参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2007-23
2007年5月28日
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向可更新能源跃迁
— 能源经济概观之三
柯堤
中国的目标是要在21世纪中叶实现现代化。这意味着什么？迄今为止，现代化的基本含意就是在物质的生产与消费上达到西方发达国家的水平。这些国家有一个基本的共同特征，那就是消费大量的矿物能源（即不可更新的石油、煤炭、天然气等）。例如美国1990年人均消费11吨标煤，日本同年的水平为五吨，OECD的平均水平为六吨标煤。 如以美国的标准计算，到21世纪中叶，我国的能源年消费总量将达165亿吨标煤（以15亿人口计），这比2000年全球能源消费总量130亿吨标煤还要多出近27％；如以日本的标准计，我国21世纪中叶的年均能源消费总量亦将为75亿吨标煤，相当于130亿吨的60％。
这将对全球气候产生什么影响？1995年全球二氧化碳排放量为60亿吨， 以日本的标准计，到21世纪中叶，仅中国实现现代化这一项因素，就会使届时全球二氧化碳排放量达到近100亿吨的水平，这会使温室效应明显增加。更重要的是，由于大量燃烧矿物燃料，从20世纪70、80年代的氧气消耗增长趋势来分析，至21世纪80年代大气圈中的氧气含量将不再是20％左右（这一比例已保持了5000万年以上），可能仅剩下8％；这是地球早期尚未出现植物的水平，它意味着大城市和工业中心的缺氧状况将变得特别尖锐。
显然，西方发达国家曾经走过的现代化之路，很难为中国所始终效法。中国这个世界上人口最多的发展中巨国，似乎注定只能走上另外一条独具自身特色的现代化之路，即发展方式的跃迁之路，这是一条从加强自然循环过程、而不是靠不断破坏这一过程来发展人类自身的道路。
一、基础循环与生产方式
实际上，生物的物质、能量循环（或流转）是由保持相对平衡的功能单元所组成的系统，它把进入本系统的各种物质转化为有机物和被机体排出体外的代谢产物（本节的描述详见马尔科夫所著《社会生态学》）。
可用一个由生物圈的三种基本功能单元 — 生产性生物、消费性生物和还原性生物，组成一个简化的循环系统；并分别用A、B、C来表示上述三种单元（为简便起见，在下述分析中未涉及水、氮、磷、氧等基本循环）。
生产性生物代表植物界，它们在光合作用的过程中从大气圈吸收二氧化碳，并释放出氧气；此外植物还需要从土壤的腐殖土中吸收各种有机物（R）。生产性生物的活动可表示为A：（R、CO2）→（O2、WA），变换式中WA表示相应活动生成的植物物质。
消费性生物代表动物界，它们是异养生物，其生存需要消费植物物质和氧气（忽略食草和食肉动物的差别），同时排出二氧化碳；其活动可表示为B：（O2、WA）→（CO2、WB），式中WB表示相应活动生成的动物物质。
最后，还原性生物（如细菌、真菌等）把死亡的动、植物转化为腐殖层中的有机化合物以及有机矿物（M），如煤、石油等，这一过程可表示为C：（WA、WB）→（R、M）。
由上述各式可知，除有机矿物M外，A、B、C三个单元输出端的生命活动产物，与其输入端的产物完全相同。如把剩余物M忽略不计，则作为由A、B、C这些功能单元组成的生物圈（∑）的活动，可由下述更简化的“反应”式表示∑：X→X，其中∑＝（A、B、C），X＝（R、CO2、O2、WA、WB）。
另外，我们也可把生物圈本身∑看为：一种把A式（生产性生物反应式）左侧所隐含的太阳能转换成有机矿物M的太阳能转换器。如此，生物质、能的循环就可看为这种转换的一种机制；而生物圈的功能作用在这里可表示为E→M反应式（E为太阳能）。
整个循环系统越完善，特别是因不可逆过程的结果而退出循环的物质越少，地球上的生命进化条件也就越有利。有机物矿化过程（如煤、石油等矿物沉积过程）中所表现出来的自然循环失调率，仅占百分之几。以生物圈各种不同功能单元之间的交换过程为前提条件的物质和能量循环（或流转），保证着生物圈的存在及完整性。由上所述，可把高度简化的生物质能循环流转系统表示如下。
在图中，有关符号的含意及过程的机理，已在前文中描述过了，这里不再多说。现在我们要用这个图对以往人类社会的几个基本发展阶段作一概略说明。
在前农业社会里，人类以采集和狩猎为生。其主要特征是从WA和WB的年流量中取出一部分W供人类生存之用，如植物界可供食用的天然果实及一部分动物。只要W的年取出量不大于自然界中动、植物的年生长量，上述生物圈的质能循环与流转就可以正常持续下去。这个条件在当时的人口状况和消费水平下，是容易保证的，所以前农业社会持续的时间最长，要以万年计之。
然而，由于人类这个特殊的生物种群的总量不受一般食物链关系的制约，再加上人不能直接吃草，故而在生物圈的年生物总量中只有很小一部分可供人类直接食用。因此，随着人口的增长，前农业社会的生产和消费方式不得不发生变革。
在农业社会里，原有的采集—狩猎附加循环（W）已不再居于主导地位，取而代之的是人工种植的作物和人工养殖的牲畜；这是一个新的附加循环，即（a，b）。虽然该循环的可直接食用部分的比例很高，但整个生物圈的年生物总量却有所降低（如因过牧、滥垦等）。尽管如此，它仍与原有生物圈的质、能循环方式相去不远；因此，农业社会持续的时间也相当长久，要以千年计之。
随着人口的增长和人均消费水平的提高，农业社会的生产和消费方式也不得不发生变革。这时候，工业社会登场了。在这个社会里，原有的附加循环（W）和（a、b）全都退到了次要或无足轻重的地位；代之而起的是一个不具循环或流转特征的开环生产—消费系统（m）。它的基础是在地质时间尺度里积累下来的矿物和能源。对于人类而言，这些矿藏全是可耗竭的；尽管它们中的很大部分（m）仍是生物圈E→M反应式中的产物。简言之，工业社会这个生产—消费系统（m）是靠消耗没有或来不及补充的库存物资或靠吃“本金”来过日子的。
工业变革对生物圈原有的质能循环影响很大，其中最重要的影响是它极大地降低了其年生物总量，这从森林面积的大幅度减少可见一斑。另外，从能量利用的角度来看，工业社会的生产—消费系统的能量效率是最低的。例如，在前农业社会和农业社会里，用不到一卡的矿物卡路里能便可生产出一卡食物能；但在工业社会里却要为此投入十卡矿物能。这正是人们所说的“石油农业”和“石油社会”的形象数量表征。在这样一种能量收支极不平衡的状态下，且人类种群总量又高达60亿人以上，工业社会的寿命只能是前述三个社会中最短的一个，看来它的持续时间只能以百年计之。
旧的工业化之路是从减弱生物圈质能循环中获“利”，是少数人发达和现代化之路，对于大多数人来说，这是一条死路。新的发展之路则要从加强生物圈质能循环中获利，即要把旧技术体系下形成的生态和生产、生活三个子系统的竞争关系扭转过来，通过更新重整技术体系，使上述三个子系统变成互补的良性的耦合扩展的循环体系，亦即要在上述图中的E（水能和风能都可看为太阳能E的间接形态）上做文章。在下文中，我们将针对能源供给方面进行讨论。
二、可更新能源的潜力
文献 对21世纪中叶我国实现高度现代化时的能源消费做出如下描述：以16亿人口和人均消费四吨标煤计，则届时全国年能源消费总量为64亿吨标煤；其中：可更新能源约合37亿吨标煤，所占比例为57.8％，不可更新能源约合27亿吨标煤，所占比例为42.2％。现在要进一步提出的问题是：如展望到21世纪末，能否在64亿吨标煤中，继续扩大可更新能源的使用比例，例如使其达到80％以上的比例。下面将对此略做分析。
（一）风能
根据文献的分析，到2050年，我国风电装机四亿千瓦，年利用3000小时，届时风电总量1.2万亿度，约合标煤3.8亿吨。
到目前为上，风电技术有几项突出进展。其一，无磨擦风力涡轮机。“磁浮”风力涡轮机运用先进的铁路所采用的技术代替了滚珠轴承，从而制成了无磨擦涡轮机，这可借助低至每秒1.5米的风力来发电。
其二，漂浮海上风车。2006年9月，麻省理工大学和美国国家可再生能源实验室研究人员最新设计出一种新型的风力涡轮机，它可固定在离海岸较远处的漂浮平台上，既可以更大的满足我们的能源需求，又节省了发电的费用。这种新发明的涡轮机是固定在漂浮的海上平台的，平台的四角用长的钢缆系在海底的混凝土石柱上或其它类似的停泊索具上，这种平台要比固定塔楼的成本低得多。根据离岸越远风力越大的原理，这种可在水深100~650英尺地方工作的浮动型风力涡轮机的发电能力可达五兆瓦，而普通的陆上风力涡轮机只有1.5兆瓦，传统的离岸风力涡轮机也只能达到3.5兆瓦。根据计算，即使飓风来临，平台的移动幅度也在3~6英尺的范围内。这种浮动型平台的制造和安装费用，仅是目前离岸塔楼式风车所需费用的三分之一。它还有另外一个好处：使用浮动平台就可将风车移动到各个地方。
其三，风筝发电机。其工作原理很简单：风筝在风力作用下，带动固定在地面的旋转木马式的转盘，转盘在磁场中旋转而产生电能。对每个风筝而言，转盘都会放开一对高阻电缆，控制方向和角度；其形式类似风筝牵引冲浪的类型 — 重量轻、抵抗力超强，可升至2000米的高度。据估计，其每1000度电的成本只有1.5欧元；这种旋转木马发动机的其它组件加起来的成本也只有36万欧元，而且只需要有限的空间，即便直径只有100米（占地约47亩），风筝发电机也可产生50万千瓦的发电能力。
根据这些进展，展望至21世纪末，可设我国风电装机达到六亿千瓦，年利用4000小时，届时风电总量将达2.4万亿度，约合7.6亿吨标煤，比2050年多生产3.8亿吨标煤的能量。
（二）生物质能
文献提出到2050年，我国每年可生产出约40亿吨的生物质能（未包括谷物和粮食等）。展望至21世纪末，通过跨区域配置水资源等战略措施，可以在北方近40亿亩干草原开辟约十亿亩左右的高产饲草料地，多生产出约十亿吨干物质。在约六亿亩海涂（1.8万公里×12海里）的范围里，利用工程微藻技术，可生产出约三亿吨碳氢化合物（干物质）。
由此可知，至21世纪末，我国生物质能的年生产总量可达53亿吨（如包括6~7亿吨的谷物和粮食，则其总量可达60亿吨）。这比2050年的水平多出约13亿吨，折标煤8.6亿吨。
（三）太阳能。
文献未对此项进行估计，然若展望至百年这一尺度，则太阳能对不可更新能源的替代潜力极大。下面仅举两种已经实现的范例。
其一，太阳能聚热发电（简称CSP）。CSP的原理是利用镜子将太阳能聚焦到一个装有某些气体或液体的管道或容器上，将气体或液体加热到400度（°C），然后带动传统的汽轮机发电。2006年11月，两位德国科学家在提交给德国政府的科学报告中指出，利用聚光镜覆盖在地球沙漠地带0.5％的面积上，就能满足全球的电力需要，而且能同时给沙漠地区提供丰富的淡化水；巨大的镜面造成的阴影区可以用来搞园艺，灌溉用水是发电站产生的冷却淡化脱盐水。这些冷水还可用于空气调节。这意味着，建一个沙漠太阳能电场和农场，不仅能提供电力，还能提供淡水和空调。这种形式的太阳能利用还有一个别种形式的太阳能所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍能带动汽轮机发电。据估算，CSP每覆盖一平方公里，每年可以产出相当于150万桶石油（即20万吨石油）的能量；按目前的技术，建一个这样的发电站，其成本相当于每桶50美元的石油价格。但当巨型镜子的生产能够达到工业化程度时，成本可能降到相当于每桶20美元的石油价格。单从发电方面说，目前太阳能聚热发电还无法跟天然气竞争，但加上淡化水以及空调的功能，CSP比天然气要便宜，而如果再加上减排CO2的功能，那么它绝对跟天然气有得一比。
其二，使用太阳能源的住宅。斯崔斯基的住宅面积约300平方米，绝热性能极佳；他的住宅外观与普通住宅相差无几，但住宅用电全靠附近约100平方米的太阳能电池板供给。他有时还利用家中电解装置从水中分解氢气，存入气罐，以便为氢燃料电池充电，并驱动同样环保的氢燃料电池汽车。在夏季，太阳能电池板能为他提供比家庭用电多60％的电力；这时，他会把余电以氢气或氢燃料电池的形式储存下来，留待冬季太阳能供给不足时使用。
在上述两例中，前者是集中利用太阳能，而后者是分散利用太阳能。这里仅对前者做点推广：在我国西北部的沙漠地带，光能资源极为富集，仅须在适当地点开辟出一万平方公里的太阳能电场，就可每年得到20亿吨石油当量的可更新能源，折标煤近29亿吨。另外，发达国家在21世纪前半期，电力需求占总能量需求的比例（电气化率）将达到50~60％，而民用电量将达到总用电量的60％左右； 读者可由此对分散利用太阳能的潜力做出估计。
综上所述，至21世纪末，风力、生物质能和太阳能三项总计，可比2050年多提供约41.4亿吨标煤当量的可更新能源。文献提出，到2050年，我国能源消费总量为64亿吨标煤，其中不可更新能源的消费量为27亿吨标煤，占64亿吨的42.2％（其中：核电提供3.2亿吨标煤当量的能源，石油和天然气提供11.4亿吨标煤当量的能源，煤炭提供12.4亿吨标煤当量的能源）。将41.4亿吨标煤与27亿吨标煤两相比较，易见至21世纪末，我国的能源供给完全可以建基于可更新能源之上，且在技术上不存在颠覆性的障碍。这就是本文的结论。
三、小结
到21世纪中叶前后，我国人口将达到峰值水平15~16亿，届时我国将全面实现现代化，如以16亿人口和人均能源消费五吨标煤来计算，则其时能源总量将达80亿吨标煤；如以15亿人口计算，则其值将为75亿吨。根据文献和本文的分析，在2050年，我国可更新能源的供应总量近37亿吨标煤，其中水电为五亿吨标煤，风电为3.8亿吨标煤，生物质能为28亿吨标煤；至2100年，我国可更新能源的供应总量将达78亿吨标煤，其中水电仍为五亿吨标煤，风电增至7.6亿吨标煤，生物质能增至36.6亿吨标煤，太阳能为29亿吨标煤。
这就是说，即使按照中限标准（16亿人口、人均能源消费五吨标煤），用可更新能源来保障我国全面实现现代化，不存在实质性的障碍。因此，用行政的办法限制能源的使用并不可取，取而代之的应是在逐步增加人均用能水平的过程中，不断提高能源的使用效率和可更新能源利用的水平。
