为什么我们无法放弃化石燃料?

2020/06/22 09:00
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化石燃料不是问题的最终原因,二氧化碳排放才是。

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本译文已获得布鲁金斯学会的授权,内容仅代表作者观点,不代表智堡的立场和观点,译文仅供教育及学术交流目的使用。

原文标题为WHY ARE FOSSIL FUELS SO HARD TO QUIT?,作者为Samantha Gross,2020年6月发布,原文链接:https://www.brookings.edu/essay/why-are-fossil-fuels-so-hard-to-quit/

篇幅原因有删节,译者:凌欣


人类对化石燃料的使用正在严重破坏我们的环境。化石燃料的生产和使用给当地造成了污染,而化石燃料的后续使用对我们整个地球的气候造成了持久的伤害。不仅如此,显著改变我们的生活方式也是非常困难的。

但突然之间,COVID-19大流行使贸易、旅行和消费支出几乎停滞。由于有数十亿人近期接到居留在家(stay-at-home)指令,全球经济活动大幅下滑,石油的需求和价格比以往任何时候都以更大幅度、更快速度下降。毫无疑问,石油市场处于动荡之中,而世界各地的石油生产商都度日如年。

一些权威人士现在在问,这场危机是否会推动世界摆脱对石油的依赖。一个问题问道:“冠状病毒危机会不会是终结石油行业的开始?” 另一个问题是:“冠状病毒会摧毁石油工业并帮助拯救气候吗?” 与此同时,由于病毒的影响,预计2020年温室气体的年排放量将下降4% - 7%,一些世界上雾霾最严重的城市目前正享受着晴朗的天空。

认为大流行最终有助于拯救地球的想法忽略了几个关键问题。首先也是最关键的,破坏世界经济不是应对气候变化的方法。就石油而言,什么能源能取代它呢?就其可用性和适用性而言,我们还没有找到一种好的石油替代品。尽管石油的供应是有限的,但石油储量依然丰富,而且提取石油的技术在不断进步,使得生产和使用石油越来越经济。天然气也是如此。

气候变化是真实存在的,我们现在清楚地看到了它的影响:在2019年,全球有15个极端天气事件由于气候变化而加剧,每一个都造成了超过10亿美元的损失。其中4起事件造成的损失超过100亿美元。而大规模使用化石燃料是导致气候变化的首要因素。但事实证明,这些化石燃料所提供的集中能量是难以替代的。这是为什么?

为了应对气候变化的挑战,我们必须从理解化石燃料体系开始——即能源是如何被生产和使用的。尽管化石燃料公司在美国和世界各地政治上势力强大,但它们的游说能力并不是化石燃料主宰全球能源体系的关键原因。同样,向完全可再生能源体系过渡也不是一项简单的任务。但是,从2020年大选和最近针对化石燃料公司的诉讼来看,政治中的指责声音甚嚣尘上。从多年来否认这一问题的化石燃料公司,到不愿实施推动真正变革所需政策的政策制定者,各方都互相甩锅。而维持现状对每个人来说都更加容易。

世界需要技术和强有力的政策来朝着新的方向前进。纵观历史,人类对能源的使用越来越集中、方便和灵活。理解当下能源的优势和过去能源转变的历史有助于我们了解如何向低碳能源发展。随着对气候问题更深入的理解,我们在迈向低碳未来所需的技术方面取得巨大进展。尽管如此,理解我们是如何一步步走到今天,以及现代世界为什么建立在化石燃料的基础上,对于理解我们此刻走向何方至关重要。

我们的能源以各种形式来自太阳

在前工业时代,太阳能满足了人类所有的能源需求。植物通过光合作用将太阳能转化为生物质能。人们燃烧这些生物质来获取热和光。植物为人类和动物提供食物,反过来,人类和动物利用它们的肌肉力量工作。甚至在人类学会了冶炼金属和制造玻璃的同时,他们也用从木头中提炼的木炭来为这个过程提供燃料。除了光合作用,人类还利用了风能和水力,这些能源最终也来自太阳。太阳光带来的大气温差带来了风,雨水和流水的循环也是从阳光中获得能量。但是太阳是这个体系的中心,人们只能使用太阳实时提供的能量,而且大部分来自植物。

这种人类能源利用和太阳光之间的平衡听起来像是乌托邦一样,但随着人口的增长和城市化,生物能源体系带来了问题。在英格兰,木头在16世纪和17世纪变得稀缺,因为它不仅被用作燃料,而且还被用作建筑材料。例如,伦敦人口从1534年的6万增加到1696年的53万,而粗柴和细柴的价格上涨速度比其他任何商品都快。而英国曾经郁郁葱葱的森林被砍伐殆尽。

1900年,大约有5万匹马在伦敦的街道上拉着出租车和公共汽车,这还不包括运输货物的马车。你可以想象,这造成了大量的浪费。正如李·杰克逊在他的书《肮脏的旧伦敦(Dirty Old London)》中所写的那样,到19世纪90年代,伦敦庞大的马群每天产生大约1000吨的粪便。这些粪便还会引来苍蝇,传播疾病。交通系统造成居民生病。前化石燃料时代并不是我们想象中的乌托邦。

化石燃料为人类打开了新的大门。它们是古代植物经过压力、温度以及几千万到几亿年的变化而形成的,本质上是随着时间的推移储存的太阳的能量。由此产生的燃料把人类从依赖光合作用和当时作为主要能源的生物质的生产中解放出来。相反,化石燃料可以使用比当前光合作用所能提供的更多的能量,因为它们代表了太阳能的一种储存形式。

首先是煤炭,然后是石油和天然气,让工业过程、农业和运输业得以快速发展。今天的世界相比于化石燃料被广泛使用之前的19世纪初已然面目全非。人类健康和福利明显改善,全球人口从1800年的10亿增加到今天的近80亿。化石燃料能源体系是现代经济的命脉。化石燃料为工业革命提供了动力,让数百万人摆脱了贫困,并塑造了现代世界。

来源:https://www.brookings.edu/wp-content/uploads/2020/06/FP_EnergyTimeline_Loop.mp4

能源密度和便利性如何推动化石燃料发展?

第一次能源大转变是从木材和木炭转到煤炭,始于18世纪早期的钢铁工业。到1900年,煤炭成为主要的工业燃料,取代了生物质,占到了世界燃料使用量的一半。按重量计算,煤的能量密度是干木材的三倍,且广泛分布在世界各地。煤成为轮船和机车的首选燃料,这使它们能够节省储存燃料的空间。

石油是下一个出现的主要能源。美国人认为石油时代的开始要追溯到1859年美国宾夕法尼亚州的第一口商业油井,但石油在今天的阿塞拜疆以及其他地区使用和销售要早了几个世纪。石油作为照明用鲸油的替代品进入市场,而汽油是煤油生产的副产品。然而,石油在运输业找到了它真正的使命。随着1908年福特T型车的问世和二战后个人交通的繁荣,石油时代才算真正开始。1964年,石油取代煤炭成为世界上最大的能源来源。

石油资源不像煤炭那样广泛分布在世界各地,但石油有自己的关键优势。从石油中生产的燃料对交通工具而言几乎是梦寐以求的。燃料的能量密度很高,按重量计算平均能量含量是煤炭的两倍。而且更重要的是,它们是液态的而不是固态的,这使得今天驱动交通的内燃机得以发展。

不同的燃料每单位重量所携带的能量不同。化石燃料比其他能源的能量密度更高。

石油改变了历史的进程。例如,在第一次世界大战之前,英国和美国海军从使用煤炭转向使用石油,这使得他们的船在加油之前比以煤为燃料的德国船走得更远。石油还可以让船只在海上航行的更快,并且可以通过管道而不是人力将其输送到锅炉,这两种方式都有着明显的优势。第二次世界大战期间,美国的石油产量几乎占世界的三分之二,美国稳定的石油供应对盟军的胜利至关重要。当燃料供应无法跟上时,德国陆军的闪电战战略就无法实施,而且燃料的短缺也让日本海军付出了代价。

天然气是一种气态的化石燃料,可以在地下矿藏中找到,但通常与石油一起存在于地下。在石油工业发展的早期,开采石油伴生的天然气经常被浪费掉。一个古老的行业说法是,寻找石油结果找到天然气是被解雇的捷径。在近现代,天然气因其清洁、燃烧程度更高以及作为工业生产原料的用途而受到重视。尽管如此,由于天然气是气态的,它需要特定的基础设施才能送达客户手中,而天然气在没有这种基础设施的地区仍然在被浪费。

世界能源使用的最后一个关键发展是20世纪的电力的出现。电不像煤或石油那样是一种能源,而是一种传输和使用能源的方法。电力在使用时非常高效、灵活、清洁和安静。和石油一样,电力最早用于照明,但感应电机的发展使电力可以有效地转换为机械能,为从工业过程到家用电器和汽车的一切提供动力。

在20世纪,能源体系从直接使用化石能源转变为主要使用化石燃料发电。发电所使用的比例因燃料的不同而不同。由于石油是一种能量密度很高的液体,它非常适合用于运输,所以很少有石油用于发电;相比之下,全球约63%的煤炭被用于发电。不依赖化石燃料的发电方式,如核能和水力发电,在许多地区也是系统的重要组成部分。然而,化石燃料仍然是电力系统的支柱,占当今全球电力供应的64%。

化石燃料仍然主导着全球发电。

总而言之,历史上能源转型的故事不仅仅是关于从目前的太阳照射转向化石燃料。它也一直在向能量密度更高、使用更方便的燃料稳步迈进,并不断淘汰之前的选择。更高的能量密度意味着需要更小的重量或体积的燃料来完成工作。由石油制成的液体燃料将高能量密度与流动或者说用泵来输送结合起来,这一优势使得新技术被开创出来,尤其是在运输领域。而电力是一种非常灵活的能源消耗方式,适用于许多应用。

回到未来——太阳能时代的回归

化石燃料使我们不再依赖今天的太阳光直射,而是使用储存了数百万年的集中化的太阳能能量。在我们能够有效利用太阳光直射之前,这似乎是个好主意。

然而,化石燃料的优势也伴随着一个毁灭性的负面影响。我们现在知道,燃烧化石燃料释放的二氧化碳正在以前所未有的速度使地球变暖。当今人类面临的最大挑战之一,就是在气候变暖让我们的世界变得面目全非之前,减缓这种变化。

现在人类有将近80亿人口,我们清楚地看到二氧化碳浓度上升的影响。回到过去的主要依靠生物质能来满足我们的能源需求显然不是一个解决方案。而且,我们需要找到一种方法,重新依赖实时太阳直射(或许还有核能)来满足我们的需求。现在有更多的人,正在通过更大、更一体化的全球经济相互交集,并消耗更多的能源。但是,在将太阳能转化为可用的能量方面,我们今天也有比光合作用更有效的技术。

自1900年以来,全球人口和经济活动以及化石燃料的消耗都在飞速增长。

不幸的是,与此同时,最重要的温室气体——二氧化碳的大气浓度也随着全球平均气温稳步攀升。

地球从太阳得到大量的能量提供给我们所有人,甚至是我们现代能源密集生活的基石。每年辐射地球上宜居地区的太阳能是每年全球所提取化石燃料能源的1000多倍。问题是这种太阳能能量是逸散的。温暖脸庞的太阳确实是在提供能量,但是你需要把这些能量集中起来为你的房子供暖或者让一辆车移动。

这就是现代技术的用武之地。风力涡轮机和太阳能光伏电池将太阳能转化为电能,这一过程比燃烧生物质更有效,后者是前工业化捕获太阳能的方法。风能和太阳能光伏发电的成本一直在迅速下降,现在它们已成为经济实惠的主流技术。一些现有的发电方式,主要是核能和水力发电,也不会产生二氧化碳排放。将新的可再生能源与这些现有能源结合起来,是电力部门脱碳或削减二氧化碳排放的一个机会。发电是一个重要的排放来源,2018年美国的温室气体排放量占到了27%。

然而,与化石燃料不同的是,风能和太阳能只能在风在吹或太阳在照射时才能发电。这是一个工程上的挑战,因为电网是实时运行的:电能被产生的同时也被消耗,发电量时大时小会影响系统的平衡。

工程上的挑战会带来工程上的解决方案,而大量的解决方案可以提供帮助。覆盖面积更大的电网更容易平衡,因为如果一个地方没有风或阳光,可能在别的地方有。需求回应策略可以通过灵活的方式鼓励客户在可再生能源可用时使用更多的可再生能源并减少使用不可再生能源。电力存储技术可以节省多余的电力供以后使用。水力发电大坝现在就可以实现这一功能,而成本的下降将使电池在电网中存储电能更经济。存储方案在以小时为单位的时间段内工作得很好——例如,存储太阳能用于晚上使用。但长期存储带来了更大的挑战。或许过剩的电力可以用来制造氢气或其他燃料,然后储存起来以后再使用。最后,化石燃料发电常常填补了当今可再生能源发电的空白,特别是天然气发电,它可以有效地提高或降低产能以满足需求。

将太阳能转化为电能是创立脱碳能源体系的一个明确的起点。一个简单的方案是让电力部门脱碳,并尽可能地实现所有能源的电气化。许多重要的过程都可以电气化,尤其是在固定用途,如建筑和许多工业过程上。对于应对气候变化,这个方案可谓是唾手可得。

这个方案的两部分必须同时进行。车道上闪亮的新型电动汽车向你的邻居表明了你对环境的关心,但要实现它的全部潜在效益,还需要一个更环保的电力系统。对于当今美国乃至世界上几乎所有地方的电力系统来说,电动汽车都能带来排放方面的益处,但这些益处的程度因地区而大不相同。要想实现电动汽车的全部潜在效益,就需要一个提供所有可再生能源或零碳能源的电网,而目前美国没有任何地区能够一直做到这一点。

风能和太阳能并不是无所不能的

就目前而言,“电气化一切”是一个伟大的计划,但并不是所有东西都能轻易实现电气化。化石燃料的某些性质是难以复制的,例如它们的能量密度和提供高热量的能力。为了使依赖这些性质的过程脱碳,就需要模仿化石燃料性质的低碳燃料。

矿物燃料的能量密度在运输部门特别重要。载具在行驶过程中需要携带燃料,所以燃料的重量和体积是关键。电动载具是一种备受吹捧的替代石油的解决方案,但它们并不是对所有用途都完美的。按重量计算,汽油或柴油燃料所含的能量大约是最先进电池的40倍。另一方面,电动马达比内燃机效率高得多,电动载具的机械结构更简单,运动部件更少。这些优点弥补了电池的重量损失,但电动载具仍然会比使用化石燃料的类似载具更重。对于载重量轻、可以经常加油的载具,比如乘用车,这种负担不是什么大问题。但对于航空、海运或长途卡车运输来说,载具必须在不加油的情况下进行长距离的重载,化石燃料和电池之间的能量密度差异是一个巨大的挑战,而电动载具根本不能满足这种需求。

燃料的重量

汽油在单位重量中所携带的能量比电池多得多。一辆12.4加仑的汽油动力汽车可以携带77.5磅的汽油(行驶360英里)(作者选用2020款本田飞度作为例子)。

相比之下,一块77.5磅重的电池只能让一辆电动汽车行驶21英里(作者选用2020款雪佛兰Bolt EV作为例子)。

一辆续航360英里的电动汽车需要一块1334磅的电池。

车辆的重量

尽管电池很重,但电动汽车的其他部件比汽油车更轻、更简单。因此,电动汽车的整体重量负担不如电池本身的重量负担严重。

需要高温的工业过程——比如钢铁、水泥和玻璃的生产——构成了另一个挑战。钢铁高炉的工作温度约为1100摄氏度,水泥窑的工作温度约为1400摄氏度。这样的高温如果不燃烧燃料是很难达到的,因此也很难用电力来驱动。

可再生电力不能解决那些不能依靠电力运行的过程造成的排放问题。对于这些过程,世界需要模仿化石燃料特性的零碳燃料,也就是可以燃烧的能源密集型燃料。目前有许多选择,但每一种都有利有弊,总体需要更多的工作才能在商业和环境上可行。

生物燃料是一种可能,因为生物燃料燃烧时释放的碳和植物生长时吸收的碳是一样的。然而,将植物转化为可用的燃料需要消耗能源,这导致了二氧化碳的排放,这也意味着生物燃料不是零碳的,除非整个过程使用可再生能源或零碳能源。例如,考虑到运输玉米到加工设施以及将其转化为燃料所产生的排放,美国将玉米乙醇混合到汽油中的二氧化碳排放量平均只比纯汽油低了39%。生物燃料还会与粮食生产和生态保护用途(如娱乐、渔业和野生动物)争夺可用耕地,随着生物燃料产量的增加,这方面的挑战也越来越大。就土地利用和碳排放而言,用作物废料或城市废料制成的燃料可能更好,但这些废料的供应是有限的,并且技术需要改进才能达到合适的单位成本效益。

另一种途径是将可再生电力转化为可燃燃料。利用可再生电力将水分子分解为氢和氧可以产生氢气。然后,氢气可以作为一种零碳燃料燃烧,类似于今天的天然气使用方式。电、二氧化碳和氢也可以结合起来生产液体燃料,以取代柴油和航空煤油。然而,当我们分解水分子或从零开始制造液体燃料时,热力学定律并不会给我们好脸色看。实际上,这些过程使用了电力,逆向运行燃烧过程,因此会消耗大量能量。由于这些过程将使用大量的可再生能源,所以只有在不能直接使用电力的情况下才有意义。

碳的捕获、储存或使用是重工业等固定应用的最后一种可能。化石燃料仍然会燃烧并产生二氧化碳,但是二氧化碳会被捕获而不是释放到大气中。正在开发的过程设想从环境空气中去除二氧化碳。在这两种情况下,二氧化碳将被注入地下深处或用于工业过程。

目前捕获的二氧化碳最常见的用途是提高石油采收率,也就是将加压的二氧化碳注入油藏以挤出更多的石油。捕获二氧化碳并利用其生产更多化石燃料的想法似乎有些背道而驰——这真的能减少总体排放量吗?但研究表明,当以这种方式注入时,捕获的二氧化碳会永久地留在油气层中。如果在石油生产过程中注入了足够的二氧化碳,它可能会弥补所生产石油的燃烧排放,甚至可以实现整体的负排放。这虽然不会是解决所有石油使用问题的灵丹妙药,但可以使石油在航空等难以用其他燃料替代的领域进行使用成为可能。

碳捕获是当今处理需要燃烧的重工业排放的最便宜的方法。它的优势在于,它还可以捕获来自过程本身的二氧化碳排放,而不是来自燃料燃烧,就像在水泥生产过程中,石灰石被加热,产生水泥成分的同时副产物为二氧化碳一样。

在考虑碳捕获如何有助于缓解气候变化时,我们必须记住,化石燃料不是问题的最终原因,二氧化碳排放才是。如果通过碳捕获来保持一些化石燃料的使用是处理某些排放来源的最简单的方法,这实际解决了根本问题。

我们最大的挑战来源于政治

科学清楚地告诉我们,我们需要改造我们的能源体系并消除二氧化碳排放。然而,除了工程学上的挑战,气候变化的性质也使行动在政治上具有挑战性。要把气候变化的影响降到最低,就需要重建一个价值数万亿美元的产业,而且这个产业是经济和人们生活的中心。减少人类对化石燃料的依赖,需要以此时此地的投资来换取不确定的长期利益。这些决定对政客们来说尤其困难,因为他们倾向于把重点放在那些能让选民看到的直接的、局部的利益的政策上。例如,去年《纽约时报》曾问道:“是否有任何气候政策既大到足以产生影响,又受欢迎到足以发生。” 持续的气候政策需要获得一系列参与者的支持,包括两党的政治家、商业领袖和整个公民社会。他们的观点不可避免地会有所不同,缺乏共识(如果还要加上对政策制定过程中施加压力的实质性努力),这是气候行动在政治上如此困难的一个关键原因。

在美国和其他富裕国家,目前的努力的重点是减少能源密集型生活中的温室气体排放。但是今天能源的第二部分挑战是向发展中国家的十亿人提供现代能源,而这些人目前还没有能源。在有关气候变化的公众讨论中,你很少听到第二个目标,但关键是,发展中国家需要走一条比发达国家更清洁的道路。为发展中国家提供清洁能源和更多能源的需求加剧了这一挑战,但忽略发展中国家的解决方案根本不是解决方案。

丰富而廉价的化石燃料使得摆脱化石燃料的转型更加困难。大约15年前,专家们关注的是“石油峰值”——即世界即将耗尽石油,或者至少是廉价石油,因此对人类清算即将到来。过去十年的事件已经证明这个理论是错误的。我们看到的不是石油产量下降和价格上涨,而是相反的情况,在美国更是如此。技术带来了石油生产的繁荣;地质学家早就知道那里有石油资源,但不知道如何生产这些资源来赚钱。我们目前没有理由预计这一趋势会在短期内放缓。换句话说,耗尽石油并不能拯救我们。在石油和其它化石燃料丰富且廉价的情况下,世界将需要摆脱对它们的依赖——这不是一项容易的任务。

要实现这一在技术上和政治上具有挑战性的过渡,我们需要避免单一的解决方案。随着时间的推移,排放量不断增加,我们对气候系统也有更好理解,我自己关于如何应对气候变化的想法当然也在不断演变。举个例子,我曾经对碳捕获的想法持怀疑态度,无论是从工业过程中还是直接从空气中。作为一名工程师,我无法想象使用这样一个耗能的过程来捕获排放。现在我改变了自己的想法,因为我对用其他方法脱碳的过程的难度有了更深刻的理解。

二氧化碳在大气中的累积就像把空气放进气球。这是一个累积的系统:我们在不断增加一种物质的总浓度,而这种物质在大气中可能会持续存在200年。我们不知道气候变暖的影响何时会变得势不可当,但我们知道,随着气球不断膨胀,整个系统将会变得紧绷和被妥协(而经历更多的负面影响)。气候系统的累积性质意味着,我们等待的时间越长,就需要采取愈加严格的措施。换句话说:越早行动越好。我们现在就需要在电动车和轻型车行业,还有新建筑极致节能这些最容易的领域采取行动。其他部门需要更多的技术,比如重型运输和工业,这也许需要很长时间,比如改善我们现有的建筑的库存。

那些现在推动终结化石燃料生产的人忽略了一点:在某些领域,化石燃料在一段时间内仍然是需要的。通过对话消除不受欢迎的能源或技术,如核能或碳捕获,是短视的。单单依靠可再生能源发电是无法实现这一目标的——这是一个全技术层面的问题。我担心,魔幻的思维和纯度的测试正在美国政治光谱的左翼势力中占据主导地位,而部分右翼政治势力则对气候问题的彻底否认负有责任。面对如此严重的两极分化,人们可能会失去对实际解决方案的关注——而实用性和独创性正是人类应对气候挑战所需要的可再生资源。


关于原作者:

萨曼莎·格罗斯(Samantha Gross)是布鲁金斯学会外交政策项目的研究员。她的工作重点是能源、环境和政策的交集,包括气候政策和国际合作、能源效率、非常规油气开发、区域和全球天然气贸易,以及能源和水之间的关系。格罗斯拥有超过20年的能源和环境事务经验,拥有伊利诺斯大学化学工程学士学位,斯坦福大学环境工程硕士学位,以及加州大学伯克利分校工商管理硕士学位。

名词解释

化石燃料

指由远古动植物经过数百万年的分解而成。煤、石油和天然气都是化石燃料。

生物质

植物材料,包括叶、茎和木质块。生物质可以直接燃烧或加工制造生物燃料,如乙醇。

二氧化碳

二氧化碳是含碳燃料(生物质或化石燃料)燃烧时释放的气体。二氧化碳是导致气候变化的最重要的气体。

可再生能源

可再生能源的来源是自然补充。例如,利用涡轮机捕获风能或利用太阳能电池捕获阳光并不会改变未来可用的风能或阳光的数量。

温室气体

在地球大气中吸收热量的气体,包括二氧化碳、甲烷、臭氧和氧化亚氮。

评论
2020/06/22 15:36
终极能源—核聚变实现之前,化石能源还是主流,木得办法