張傳坤，牛文東，趙舒銘，張遠(yuǎn)鎮(zhèn)，牛子凡

（1.克蘭菲爾德大學(xué)，英國(guó) 貝德福德郡 MK430AL；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043；4.國(guó)網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255000；5.天津理工大學(xué)，天津 300384）

0 引言

能源是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增長(zhǎng)的最基本動(dòng)力，它是工業(yè)社會(huì)人類賴以生存的基礎(chǔ)。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，對(duì)能源總量、品質(zhì)和種類的需求也在不斷提升。到目前為止，雖然人類獲取能源的主要途徑仍然是燃燒化石燃料，但是全球化石燃料儲(chǔ)量卻非常有限，如果化石燃料能源枯竭，將需要數(shù)億萬(wàn)年的時(shí)間再生，顯然，化石燃料的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其再生及開(kāi)發(fā)速度［1］。根據(jù)有關(guān)方面最新的勘探統(tǒng)計(jì)，地球上石油、天然氣和煤炭的總儲(chǔ)量分別約為1.8 萬(wàn)億桶、186 萬(wàn)億m3和4.84 萬(wàn)億t。按照世界各地化石燃料消耗的速度和趨勢(shì)，如果沒(méi)有新的重大發(fā)現(xiàn)，這些能源將只能在有限的時(shí)間內(nèi)提供給人類使用，所有的化石燃料，據(jù)美國(guó)石油業(yè)協(xié)會(huì)（American Petroleum Association）最樂(lè)觀的估計(jì)也只能使用數(shù)百年。相對(duì)于漫長(zhǎng)的人類歷史和樂(lè)觀的生存預(yù)期，幾百年顯然太短了。正是因?yàn)榛剂显谝欢ǔ潭壬险f(shuō)是不可再生的，而且沒(méi)有人們想象的那么多，它們的價(jià)格總的趨勢(shì)是不斷上漲。作為國(guó)際原油評(píng)價(jià)和觀測(cè)系統(tǒng)的全球布倫特原油的價(jià)格趨勢(shì)一直持續(xù)到2016年初總體上揚(yáng)［2-3］。石油價(jià)格是以世界上最重要和最具參考價(jià)值的油價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)衡量的，它與全球經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)。能源危機(jī)如同懸在全人類頭頂?shù)囊话堰_(dá)摩克利斯之劍。為了應(yīng)對(duì)這場(chǎng)危機(jī)，包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)際組織和各國(guó)政府正在積極尋求解決這一問(wèn)題的辦法。

1 能源短缺的現(xiàn)實(shí)背景

隨著地球人口的爆炸式增長(zhǎng)和全球工業(yè)化水平的迅速提升，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，特別是近年來(lái)，由于電能具有良好轉(zhuǎn)換平臺(tái)的秉性，其需求增速不斷提高。例如，居民家庭、公共場(chǎng)所和商業(yè)機(jī)構(gòu)在使用更多的電器，更多的工廠需要電能進(jìn)行生產(chǎn)，正因?yàn)槿绱耍祟悓?duì)電力能源的需求達(dá)到了有史以來(lái)的最高水平且不斷攀升。在現(xiàn)代交通工具驅(qū)動(dòng)中，人們獲取動(dòng)力的大部分途徑是燃燒化石燃料。以石油和煤為例，它是近代工業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)，也是從自然界中獲取碳?xì)浠衔镒盍畠r(jià)、最快捷的途徑。在此基礎(chǔ)上，有許多紡織原料、塑料、醫(yī)藥原料、建筑材料等也來(lái)源于此。自19 世紀(jì)50年代開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)石油鉆探和更早的煤炭開(kāi)采以來(lái)，人類開(kāi)采應(yīng)用了大量原油和煤炭，地球上尚未開(kāi)采的有限的原油和煤炭?jī)?chǔ)藏量，將為人類今后一段時(shí)間內(nèi)的工廠、飛機(jī)和汽車等提供動(dòng)力，為發(fā)電站提供燃料，為住宅取暖或制冷，但需求增加速度每天都在提升［4］。雖然石油、煤炭、天然氣等化石燃料變得越來(lái)越稀缺，但它們必須在必要的地方使用，例如化工、船舶、航空和軍工等。人們對(duì)新型燃料開(kāi)發(fā)的熱情從未降低，近年興起的頁(yè)巖油氣和可燃冰燃料，開(kāi)采難度大，成本高，特別是被很多人寄予厚望的可燃冰，目前還處在試驗(yàn)開(kāi)采階段。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的激增，就需要電力來(lái)源更加多樣化，來(lái)緩解或解決能源短缺帶來(lái)的危機(jī)，即便是人們寄予厚望的燃料電池汽車，電池燃料也必須依靠原有的燃料或消耗已有能源來(lái)獲取新的燃料。

2 環(huán)境破壞是燃料過(guò)度消耗之后的全球之殤

在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)里，人類高強(qiáng)度的能源消耗對(duì)地球環(huán)境保護(hù)構(gòu)成了巨大的威脅。一方面，煤、油和天然氣的燃燒導(dǎo)致大氣中溫室氣體排放量的逐年增加，它們是氣候變化的主要原因。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（The United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱UNIPCC）估計(jì)，到2040年，世界能源消耗將增加近50%［5］。世界各地的許多科學(xué)家一致認(rèn)為，人類正在走向?yàn)?zāi)難，只有逐步減少甚至放棄化石燃料，人類才能阻止它的發(fā)生。同時(shí)采礦過(guò)程對(duì)環(huán)境也有很大的影響。最典型的是煤礦開(kāi)采，它造成了對(duì)土地、建筑物、大氣和水資源的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到目前為止，每萬(wàn)噸煤平均毀壞了0.2 hm2農(nóng)田，平均每年毀壞2 萬(wàn)hm2［6］。隨著化石燃料的進(jìn)一步消耗和人類對(duì)化石燃料無(wú)法完全替代的現(xiàn)實(shí)需求，除了對(duì)環(huán)境的影響外，還成了某些國(guó)家或組織達(dá)到自私目的的籌碼，導(dǎo)致化石燃料價(jià)格飆升或短時(shí)間劇烈波動(dòng)，引發(fā)全球經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩。解決當(dāng)前的能源危機(jī)，進(jìn)行能源革命，不僅是為了保護(hù)環(huán)境和世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也是為了解決人類面臨的生存問(wèn)題。

3 能源革命的思考與出路

毫無(wú)疑問(wèn)，改變我們獲得能源的來(lái)源和方式是地球人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。從目前人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程來(lái)看，改善全球面臨的能源危機(jī)有兩條既相互獨(dú)立又相互融合的可能的途徑。

第一條途徑是發(fā)展核能，投資和研究可控核聚變。核聚變，又稱核融合，是一種小質(zhì)量原子的原子核互相聚合生成中子并伴著巨大能量釋放的熱核反應(yīng)，可以產(chǎn)生大量的能量，類似于太陽(yáng)產(chǎn)生能量的方式［7］。相比目前廣泛應(yīng)用的核裂變，核聚變的放射性污染等環(huán)境問(wèn)題少很多而且效率可提升上千倍?？煽睾司圩円馕吨藗兛梢钥刂坪司圩兊拈_(kāi)啟和停止，核聚變的反應(yīng)速度和規(guī)?？梢噪S時(shí)被調(diào)控，相當(dāng)于可控的人造太陽(yáng)?？煽氐臒岷朔磻?yīng)是實(shí)施核聚變反應(yīng)堆的基礎(chǔ)，原料易得且豐富，一旦成功，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，可以為人類提供最清潔、最用之不竭的能源［8］。

第二條途徑是科學(xué)有序地開(kāi)發(fā)自然資源，如風(fēng)能、水能和太陽(yáng)能等，自然資源幾乎都是可再生資源，也被稱為可再生能源。它們可以短時(shí)間內(nèi)在自然界中回收利用，而且取之不盡。相對(duì)于逐漸趨于枯竭的不可再生能源，可再生能源可以在沒(méi)有人類參與的情況下自動(dòng)再生。例如水力發(fā)電，不僅可以被人類直接利用，它也是能量的載體。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)著地球上的水循環(huán)，并使其持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。地表水流動(dòng)是人類進(jìn)行水能應(yīng)用一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。古代水磨坊是最早水能利用的一個(gè)很好的例子，最早解決了人類所需要的動(dòng)力。水力發(fā)電是現(xiàn)代能源的一個(gè)重要來(lái)源，特別是在一些河流眾多的國(guó)家，如中國(guó)、加拿大和巴西等［9］，在充分論證的前提下，都具備大規(guī)模有序開(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)條件并已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)。另外，潮汐能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等資源的利用為人類能源來(lái)源的多樣化提供了可能。

4 可行性評(píng)估

首先，核聚變的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看具備從根本上徹底解決能源問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)條件。核聚變不同于目前核電站獲得電能的方式（即核裂變）。一是原料很容易獲得。核聚變的原料是重水，可直接從海水中提取，地球蘊(yùn)藏量巨大。二是核聚變過(guò)程及其產(chǎn)物不會(huì)造成環(huán)境污染，也不會(huì)造成核泄漏損害［8］。目前存在的問(wèn)題，一是有效控制核聚變?nèi)栽谘芯吭囼?yàn)之中。二是公眾對(duì)核擴(kuò)散和核能的恐懼嚴(yán)重阻礙著各個(gè)國(guó)家和地區(qū)政府大規(guī)模開(kāi)發(fā)使用核能。究其原因，一是公眾對(duì)核能安全的認(rèn)識(shí)不充分，要么是因?yàn)槊襟w夸大了核能造成的危險(xiǎn)，要么是因?yàn)楹四芾弥R(shí)仍然不普及。二是如果極端恐怖分子或獨(dú)裁者很容易獲得核燃料，那將對(duì)公眾乃至全球安全構(gòu)成巨大威脅。解決之道，一是加強(qiáng)能源危機(jī)和核安全利用的宣傳。二是通過(guò)過(guò)硬的安全防范技術(shù)和示范引領(lǐng)，消除人們的恐懼心理。三是通過(guò)全球命運(yùn)共同體建設(shè)和平衡、可持續(xù)發(fā)展，消除極端分子滋生的土壤。

其次，自然資源的利用正在迅速發(fā)展，能源多樣性開(kāi)發(fā)也取得了巨大的成就。在一些國(guó)家和地區(qū)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自然能源取代燃燒化石燃料獲得電力。缺點(diǎn)是，成本過(guò)高、能量密度低和不穩(wěn)定，很難與大電網(wǎng)連接，這是所有自然能源普遍存在的問(wèn)題。以風(fēng)力發(fā)電為例，最大的挑戰(zhàn)是輸電和接入大電網(wǎng)，尤其是離岸風(fēng)電場(chǎng)，它要求水下電纜傳輸很遠(yuǎn)，這使得風(fēng)力發(fā)電的成本非常高［9］。經(jīng)濟(jì)利益能否平衡，是衡量一種能源能否大規(guī)模投入市場(chǎng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。再如，某山地地區(qū)的水能非常豐富，但該地區(qū)能源需求少，而遠(yuǎn)離該地的沿海平原地帶卻對(duì)能源需求非常巨大，造成地區(qū)能源生產(chǎn)、消費(fèi)不平衡。太陽(yáng)能發(fā)電存在的最大問(wèn)題是在陰天和夜晚無(wú)法獲得太陽(yáng)能，并且大負(fù)荷用電的白天和小負(fù)荷用電的夜晚存在無(wú)法調(diào)和的時(shí)差。解決的出路在于，一是加大新能源接入技術(shù)的研究，特別是智能、柔性接入技術(shù)以及特高壓交直流混合電網(wǎng)安全、長(zhǎng)距離經(jīng)濟(jì)輸送電能、高端電工裝備技術(shù)等，變“廢”為寶，通過(guò)建設(shè)特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)甚至全球能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)解決由于全球時(shí)空差異帶來(lái)的能源分布與應(yīng)用的不平衡。二是加大能源綜合平臺(tái)的研究與建設(shè)，在能源開(kāi)發(fā)、利用、存儲(chǔ)、傳輸、形態(tài)轉(zhuǎn)換等方面提供智能化、個(gè)性化、全方位、綜合性服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

能源危機(jī)，是一只緩慢走來(lái)的灰犀牛，但人類通過(guò)發(fā)展強(qiáng)有力的國(guó)際信任與合作、危機(jī)應(yīng)對(duì)機(jī)制建設(shè)、構(gòu)建能源綜合服務(wù)轉(zhuǎn)換平臺(tái)、強(qiáng)化核燃料管理和技術(shù)進(jìn)步等，有信心和能力馴服它。通過(guò)以核聚變的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用和多種能源綜合開(kāi)發(fā)利用為核心，加大對(duì)循環(huán)應(yīng)用能源進(jìn)行有效回收利用的力度，以建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺(tái)為基礎(chǔ)的未來(lái)能源開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景廣闊，能夠有效緩解世界面臨的能源趨于枯竭問(wèn)題，繼續(xù)讓能源長(zhǎng)久服務(wù)于人類的繁衍和世界的發(fā)展。