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在世界能源发展史上，20世纪电力的出现，是一个划时代的革命。虽然我们一直称电力为电能，看作是一种能源的形式，但实际上，电力并不像煤或石油那样，是一种实体能源，确切地说，只是一种传输和使用能源的方法，也有称之为二次能源的。  电力一旦出现，由于其高效、灵活、清洁、安静，一下子就被人类社会所拥抱。从最早用于照明的白炽灯，到感应电动机的发展，这将电力有效地转换成了机械能，曾经在工业生产中占据主流，之后又衍生出各种家用电器，深入到我们日常生活的方方面面。 由于电力深入我们的生活是如此透彻，以至于大家都司空见惯了，甚至都感觉不到它的存在。特别是，电力的供应是连续的，现在在发达的国家和地区，断电是极其罕见的，而且断电会被认为是重大的事故。  我小时候生活在一个小县城，虽然有电力供应，但是断电是随时可能发生的，而且不会有任何通知。最糟糕的是，往往是你最需要电的时候被停电，因为据说大家这个时候都需要电，我们是最不重要的。现在这种情况，我不是说会完全杜绝，但肯定是越来越少了。所以，我对于电力供应，还是能体会到其存在和发展的。  可能许多年轻人，特别是从小就生活在大城市的年轻人，你们的感受应该与比尔盖茨类似，也就是并没有意识到我们是多么依赖电力，他唯一的停电记忆，是10年前因停电而被困在电梯里。
电力之所以会得到如此广泛的使用，其实我们都不用细想，就可以知道，一定是其价格便宜。但是这个价格便宜是有条件的，只有在基础设施完善的国家和地区才能实现。  比尔这里说： 在富裕国家的几乎任何一个地方，只要你打开开关，灯就会亮起来，而这只需要支付极少的费用。在美国，一个40瓦的灯泡持续亮一个小时，只需要支付0.5美分。 那么，我们可以估算出，在美国一度电应该是12~13美分左右。其实，美国不同州的电价差别很大的，这个应该是一个平均数。按照目前的汇率估算，美国电价相当于一度电人民币8毛钱左右，这与中国相当。 坦率地说，中国的电价一直保持多年来不涨价，从某种程度上来说，就是越来越便宜了，而且农村电价还有所下降，这其实是一个国家进步的标志。与其他物品不同，电价呀，往往是越不发达的地区，电价越贵。  在地球上，目前还有8.6亿人没有用上可靠的电力。正如比尔盖茨所说的撒哈拉以南非洲地区，许多人家中，大概有一半人的家中是没有通电的，但是他们大多数人有手机，要给手机充电，必须去外面的商店，充一次电，要支付25美分，这个价格就是发达国家的数百倍了。  所以，在这些地区呢，还有专门做给手机充电这些生意的。  看看这位小哥，同时给这么多手机充电。 那么，发达国家为什么能将电力弄得这么便宜呢？首先，完善的基础设施建设，肯定是最重要的一个方面，其次，电力生产工艺的改良也非常重要，但最重要的，还是电力生产的源头是多元化的。一般来说，我们肯定不会使用石油来发电，因为相对来说价格比较高，还有其他更需要石油的用途。我们大多是用煤炭来发电，还有水力发电和核能发电。  随着技术的发展，天然气发电也成为当今世界最受青睐的实用发电技术之一。  不过，化石燃料仍然是当今电力系统的支柱，占全球电力供应的64%。那么也就因此，电力生产成为气候变化的主要驱动因素之一。现在，如果我们要获得“零碳”电力，那就不能使用煤、天然气和石油，那么这个64%的空缺就需要从其他方面补回来，也就是发展清洁电力，这接近三分之二的空缺，要弥补绝非容易之事？
但不管是何种清洁电力，必须跟当前我们所使用的方法一样，既可靠又负担得起，缺一不可。所以，这一章，比尔明确了： 在本章中，我想要解释的是，在不产生碳排放的情况下，我们怎样才能继续从电力这种廉价且随时可用的能源中获取我们想要的所有服务，并让更多的人享有这些服务。关于这一点，我们要从实现目标的路径和未来的发展之路讲起。 然后他就追根溯源，说美国早期的电力主要来源是水，以水力发电为主的形式。 水力发电相对来说成本更低，但问题也很明显，水力发电必须要修建水库，而水库必须在河流旁边，还需要占用大量的地盘，可能涉及到移民和野生生物保护的问题，还有季节变化的问题。  他还特别强调了一点， 在修建水库的过程中，如果土壤里存有大量的碳，那么它会转化成甲烷，最终逃逸到大气中。有研究表明，一座大坝在修建之初的50~100年可能是一个比燃煤更糟糕的温室气体排放源。
而化石燃料就完全没有这样的限制，可以在专门的地点修建电厂，只要可以烧锅炉就可以了。所以，美国“二战”后电力爆发式增长，比“二战”前高了60倍，电价也是越来越低，2000年的电价只有1900年的0.5%。 所以，这里，再次说到电价便宜的原因： 电价之所以如此低廉，主要是因为化石燃料便宜。它们是广泛可用的资源，而且人类已经具备更好、更高效的开采和发电技术。另外，政府也付出了相当大的努力，以维持化石燃料的低价格，并鼓励加大生产。 虽然这是举的美国的例子，但其他国家其实也是类似的措施。到目前为止，煤和天然气还是发展中国家发电的首选，在过去几十年都是急剧上升的。我们中国的煤电总装机容量也非常高，所以压力还是相当大的。其他发达国家转型早，相对来说比较容易。正如比尔所举的美国的例子，如果美国电力系统转变为“零碳”，每度电平均零售价增加1.3~1.7美分，上涨幅度约15%了，对普通家庭来说，每月绿色溢价总计18美元，这对大多数人来说，都能够负担得起。欧洲也差不多，会导致电费平均上涨约20%。 其他一些国家，要么是自然条件的限制，要么是基础设施不够，比如输电线、变电站呀，总之，非洲和亚洲的处境要艰难得多。中国在过去数十年的成功，部分得益于廉价的燃煤电厂，其他一些发展中国家想学习这种方式。所以现在摆在他们面前的就是一个选择：是建造燃煤电厂，还是转向清洁电力？如果他们要学习中国的发展模式，显然已经很难有这个空间了。如何解决这个矛盾呢？发展中国家经济要发展，但廉价的燃煤电厂不让继续开发。 其实，有时候我们可能会比较奇怪：热电站要运转，必须不断地购买燃料；而太阳能电站、风电站和水力发电站，不需要燃料，应该是更便宜才对呀。 要解释这个问题呢，说白了，还是化石燃料太便宜了，就是我们上一章说的，其价格没有计入对气候变化产生恶劣影响的真实成本。其次，我们这个久经几十年考验的能源系统，涵盖了从地下开采，到运输、发电，输配等各个环节，一切成本都变得极为低廉。 这当然是一个方面，还有一个是这个方式提供了可靠的电力供应。而阳光和风力是间歇性的，不可能利用它们一年365天、一天24小时连续发电。电这个东西，是在产生的同时也被消耗，发电量时大时小会影响整个系统的平衡和可靠性。 我们对电力的需求是连续的，希望时时刻刻都有电，这就是一个工程上的挑战。 工程上的挑战，自然会带来工程上的解决方案。为了避免发生断电，在没有阳光、没有风的时候，就需要用其他的措施来进行补充。这个补充措施，说起来也滑稽得可以，就是再建造一个功率相当的热电站，以备不便之需。这个是不是太可笑了？在我们要试图要开发零碳电力时，却似乎要保留传统电力生产系统的所有设施，只不过增加了一个间歇性的能源补充系统而已，这与我们的目标是大相径庭的。 当然，也有一些解决方案是具有潜在价值的，比如建立一个覆盖面积更大的电网。我们理想的，是建立全球能源互联网，这样更容易让电网平衡，因为如果一个地方没有阳光，没有风了，可能在别的地方还有呀。地球上，在任何时刻，总是会获得同样的阳关照射的嘛。 如果做不到全球，先从国家做起，也是不错的，比如我们中国，主干的就是两大电网，并行运行：国家电网和南方电网。其实刚开始，这两个同属国家电力公司，因为改革而分开。这是以传统电力开发为主的，未来如果要发展新能源体系，相信合并起来会更好。 在这一章中，还有一个重要问题需要探讨的，就是电力存储系统。前面我们说了，电这种东西呀，是生产与消耗同时进行的。所以传统能源中，煤电和核电是要求连续稳定提供电力的。但是我们现在正在开发的，或者未来会开发的许多新能源形式，大多是间歇性的。那么要将这些是间歇性的电力利用起来，就必须要有一个存储系统，将时间上零散的电力先收集起来，再稳定地提供出去。 这样的能源存储系统呢，可以类比于我们传统水力发电的水库。水库的作用，就是将日常气象活动，或其他因素产生的水体重力势能收集起来，然后在发电的时候集中释放出来，产生所需的电力。但电力储存就没有这么方便了，而且成本非常高。 许多新能源产生中，的确不需要再提供燃料，但是配套的电力存储系统，是新增的内容，至少在目前的成本是非常高的。所以，比尔盖茨就为我们算了一笔账，他考虑了许多方面的事儿，但他的计算方法很晦涩，还采用什么各种思想实验，做了许多的假设，但最终想说明的问题，让我们有些云里雾里。我这里，就直接说大多数专业人士所认可的看法吧：目前来看，作为电力存储方案，如果是以小时为单位计，也就是只存储几个小时的时间，蓄电池的方式这还是不错的选择，比如，白天储存太阳能供晚上使用。但如果电力要长期储存呢，比如跨季节的，这种办法就特别不合算，我们期待未来有解决方案。 不过，比尔这里的结论是值得我们记住的： 大规模存储电力极其困难，而且成本高昂，但在未来几年，如果我们依赖间歇性资源提供相当比例的清洁电力，那么这将是必须面对的问题。 简而言之，在我们越来越接近“零碳”电力的道路上，间歇性是推高成本的主要力量。这就是为什么那些试图走绿色环保路线的城市仍在用其他电力生产方式补充太阳能电力和风电，比如可按需生产电力的燃气电厂。而这些所谓的“尖峰负载发电厂”无论如何都不可能是“零碳”的。 那么，再看看太阳能和风能近10年的发展 太阳能和风能的发电成本降幅令人惊讶。比如，2010—2020年，太阳能电池的价格已经降到接近先前的十分之一，而整套太阳能系统的价格仅在2019年就降了11%。 然后，比尔给我们介绍了有关美国电网的常识性问题：美国的电网，与中国不一样，并不是大家所理解的只有一个可以成为美国电网的大网络，其实有很多个，至少各州之间不一定是互通的，所以总体上是极度分散，基本上不会将电力输送到生产地以外的地方。 我们前面说到，建造更大的电网，对于解决一些新能源问题，是一个重要的解决方案。大的电网，目前在技术上并不是特别大的难题。当然，在这个地方呢，比尔盖茨用了很多的笔墨，来描述这个问题。如果说这个有问题，那也是美国本身的体制所决定的，欧洲也差不多。他们不是全国一盘棋，就存在各种投资的限制，管理体制就相对比较分散，所以导致设备更新也不够快。这些问题在中国，并不构成太大的问题。 正如我们前面所说，中国目前在发展大电网上，是占据一些优势的，我们一直是大电网运行的，而且还有相对比较成熟的特高压输电技术，这目前也是领先于世界的。所以，这里呢，我们略过这些内容，直接看看后面比尔对有关零碳电力方法的总结。 首先呢，就是核裂变。核裂变的原理，我假设大家都是知道的。 对于核裂变，比尔用了一句话概括： 它是唯一能够一年四季、不分昼夜地提供可靠电力的无碳能源，几乎可在地球任何地方建厂，并已被证实可大规模应用。 美国目前大约20的电力是核电厂提供的，全球来说，法国最高，核电占比高达70%。从目前人类已知的技术来看，未来想要快速“脱碳”，核电是不得不采用的方式。 这里的图4–5，显示了不同能源~生产单位电力所使用的材料。相比之下，很明显，核电厂是非常高效的。 但核能也有明显的问题，刚开始的建设成本很高，技术难度很大，如果造成事故，就有核燃料泄漏的风险，核废料也比较难处理。但比尔盖茨认为核电站的安全性，并不应该阻碍其发展，这一点我是非常同意的。正如汽车会出车祸，但我们并不是停止汽车生产，而是想办法改变其安全性。 款且，从数据来看 死于核事故的人远比在车祸中丧生的人少得多。 就此而言，核事故所导致的死亡人数少于任何一种化石燃料。 我们来看看图4-6的这个数据，就很清晰地展示了这个问题，大家注意比较一下看看。 其实，核能开发除了核裂变，还有核聚变。但目前并没有核聚变发电成功应用的技术，而且我们还不知道什么时候可以突破。所以，这就是一个需要创新开发的技术。 目前在这方面呢，中国也属于走在世界前列的。就在去年年底的时候，中科院等离子体物理研究所~他们攻关的“中国太阳”计划，就让全超导托卡马克装置~实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上采用该技术运行的最长时间。 第三种、离岸风电。也就是海上风力发电，一般是建在大陆架上。我们知道，由于海陆风的影响，海上风力资源比陆地上要丰富得多，而且风向比较稳定，我们也很容易理解，这样海上风力发电，间歇性问题就不是特别突出，就比陆上风力发电能提供更多，更稳定的电力。最主要的是，这些发电设施是远离人类的居住地的，不会与常规的人类活动争夺土地资源。 到目前为止，离岸风电还是欧洲比较多，英国是当今世界上离岸风电装机容量最大的国家。但中国现在也在大规模地投资离岸风电，按照目前的这个速度，预计到2030年，我们就成为全球离岸风电最大的国家。其实，现在许多事儿都是这样，是吧。一件事儿要么中国不参与，一旦参与，那必定最后都是老大。 第四、地热资源。地下深处有高温岩石，这是我们的常识了。如果将高压水注入到这些岩石上，它们就会吸收岩石的热量。然后，从另外一个口排出，这些能量就可以驱动涡轮机发电。但是，这种能量的“能量密度”还是太低，是不是值得开发，还有很多的争议。希望未来有更新的技术，让这种能量的开发在成本上更合算。 最后，我们再回到电力储存。有人可能以为，电池技术是不是未来可以有非常重大突破，就像早期日本的动画片《铁臂阿童木》那样有一个能源块，插上就可以用很长时间。 但其实，目前能找到超越于锂离子电池性能的材料，那是非常有限的。虽然现在的研究人员也很努力，探讨了可用于制造电池的几乎所有金属，但从目前的结果来看，要想找到大幅度提升电池性能的材料，似乎不太可能。 那么，还有一个问题，能否解决我们前面说的，长期储电的问题呢？也就是可为一座城市储存足够电能的电网级电池，这样就可以解决季节性、间歇性能源的问题。 比尔在这里给出了一种使用液态金属的电池，还有液流电池，液流电池分别把液体存储到不同容器中，通过泵送系统使液体流到一起，就可以产生电力。这些方式看上去是很值得期待的，对不对？ 除了蓄电池，还有抽水蓄能。这种方式，其原理大家都可以理解：在电力过剩的时候，把水抽到山上的水库，需要的时候，再放水发电。这就是让蓄水库变成了蓄电库，充分体现电能是一种能源的转化形式。但是，我们知道，这种方式只能在有特殊地形的地区建造，是很难推广使用，所以，最终所占的比例不可能太高。 那么借用这种重力势能蓄能的方式，就有人开发了专门针对重力储能的装置，其原理很简单，就是以重力造成的位能来储存能源。当电力有多余的时候，驱动马达将重物吊至高处，需要电力的时候，再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。这样的设施，对选址的要求就很低了，基本上风电场和太阳能发电站附近都可以建造。 接着呢，是利用热能存储。这个也很容易理解，电力过剩的时候，加热一种储热材料，需要的时候，通过热机将这些热能转化为电力。不难想象，如果这种装置能与太阳能结合起来，那么就不必再用白天产生的太阳能发电了，直接将热能存储起来岂不是更好，然后在夜间将其转化成电力。 刚才我们描述的这些方案，大家看上去，是不是觉得都或多或少有些不靠谱？总觉得，任何一种都无法成为主流，都只能看做是某种补充方案。 的确如此，到目前为止呢，最可能成为主流的储电方案，可能还是制作成廉价氢气。这种方案一旦成熟，其他的储能方案，可能都会变得可有可无。这正如个人电脑出现之后，打字机有没有就无所谓了。 氢是最简单的元素，也是水的重要成分，因此电解水和燃烧都不会产生太大的麻烦，电解产生的氧气可以直接排放，氢气保留，然后以压缩气体的形式，或者转化为其他形式存储起来，可以存储多年。这样一来，就解决了之前有关时空错位的问题：我们虽然不能用管道来运送阳光，但可以先把阳光转化为燃料储存起来，想运到哪儿就运到哪儿，也可以给氢燃料电池，产生电力。但很显然，大家知道这里的问题：氢气分子量小，是比较难压缩的，而且很容易泄漏。 那么就有人想到，如果将氢气与CO2反应，就可以产生甲醇和水，这就成了一种液体燃料，还被称为“液态阳光”。那么这种燃料就可以像汽油那样使用，几乎对汽车不用太多改变，就可以使用。 比尔谈到的其他方面的创新，那就是碳捕获技术了。就是说，我们可以继续像现在这样使用天然气和煤来发电。因为导致气候变化的不是发电，而是排放到大气中的二氧化碳，所以这个时候如果能将二氧化碳全部吸收，然后将它们封存起来，那不是就解决问题了吗？这就被称作“碳捕获和封存”（CCS）。 这与之前提到的 “直接空气捕获”相比，捕获的二氧化碳浓度更高，因而成本要小得多。也就是说，与其排放之后再用成本更高的“直接空气捕获”吸收，还不如在浓度高的时候就吸收，相信大家很容易理解这点儿吧？ 的确，关于未来，我们替代化石燃料发电会采用什么样的形式，其实我们现在并没有答案。我们知道，在没有找到最后的答案之前，各种混合方案会相继出现，并进行各种比较。 下面，在结束我们今天的话题之前，我想补充一个内容，就是关于新能源汽车的。我自己也算是新能源汽车的第一代用户吧，所以一个最直接的感受，当然是每公里里程的价格，充电与灌油完全是不可同日而语的。麻烦事儿就是充电时间太长，所以我一直就在想呀，要解决快速充电的问题，目前几乎不可能有太大的提高空间，除非采用换电池的方式。诶，这样的想法呢，还真有人采用，我知道的呢，就是蔚来汽车的换电站。 很多年前，据说特斯拉也准备采用换电的方式，但最后放弃了。那么现在，蔚来却在三年多的时间，大力发展换电站，在高速公路上疯狂建设，至少这从解决用户充电痛点的逻辑来说，是十分完美的。但随着大容量超充技术的出现，换电模式的优势是否还有优势呢？我觉得从对社会的贡献来看，这种优势依然存在。大家想想，这么多电池充电放在那里备用，本身是不是就构成了一个巨大的电力储存系统呢？所以，未来我们在讨论电力存储方案中，别忘记了蔚来汽车这种换电站模式，也占有一席之地，而且，当这种模式足够普及的时候，这个储电量也不容小觑的。 这一章的内容比较长，我给大家介绍的这些内容，算是本章的精华吧。希望我的解读，能让你能更轻松地阅读和理解本章。 |
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