替代低效能源,是过去人类能源利用变革的基本驱动力。从我们的经验来看,这在今天和未来仍非常有效。人类利用能源就是摈弃低效追逐高效的过程。旧石器时期,人类学会了使用火,一举跨入了能源历史谱表的启年篇——薪柴时代。

  进入农业社会,木材和薪柴仍是能源主体。这个时期人类也开始利用一些自然界的可再生能源,如用日光照明和光热干燥、取暖、海盐制造等;将水能转换为机械能,如水车、水轮泵和水磨等,提水灌溉和磨面;风能利用,如风车和帆船等。在漫长的数千年里,人类的能源结构没有多大变化。

  然而,伴随着生产发展、人口增长,木材和薪柴能源逐渐不能满足经济社会发展的需要了,这一矛盾后来越发突出,人们开始将目光投向煤炭,尽管它又黑又脏且开采困难。19世纪发生在英国并席卷欧洲的工业革命,标志着煤炭已经成为工业的血液。

  从宋朝开始的能源革命

  其实这不过是迟早的事,有关煤炭的能源革命早在宋朝就已经爆发了。起因是当时以柴薪为主的能源供给远远跟不上大宋人民群众的需求。宋代人口比以前大幅增加,首次突破1亿。全球有6个超百万人口的城市,其中5个都在中国,而汴京更是世界第一大城市。由此带来的生活和生产需求猛增,燃料生长与消费的平衡被打破。近处的林木消失后,人们只能去更远的地方获取,连皇家陵墓的树木也没有幸免。

  当时燃料主要依靠木炭,烧取木炭成为森林消失的重要原因。木炭的加工过程中木材损耗极大,木炭与木材之间的转化率是1:6,即1斤木炭需要6斤木材加工。用土法炼1000斤铁,需要消耗硬杂木和木炭10立方;将生铁加工成各种器具或炼钢,还需要更多木炭。炼铜消耗燃料数倍于炼铁。此外,除过冶金,陶瓷、煮盐、酿酒和制矾也需要大量木炭。

  燃料需求的暴增,使人们将目光瞄准新的燃料来源,这就是煤炭。相比木柴和木炭,煤炭的能量密度更高(煤的燃烧效能是木炭的3倍),也便于运输,很快成为汴京这样的大城市的主要燃料,广泛应用于冶铁业、兵器制造业、铁货币铸造业、陶瓷业以及造船业等。

  工业革命后的能源革命

  五、六百年后,欧洲的工业革命以更猛烈的方式再次发端于煤炭革命。16、17世纪的欧洲在遭遇到严重的燃料危机后,人们不再顾忌煤炭开采难度大,又黑又脏,烟尘污染等问题,义无反顾地投入煤炭的怀抱。果然,煤炭的利用开创了新纪元,把人类社会带进了第一次工业革命。

  随着机器大工业的发展,煤炭越发重要。1846年,英国煤炭年产量达到4400万吨,成为欧洲乃至全世界第一大产煤国,英国处处可见工厂,庞大的厂房发出隆隆轰鸣。工业革命不仅对英国和欧洲产生巨大影响,也改变了世界的面貌。煤炭开启了人类利用化石能源的时代,在18、19世纪,煤成为人类社会的主要能源。

  人类进入石油时代的叩门声,来自美国和俄国。1859年8月29日,美国人埃德温•德雷克在宾夕法尼亚州泰斯维尔小镇打出了一口深21.69米的油井,这口井被美国称为“世界第一口现代油井”。不过俄国人却认为,谢苗诺夫1848年在里海阿普歇伦半岛开凿的油井才是世界第一口现代油井。不过没关系,无论这顶第一的帽子戴在谁的头上,他们都对开启石油时代做出了不起的贡献:德雷克的成就更快转化为大规模产业,谢苗诺夫则最早使用了井架钻井技术,在1861年建成了世界上第一座炼油厂。

  石油时代的到来,催生了一系列副产物。19世纪末,用汽油作燃料的汽车、飞机,以及用柴油作燃料的内燃机火车和轮船相继出现,柴油还用于火力发电。石油逐渐超过煤炭成为20世纪的主要能源,到了20世纪60年代,全球石油的消费量超过煤炭。

  之后,天然气的利用也开始逐渐进入人们的视野。与此同时,伴随着电磁感应的发现,人类利用电力的大门轰然开启。19世纪末直流发电机和火力发电厂相继诞生,电力也开始成为人类广泛使用的能源,使用电力进行生产和工作的电气化成为经济现代化的标志。

  纵观几千年历史,以煤炭使用为标志,人类进入工业社会不过近200年的时间,但是,这一时期人类社会面貌改变之大、之快前所未有,超过以往任何时代的总和。一方面,工业生产更新换代,科学技术日新月异,另一方面,人类所使用的主体能源不断升级,能源结构发展变化极快。从煤炭到石油、天然气、电力,伴随数不清的技术革新,人类的能源利用和控制能力不断增长。能源变迁与人类发展,从第一块多米诺骨牌推倒之时,量变与质变就在两者之间加速交互推进。薪柴→煤炭→石油作为划时代意义上的主体能源更迭,核心的驱动力正是高效率能源替代低效率能源,高生产力替代低生产力颠扑不破的真理。

  何为高效率,何为低效率?

  直观来看,数量相同,能量不同,是高效率能源和低效率能源的区别之一。用一个参数来表示,高效和低效体现在单位质量的不同燃料完全燃烧后所释放热量的差异。比如,同样质量的煤炭热值比薪柴高,石油比煤炭高。

  除了燃烧效率的高低,高效能源同样体现在,伴随着薪柴→煤炭→石油的演进,每一种主导能源所对应工业化生产方式效率水平的不断提高。这也意味着,高效能源的出现提供了支撑高水平生产方式所必需的能源规模和质量,高水平的生产方式客观要求与高效能源相匹配。

  18世纪,煤炭的利用为工业革命提供了能源基础,由此带来了蒸汽机的发明。蒸汽机的广泛应用使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业获得迅速发展,蒸汽机车、轮船相继出现推动交通运输业的巨大进步。

  19世纪末,以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机出现,此后步入石油时代,汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等,将人类飞速推到现代文明时代。

  20世纪30年代,燃气轮机随着多领域的技术进步,获得了成功应用,应用领域不断扩大,如燃气轮机机车、舰艇、汽车等,并应用于工业领域。燃气轮机作为重大核心装备,大幅度提高了煤炭、石油、天然气等化石能源的使用效率。

  电动机的出现,与发电机同时起步。电动机是现代工业领域的基本工具,大幅度提高了全社会能源使用效率和工业生产水平,是高效率利用化石能源和现代工业电气化的基础。电动机效率也要远高于蒸汽机、汽油内燃机、煤炭直接燃烧等。电力的普遍应用和电气化时代的到来,也为大规模开发应用清洁能源并转化为电力提供了可能性和实现基础。如果清洁能源能够成为电源的主力,全球能源效率和能源利用水平将再次大幅提高。

  高效能源除了能源本身燃烧效能的高低以外,还有一个层面,就是能源利用水平的高效化和精细化,高效能源利用方式不断替代低效粗放的能源利用方式,也就是我们所说的能源使用效率。从过去的近200年中,人类能源使用效率显著提高,未来能源效率仍是各国追求提高和突破的方向。

  影响能源效率的因素

  影响能源效率的因素有很多。其中,人类生产力水平和生产方式、国家所处的工业化发展阶段和程度、科技发展水平和进步程度是共性的决定因素。以单位GDP能耗为例,在工业化初期,大多数发达国家都经历过从手工生产方式为主,全面转向机械化大生产为主的阶段。此时大批量消耗的原材料都属于高耗能产品,要耗费大量能源。

  第二、单位GDP能耗峰值出现的时间与工业化发展阶段和程度有关,比如英国单位GDP能耗峰值出现最早,美国、西德相对较晚,法国更晚些,日本最晚;第三、科技进步对能耗降低的作用是显著的,那些科技应用基础强和后发优势明显的国家,单位GDP能耗峰值越低。

  从过去近200年全球工业化进程来看,各国普遍都经历了能源效率不断提升的过程,虽然横向来看,大家的能源利用水平仍有较大差异,但是随着时间推移,纵向来看,全球和各国的能源利用效率都体现为不断提高的趋势,反映了能源开发利用的普遍特征。这也是高效能源替代低效能源驱动因素的直接体现。

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