美国能源部长朱棣文：可持续性能源所面临的挑战和机遇(上)-北极星风力发电网

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2012年8月中旬，美国能源部长朱棣文博士和先进能源研究项目署署长阿伦·马宗达博士在《自然》杂志上，联名发表了题为《可持续性能源未来所面临的挑战和机遇》一文，提出为保障未来全球的持续繁荣、可持续性和安全的能源供应，目前需要一场新的工业革命。文章以交通运输和电力生产两大领域为重点，分析了人类在提高化石能源利用效率、开发利用新型电池，以及开发天然气燃料、生物燃料、风能、太阳能、核能等诸多清洁能源和可再生能源方面，所面临的各种机会和挑战，为读者详尽地了解该问题提供了全面而清晰的轮廓。

全球可持续性能源供应呼唤新的工业革命

自工业革命以来，能够利用稳定可靠、经济合算的清洁能源一直是保持全球经济增长和持续繁荣的重要基石，21世纪人类对能源的获取和利用也必须具备可持续性的特点。然而，未来全球能源供应将面临着双重巨大挑战：一方面，全球人口数量的增加和经济增长将产生巨大的能源需求，在能源供给压力陡增的同时，势必会增加二氧化碳排放量。工业革命初期全球总人口为7亿，目前为70亿，预计到2050年和2100年将分别增加到90亿和100亿;另一方面，为缓解全球气候变暖趋势的进一步恶化，各国必须在既定时间框架内实现二氧化碳减排目标。2009年全球能源需求总量为120亿吨油当量，二氧化碳排放量为290吨。据国际能源署预测，如果全球继续实施现行的能源政策，上述两项指标2035年将分别增加为180亿吨油当量和430亿吨;如果未来采取积极的应对方案，它们将分别降为170亿吨油当量和360亿吨。

为了应对上述挑战，全球需要一场新的工业革命，以保证未来能源供应的可靠性、经济性和可持续性。提高化石能源的利用效率、节约能源，以及实现能源的低碳化，大力开发利用新能源电池、天然气燃料、生物燃料、太阳能、风能及核能等清洁能源和可再生能源是这场革命的必然选择。

目前，化石能源占全球能源消费总量的86%。从1980至2008年，全球每年消费的石油总量增加了31%，随着近年来石油探测和采掘技术的进步，全球已探明石油储量也在增加。此外，近年来世界各地也相继发现了丰富的页岩气储量。相比之下，尽管全球零排放可再生能源的利用总量也在不断增加，但过去20年间其在全球能源供应总量中所占的比例基本没有变化，对此必须保持清醒的认识。

能源系统可以分为运输和固定两个分系统。每个系统内的供应、需求和分配设施都是高度相适配的，但相互之间却是独立的。我们需要对一些重要研究领域进行深入研究，如提高能源利用效率，将电力输送、分配和存储系统与各种可再生能源进行有机整合等，以改善未来的能源供应状况。生物燃料、太阳能等技术依然处于研发阶段，尚不能真正满足人类的能源需求，因而必须进行持续不断的创新，改进并完善现有技术或者开发全新的技术方案。

改善能源运输系统和提高燃料使用效率

在目前的能源运输基础设施中，运输由石油衍生的各种液态燃料占据主导地位。随着石油储藏量的新发现、勘探和采掘技术的进步，可资利用石油资源的地理分布也在发生变化。然而，通常情况下石油供应地和需求地在地理位置上相距甚远，一些国家严重依赖进口石油，甚至对其贸易平衡和国家安全带来了严峻挑战，这给全球石油运输带来了巨大压力。2011年，全球石油消费总量为26.9亿吨油，其中18.95吨原油和7.91吨油当量精炼油都需要跨国间运输，未来更多油田和天然气田的发现将有望改变这种状况。同时，运输技术的进步将会有助于缓解石油运输系统所面临的压力。例如未来很多拟建基础设施在选址时，将会统筹考虑如何最大限度地保证具有可持续性的石油输送潜力，理想的、经济合算的公共运输功能将会与都市建设规划更好地相融合，而在运输系统中合理地使用信息技术也可望大大减少燃料消耗。

美国能源部最新出版的四年一度技术评估报告，全面考察了可供未来研究的最新技术和机会。报告指出，采取措施提高交通运输工具的效率能够大幅降低人类对石油的依赖程度。其中增加轻型新材料的应用(如先进的超高抗拉强度钢、聚合物和碳纤维增强复合材料等)，尤其是在车辆中使用轻型材料更为重要，这将大大减轻运输车辆的自身重量。未来10到20年，在不降低安全性能的前提下交通运输车辆的自身重量将减轻20%到40%，而自身重量每减轻10%，就会节约燃料消耗量的6%到8%。

减少能量损失是节省燃料的一个途径。车辆在正常行驶过程中，废气排放热能损失、冷却损失占燃料燃烧所提供能量的60%以上，再加上克服空气阻力和轮胎的滚动摩擦阻力等所造成的损失等因素，用于驱动车辆正常运行的能量只占行车燃料所提供能量的21.5%。摩擦学、废热能量再利用和空气动力学等能够提高成本效益的技术进步，在短期内有望将效率提升20%，在未来15到25年最高可提升60%。

未来几十年，使用液态运输燃料的内燃机仍将居汽车动力的主导地位，进一步提升内燃机效率是降低化石燃料消耗量的最重要途径。目前大多数火花点火式发动机的效率为25%到35%，压燃式柴油发动机的效率大约是40%到50%。因此内燃机效率具备很大的提升空间。

美环保局的研究成果显示，从1987年到2006年，美国汽车发动机的效率每年约提升1.4%，这些提升主要是通过提高燃烧效率和热效率、降低机械摩擦损失和附件消耗等手段来实现。借助于缸内直喷技术、稀燃技术和涡轮增压技术，使用高标号辛烷值燃料，火花点火式发动机效率也可以达到柴油机器的水准。高性能计算机的模拟功能在内燃机研制过程中的作用也日益凸显，利用这种方式研究人员已在提高内燃机效率和减少废弃排放方面取得进展。低成本的余热回收也可以提高内燃机的效率，这对重型车辆来说效果更佳。其他技术途径包括采用朗肯循环回收并再利用内燃机废气能量、开发低成本高效率的固态热电系统等。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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