环保势在必行,可再生能源能否全面替代化石能源?

发布时间: 2020-05-11 10:04:43   来源:  作者:

  每年,全世界会用掉 350 亿桶原油,这种对化石燃料的大规模依赖会污染我们的地球,据科学家估计人类已经使用了大约世界总油量的百分之四十,如果以这个速度持续下去,我们将在大约 50 年后用尽地球上所有的油和气,在一个世纪后用尽所有的煤炭。另一方面,我们拥有充足的阳光、水和风,这些都是可再生能源,如果我们可以把对化石燃料的依赖转换成只依靠可再生能源的方式会发生什么呢?

  几十年来,我们一直在思考这个问题,然而,可再生能源仍只能满足我们对能源需求大约百分之十三左右。因为要达到百分之百的利用率,可再生能源需要更廉价,而且要容易得到,这是项艰巨的挑战。全球能源使用是一个多样而且复杂的系统,并且不同的需求需要个性化的解决方式,为了简化问题,我们将集中于日常生活中最常用的两类能源:电能和液体燃料。电能为高炉、电梯还有所有企业和制造业提供所需的能量。同时,液体燃料也起到了关键的作用,它几乎主宰着所有方式交通工具的运行。

  让我们先来分析电能,目前我们的技术已经发展到了可以捕获从可再生资源那里得到的能量,而且这种供给资源十分充足,太阳持续放射大约 173 万亿瓦特太阳能到地球,这是我们目前所需能量的大约1 万倍。据估计,几十万公里的地球表面应该足够提供我们人类目前使用水平的能量供给,那为什么我们不去获取太阳能呢?因为有其他阻碍,例如产能效率和能源运输。为了产能效率最大化,太阳能发电厂必须建在长年有充足阳光的地区,例如沙漠,但是那些地区离能量需求高的人口密集地区却很远。

  我们还有其他可再生资源值得考虑,例如水力发电,地热发电和生物发电,但是它们同样具有地域限制。原则上讲,一个相连的电能网络通过全球纵横交错的电线连接,可以让我们把电能从发电厂运输到用电的地方,但是建造这种规模庞大的系统需要支出的费用是个天文数字。当然我们可以通过发展高科技来降低成本,以更有效率地捕获能源。

  同时,运输能源需要的基础设施也不得不发生巨大的改变,目前的电线会损失百分之六到八的电能,这是因为电线材料会通过电阻消耗能量,电线越长意味着消耗的能量越多。而超导体将是一种可能的解决方案,这种材料可以在没有能量耗散的情况下运输电能。不幸的是,它们只能在低温环境下工作,这就需要额外的能量来控制温度,结果适得其反。为了在这个技术上获益,我们将需要研发可以在室温下工作的新型超导体材料。

  那基于石油的重要液体燃料怎么样呢?它的科学挑战是把可再生能源以容易运输的方式进行储存。近来,我们已经在生产锂离子电池方面大有进步,它很轻而且拥有高密度能量,但即使是最好的锂离子电池,其每千克储存的能量也只有 2.5 兆焦耳,相比一千克的石油提供的能量要低上大约 20 倍。如果要提升锂电池的竞争力,那必须使其储存更多的能量,而且不增加成本。随着载体变大,挑战也就越大,例如:船只和飞机。给一架喷气式飞机提供横跨大西洋飞行的能量,我们需要一个重约 1000 吨的电池,这个问题也需要技术上的创新来解决,使新型电池拥有更高的能量密度和更好的储存方式。

  一个很有前景的解决方式也许是高效地把太阳能转换成化学能,这已经在某些实验室里开始了,但效率仍然太低,远不能满足市场需求。要找到更高效的解决方式,我们需要不断创新以及强大的激励政策。人类向全部可再生资源转移是一个复杂的问题,它涉及到技术,经济和政治,但我们应该保持乐观心态,并相信我们是可以做到的,因为目前世界顶级科学家们正在寻找解决这些问题的方式而且一直在取得突破,许多政府和企业也正在进行技术投资,力求为我们创造源源不断的新能源。

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