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火:堪比语言的伟大发明火是人类文明在能源利用上的第一次突破,开启了人类主动利用能源的时代。查尔斯•达尔文曾说:火是人类发明的一种便捷、可靠的新方法来获取在有机物中累积的太阳能,是一个巨大进步,在人类发展史中,它的重要性仅次于语言的形成。
火的使用,使得烹饪食物和加工金属成为可能,薪柴、秸秆中的生物质能和人力、畜力一起成为了古代最为主要的能量来源。随着科技的发展,水力和风车/风帆的应用也越来越普遍,在第一次工业革命之前发挥了重要作用。
煤:开启工业文明黄金时代几千年来,人类社会经济水平一直未能获得真正的增长,能源的利用未获突破是其中重要的原因之一(人力劳动的功率很难持续的超过100W)。煤炭的利用和蒸汽机的发明从空间和时间上极大的延伸了人类获取和利用能源的手段。从空间上,人类第一次将能源的利用从地表延伸至地下;从时间上,远古时期的生物质能孕育成为化石能源,亿万年前的太阳能通过这种方式馈赠给人类。工业革命之后,人类迎来了第一个发展黄金时代。
电:电气化时代创造无限可能
人类对能源的利用从热力转化为机械动力,开启了工业化规模生产的新篇章。石油的应用和内燃机的发明意味着蒸汽这一转化摆脱了蒸汽这一媒介,能源利用的效率大大提升。电力技术的出现使得机械动能得以通过电磁感应转化为电能。电气化时代开启,方便灵活、即停即起的电力能源创造出无限可能。
1.2. 高能文明的未来:基本规律与发展趋势正如地理学家斯密尔所说:“现代社会最根本的特征是:我们拥有依赖大规模燃烧化石燃料的高能文明。”目前人类的初级能源使用量,约是1850年的20倍、1950年的5倍。如此庞大的能源消耗引发了人们对其可持续性的深深担忧。高能文明的未来走向何方?人类能源利用发展的三条基本规律或许能够帮助我们看清未来的发展趋势。
能源类型由高碳向低碳发展:无论是传统的薪柴还是现代的煤炭、石油等化石能源,污染和碳排放过高的问题一直困扰着整个社会。从长期看,能源类型由高碳向低碳发展,有化石能源转向清洁能源是大势所趋。煤炭单位热值的碳含量为26.37t/TJ,原油为20.1 t/TJ,天然气为15.3 t/TJ,而水电,风电,太阳能、核能等几乎没有碳排放。
资源生产由简单生产向技术生产发展:蒸汽机的发明让从矿井中抽水非常高效,其普及推广使得英国煤炭矿井的平均深度提升了一倍,煤炭的开采得以从地表深入地下。从那时起,资源生产的技术含量越来越高。电力、核能、风电、光伏的诞生无不是时代最高端的科技运用。近年来水平井分段压裂技术的应用更是掀起了一场能源领域的“页岩油气革命”,美国在这次变革中独占鳌头。
能源利用形式由直接一次转换向多次转化发展:工业革命前能源的利用多局限于热能,随着工业革命中蒸汽机和内燃机的发明,能源的利用更多是转换为机械动能。而进入电气化时代后,能源又经历了动能向电能的转换。能源的运输和使用更为便捷,效率更高。
人类社会未来能源的发展趋势,我们认为从能源类型上将回归太阳能本源,并追求核能的终极目标。从能源利用上将节能和效率提升并举。
能源类型:回归太阳能本源。无论是生物质能还是储存在地底的化石能源,亦或是水力,风力蕴含的能量,本源都是来自太阳内部无时无刻不在进行的核聚变产生的能量。而地热能和核能实际的能量来源也是来自原子核。对于人类来说,太阳能才是取之不尽的能量宝库,生物、化石能源等只是通过化学能储存与释放能量的一种方式。人类能源利用未来的发展趋势,必将回归太阳能本源,中长期将迎来以风电、光伏为代表的清洁能源革命,而突破核聚变获得“人造太阳”则是人类探寻新能源的终极目标。
能源利用:节能和效率提升并举。在人类获得取之不尽的核聚变能源之前,经济发展对能源的消耗却急剧增加,能源的可持续与高效利用的重要性日益突显。新一轮的能源变革除了是清洁能源革命,也是节能技术和电网技术的革命。智能电网,能源互联网的技术突破与应用普及将成为这场变革中的一大亮点。
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