1.2 发展新能源的历史逻辑

先来读一组可能超出我们想象的数字。

（1）人类每天消耗的能源相当于地球在1370年内生成的化石能源。[2]

（2）1gal（3.78L）汽油的形成需要亿万年前的近120t植物。形成1gal石油所需的植物重量是奶牛产生1gal牛奶所需植物重量的3万倍。[3]

（3）全球每年由矿物燃料燃烧而消耗的有机碳需要400年才能恢复。[4]

（4）中国每年人均石油消耗量为2.4桶（1桶=158.98L），不足美国的1/9。如果要达到美国目前的人均耗油水平，中国每年的石油消耗量将超过29吉桶，接近于目前全球油耗总量30.7吉桶。[5]

上述数字提醒我们不得不面对这样一个严峻的现实：通过开采化石能源维持人类社会发展的模式即将走到终点！能源问题的最终解决需要顺应自然规律。

“人法地、地法天、天法道、道法自然。”这是老子的至理名言；“历史不会重演，但总会惊人地相似。”这是马克·吐温的名句；“过去我父亲骑骆驼，现在我开汽车，将来我儿子驾驶喷气式飞机，最后他的儿子只能骑骆驼。”这是沙特阿拉伯的谚语。这些都在启示着解决能源问题的最终方向：重新求助于大自然，并以遵循自然规律的方式开发利用太阳能、生物质能和风能等清洁的可再生能源！

纵观能源发展历史长河，煤、石油和天然气等化石能源的使用历史只有200多年。在大规模开采化石能源之前，人类生活和生产主要依赖薪柴、畜力和风等能源。在远古时期，火是人类摆脱蛮荒和蒙昧的最有力武器。无论我国“燧人氏钻木取火”的传说，还是古希腊“普罗米修斯盗取天火”的神话，都是对此最好的注解。

我国对“火祖”燧人氏的敬仰，以及西方人对普罗米修斯的崇拜，均体现了人类对“火”的崇敬。这源于火的使用不但使人类摆脱了茹毛饮血的生活，而且通过黏土烧制和冶金工艺，使人类获得了改造自然的强大工具，显著提升了人类改变和适应环境的能力。

远古时代，火的应用离不开“生物质”这一载能体，而生物质又是植物通过光合作用转化太阳能的产物，所以，照亮人类文明进程的那束光源自太阳。风能是人类早期利用的另一种能源。亚历山大大帝（公元10—70年）曾经利用风车演奏风琴，公元7世纪风力驱动的谷物研磨机出现在波斯，后来，荷兰人对风车进行了大规模利用，塑造了“风车王国”的国家形象。

总之，在工业革命之前，支撑人类社会发展的能源主要是生物质能、风能和太阳能等自然能源。而发生在18世纪的第一次工业革命颠覆了这种能源结构，并开启了化石能源称雄的时代，人类的生产和生活方式也随之发生巨变：大规模集中开采并利用能源，支撑人类的居住方式由分散转向集中，城市得以快速发展；现代交通工具极大地拓展了人类的交往半径，飞机可使人们在2天内飞贯全球；大型超市里的商品可实现全球采购，电商使得人们足不出户即可全球购物；移动互联网使得地球不同角落的人们可以实现即时通信……

回顾工业革命以来人类社会的发展，可以毫不夸张地说：过去两个多世纪的所有进步，不管本质上是社会的、商业的，还是政治的，都在一定程度上得益于化石燃料燃烧所释放出的巨大能量。

对化石能源的来源稍作分析，就可发现其开发利用的问题所在。化石能源是集中存储了漫长地质时期和广阔区域内积累的动植物资源，其来源决定了它们的不可再生性。煤炭是由分解后的植物、矿物质和水组成的碳基沉积岩，由陆生植物残骸经过几百万年的演变而形成。石油则被认为是由沉积于海底或湖盆的海洋生物在高温和高压条件下经过复杂的物理化学作用而形成的；埋藏深度超过5000m的有机质碳碳键断裂则形成天然气。地球在数十亿年间积累的这些动植物资源，无法长久支撑人类毫无节制地加以开采利用。乔治城大学历史学家约翰·R·麦克尼尔认为：从19世纪到21世纪，全世界的能源使用量增加了80～90倍，成为继对动植物实现驯养和种植之后人类历史上最具革命性的进程，以至于很多科学家声称人类目前生活在全新人力驱动下的“人类纪时代”，这个以人类为中心的时代，标志着与地球演变历史的彻底决裂。而化石能源资源储量的有限性（图1.10），注定这一决裂不可能持续下去。

大规模集中开发利用化石能源存在的隐患，绝非资源枯竭这么简单。全球气候变暖、空气污染、酸雨蔓延、水体污染等均是人类面临的重大问题，这些问题均与化石能源的开发利用密切相关，或者说根源就是化石能源。

全球气候变暖的主要原因是以CO₂为主的温室效应气体在大气中的累积。地球上的碳主要储存于4个储池，即陆地、海洋、大气和岩石圈。碳在这4个储池之间持续不断地进行交换，形成了碳循环（图1.11）。工业革命之前，碳在4个储池之间的循环维持了碳平衡，但化石能源的开发利用却干扰甚至破坏了这一平衡。目前由化石燃料开发利用释放到大气中的碳量约为9Gt/a。据联合国2016年统计数据，全球总人口已达726291万人，据此推算，人均排放到大气中的碳量为1.239t/a。

根据科学家对南极及其他古气候探测地区冰核的分析，工业革命之前的80万年间大气中CO₂浓度的波动范围为170～290μL/L，其中从人类文明起源到化石能源时代开启的这段时间内波动幅度更小，仅仅为250～290μL/L。然而最近几十年来，该数值却显著偏离了这一长期波动区间，从20世纪50年代末期到2010年，CO₂浓度的增长已经超过了20%，达到了390μL/L，图1.12是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）2号碳观测卫星的记录，展示的是2014年10月1日至11月11日期间全球大气CO₂浓度分布情况，该图直观地显示了全球许多地区CO₂浓度已然在高位波动！

全球气候变暖对生态系统的影响日益显著，飓风、强降水、高温、干旱、洪水等极端天气事件频发。气候变暖还会导致冰川消融、海平面上升、冻土融化等生态灾难。北极地区冻土层中储存的碳几乎是大气层中碳含量的2倍，这些冻土层一旦融化就会向大气层释放过量的碳，而这又会进一步加剧气候变暖现象，这种反馈机制一旦开启，后果将不堪设想。

化石能源利用产生的空气污染已成为影响人类健康的重要因素。化石燃料燃烧释放的大气污染物包括NO_x、SO₂、颗粒物（particulate matter，PM）、挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）等。无论从微观尺度（图1.13）还是从宏观尺度观察（图1.14），雾霾均已成为严重困扰我国的大气污染问题，而化石燃料燃烧释放的污染物正是形成雾霾的主因。

化石燃料的勘探、开采、加工、运输和燃烧对环境造成的影响是多种多样的。除了上述具有普遍性的污染之外，一些偶发性事故往往也会导致灾难性的后果。例如，1989年3月24日发生在阿拉斯加威廉王子湾的港湾漏油事件，就被认为是海洋史上最具毁灭性的人为环境灾难之一（图1.15）。该事故所泄漏的原油量虽然只有4万t，远低于其他大型事故，但危害巨大。这主要是由于该事故发生在偏远且生态体系极度脆弱的北极地区，增加了救援和反应时间。当时，“艾克森瓦尔迪兹号”油轮在阿拉斯加东南部的布莱礁触礁搁浅并沉没。沉船泄漏的原油覆盖了28000km²的海面，造成包括250000只海鸟、22头鲸、280只水獭、300头海豹在内的上千种动物立即死亡，以及数十亿只鸟蛋被毁坏。

2010年，更为严重的漏油事故再次在美国发生，这次被定义为美国历史上“最严重的漏油事故”发生于2010年4月20日。当时，英国石油公司在美国墨西哥湾租用的“深水地平线”钻井平台发生爆炸，导致11人死亡和持续87天的漏油灾难，酿成一场经济和环境惨剧。

通过分析，不难得出如下结论：无论从化石能源资源储量角度分析，还是从其产生的严重环境问题角度考虑，以化石能源为主的能源结构必须向清洁可再生能源转型！

值得欣慰的是，这一转型已经开始，而且速度在不断加快。这是一次符合历史发展规律的转型。

首先，这种转型与经济活动的转变相一致。纵观能源历史可以发现，人类所使用的能源在形式上经历了由“重”到“轻”，从物质形态“较明显”到物质形态“不明显”的渐变过程，即从固体煤炭到液体石油，再到天然气、沼气、氢气，直到今天的太阳能和风能。这种转变提高了能源输送的速度和效率。通过管道输送石油比利用铁路运输煤炭快，通过管道输送气体燃料比输送石油更快，通过电网传输电能则不再有速度制约问题。与此相对应的是，人类的工业形式也已从早期资本主义时期的重蒸汽时代，发展到了现在的轻质、虚拟的信息时代。由此可以看出，能源丧失物质形态和经济活动丧失物质形态一直在同步进行。

第二，这种转型与人类所利用能源的“脱碳”趋势相一致。脱碳是指世界上每一种先后出现的能源分子中碳原子与氢原子比率的变化。薪柴的氢碳原子比率为1∶10，煤炭的氢碳原子比大约是1∶1或者1∶2，石油则是2∶1，天然气则提升到了4∶1。而仅就发电过程而言，太阳能、风能和生物质能发电过程则不产生碳排放问题。这意味着每一种后续的能源应用过程中所释放的CO₂都少于前一种。

第三，这种转型与人类居住模式的转变相一致。图1.16所示是人类社会的3种居住模式。在依赖薪柴和畜力的时代，人们的生活、教育、工作和休闲都集中在一个小的区域范围内；而化石能源时代，居住在城市里的人越来越多，而且城市也越建越大，人们的生活、教育、工作和休闲等场所之间的距离也越来越大。而未来理想的模式则是大城市和卫星城相结合，即分散和集中相结合，分散居住模式正好契合了太阳能、风能和生物质能等新能源的分布式特征。

综上所述，不难得出结论：依靠新能源支撑人类的可持续发展是历史的必然选择！