• 未來能源發展將依賴能量儲存的突破
                    • 2017-04-11 13:37:51分享到
                    石油、煤炭同新能源的較量愈演愈烈,公眾習慣了從生產成本、資源量上來比較不同能源的競爭力。然而決定化石能源和新能源勝負的,更深層的因素是儲能方式的較量。
                     
                    《全球通史》的第一句話就是:“現代人所取得的一項杰出成就就是對過往歷史的研究和再現,而古人對在他們之前發生的事情則知之甚少。”作者舉例說:希臘歷史學家中最無偏見的修昔底德在研究伯羅奔尼撒戰爭之初就斷言,在他所處的時代之前沒有發生過什么大事——對歷史的忽視使他無法得知雅典無與倫比的光榮和貢獻。
                     
                    我們不能責怪古人的無知和疏漏,這緣于歷史本身的特性和人類有限理性的矛盾。一些歷史的重大線索并非清清楚楚呈現的,而是隱藏在草蛇灰線的痕跡中,只有當時間累積得足夠長,人們才能從零碎的事件中透視背后的規律,抽取清晰的脈絡,獲得對于未來的啟示。——這與其說是歷史的吊詭,毋寧說是歷史對人的誘惑。
                     
                    關于能源的歷史,同樣如此。我們一向熱衷于從物質層面討論能源的發展和變遷,這當然無可厚非,畢竟能源首先是作為一種巨大的物質力量而存在,“及物性”是能源作為一項社會經濟話題內在的特性。但當我的眼光逡巡在“水面”之下,試圖找出能源發展的深層動因和內在規律時,似乎隱約發現一些隱秘的“暗線”在不羈地波動,它們不是那么顯而易見,但又確實存在,它們既指向著能源發展的本質,也彰顯著人類文明進程的某些微妙而深遠的啟示。
                     
                    文明發展與儲存能力息息相關
                     
                    人類從動物發展而來,從“智人”開始,人類逐漸區隔于動物界,并成為萬物之靈,其中最關鍵的在于大腦的進化。以色列歷史學家赫拉利的《人類簡史》清楚地描述:大約是在距今7萬到3萬年前,智人出現了新的思維和溝通方式,即所謂的認知革命。得到普遍認可的理論認為,某次偶然的基因突變,改變了智人的大腦內部連接方式,讓他們以前所未有的方式來思考,用完全新式的語言來溝通。“智人”最終得以從遠古人類的眾多分支中脫穎而出,成為現代人類的先祖,原因正在于認知革命所帶來的大腦的快速進化。
                     
                    與當時的很多大型動物相比,智人的大腦只占身體總重約2%~3%,但在身體休息時,大腦的能量消耗卻占了25%,而其他猿類同樣狀態的能量消耗大約只占8%。好比同樣是一部“手機”,為何智人這么“耗電”?原因只有一點,就是智人的大腦儲存了更多的信息,大腦儲存能力得到了大大地拓展。大腦的快速發展最初源于人類的社會化所帶來的信息需求,通過建立群體交往在惡劣環境中生存下去并占據更多的主動,無疑是其背后最主要的動力。這種信息儲存能力與認知能力的相互促進,使智人在成為地球主宰者的路上走得更快。
                     
                    在文字發明以前,人類初民們所使用的信息只能留存在大腦和稍縱即逝的口語當中,繪畫和文字的出現,使信息交流突破了時間和空間的局限,極大增強了人類改造世界的能力。為了記錄思維活動的痕跡,人類使用過巖石、動物甲骨、金屬、竹木、布帛等各種載體,經歷了印刷術誕生、利用電磁波和計算機技術出現。近百年來,人類的儲存介質經歷了從錄音帶到軟盤、光盤、U盤到云端等不斷變遷的過程。21世紀的信息社會,還將創造出更加先進的儲存介質,更加廣泛和多樣地帶來全新的工作方式和生活方式。
                     
                    整個人類的進化史,也是一部人類信息活動的演進史。信息的積累和傳播,是人類文明進步的基礎,文化和科技的飛速發展緣于信息儲存能力提升。當作為人腦外延的信息儲存技術日新月異地發展之時,人腦的“內存”也在不斷拓展。英國每日郵報稱,科學家最新研究表明,人類大腦的信息存儲能力是之前預計的10倍。美國科學家現測量了大腦神經突觸的存儲能力,結果顯示人類大腦可以存儲1000萬億字節數據信息,相當于存儲13.3年高清電視節目的數據量,而人類真正利用的還只是很小一部分。
                     
                    信息儲存帶來了文學、藝術和科技的發展,而人類學會和發展出的花樣繁多的食物儲存能力,則有效地增強了體質,延長了壽命,拓展了活動范圍。動物馴化和養殖,糧食作物種植,肉食加工保存,奶酪,釀酒,干糧罐頭等等,都是對食物不同的“儲存”方式。儲存食物的能力使人免于饑餓和便于遷徙,最終使人突破地域的限制,走向了地球的每一個角落。
                     
                    《全球通史》記載顯示,在食物儲存方面,早期祖先基本上已經用上了我們今天所知的全部技術。他們擁有泥質灶,使用石板燒烤技術,在北極圈內冷凍食物,通過風干來保存食物,并用牛油或獸脂來密封食物。除了冰箱、塑料容器、煤氣和電力等純現代發明的用具外,舊石器時代的廚師對現代的廚房和烹飪技術并不會感到陌生。
                     
                    倒是罐頭的發展史,稱得上是一個創造性的故事,它改變了我們的飲食、購物和旅行方式。對于18世紀末期的海洋國家而言,食品是航海者和將領們腦海中縈繞不去的問題。18世紀50年代,超過半數的英國海員死于營養不良。如何在遠離陸地食品供應的條件下更好地生存下來,這一難題的解決顯得極其重要。奇跡制造者來自巴黎南部的一家糖果店,尼古拉˙阿佩爾發明了將食物放在密封的玻璃器皿內,再連瓶帶罐放入沸水中加熱的方法。在《保存動物和蔬菜的藝術》一書中,阿佩爾公布了他的發現。法國海軍最初使用了他的方法,英國商人彼得˙杜蘭德則進一步改良,用鍍錫罐保存食物,工程師布萊恩˙唐金購買了這一技術專利,并開始真正意義上的商業化規模生產。罐頭的發明,使人們不再為遠足時的食物匱乏而擔憂,為輪船的跨洋航行和戰爭的長途征伐提供了后勤保障,深刻地改變了近代歷史。
                     
                    能量儲存的進化路徑
                     
                    人類社會賴以生存發展的三大基礎是物質、信息和能量。世界是由物質組成的,信息是交流的媒介,能量則是一切物質運動的動力。在物質和信息儲存推動文明進步之時,作為人類能量的主要來源,能源的發展也不自外于這一規律,儲存能力的增強不斷改變著人們利用能源的方式,也有力地推動了產業發展和科技的進步。
                     
                    從鉆木取火開始,人類開始使用薪柴這樣的初級能源,這一最易獲得的生物質能,支撐了人類數千年的發展。與此同時,人們學會使用了風力和水力,并馴化了動物以獲得畜力,這些機械能成為人的自身力量的延伸,使人類改造自然的力量大大增強。
                     
                    化石能源的大規模使用,在能源發展史上具有顯著的意義。它的集中儲存和運輸,大大減少了搜集薪柴所耗費的人力成本,提升了能源獲取的便捷程度;從薪柴到煤炭再到石油,人類使用的主導性的化石能源能量密度不斷增加,則成為了技術快速進步的最大驅動力。煤炭和石油分別催生了第一次工業革命和第二次工業革命,改造了全世界的經濟政治結構和全球化體系,使這個地球發生了迄今最為深遠的改變。
                     
                    當煤炭在能源舞臺上逐漸黯淡時,石油也因為“峰值論”的破產而走下神壇。人們把目光投向了天然氣,認為它是向未來能源體系過渡的最佳橋梁,也將是清潔能源大行其道之前“碳家族”的最后輝煌。頁巖氣的大規模發展,更是使天然氣被寄予了更多厚望。而作為能量密度最高的核能,人們在核裂變和核聚變領域的孜孜努力從來沒有停止過。
                     
                    從能源發展的歷史進程中,我們可以合乎邏輯地發現,能源發展就是能量儲存不斷改進的過程,遵循著從低密度到高密度、從分散到集中的趨勢。從薪柴到化石能源到核能的發展,使這一規律顯性地呈現,而另一些領域,這一規律則以隱形的方式存在,比如頁巖氣的大范圍、低豐度分布,似乎逸出了這一規律的制約,但實際上,由于壓裂技術帶來的聚集效應,使其依然符合這一規律。
                     
                    隨著低碳趨勢帶來的轉型,新能源的快速發展,人們有理由相信,與歷史既往不同的是,未來的能源結構是多元化的,多種能源形態并存,新舊能源和諧相處。而以風、光、水為主要能量來源的新能源的離散分布,讓人不禁疑惑:能源發展是否將背離從分散到集中、從低密度到高密度這一規律呢?關鍵在于儲能技術的發展。儲能技術將把分布生產的能源大規模聚集儲存,如此,即便能源生產方式是多元甚至離散的,但能源的使用依然是集中式和高密度的。
                     
                    能量儲存的不同方式
                     
                    儲能并非多么新鮮的事物,它是能量轉化和能源技術發展中與生俱來的特征。機械能、熱能、化學能、電能、核能等主要類型的能量,都能儲存在一些普通種類的能量形式中,例如機械能可以儲存在動能或勢能中,電能儲存在感應場能或靜電場能中,熱能能儲存在潛熱或顯熱中,而化學能和核能本身就是純粹的儲存能形式。
                     
                    在現代社會,無論是工業生產還是日常生活,能量儲存都具有不可或缺的重要意義。例如對電力工業而言,電力需求的最大特點是晝夜負荷變化很大,巨大的用電峰谷差使峰期電力緊張,谷期電力過剩。如果將谷期的電能儲存起來供峰期使用,將大大改善電力供需矛盾。再如在太陽能利用中,由于太陽晝夜的變化和受天氣季節的影響,也需要儲能系統保證太陽能利用裝置連續工作。
                     
                    儲能技術在各種能量形態中都具有極為重要的作用,也都有不斷進化的空間。機械能以動能或勢能的形式儲存。動能通?梢詢Υ嬗谛D的飛輪中,廣泛應用于各種機械和動力裝置中;以勢能方式儲存則是最古老的能量儲存形式之一,小到彈簧、扭力桿和重力裝置等,大到壓縮空氣儲能和抽水儲能。
                     
                    由于峰谷用電的不均衡,電能的儲存有很大的實用意義。除了通過抽水蓄能的方式以機械能的形式儲存外,電能還能以化學能的形式儲存于蓄電池中。為了減少現有內燃機汽車對環境的污染,無污染的電動汽車日益受到人們的青睞,而廉價、高效、能大規模儲存電能的蓄電池正是電動汽車的核心。
                     
                    熱能是最普遍的能量形式,熱能儲存就是把一個時期內暫時不需要的多余熱量通過某種方式收集并儲存起來,等到需要時再提取使用,具體方式有顯熱儲存、潛熱儲存和化學儲存三大類。采暖和空調是典型的季節性負荷,如何采用長期儲能的方法來應付這類負荷一直是科學家們關注的問題。
                     
                    衡量儲能材料及儲能裝置性能優劣的主要指標有儲能密度、儲存過程的能量損耗、儲能和取能的速率、儲存裝置的經濟性、壽命(重復使用的次數)以及對環境的影響等。從這些技術參數來看,相對于電容器、飛輪等儲能裝置來說,作為核能和化學能的儲存者,即核燃料和化石燃料有很大的儲能密度。特別是核能,如果將它像化學能一樣僅僅看作一種儲存能量的形式,則它的儲能密度比任何儲能形式都大出許多倍,是其它儲能形式根本無法比擬的。
                     
                    未來能源發展依賴能量儲存的突破
                     
                    倫敦大學國王學院政策研究所主席尼克-巴特勒說:在改變能源業的技術進步中,可能沒有哪一項比能源儲存更重要的了。在應用規模足夠大的情況下,這項技術能夠為那些勉強維生的人提供光和熱,并從根本上改變世界能源結構。
                     
                    能源儲存技術可被用于從煤炭到風能的任何形式的能源供應,也可以用于從交通到供暖的任何用途。通過能源儲存技術,消費者可以在需要的時候使用能源,而非只在能源生產出來的時候使用,從而提高能效。從經濟性來說,儲能技術發展使可再生能源受到的影響最大,得到的益處也最多。因為在儲能技術還不夠的情況下,這一領域能源供給的浪費比例更大,能源供給的間斷性也迫使用戶承受高昂的備用能源成本。
                     
                    但儲能技術發展的挑戰在于:技術進步對能源體系的改變,必然受到現有能源輸配體系的制約,存在一定的“路徑依賴”。而能源存儲技術要具備經濟可行性,是否一定需要取得爆炸式的突破。前者的解決方案在于,將能源儲存機制融入現有輸配系統,使能源生產與使用得到更好的協同和管理。
                     
                    關于后者,我們則要認識到技術進步的漸進性。能源儲存的核心技術已經為人所知,也正在取得進展;一些技術已經擁有了商業競爭力。就像我在用這臺電腦寫作時,它的續航時間要比十年前有了極大的改進。我們樂觀地預見,在能源領域,燃料電池、電網端儲能、能源管理系統將會是帶來革命性改變的新興技術;蛟S會出現一些改變整個能源體系的技術發展,但爆炸性突破并非必不可少的。
                     
                    關鍵的一點是,能源儲存技術的成本正在快速降低。據穆迪(Moody’s)報告,過去五年電池的成本下降了50%。Lazard報告,行業人士預計接下來五年電池成本還會進一步顯著下降。據《金融時報》報道,劍橋大學在電化學領域的一項突破,或將催生可充電的超級電池。這種電池在給定空間內存儲的能量是目前最好電池的五倍,可大大拓展電動汽車的續航里程,并可能大幅改觀電力存儲的經濟效益。
                     
                    如果這些預測和報道是準確的,對于儲能技術發展帶來的競爭,受到最大威脅的將是化石能源,那些雄心勃勃的傳統替代方案如燃氣輪機以及輸配體系升級等昂貴的方案,都將在儲能技術的突飛猛進面前黯然失色。
                     
                    能源儲存的進化是能源發展的內在規律,它不以人的意志為轉移。作為能量密度最大的核能,在安全技術得到保障的前提下,將是未來的寵兒;而儲能技術的發展,將使構想當中的以電為基礎平臺的能源結構成為現實,電將無處不在、無時不有,屆時人類將進入一個全新的電能時代。
                     
                    這一切何時出現,我們靜靜地等待,時間會揭曉一切答案。我們從歷史深處獲得的信息是,人類的發展是儲存能力提升的過程,人腦、信息、食物、能源,都在這一軌道上運行,這只是歷史進程中的偶然嗎?我們有理由如黑格爾所說的那樣相信,世界的運轉自有其邏輯,有并不被一眼發現的精密結構,這背后的深層規律支配著客觀事物的發展變化,使不同領域的現象出現偶合。對于這種規律,人類的任務是發現它,遵循它,努力適應它,而不是試圖去改造它。
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