1.3　能源更替与人类生活需求

从人类能源发展历史看，在能源获取方面，经历了从薪柴利用到大规模化石能源开发，再到新能源的不断涌现的过程，人类能源获取朝着高密度化的方向发展；而在利用形式方面，从热能、机械能到电能，能源的利用效率（包括转化率和传输效率）不断得到提升。在能源结构不断变化过程中，社会生产方式和生活方式的巨大改变，催生出新的能源技术和产业，进而推动下一次能源结构的调整和更替。现今的能源结构存在一些问题，诸如环境污染、碳排放等。但不可否认其在特定历史时期具有一定的先进性，是人类经历多个能源发展阶段后的必然结果。

1.3.1　人类能源发展阶段回溯

能源存在于自然界，并随着人类智力的发展而不断被发现和开发，又强有力地推动了人类文明的发展。回顾人类的能源发展，可划分为工业革命前的火与薪柴阶段、工业革命时期的化石能源阶段及多种能源并举的电气能源阶段，各阶段具有鲜明的特征。

1.3.1.1　薪柴能源时代：火是原动力

地球上原始人类出现初期只能依赖大自然中的野果、植物，捕获野生动物、鱼类及太阳的热效应维持自身生存和繁衍。人类有意识地利用能源的开始以火的发现和利用为代表。火的发现是人类文化的起源。最初人类使用明火是为了驱赶猎兽，之后逐渐演化为吃熟食，至此人类在进化的过程中实现了质的飞跃。熟食的长期食用既可以补充营养，进一步促进大脑发育，又可以防止疾病，让人类成为唯一在生产时需要外界帮助的物种，最终把人和动物区别开来。火还被用于寒冬取暖、夜晚照明，被运用于生产劳动中，形成“刀耕火种”原始农业的主要技术，所以火又是人类智慧产生的原动力。

在人类享受火带来的安全感和便利的同时，火也在改造着人类的组织形式。围绕篝火分享食物和各自的故事，促进了人类社会的形成；烹饪后的熟食的食用时间较食用生食大大减少，而渐渐充裕的时间又促进了族群内分工的形成，增强了原始社会的凝聚力。因此，人类更需要语言，需要共鸣，需要分享，而这些都是社会、沟通、群体的重要构成要素。

火还促使人类进入金属时代。大约7000年前，人们发现很多矿物可以熔化、分解，并以其他形式继续存在，于是人们点起更大的火，并试图在火中寻找更重要的发现。在铜中加入锡形成的青铜是一种十分强大的金属，它促使人类发明出新的武器，而这也被看作是一个新时代的开始——青铜时代。长达近250万年的石器时代结束，人类在火的帮助下创造出了更轻便、更结实的新材料，从铜到青铜，再到铁、钢，火以非凡的方式改变着我们的世界。正是在火的光辉照耀下，人类才迈开了大发展的步伐。

人类对火的利用一直延续到前资本主义时期，取火的燃料是自然生长的草木（见图1-2），后期畜力、风力、水力等新型能源得以发现和利用，但规模较小。随着人类不断进化，物质水平提高，人口急剧增多，造成了木材供不应求的局面。早在16世纪文艺复兴时期，由于农业、手工业、商业、远航贸易的发展，对木材的砍伐量大大增加，原始森林破坏程度大大超出修复程度。到16世纪后期，一方面，英国甚至整个欧洲的木材资源匮乏，价格暴涨；另一方面，森林被大面积砍伐，自然环境和生态平衡被破坏且难以恢复，引发了很大的社会舆论，使得欧洲文明一度出现停滞局面。

1.3.1.2　化石能源时代：技术创新是关键

16世纪发生于欧洲的“木材危机”迫使人们用煤代替木材作为主要能源。煤炭这种新兴矿物质燃料能源的开采使用，引发了社会生产力、生产技术、生产结构的一系列变革。17世纪到18世纪，煤炭作为新能源大规模开发、利用，使得生产力进入了大机器时代。机械师詹姆斯·瓦特对蒸汽机进行改良，使蒸汽机成为工业上可用的发动机，用机械动力代替人力和畜力，使得资本主义大机器生产取代了工场手工业。蒸汽机作为动力机械，被迅速推广到化学、冶金、采掘、机器制造等工业部门。当然，大机器生产的飞速发展是以巨大的能源消耗为前提保障的，因而，作为当时主体能源的煤炭工业就更大规模地发展起来，煤炭被誉为“黑色的金子”。19世纪上半叶，以煤干馏制取页岩油的工厂生产煤油、石蜡，为城市和家庭照明。煤炭工业彻底改变了国家的面貌，并以前所未有的速度推动历史发展，它塑造了新型的人类，开辟了看待世界、生活、社会与人际关系的新角度。

从19世纪70年代开始，随着石油、天然气的开采、加工和提炼，煤炭作为世界能源主体的地位开始动摇。电动机、内燃机、汽轮机的发明和应用，促使机器大工业进一步发展。20世纪50年代，世界能源进入以石油、天然气为主的时代。由于石油热量高，比煤炭洁净，使用方便，转换效率高，特别是价格低廉，因此从20世纪50年代开始，各主要资本主义国家纷纷把燃煤电厂改为燃油电厂，用廉价石油取代高价煤炭。石油成为世界的主要能源以及廉价石油的大规模开采利用，使得世界经济取得了突飞猛进的发展，各主要资本主义国家依靠廉价石油，实现了经济发展的“黄金时代”。石油被称为“工业的血液”，以美国为首的资本主义国家，依靠大量消耗廉价石油而发展了强大的生产力，国民经济均以每年递增4%~5%的高速度向前发展，在比较短的时间内，创造了人类历史上空前灿烂的物质文明，使得这些国家从工业化迈入现代化行列。

1.3.1.3　电气能源时代：电力是中心环节

环境污染和气候变暖逐渐凸显，迫使人类不断进行摆脱化石能源的尝试，20世纪50—60年代，核能逐渐兴起。到20世纪70年代的两次石油危机之后，包括太阳能、风能、水能、地热能等在内的新能源和可再生能源得到极大发展，核能也进入第二个发展高潮。其间，计算机技术在工业体系的大规模应用推动标准化市场逐渐走向多元化、个性化，人类社会生产效率进一步提高。

电力作为一次能源的新的载体和放大器，成为人类能源利用的主要形式。现阶段，在最发达的经济体中，通常近一半的一次能源都会转化成电力，再通过输电线路输送给最终用户。虽然以风能、太阳能为代表的清洁能源的开发利用在一定程度上缓解了日益严重的环境问题，但仍然可以看到，煤、石油、天然气等化石能源仍是能源结构的主体，在能源消费量的快速增长阶段，能源系统清洁化的压力日益增大，预计更多能源将转化为电力，电力在预测期内仍将成为人类能源供应的主要形式。

电力既是生产资料，又是消费资料，遍布经济社会各领域和生产消费各环节，这种属性独一无二、不可替代，使得电网成为“万物互联”即物联网的基础和依托，成为连接工业互联网和打通工业互联网与消费互联网的唯一“入口”。电网与新一代互联网和信息化、人工智能、大数据、融媒体等相互融合、相互促进，将给经济社会方方面面带来重大变革，人们的生产方式和生活方式将会发生重大变化。可以预见，未来很多新产业、新业态必将产生于能源革命和信息革命两大转型和深度融合之中。

过去全球能源结构以化石能源为主，决定了其设施越来越大型化和能源系统越来越集中化。但现在，风能、太阳能、生物能等新能源本身就具有分散的特点。人类能源发展的方向应该是研究如何让分散的多种能源在其发生地更好地被直接利用，提高能源利用率。未来，新能源的利用技术将逐渐成熟，从实验室走向工厂和市场。全球广泛应用价格经济的可再生能源不仅有助于改善环境，而且会惠及发展中国家无法享受电力或无稳定供电的居民，在扭转20世纪工业排放对环境的影响方面被寄予厚望。

在能源传输方式方面，分布式电网将逐渐取代集中式电网，成为人类能源供给方式的未来方向。与现有能源体系中超级电网（集中电网）更加关注传输技术相比，分布式电网更加关注本地控制与减少外部依赖。从理论上看，更成熟的本地控制和分散式技术可以让网络更加稳定，从而惠及用户。用户享有更多控制，可以加强或发挥当前电力系统中薄弱或潜在的市场力量。利用清洁和可再生资源，分布式能源有助于减少化石燃料的消耗，从而间接减少与化石燃料开采和运输活动相关的能源消耗和生态系统破坏。这也是分布式能源未来最大的意义所在。

1.3.2　产业革命依次满足不断升级的人类需求

每次产业革命的发生都必须符合人类（特指大规模人群，而非某地域、某阶层）追求更好生活的需要，都是出于人类提高物质生活水平、满足精神生活的需要。产业革命期间，人们研制不同的机械、电器，在提高劳动生产率的同时也提高了生活质量水平。在农业革命解决了人类吃饱的需求后，机械化革命、电气化革命、自动及信息化革命先后满足了人们穿暖、住与行、社交等需求，并带来生产方式、生活方式的极大改变，给人类带来全新的体验和满足。第四次产业革命对低碳能源经济的探索和追求，是满足人类更舒适便捷、更有尊严和更有价值的生活需求的重要依托。历次产业革命与人类主要需求见表1-1。

1.3.3　现阶段能源结构存在诸多问题

目前，世界能源结构仍呈现以化石能源为主，多种能源共同发展的局面。可再生能源的发展前景让人类看到了曙光，但对于现阶段能源结构面临的诸多问题及潜在危机，人类必须面对并做出预判。

1.3.3.1　化石能源供给高度集中化，能源格局供给严重错位

传统化石能源储量分布呈现两个特点，即储采比有限及分布不均。

石油：全球石油资源分布很不均衡，中东地区资源丰富，亚太国家储采比低，欧佩克组织石油产量继续保持第一。分国家看，委内瑞拉和沙特阿拉伯的石油储量最为丰富，前十位国家的石油探明储量占全球储量的85%；分地区而言，中东地区石油储量包揽了全球储量的50%，且储采比远远高于全球平均水平。

天然气：全球天然气资源分布也不均衡，且北美地区储采比也较低。天然气资源最丰富的国家为伊朗和俄罗斯，前十位国家的天然气探明储量约占全球储量的80%；分区域看，天然气也主要集中于中东地区，储量占全球的42.7%，且储采比大于100，远远高于其他地区。

煤炭：煤炭是化石燃料中储采比最高的能源，资源分布高度集中。分国家看，美国储量最多，其次是俄罗斯和中国，前十位国家的煤炭探明储量占比超过65%；分地区而言，欧洲和苏联的煤炭资源最为丰富，储量占比约为35%，储采比是全球平均储采比的两倍多，亚太地区煤炭资源并不充足，但产量稳居全球前列，储采比远低于全球平均水平。

化石燃料也被称为“精英能源”，主要是由其属性决定的。从它们被发现、开采、加工到运输以及后期应用都需要动用大量人力、物力及财力。因此，聚集资本的能力对资源开采与利用体系的有效运作是至关重要的。反过来，高度集中的能源基础结构又可以为其他经济产业的发展创造条件、提供样板。规模化和集中化的好处是阶段性降低了能源获取成本，但存在的隐患也会导致更大危机的到来。

能源供需可分为能源生产和消费。在能源生产端，产量格局在很大程度上取决于资源禀赋格局，其分布的不平衡性造成各地区产量相差很大。同时，生产成本和开采技术影响也不可忽略，它们对生产也有一定影响。在能源需求端，需求与经济发展水平和人口数量息息相关，从而导致全球供需格局严重错位和不平等。

尽管在世界范围内能源供需总体上保持平衡，供大于求，但这一平衡十分脆弱，区域性和时段性紧张带来的供给失衡长期存在。受世界人口增长、工业化、城市化等诸多因素拉动，全球能源消费呈现总量和人均能源消费量持续“双增”态势。世界各国对资源垄断程度日益加剧，争夺的方式也更加复杂，甚至不惜以战争形式予以控制。

1.3.3.2　化石能源局限性越发明显

以化石能源为代表的传统能源发展至今，面临诸多的问题，21世纪以来，这些问题越发突出。

（1）不可再生。虽然以化石能源为代表的传统能源的开发与利用促进了人类文明的进步，但是，化石能源都是亿万年前远古的生物质随着地壳的变迁，受到特定的地质压力和温度条件的影响而逐渐形成的矿物燃料，这些化石能源在人类的发展历程中起到了至关重要的作用。然而，这些化石能源的形成时间以千万年为单位，在短时期内难以形成，所以说现在的煤炭、石油、天然气及非常规油气资源都是不可再生的能源。无论化石能源濒临枯竭论调是否成立，可以确定的是，人类大规模的开发利用必然导致化石能源总量（已知的和未知的）的减少。

（2）开采成本持续走高。从煤炭的使用到石油、天然气的大规模开发，从常规油气的大力普及到非常规油气的不断尝试，人类对化石能源的利用已经逐渐成熟，但不得不面对一个现实：化石能源开采成本持续走高。随着煤、油、气勘探开发逐步由开采条件相对简单区域向地形条件复杂区域转移，开采难度逐步加大，开采成本持续走高。而从形成角度看，非常规油气本来就是受限于开采技术的常规油气的低品位矿，开采成本必定高于同期常规化石能源。（后文会详细阐述）

（3）短期内不可替代。所有的能源更替都有一个共同点——都是耗时数十年的长期进程。现行能源的使用规模越大，替代能源的转换规模越大，更替的时间将越长，短期内通过能源替代技术改变能源结构的作用有限。低碳或无碳的替代能源技术仍有很大的提升空间，但受认知水平和科学技术的限制，未来道路较为曲折。

长期以来，世界上各个国家基本形成了以油、气、煤为主的能源结构，对化石能源的依赖程度较高。现阶段开发的新型能源尚不能替代传统能源的地位。

体量方面：目前应用的新型能源与化石能源不在一个数量级；而从工业体系看，煤和石油作为化工原料，可以制成发展石油化工不可或缺的基础原料，如乙烯、苯、二甲苯等。通过产业链的不断延伸，下游化工产品种类也不计其数，如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成洗涤剂、染料、医药、农药、炸药和化肥等，这些与国民经济发展紧密相关。因此石油动荡将影响国民经济的稳定性。

经济性方面：没有任何一个行业是必须依赖石油的，无论是液体燃料，还是各种石油化工产品、精细化工产品，都可以依靠非石油资源来生产。实际上，通过CO₂来合成乙烯以及各种烃类的技术早就存在，有了这些基础化工原料，整个石油化工行业都可以被替代。问题在于，使用替代资源在成本上是否可以接受。目前来看，原油是一种相对廉价的能源，资源丰富，易于开采。但是，一旦原油因为逐渐稀缺和开采成本增加而逐渐失去优势，人们将可以承受替代能源的价格，化石燃料就会被逐渐替代。

在可以预见的未来，碳氢化合物将继续保持当前的主导地位。而天然气作为碳氢化合物中最清洁的一种，则会在短期内争取做大，并最终占有全球能源蛋糕的更大份额。基于目前的科技现状和工业体系，化石能源替代还需要较长时间。

（4）环境污染和温室效应。传统化石能源带来的最大问题是严重的环境污染和温室效应。这一问题已经困扰人类上百年。从生产端看，煤炭开采深度随着开采时间的延长逐渐加深，对自然环境及地层结构造成很大破坏，如矿山生态环境、生物栖息环境，以及对地表的破坏、引起岩层的移动、矿井酸性排水、煤矸石堆积、煤层甲烷排放等。而且，石油、天然气在开采过程中会带来地下水污染、土壤盐渍化、硫化氢排放等环境问题。从消费端看，受处理技术有限约束，化石能源利用过程中产生的大量SO₂、CO₂、NO_x、CO、烟尘和汞等污染物未能被有效综合利用，大量排放到空气中，而这些气体是造成大气污染和酸雨的主要原因。清洁化利用技术虽取得了极大的进步，但温室效应的罪魁祸首CO₂的排放量并不会因此减少。

为了抵消化石能源的副作用，很多国家和地区已经或正在考虑征收资源税、碳税、环保税，或开展碳排放权交易等，但这些措施会进一步推动化石能源资源供应成本上涨。未来，世界能源消费量仍会持续增长，在2050年左右达到峰值并长期保持。在以化石能源为主体的现有能源供应体系下，CO₂、硫氧化物、氮氧化物及粉尘颗粒物等污染物的排放量将继续增长，对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重；温室效应带来的全球变暖加剧，将给人类文明带来一系列灾难，在后文中将详细论述。能源利用下的环境环染见图1-3。

1.3.3.3　可再生能源发展面临瓶颈

随着化石能源的日益枯竭和环境压力的日益增大，各国政府纷纷提出低碳减排目标，倡导大力开发利用可再生清洁能源，将其作为缓解能源供应矛盾、减少温室气体排放和保护生态环境的重要措施。从现阶段可再生能源发展特点看，风能、太阳能和生物能等新能源的输出受地理、天气等外界因素影响，与大电网功率交换特性复杂，交换功率波动范围大，具有间歇性和不可预知性。

由于多数新能源发电需要依赖自然资源，大容量的可再生能源发电厂往往建设在偏远地区，如大型风电场多建于多风的近海或草原等地，太阳能电厂则多建于光照充裕的沙漠或高原等地，然而日益增长的负荷中心却多位于人口密集的城区。为满足不断增长的电力需求，需要及时将可再生能源所发电能远距离传输至负荷中心。

除上述技术问题外，发电成本是太阳能、风能等可再生能源面临的最大问题，数倍于燃煤发电成本，让其在与传统化石能源的竞争中处于弱势地位。

1.3.3.4　超级电网虽有所发展，但已不可能支撑人类发展进程

近年来，全球性能源供应与消费的逆向分布愈加明显，推动了超级电网的快速发展。超级电网是指依托长距离输电设施将多个不同种类的发电系统连接，以最小损失和最大效率将大量电能传输至几千千米外负荷中心的智能交直流混合广域电力传输网络。基于能源管理系统，超级电网可对电力消费者、输电网、微网和多种发电单元进行控制、管理、优化，从而实现电力系统的快速响应与安全稳定。超级电网的优势在于：中央电站和长距离电力线的性能大幅提高（如中国运行着世界上最大的百万伏电力线网络），增加了集中式电网的可靠性和成本效益。

从理论上说，“大机组、大电网、特高压”的超级电网是高效率的，然而这仅仅是在能量转换环节和输送环节。如果从整个能源系统分析，电力传输仍是损耗很高的能量传输方式，这一点通过简单的推算可以看出来。通过铁路将4000cal的煤运输1000km，单位万吨公里油耗为25kg, 1万t煤仅消耗25t油，按照热量，能耗约为0.6%；而电力机车的效率更是比燃油机车高出几倍，即使按照等价热值（测算相应电的燃煤等量热值），其能耗也会小于0.2%。而目前直流电力传输的线损率普遍在5%以上，比铁路运输高一个甚至几个数量级。

从技术上讲，更大范围或更高电压等级的输电线路在一定范围内不存在技术性的障碍，更多的争论体现在必要性与可行性上。超级电网支持者的论据包括资源的更大范围传输与电力的互济与平衡，以及发挥电网的网络效应。一个地区由于事故或者装机不够导致缺电，其原因往往被归结到电网覆盖范围不够大，不能从远处调电予以解决。这种思路其实有点类似金融“庞氏骗局”论证的特点，如果一个“集资”活动资金链断裂，其永远可以解释为资金规模不够大。可事实上，这种论证难有说服力。超级电网扩大的过程，是对各项资源消耗与占用增加的过程，所需要的巨大的协调必要性与复杂程度，早就超过了可得与可能的范围。这也是很多超级电网项目耗时多年却几无进展的基本原因。