《未来能源:我们能做些什么》.pdf
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1、版权信息书名:未来能源:我们能做些什么作者:(德)克里斯蒂安霍勒 等译者:周婷出版社:北京联合出版公司出版时间:2023-02ISBN:9787559665423版权所有侵权必究2谨以此书献给那些关注能量的小伙伴们3前言时代的变化真是大啊!过去,我们只知道插座里有电,这电到底是从哪儿来的,我们压根没关心过。要是真有那么一瞬间想过这个问题,我们也只会想:“有专业的人会操心这事,犯不着我来操心!”专业的人指的就是那些有着大型发电厂的大型能源公司,曾经是,现在也是。如果说我们曾经注意到过电力生产,那应该就是发电厂烟雾缭绕的巨大白色烟囱了,当然还有大大小小的架空输电线路。但是,现在在乡村和城市已经有很
2、长时间看不到这些了。一切都埋在地下,看不见了。我们现在利用电缆供电。就像天然气流经管道、污水通过地下管道一样,电能也是通过地下电缆输送来到我们身边的。一条电缆对接着房屋,像蠕虫一样分布在大电箱中,为同一屋檐下的所有家庭供电。我们所需要的一切基础能源和原料都是在无形中输送的,而随之所产生的废料也同样消失于无形。然而,这样的时代已经快要过去了!虽然还没有完全过去,但我们都必须尽快结束这种滥用能源和原料的局面。我们的星球正在通过无数现象向我们发出警报,我们的生存正在受到威胁。我们已经把这个星球变成了一个海陆空的垃圾场。现在,我们自食恶果。历时数百万年所形成的化石能源通过煤、石油和天然气给我们提供了温
3、暖,并且让我们能够开展各种活动,但它们也改变了大气,使地球不断变暖。这正是大自然做出的反应,以一种非常自然的方式:冰川在萎缩、永久冻土在融化、海平面在上升、海洋在酸化、干旱时间越来越长、降雨越来越多、天气变得越来越极端、平均气温不断上升。另外,导致全球变暖的温室气体的浓度还在不断增加,更糟糕的是:触发了这个变化的是我们人类!我们的解决方案只能是:摆脱所有排碳的东西。不再燃烧煤、石油和天然气,而是使用可再生能源。但是,太阳能和风能会成为我们未来的电力制造者吗?还是有其他选择?生产可再生能源需要多少土地?穿越德国的旅程在未来是否会变成穿越大型风力发电站、大型光伏发电设备和太阳能设备的旅程?在这些太
4、阳能收集装置的运作下,即使在炎热的夏天,也会给农业带来高产量?还是说,能源转型完全是另一回事?4无论以上哪个愿景成为现实,都绝对需要所有人的帮助和支持!转向可再生能源的能源转型及其对气候保护的积极影响关乎我们的子孙后代,现在正是关键时刻。我们没有时间可以浪费,现在必须做出正确的、引领潮流的决定。但是,为了让所有人都参与其中,我们有必要让每个人都知道这个变化是关于什么的。在不做出虚假承诺的情况下,通过清晰的物理论证,我们会解释可再生能源能做什么和不能做什么。为防止言语解释不清楚,我们会利用图表做进一步的说明。祝阅读愉快!加入我们吧!5能量!67你正在消耗能量!正是现在!哪怕你没有做任何事情,你的
5、身体每天都要消耗2000卡路里(cal)的能量,而这仅仅是用来维持你的生命。如果你想看这本书,你会消耗更多的能量,如果你即刻上网搜索这些说法是否属实,你在全球服务器上的搜索也会消耗更多的能量。这些能量具体有多少,你可以在网上找到答案,正如我所说,这将再次消耗能量。能量就是生命宇宙中发生的一切都需要能量。整个宇宙是能量的游乐场。没有了能量,就没有运动,没有辐射,没有思想,什么都没有,能量是一切的开始。对我们人类而言尤其如此,因为我们是能量消耗者。通过我们自己对生命的定义,可以看出能量对我们来说是多么基本的东西。我们所说的“活着”是指生物与自然环境一起代谢,用以维持自身、其身体及其功能的状态。生物
6、与环境交换空气、水和养分。在这个过程中,生物就像是一台“连续工作的加热器”,因为它利用原子和分子的结合所包含的能量来维持生命并排放废料,生物就是这样活着的。而我们所说的“死亡”是指已经停止按照这种模式来交换能量的状态,然后死亡的生物像枯萎的花束一样分解成自身的组成部分。生命是流动的能量,其他一切物质都是没有生命的。然而,不仅自然循环需要大量的能量,全球经济循环的各种庞杂的活动也需要巨大的能量支撑。我们的轮船、飞机和汽车,我们的机器运作、农业生产、家居生活、电子产品的使用一切都需要能量才能运行。为了满足这些需求,我们主要使用地球上历时数百万年形成的能源储备煤、石油和天然气来改变我们的星球。8没有
7、能量,我们不仅会失去生活中大部分的舒适感,比如晚上在看电视时有热比萨吃,还有假期旅行;还会失去生活中最基本的东西,诸如汽车和有暖气的客厅。我们的生活水平取决于能量难道我们不能简单地放弃使用大部分能量,从而将这个世界从气候危机中解救出来吗?请想一想:如果没有能量,你的日常生活还会剩下什么?交通方面,很明显我们想要开车、坐飞机、出国旅行肯定是不可能了。但即使是使用自行车也包含所谓的“灰色能量”,因为生产钢和碳需要能量,制作橡胶需要能量,把自行车运到店铺等都需要能量。那我们的饮食呢?冬天的番茄、牛油果、杧果、香蕉甚至橙子,在德国的纬度上都是没有的。冷冻比萨基本成为不可能。肉也会成为周日才会出现的例外
8、。9电视、电脑和手机呢?没有!这里消耗的大量能量不是因为使用它们,而是因为生产这些电器。在冬天,有流动温水的供暖房屋同样需要消耗大量能量。我们的现代医学因其药物和手术技术,也依赖于能量。有时候我们还会在不同场合穿不同的新衣服。没有能量,我们几乎一无所有!但我们现在衡量生活品质的标准是旅行的质量,有无房子和车子,分别有多少,健康与否、生活舒适度和存款数,这些反映了我们可以购买到的消费品数量和服务质量,无论我们承认与否,我们的生活水平都取决于能量。我们怎么会变得如此依赖能量如果不开发新能源,人类文明的发展是无法想象的。猎人和采集者还是从环境中满足了他们的能源需求,没有在很大程度上破坏自然生态。但是
9、,即使是最早高度发达的农业文明,也控制了某些形式的能量,例如水能或风能,并且大力发挥了生物质能的作用,用以制作人类和牲畜的食物,以及用于烹饪和取暖的木材。在大约200年前的工业化过程中,随着机器的投入使用,人们开始大力推广和使用全新的能源:我们动用了地球上的能源储存。煤、石油和天然气从地里被开采出来,这些原料的能量密度特别高,甚至可以通过提炼厂的复杂工艺进一步浓缩。例如,这些原料可以使飞机从地面起飞,使汽车速度更快。同时,它们还可以转化为电能,这是我们所知道的最高形式的能量,因为它可以长距离分布,并且几乎可以用于任何事情。正是这种电流,让我们可以使用电脑、冰箱、空调、智能手机、平板电脑和电视机
10、。相比之下,一万年前的猎人没有这些能源装备,只能步行。即便是在19世纪,大多数人出门仍然靠步行,也没有定位系统。但是现在,随着越来越多的人享受着现代的、能源密集型的生活方式,能源消耗也在不断增加,而我们就是罪魁祸首。我们有必要讨论一下能量虽然我们很少关注能量,但它确实主导着我们的现代生活方式。在本书中,我们正是要讨论能量这个话题。同时,我们还要思考这样一个10问题:在未来,我们希望如何满足我们的能源需求。我们有哪些选择?哪些是暂时的,哪些是可持续的?哪些是有意义的,哪些意义不大?哪些能真正满足我们巨大的能源需求?或许根本就没有能够持续满足我们人类生活的能源,等到能源枯竭的时候,我们所有人都得改
11、变自己的生活吗?了解能量首先,让我们一起来具象化地感受一下能量吧。想象一下,此刻你正在骑一辆自行车,你使出吃奶的力气蹬着车。假设这是一辆经过特殊处理的自行车,它可以将你使出的力气全部转化成电能,像是一台能够发电的家用健身器材。那么,一天下来,你能用它生产多少能量呢?够你烤个面包吗?还是能让一个灯泡亮上一整天呢?为民众服务的自行车手自行车手可是我们这本书的主角,之后的章节里我们会反复提到他们,感受他们所生产的能量。他们每天得在自行车上运动10小时(h),这可比我们工作日的完整工作时长还要久,而且全年无休。他们唯一的任务就是这样生产能量,每天10小时,日复一日。11这名自行车手一天能生产多少能量呢
12、?我们希望通过一名自行车手让我们的能量具象化。一名自行车手一天到底能生产多少能量接下来出场的是本书最重要的一个数值:10个小时产生1千瓦时的能量。这意味着1名自行车手每天能生产1千瓦时的能量,因此,如果全年无休的话,他每年能生产365千瓦时的能量。如果你对这个能量的大小还是没有概念,请不要担心,你很快就能搞明白的。千瓦时(kWh)是便于我们度量能量的基本单位。现在也许有人会说:“我知道千瓦时!我们家电费和燃气费的账单上就有,1千瓦时就是1度电嘛!”没错,咱们每家每户消耗的电和燃气就是按照千瓦时来计量的。1千瓦时的电费大约是30欧分(cent)1,1千瓦时的燃气费大约是5欧分。如果我们将1千瓦时
13、的能源折算成汽油,最终的结果是100毫升(mL)。考虑到10小时艰苦的体力劳动才换来这么点汽油,这个量可真是少得可怜啊。所以我们的自行车手还真是干得12多、挣得少,但是精力还相当充沛啊!我们希望通过这样的描述解释清楚其中的数量规则:一名自行车手骑10小时自行车,可以产生1千瓦时的能量。换算成电,这大约需要30欧分。同等数量的能量如果包含在100毫升汽油当中,以每升(L)1.50欧元的价格计算,100毫升就是0.15欧元,那么相当于每千瓦时是15欧分。1千瓦时都能用来做些什么1千瓦时可以用来做什么,可以用60摄氏度()的水洗一堆衣服或者做一顿饭。然而,1千瓦时只够你洗3分钟(min)热水澡,或者
14、在市内开着你的电动汽车行驶6千米(km)这对于10小时的骑行来说是相当少的。如果你开的是燃油汽车的话,1千瓦时,即100毫升汽油,只能行驶12千米。1千瓦时还可以用来烤大约1个小时面包,让一个100瓦(W)的灯泡亮10个小时,或者让一个同样亮度的LED灯发亮60个小时。所以,使用1千瓦时可以很方便地计算能量的数量。LED131千瓦时能做什么呢?普通家庭在日常生活中的许多事情都会用1千瓦时来衡量能量的多少。我们要如何在本书中使用千瓦时为了便于比较不同类型的能量生产,或是把它们与我们的能源消耗进行比较,我们必须将所有的结果换算成相同的单位。并且,举例的数值必须是我们能够想象的。我们就以整个德国的能
15、源消耗或是德国所有的风力发电站一年的能量生产为例。为了能够更好地对如此巨大的能量进行分类和比较,我们需要化繁为简。为此,我们将这些能量平均分配给德国的所有居民(约8000万人),并且分配到一年当中的每一天。这意味着,我们把一切能量都换算成每人每天的千瓦时。14在书中你会发现不同的自行车手,他们代表的是我们不同的能量来源和能源消耗。但是所有的自行车手都是一样的精力充沛,每人每天生产1千瓦时的能量。举个例子:2020年德国所有风力发电站的发电量换算成上述单位就是每人每天4.5千瓦时。相比之下,2020年德国的用电总量(包括工业用电)约为每人每天17千瓦时,几乎是发电量的4倍,这意味着我们所消耗的电
16、力只有1/4是来自于风力发电。并且,这其中还有一个重要的问题:电力消耗与我们的总能源消耗并不相同,因为我们的大部分能源消耗根本不是以电力的形式,而是直接使用化石燃料。这一点我们在后面还会谈到。为了让你更好地理解这一切,我们现在就可以将单位与自行车手联系起来:如果你发现自己每天用电1千瓦时或一年用电365千瓦时,那么每天就需要1名自行车手为你服务,并且只为你服务或者你自己每天骑10小时自行车。如果你一天消耗100千瓦时的能量,或者每年消耗36500千瓦时的能量,那么每天就需要100名自行车手为你骑车这种情况下只靠自己肯定做不到。你可以试着思考一下:如果我们把德国的总能源消耗(不仅是电力,还包括汽
17、油、取暖油等)平均分配到我们所有人身上那么每个人分配到的自行车手是20名还是100名又或者是1000名?在下一章,你会找到答案。顺便说一句,我们将慷慨地对所有数字四舍五入,因为不管是98名15还是100名自行车手,对于我们的估算影响并不大。但是到底是20名还是100名,这就得弄清楚了。我们还将通过我们的自行车手来比较不同能源的效率,比如光伏与生物质能。为此,我们会考虑多少平方米(m2)的光伏设备所发的电与1名自行车手所产生的能量一样,即每天1千瓦时或每年365千瓦时,并将其与能源作物生长所需的耕地面积进行比较。结果是:我们需要至少100平方米的耕地才能获得等量的能源。所以,我们的自行车手是本书
18、的主角,有了他们,我们就能够具体地理解能量的数量。平均而言,4平方米的户外光伏设备所产生的能量与我们1名自行车手生产的一样多,即每天1千瓦时或每年365千瓦时。就生物质而言,我们需要至少100平方米的耕地来种植能源作物,才能在1年后以生物质的形式获得等量的能源,即365千瓦时。顺便说一句,时间在这里并没有什么影响,因为我们所讨论的所有情况都必须是在相同的时间段内发生的:4平方米的户外光伏设备平均1天产生的能量与1名自行车手1天产生的能量一样多,而10年内产生的能量也同样与一名自行车手10年内产生的能量一样多。以燃煤电厂或核电站作为比较对象当然,我们也希望比较所有发电厂的生产能力,例如一个大型风
19、力发电站当前的能量生产与一个核电站进行对比。由于一个核电站或一个典型的燃煤电厂的生产能力相当于1000万名自行车手同时踩踏板,也就是1000兆瓦(MW)2或130万马力(PS),这样,自行车手的人数就变得异常庞大且不方便大家理解。所以,在这里我们不用自行车手,而是直接以燃煤电厂或核电站作为比较对象。16举个例子:在夏天一个阳光明媚的日子里,目前安装在德国各地的光伏发电设备在正午提供的电力相当于40座燃煤电厂这一比较很具有启发性。但有一点也很重要:光伏发电在早上和晚上的发电量自然比中午要少得多,夜里更是什么也没有。这就是为什么光伏发电一年的平均发电量不及40座全天候运行的燃煤电厂,而只有7座燃煤
20、电厂的发电量。因此,光伏发电可以等同于多达40座燃煤电厂或核电站的能量,并不是全天候的,它非常受天气的影响,只有在天气晴朗的夏季中午才能达到。现在我们开始对能量进行分类和比较,先谈谈我们的能源消耗,然后再讨论可再生能源。17能源消耗1819能源转型其实就是有些东西发生了变化。要理解一个变化,应该看看它的目标和起点。因此,我们必须首先了解我们如今消耗了多少能源,以及到目前为止这些能源是从哪儿来的。了解这些之后,我们希望在下面的章节中进行如下的思想实验:我们能否只靠可再生能源来满足当前的能源需求你怎么看?你认为这可行吗?你觉得很容易实现吗?还是觉得完全不可能?为了探究这个问题,我们打算在一张对照表
21、中比较能源消耗和能源生产。2021我们的能源对照表:左边是当前的能源消耗,单位为千瓦时每人每天,右边是我们想在本书中评估的可再生能源的生产潜力。每千瓦时对应一名自行车手,右边的柱子会有多高呢?在能源对照表的左边,我们看到的是现今德国所有居民的平均能源消耗,稍后我们将讨论柱子的高度,以每人每天的千瓦时表示。几乎每个居民都有相同数量的自行车手为其服务,他们日复一日地为居民提供能量。当然必须说明在现实生活中,生产电的是我们的发电厂,而不是自行车手。此外,我们还从用于车辆和飞机等交通工具的汽油、柴油或煤油等燃料中获取能量,也从石油和天然气中获取能量,用于供暖。在右边,我们会在您阅读本书的过程中逐步搭建
22、一根柱子,它代表了可能会在德国生产的可再生能源。我们将探索可持续能源生产的所有可能性,届时右边柱子的高度就会随之上升,我们会在每章最后更新它的高度。大家可以猜一下,右边的柱子会比左边的高吗?如果答案是肯定的,这意味着我们可以轻松地通过可再生能源来满足我们的能源需求。要是右边的柱子不及左边的呢?那么我们将来如果依然只想使用气候中和3能源,就不得不考虑其他替代方案。你认为结果会是怎样的呢?德国的能源消耗正如前面所说:为了进行实验,我们首先要了解德国现今的能源消耗有多少。为此,我们必须弄清楚这里所说的能源消耗到底是什么。能源消耗并不等同于能源消费。在这种情况下,区分一次能源、最终能源和有用能源就显得
23、非常重要。22所谓的一次能源消耗是指我们维持国家运转所需的所有能源载体和来源的能源总量。发电厂利用煤、石油、天然气或铀来发电,同时也使用风能、太阳能和生物质能。在交通领域,我们利用汽油、柴油和煤油,这些都是从炼油厂的原油中提取出来的。对于加热,我们使用取暖油,它也是从炼油厂的原油中提取的。如果我们将所有原材料和能源的能量含量相加,我们得出的一次能源消耗为每人每天120千瓦时,即每个德国居民需要120名自行车手。这是多还是少呢?我们之后会感受到的。23目前德国每人每天120千瓦时的一次能源需求是如何满足的呢?1插图中的数据均为概数。在我们每个人平均每天使用的这120千瓦时能量里面,超过100千瓦
24、时(85%)来自化石燃料(其中还有一些来自核能),18千瓦时(15%)来自可再生能源,其中光伏和风能只占5%,这相当令人震惊,毕竟我们经常看到关于这些可再生能源的演讲,内容都非常鼓舞人心。另外,只有大约1/3的一次能源可以用于发电,其余的都被我们直接消耗掉了,主要是通过供暖时的燃烧和车辆油耗,而在这里可再生能源所占的份额仍然很小。这也就解释了为什么可再生能源在电力生产中的份额最近一直在50%左右,但它们在一次能源需求总量中的份额仅为15%。所以,我们要注意分辨:别人到底是在谈论“能源生产”还是“电力生产”?这两者区别很大。24与一次能源需求相比,最终能源需求是指到达最终用户的能源,就是说日常生
25、活用电或者工业用电,比如我们在加油站给汽车加的汽油,利用太阳能从屋顶获得的热量,从远程供暖系统购买的热量,或者以石油、天然气或燃料芯块的形式购买的热量。德国每人每天的最终能源需求是85千瓦时。为什么低于一次能源需求呢?主要是因为大量能量会在发电厂损耗掉,比如将煤转化为电力的过程中,50%以上的能量会以热能的形式损耗掉,而在将电力传输到各家各户的过程中又会损耗掉5%。从原油中提炼汽油时,也会有大约10%的能量损耗。当能量到达最终用户时,所有这些损耗都已经扣除了,这就解释了一次能源和最终能源的不同之处。还有所谓的有用能源消耗。它就更少了,因为这里只考虑对我们有用的能量。然而,有用能量更难确定,并且
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