全球能源短缺调查及思考

张传坤，牛文东，赵舒铭，张远镇，牛子凡

（1.克兰菲尔德大学，英国 贝德福德郡 MK430AL；2.国网技术学院，山东 泰安 271000；3.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043；4.国网淄博供电公司，山东 淄博 255000；5.天津理工大学，天津 300384）

0 引言

能源是世界经济发展和增长的最基本动力，它是工业社会人类赖以生存的基础。随着人类社会的发展，对能源总量、品质和种类的需求也在不断提升。到目前为止，虽然人类获取能源的主要途径仍然是燃烧化石燃料，但是全球化石燃料储量却非常有限，如果化石燃料能源枯竭，将需要数亿万年的时间再生，显然，化石燃料的消耗速度远远快于其再生及开发速度［1］。根据有关方面最新的勘探统计，地球上石油、天然气和煤炭的总储量分别约为1.8 万亿桶、186 万亿m3和4.84 万亿t。按照世界各地化石燃料消耗的速度和趋势，如果没有新的重大发现，这些能源将只能在有限的时间内提供给人类使用，所有的化石燃料，据美国石油业协会（American Petroleum Association）最乐观的估计也只能使用数百年。相对于漫长的人类历史和乐观的生存预期，几百年显然太短了。正是因为化石燃料在一定程度上说是不可再生的，而且没有人们想象的那么多，它们的价格总的趋势是不断上涨。作为国际原油评价和观测系统的全球布伦特原油的价格趋势一直持续到2016年初总体上扬［2-3］。石油价格是以世界上最重要和最具参考价值的油价数据来衡量的，它与全球经济息息相关。能源危机如同悬在全人类头顶的一把达摩克利斯之剑。为了应对这场危机，包括中国在内的许多国际组织和各国政府正在积极寻求解决这一问题的办法。

1 能源短缺的现实背景

随着地球人口的爆炸式增长和全球工业化水平的迅速提升，人们对能源的需求越来越大，特别是近年来，由于电能具有良好转换平台的秉性，其需求增速不断提高。例如，居民家庭、公共场所和商业机构在使用更多的电器，更多的工厂需要电能进行生产，正因为如此，人类对电力能源的需求达到了有史以来的最高水平且不断攀升。在现代交通工具驱动中，人们获取动力的大部分途径是燃烧化石燃料。以石油和煤为例，它是近代工业化发展的基础，也是从自然界中获取碳氢化合物最廉价、最快捷的途径。在此基础上，有许多纺织原料、塑料、医药原料、建筑材料等也来源于此。自19 世纪50年代开始进行商业石油钻探和更早的煤炭开采以来，人类开采应用了大量原油和煤炭，地球上尚未开采的有限的原油和煤炭储藏量，将为人类今后一段时间内的工厂、飞机和汽车等提供动力，为发电站提供燃料，为住宅取暖或制冷，但需求增加速度每天都在提升［4］。虽然石油、煤炭、天然气等化石燃料变得越来越稀缺，但它们必须在必要的地方使用，例如化工、船舶、航空和军工等。人们对新型燃料开发的热情从未降低，近年兴起的页岩油气和可燃冰燃料，开采难度大，成本高，特别是被很多人寄予厚望的可燃冰，目前还处在试验开采阶段。随着电动汽车数量的激增，就需要电力来源更加多样化，来缓解或解决能源短缺带来的危机，即便是人们寄予厚望的燃料电池汽车，电池燃料也必须依靠原有的燃料或消耗已有能源来获取新的燃料。

2 环境破坏是燃料过度消耗之后的全球之殇

在过去的两个世纪里，人类高强度的能源消耗对地球环境保护构成了巨大的威胁。一方面，煤、油和天然气的燃烧导致大气中温室气体排放量的逐年增加，它们是气候变化的主要原因。联合国政府间气候变化专门委员会（The United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change，简称UNIPCC）估计，到2040年，世界能源消耗将增加近50%［5］。世界各地的许多科学家一致认为，人类正在走向灾难，只有逐步减少甚至放弃化石燃料，人类才能阻止它的发生。同时采矿过程对环境也有很大的影响。最典型的是煤矿开采，它造成了对土地、建筑物、大气和水资源的破坏。据统计，到目前为止，每万吨煤平均毁坏了0.2 hm2农田，平均每年毁坏2 万hm2［6］。随着化石燃料的进一步消耗和人类对化石燃料无法完全替代的现实需求，除了对环境的影响外，还成了某些国家或组织达到自私目的的筹码，导致化石燃料价格飙升或短时间剧烈波动，引发全球经济动荡。解决当前的能源危机，进行能源革命，不仅是为了保护环境和世界经济的可持续发展，也是为了解决人类面临的生存问题。

3 能源革命的思考与出路

毫无疑问，改变我们获得能源的来源和方式是地球人类面临的重大挑战之一。从目前人类科学技术发展的进程来看，改善全球面临的能源危机有两条既相互独立又相互融合的可能的途径。

第一条途径是发展核能，投资和研究可控核聚变。核聚变，又称核融合，是一种小质量原子的原子核互相聚合生成中子并伴着巨大能量释放的热核反应，可以产生大量的能量，类似于太阳产生能量的方式［7］。相比目前广泛应用的核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多而且效率可提升上千倍。可控核聚变意味着人们可以控制核聚变的开启和停止，核聚变的反应速度和规模可以随时被调控，相当于可控的人造太阳。可控的热核反应是实施核聚变反应堆的基础，原料易得且丰富，一旦成功，在可预见的未来，可以为人类提供最清洁、最用之不竭的能源［8］。

第二条途径是科学有序地开发自然资源，如风能、水能和太阳能等，自然资源几乎都是可再生资源，也被称为可再生能源。它们可以短时间内在自然界中回收利用，而且取之不尽。相对于逐渐趋于枯竭的不可再生能源，可再生能源可以在没有人类参与的情况下自动再生。例如水力发电，不仅可以被人类直接利用，它也是能量的载体。太阳能驱动着地球上的水循环，并使其持续运转。地表水流动是人类进行水能应用一个重要的环节。古代水磨坊是最早水能利用的一个很好的例子，最早解决了人类所需要的动力。水力发电是现代能源的一个重要来源，特别是在一些河流众多的国家，如中国、加拿大和巴西等［9］，在充分论证的前提下，都具备大规模有序开发的现实条件并已经逐步实现。另外，潮汐能、地热能、生物质能等资源的利用为人类能源来源的多样化提供了可能。

4 可行性评估

首先，核聚变的大规模商业化应用从长远来看具备从根本上彻底解决能源问题的现实条件。核聚变不同于目前核电站获得电能的方式（即核裂变）。一是原料很容易获得。核聚变的原料是重水，可直接从海水中提取，地球蕴藏量巨大。二是核聚变过程及其产物不会造成环境污染，也不会造成核泄漏损害［8］。目前存在的问题，一是有效控制核聚变仍在研究试验之中。二是公众对核扩散和核能的恐惧严重阻碍着各个国家和地区政府大规模开发使用核能。究其原因，一是公众对核能安全的认识不充分，要么是因为媒体夸大了核能造成的危险，要么是因为核能利用知识仍然不普及。二是如果极端恐怖分子或独裁者很容易获得核燃料，那将对公众乃至全球安全构成巨大威胁。解决之道，一是加强能源危机和核安全利用的宣传。二是通过过硬的安全防范技术和示范引领，消除人们的恐惧心理。三是通过全球命运共同体建设和平衡、可持续发展，消除极端分子滋生的土壤。

其次，自然资源的利用正在迅速发展，能源多样性开发也取得了巨大的成就。在一些国家和地区，已经基本实现自然能源取代燃烧化石燃料获得电力。缺点是，成本过高、能量密度低和不稳定，很难与大电网连接，这是所有自然能源普遍存在的问题。以风力发电为例，最大的挑战是输电和接入大电网，尤其是离岸风电场，它要求水下电缆传输很远，这使得风力发电的成本非常高［9］。经济利益能否平衡，是衡量一种能源能否大规模投入市场的重要标准。再如，某山地地区的水能非常丰富，但该地区能源需求少，而远离该地的沿海平原地带却对能源需求非常巨大，造成地区能源生产、消费不平衡。太阳能发电存在的最大问题是在阴天和夜晚无法获得太阳能，并且大负荷用电的白天和小负荷用电的夜晚存在无法调和的时差。解决的出路在于，一是加大新能源接入技术的研究，特别是智能、柔性接入技术以及特高压交直流混合电网安全、长距离经济输送电能、高端电工装备技术等，变“废”为宝，通过建设特高压输电网络甚至全球能源互联网来解决由于全球时空差异带来的能源分布与应用的不平衡。二是加大能源综合平台的研究与建设，在能源开发、利用、存储、传输、形态转换等方面提供智能化、个性化、全方位、综合性服务。

5 结束语

能源危机，是一只缓慢走来的灰犀牛，但人类通过发展强有力的国际信任与合作、危机应对机制建设、构建能源综合服务转换平台、强化核燃料管理和技术进步等，有信心和能力驯服它。通过以核聚变的大规模商业化应用和多种能源综合开发利用为核心，加大对循环应用能源进行有效回收利用的力度，以建设全球能源互联网综合服务平台为基础的未来能源开发应用前景广阔，能够有效缓解世界面临的能源趋于枯竭问题，继续让能源长久服务于人类的繁衍和世界的发展。