一段時間以來,氫能似乎大有取代一切能源來源,成為人類社會主體能源之勢。近十多年來,風能、太陽能、地熱能、潮汐能等各種名目繁多的新能源或可再生能源輪番登場,花樣翻新的新能源汽車也擠身其中,氫能不過是新一輪新能源熱的又一網紅。
令人遺憾的是,巨額投資刺激下,當今人類社會仍處于傳統能源時代,55年間石油作為第一能源的地位從未被動搖。消除能源貧困,提升幸福指數,是長期要為之艱苦奮斗的目標和任務,人類社會發展對高效能源的需求決定,目前熱捧的所有新能源都無法擔當重任,傳統化石能源是未來相當長時間人類社會仍然必須依賴的主體能源。
當今世界處于傳統能源時代,石油是第一大能源來源
根據國際能源署今年3月發布的2018年版《全球能源與二氧化碳排放現狀報告》,2018年世界一次能源消費中,石油第一,占比31%;第二是煤炭,占比26%;第三是天然氣,占比23%。此外,核能占比5%,水電占比3%。因此,2018年世界一次能源消費中,傳統能源占比88%,其中三大傳統化石能源占比80%,這就是說當今世界處于傳統能源、尤其是傳統化石能源時代。
縱向對比看,與2000年相比,石油、煤炭和天然氣三大傳統化石能源在世界一次能源消費構成中的比重,沒有任何變化,19年間仍保持在80%,其中石油的比重雖然下降了5個百分點,但煤炭的比重上升了3個百分點,天然氣的比重上升了2個百分點,即石油所占比重的下降由煤炭和天然氣的上升所替代。僅核電和水電合計比重,由9%下降到8%,下降了一個百分點。
從今年6月英國石油公司發布的2019年版《世界能源統計評論》看,2018年世界一次能源消費中,石油第一,占比33.63%;煤炭第二,占比27.21%;天然氣第三,占比23.87%。此外,核能占比4.41%,水電占比6.84%。因此,2018年世界一次能源消費中,傳統能源占比95.96%,三大傳統化石能源占比84.71%,這更加說明,當今世界的能源消費幾乎全部依賴傳統能源,特別是高度依賴傳統的化石能源。
2000年,世界一次能源消費總量為90.96億噸油當量,全部由傳統的石油、煤炭、天然氣、核能和水電構成。與2000年相比,19年后的2018年三大傳統化石能源的比重,僅下降2.07個百分點,這就是說通過19年的努力,人類社會沒有能夠改變自己的能源消費結構,而且煤炭的比重還增長了2.84個百分點。
1965年,世界完成了能源消費結構由煤炭向石油的轉變,石油占比39.4%,首次超過了煤炭的39%,成為第一能源來源,人類社會自此進入了石油的時代,55年來石油一直穩定地保持著第一的地位。
中美印決定了世界能源消費的現狀,新能源進展有限
多年來,巨額投資的刺激下,新能源應用取得了長足的進步,部分國家電力消費已高比例新能源化,但并不代表當今世界能源消費的主流,真正決定當今世界能源消費形勢的是中國、美國和印度三國。
(一)中美印三國決定了當前世界能源消費的結構和形勢
當今世界計有195個國家,但從能源消費看,僅僅中國、美國和印度三個國家,就決定了當前世界能源消費的結構和形勢的變化。
依據《世界能源統計評論》,中國、美國和印度是2018年世界前三大能源消費國,一次能源消費總量合計為63.833億噸標準油,占當年世界一次能源消費總量的46.04%,幾近半壁江山。
更為重要的是,2018年世界一次能源消費總量增長了3.9億噸標準油,中國、美國和印度的增量合計為2.717億噸標準油,占比高達69.61%。這就是說,2018年世界一次能源消費增量中的超過三分之二,來源于中國、美國和印度三個國家。
從分國別能源消費結構看,中國、美國和印度三國是典型的高度依賴傳統化石的國家,正是這一點決定了當前世界能源消費的結構。
2018年,中國一次能源消費總量為32.735億噸標準油,其中,煤炭排名第一,占比58.25%;石油排名第二,占比19.59%;天然氣排名第三,占比7.43%。三者合計,為85.27%。因此,當今的中國一次能源消費不僅高度依賴三大傳統化石能源,最傳統的煤炭,是中國最大的能源消費來源。
2018年,美國一次能源消費出現了自2010年以來最大的增長速度,總量達到23億噸標準油,其中,石油排名第一,為39.98%;天然氣排名第二,為30.54%;煤炭排名第三,為13.78%。三者合計,為84.3%。因此,作為當今世界最大的經濟體和發達國家,美國一次能源消費也高度依賴傳統的化石能源。
2018年,印度一次能源消費總量為8億噸標準油,其中,煤炭占比第一,為55.88%;石油占比第二,為29.55%;天然氣占比第三,6.17%。三者合計,為91.6%。在世界三大能源消費國中,印度一次能源消費對傳統化石能源的依賴最高,而且與中國一樣,最大的能源消費來源于最傳統的煤炭。
進一步分析,中國、美國和印度2018年一次能源消費增量,不僅主要來源于傳統化石能源,而且美國石油和天然氣消費的增量還彌補了水電的下降。2018年,中國一次能源消費增量中的61.02%來源于三大傳統化石能源,印度為87.99%,而美國的比例為108.19%。
(二)德國和歐洲一次能源消費主要還是依賴傳統化石能源
在討論近年來新能源發展所取得的成就時,人們總是拿幾個高度發達的工業化國家來作為例證,其中最有代表性的就是德國。
2018年新年第一天,能源轉型過程中德國跨越了象征性的里程碑,可再生能源首次短暫覆蓋了全部用電量。1月1日上午6點左右,強風和低需求使風力發電提供了大約85%的電力消耗,其余由水電和生物質能裝置提供。
2018年,可再生能源成為德國最大的發電來源,占比上升到40%以上,超過了煤炭39%的份額。
但是,2018年德國一次能源消費中,不包括水電在內的可再生能源僅占比14.6%,石油、天然氣和煤炭三大傳統化石能源合計占比78.88%,并依次排名為德國三大主要能源消費來源。
2018年,歐洲一次能源消費總量為20.507億噸油當量,其中非水可再生能源為1.722億噸油當量,僅占一次能源消費的8.39%。
(三)巨額投資刺激下新能源取代傳統能源仍十分有限
根據《全球能源與二氧化碳排放現狀報告》,2018年世界一次能源消費總量中,不包括生特質和廢棄物在內,由風光等構成的可再生能源為2.89億噸油當量,占一次能源消費總量的2%。2000年同類可再生能源占比為1%,19年間,僅增長一個百分點。
2018年,世界總發電量為26672太瓦時,其中由風光等可再生能源的發電量為1931太瓦時,占比8%。
根據《世界能源統計評論》,2018年世界一次能源消費總量中,可再生能源為5.613億噸油當量,占比4.05%。2000年,世界一次能源消費總量為90.956億噸油當量,可再生能源沒有單列統計項。
2018年,世界總發電量為26614.79太瓦時,其中可再生能源的發電量為2480.38太瓦時,僅占9.32%。
2004年以來,不包括大型水電的全球可再生能源投資累計超過3.2萬億美元,不僅大幅超過傳統能源的投資,且連續九年保持在2000億美元以上,其中2017、2018年分別為3263億和2889億美元。
消除能源貧困提升幸福指數,只能由傳統化石能源承擔重任
消除能源貧困,提升幸福指數,是人類社會長期要為之奮斗的目標。雖然可再生能源成本不斷下降,競爭力逐漸增加,但能源轉換的歷史說明,人類社會進步需要的是高效能源,當前各種熱捧的新能源,都無法承擔未來人類社會主體能源的重任。
(一)高效能源推動了人類社會的進步,人類社會進步需要的是高效能源
人類社會能源使用經歷了三個時期,分別為薪柴時期、煤炭時期、石油時期,與之相對應的社會發展階段分別為農業社會、工業社會和現代社會。正是能源使用的革命,使得工業革命200多年來,人類社會的面貌發生了前所未有的變化,超過了過去所有時代的總和。
高效率能源替代低效率能源,是人類社會能源轉換的內在規律,具體表現在單位質量的不同燃料完全燃燒后所釋放熱量的差異,同樣質量的煤炭熱值比薪柴高,石油比煤炭高;能源的使用方式上,水車、風車被蒸汽機、內燃機、燃氣輪機和電動機所取代,并由此高生產力替代低生產力。
高效能源的出現,提供了支撐高水平生產方式所必需的能源規模和質量,高水平的生產方式客觀要求與高效能源相匹配。正是由于人類社會發展與能源消費之間存在如此的內在關系,決定了今天石油、煤炭和天然氣等化石能源,成為人類社會的主體能源,今后也只有更高效的能源才能成為人類社會的主體能源。
人類社會主體能源的轉型,是一個漫長的過程。煤炭代替生物質的第一次能源轉型耗時約70年,油氣超過煤炭的第二次能源轉型耗時約50年。19世紀末20世紀初,石油用了45年時間從1%的占比增長到世界能源的10%;20世紀初,天然氣用了超過50年才達到10%。能源轉型緩慢變化主要原因,是由于能源系統需要大量的資本投入,而全球能源消費由長壽命周期的機器和建筑所主導,其中汽車保有時間一般為10年以上,發電廠可以運行超過30年。
(二)兩個80%,決定了消除能源貧困的普通人解決方案
世界銀行統計,2018年,全球GDP總量為85.79萬億美元,年中人口數量為75.94億人,人均GDP為11297美元。其中,84.06%人均GDP在平均水平之下,49.1%人口處于中下收入和低收入狀態。
2018年,世界人均一次能源消費為76吉焦。分地區看,由美、加和墨西哥組成的北美地區最高,為人均239.8吉焦;俄羅斯和中亞地區次之,為人均160.9吉焦;中東第三,為人均148.5吉焦;非洲排名最后,僅為人均15吉焦,只有世界平均水平的19.74%;包括我國在內的亞太地區,人均60.2吉焦,為平均水平的80.27%,其中我國人均一次能源消費為96.9吉焦耳,高于世界平均水平。
人類發展和能源消費之間有很強的關聯性。聯合國人類發展指數標明,在100吉焦水平以上,人均能源消費與人類發展和幸福有很強的相關性,而超過這一水平后相關性逐漸減小。以這一指標來衡量,目前全人類都沒有達到人均100吉焦的水平,其中大約80%的人口生活在人均能源消費低于100吉焦的國家和地區。
12億人口的非洲要擺脫能源消費的極貧狀態,全球人均能源消費要逐步達到100吉焦,能源供應不僅要充足,更要廉價,即提升人類社會幸福指數,需要的是能源發展的“普遍人解決方案”。
(三)低密度和間隙性的本質,決定新能源承擔不了主體能源
一般意義上的新能源或可再生能源,指的是可以在自然界循環再生、取之不盡、用之不竭的能源資源,主要包括太陽能、水能、風能、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能、地熱能等。
太陽能和風能是新能源的典型代表,取代傳統能源的途徑主要有四個:發電、供熱/供冷、交通燃料以及偏遠鄉村的能源供應,其中發電是最主要、規模最大的用途。理論上,太陽能可提供全球所需全部能源,可利用的風能比地球上可開發利用的水能總量要大10倍。但是,可再生能源基本上都是低密度、低效的,存在間歇性等天然不足,被稱為波動性可再生能源,只能對其因地制宜進行開發和利用。
目前,風光等新能源占世界一次能源消費總量低于5%,占發電總量低于10%。雖然成本會持續下降,但研究界基本一致的結論是,風光等波動性可再生能源發電量超過20%以后,系統性成本將會明顯上升;而達到50%,僅備用電源一項的成本就會大幅攀升。
氫是宇宙中分布最廣泛的物質,構成了宇宙質量的75%。海水中的氫全部提取,總熱量比地球上所有化石燃料釋放的熱量還大9000倍。氫能是目前已知最干凈的能源,理論上可以稱之為終極能源。
不過,氫能是二次能源,需要使用其他能源來制備。當前,主要有化石燃料熱化學制氫和電解水制氫兩種主流技術。目前,西歐地區94%的氫產量來自化石燃料,其中,54%是天然氣制氫,31%是石油制氫,9%是煤制氫,無論是化石燃料制氫還是電解水制氫,生產過程中都會排放大量二氧化碳。有機構正在嘗試,直接利用非化石燃料生產的電(水電、風電、太陽能發電、核電等)進行電解水制氫。
簡單的常識告訴我們,不論采用什么樣的技術路線,只要氫能的成本或增加值大于或小于生產用能源,就沒有經濟性,也沒有大規模使用或推廣的可能,這同樣適用于全部其他新能源或可再生能源。
2018年,全球煤炭占發電用能源的37.95%,天然氣占23.23%,石油占3.02%,合計為64.2%;從我國看,煤炭占發電用能源的66.54%,天然氣占3.14%,石油占0.15%,合計為69.83%。無論是世界或我國,三大化石能源是發電的絕對主力,其中煤炭位居第一。因此,即使不考慮新能源汽車及電池生產和后續處理過程中產生的污染,發展并推廣充電式新能源汽車,沒有任何的積極意義。
從能源終端使用看,目前工業行業(包括非燃燒使用)消費了全球能源的約一半,其次是建筑消費了29%,第三是交通消費的21%,其中用于發電的能源占一次能源消費的43%。石油提供了交通能源需求的94%,是交通的絕對主導能源。
截止目前,世界主要機構發布的13份能源展望報告基本一致的結論是:雖然所有預測均顯示可再生能源的份額將出現增長,且增長主要來源于對發電的貢獻,但2040年一次能源消費中化石能源占比,高的為74%-79%,低的為60%-62%,仍是未來人類社會的主體能源。其中,原油仍然是能源結構中最大的單一燃料來源,天然氣將成為第二大來源,全球煤炭需求仍將持續增長,僅西方的煤炭消費量繼續下降,但東方的煤炭消費會繼續增長,并仍將承擔基荷電源的責任。
這一看法雖然有點殘酷,但應該是基于對能源發展規律認識的較為客觀的預測,雖然還帶有一定的情懷成份,不過很大的可能,它將是人類社會未來相當長時間,必須面對的殘酷的能源消費的現實!