.. figure:: ../images/ch17.jpeg :class: full-width 17 替代能源比较 ================== （大模型翻译，未校对） 本书探讨了过去约 150 年间的能源激增，很大程度上将其描绘为化石燃料的故事。化石燃料的有限性与环境代价结合在一起，清楚地表明我们不能指望化石燃料将我们带入不确定的未来——越早转型越好。我们在前几章中探讨了主要替代方案的各个方面。本章汇集了关键结果。 一个引人注目的认识是，在过去半个世纪中没有出现任何根本性的新能源技术。水力发电、核裂变、风能和太阳能光伏都早已被发明。聚变一直处于研究阶段。期望能源领域出现奇迹般的新突破——一位身披闪亮铠甲的骑士——是不明智的。\ [#]_ 并非科学家和工程师没有优先考虑能源研究：能源一直被公认为现代生活的关键支柱。1970 年美国石油产量见顶，随后十年间发生了两次全球石油危机，这些事件起到了警醒作用。关于气候变化的警报几乎一直响个不停。人们的兴趣一直很高，许多想法\ [#]_ 都被考虑过。在这个阶段，绞尽脑汁产生更多新想法的前景并不乐观。 那么，也许棋局已经布好。我们认识了各位角色。我们了解了各自的利弊，对每种技术都有数十年的经验。这让我们处于什么位置？本章\ [#]_ 旨在将这一切整合起来进行盘点。接下来的章节将开始探讨在面临困境时我们可能如何前进。 .. [#] 对基础物理学的广泛认知并未揭示令人充满希望的革命性能源来源——尤其是在相关的时间尺度上。 .. [#] ……大多数站不住脚 .. [#] 本章内容经编辑改编自作者对 Worldwatch 研究所 *State of the World 2013: Is Sustainability Possible?*\ :cite:`c111` 的贡献。© 2013 Worldwatch 研究所。经 Island Press（华盛顿特区）许可转载。原文最初发表于 *Do the Math* 博客文章 *The Alternative Energy Matrix*。 17.1 替代能源矩阵 --------------------- 在探索化石能源的潜在替代方案时，很快就会发现，化石燃料在许多方面是无与伦比的。即使不将化石燃料视为来自地下的能源来源，而更准确地描述为近乎完美的储能介质，其能量密度也比迄今为止最佳电池技术所能达到的高出数个数量级。这种储能之所以近乎完美，是因为它相当安全、不具有特别强的腐蚀性、易于运输、\ [#]_ 轻便但密度足以在飞机中使用（见 :ref:`Box 17.1`），并且可以无限期存储——实际上可以存储数百万年——而不会损失能量。没有任何替代存储技术——无论是电池、飞轮、氢气还是乙醇——能够同时拥有所有这些优势。 .. [#] ……通常通过管道 .. _box17.1: .. admonition:: Box 17.1: 电动飞机？ :ref:`Box 13.3` 已证明，在理想条件下接收太阳能的飞机只能收集到典型巡航客机功率的 4%，无法仅靠直接太阳能输入起飞。但电池储能呢？ 最佳的锂离子电池储能密度为 0.17 kcal/g，比汽油（约 11 kcal/g）低 65 倍。波音 737——航空业的主力机型——空重约 35 吨，可容纳约 15 吨燃料和 15 吨乘客/货物。\ [#]_ 以电池形式储存等效能量——即使允许热效率与电动\ [#]_ 效率之间有三倍的差异——也需要 300 吨电池：远远超过整架飞机的最大起飞重量。或者飞机可以接受缩短 20 倍的航程：降至 200 公里。充电时间可能轻松超过飞行时间。这不是一回事。更多分析见第 D.3 节（第397页）。 .. [#] 电动飞机并非不可能。模型飞机、无人机和其他可爱的演示可以升空。但这与实际航空旅行完全不同！ .. [#] 这可能过于慷慨了，因为性能取决于推进机制：螺旋桨？ 本章旨在建立一个相对完整的清单，列出我们可能利用地球各种能量流和储量（如 :ref:`表 10.2`；第168页）的方式，其中大部分已在第11–16章中进行了详细讨论。 为了进行比较，建立一个能源来源属性的矩阵会很有帮助，这样每种能源的相对优势和劣势就能一目了然。（见图 :ref:`图 17.1` 和 :ref:`图 17.2`。）该矩阵以基于10个不同标准的彩色编码图呈现。\ [#]_ 蓝色、黄色和红色可以大致理解为好、中性和不足。黄色方框通常附有简短的中性理由——而蓝色或红色极端的理由通常显而易见。虽然有些标准是定量的，但许多是主观的。以下10个属性用于本次比较。 - **丰度**。并非所有想法——无论多么巧妙或实用——都能扩展到满足现代社会的需求。水力发电无法扩展到当前全球需求的 10% 以上，而到达地球表面的太阳能潜力经计算轻松超过这一基准约 5,000 倍。丰富的资源标记为蓝色，而像水力发电这样无法想象能满足全球需求四分之一的小众想法标记为红色。能满足需求相当大比例的中间参与者标记为黄色。 - **难度**。此属性试图捕捉某种资源所带来的技术挑战程度。运营一个设施需要多少博士？维持运行状态的工作强度有多大？这个属性可以转化为经济术语：难度大致代表成本的代理指标。 - **间歇性**。如果来源稳定或在需要时随时可用，标记为蓝色。如果可用性超出我们的控制范围，则至少标记为黄色。连续数天严重产能不足的情况标记为红色。\ [#]_ - **已验证**。要标记为蓝色，一种资源必须在今天商业可用并为社会提供大量能源。纸面上的概念验证或展示部分技术的原型不算已验证。 - **电力**。该技术能否生产电力？对于大多数来源，答案是肯定的。有时尝试这样做没有太大意义。\ [#]_ 对于其他来源，这不太实际。 - **供热**。该资源能否直接提供热量？如果只能通过电力方式，标记为黄色。 - **交通**。该技术能否缓解石油产量下降的迫近危机？任何能生产电力的技术都可以驱动电动汽车，获得黄色评分。液体燃料获得蓝色评分。请记住，大规模转向电动汽车并不保证会发生，因为汽车可能仍然太贵或不切实际而无法广泛采用，此外还有与大规模充电的电网基础设施相关的其他挑战。 - **接受度**。公众舆论\ [#]_ 对这种方法是否持正面态度？是否可能遇到阻力——无论理由是否正当？这一维度涵盖环境关切、健康和安全威胁以及在自然环境中的碍眼程度。 - **后院**。这能否在家庭环境中使用——在某个人的后院、屋顶或小物业上，由个人管理？分布式发电增加了系统韧性。 - **效率**。超过 50% 标记为蓝色。低于约 10% 标记为红色。这不是最重要的标准，因为丰度评分隐含地包含了效率预期，但我们始终会以负面看待低效率。 .. [#] 这些标准由作者定义：这种比较方法并非通行做法——尽管或许应该如此。 .. [#] 存储可以缓解这一问题，但会增加成本。季节性存储尤其不切实际，这对太阳能资源造成了阻碍。 .. [#] 例如，生物燃料可以用来发电，但可再生液体燃料太珍贵了，不应以这种方式浪费。 .. [#] ……以美国人的态度为判断依据 环境影响在此矩阵中没有单独列，尽管「接受度」衡量标准捕捉了其中一些方面。气候变化显然是化石燃料的一个负面因素，但至今并未因此导致全球需求削减（见图 :ref:`图 8.2`；第118页）。此处列出的替代方案都不会直接造成二氧化碳排放，这为所有条目增添了额外优势。 每种能源来源可以分配一个粗略的数值分数：每个蓝色方框加一分，黄色方框不加分，每个红色方框扣一分。诚然，这种评分方案并不完美，\ [#]_ 给每个标准赋予相同的权重，但它确实提供了*某种*比较和排序来源的方式。 .. [#] 参见第17.3节了解另一种方法。 .. figure:: ../images/fig17-1.png :name: fig17.1 :class: full-width **图 17.1:** 化石燃料属性矩阵。蓝色表示好（+1分）；黄色表示中性（0分）。 .. figure:: ../images/fig17-2.png :name: fig17.2 :class: full-width **图 17.2:** 替代能源属性矩阵。蓝色表示好（+1分）；黄色表示中性（0分），红色表示差（−1分）。在总共 18,000 GW 的能源中，只有绿色标签的条目目前对能源的贡献超过几吉瓦。此比较旨在帮助区分未来能源实施中有吸引力的方向。 按照此方案，传统化石燃料各自得分在 10 分中获得了 7–8 分，如图 :ref:`图 17.1` 右侧所示。某些属性评级在某些评分类别中按供热与发电分别评价。 此图传达的整体印象是，化石燃料在几乎所有标准上都表现相当出色。由于化石燃料合计供应了约 80% 的全球能源使用量，它们各自被归类为具有中等丰度。但即便这也是一种非永久性状态——这为探索替代方案提供了重要的原动力。从化石燃料中获取能量极其容易。由于没有间歇性问题、已充分验证，且多功能到足以提供供热、电力和交通燃料，化石燃料已被社会广泛接受，且经常在家庭中直接使用。除直接供热外，其他用途的效率处于中等水平，汽车发动机通常为 15%–25%，发电厂为 30%–40%。 常见替代能源方法的评级范围更广。从图 :ref:`图 17.2` 中可以立即看出一些总体趋势。很少有选项既*丰富*又*容易*。太阳能光伏（PV）和太阳能热是唯一的例外。类似地，丰富且已验证/可用这一排除原则通常也成立——同样只有太阳能光伏和太阳能热满足条件。这种罕见的组合在太阳能的普及和前景中发挥了重要作用。 间歇性主要困扰太阳能和风能资源，尽管许多自然来源（水力、潮汐、波浪、生物燃料）也因间歇性而带来轻微不便。 电力相对容易生产，因此有许多选项。由于最简单、最便宜的可能会被优先选择，不太方便的电力生产形式不太可能被开发利用。\ [#]_ 交通需求难以满足。加上石油产量将在天然气或煤炭之前见顶这一事实，交通可能被视为需要解决的首要问题。电动汽车是一个显而易见——尽管昂贵——的解决方案。\ [#]_ 除了不清楚我们是否都能负担得起电动汽车之外，该技术与化石燃料相比还有许多缺点，且不适用于航空旅行或陆路和海路重型运输（见第 D.3 节；第397页）。一辆汽车在加油站加满油箱时以惊人的 15 MW 速率转移能量，相当于 3,000 户家庭同时开着空调。有限的续航里程和缓慢的充电时间\ [#]_ 不允许电动交通简单地替代我们目前所知的交通方式。 很少有选项面临严重的接受度障碍，特别是在能源匮乏的情况下。一些能源来源可供个人实施，允许分布式发电而非集中式资源。例如，一个配备光伏面板、风力发电和某种现场生产液体燃料方式的被动式太阳能住宅，可以以自给自足的方式满足大部分家庭能源需求。 成本在矩阵中没有直接体现，尽管难度评级可以作为一个不完美的代理指标。总体而言，替代方法难以与廉价的化石燃料竞争。目前尚不清楚是否能获得以当今规模负担得起更昂贵能源未来所需的繁荣，因为繁荣在历史上一直与自然资源的可获得性密切相关，而这些正是我们这个人口众多的地球所承受最大压力的方面。 .. [#] 由于列表按总分排序，那些排在底部的来源作为电力来源处于不利地位，可能与其经济劣势相关。 .. [#] 电池成本仍然很高：约每 100 英里（160公里）续航 $10,000。 .. [#] 220V 40A 电路（住宅端的高端配置）每小时充电速率约为 20 英里续航。 17.2 各替代能源逐项盘点 ----------------------------- 单单一章无法充分详述图 :ref:`图 17.2` 矩阵中所涉及的无数复杂考量。前几章讨论了其中许多考量，但每种能源的许多定量和定性方面是在 *Do the Math* 网站上发展起来的。本节讨论每种资源与矩阵标准相关的关键品质，特别关注不那么明显的特征。 **太阳能光伏**\ （第13.3节）：仅覆盖地球陆地面积的 0.4% 即可满足全球年度能源需求（假设 15% 效率的面板），使太阳能光伏有资格被归类为丰富。全球光伏面板的年产量已超过 100 吉瓦（GW）峰值容量，\ [#]_ 证明了其难度较低。大多数人不反对在屋顶或停车场上安装太阳能光伏面板，甚至在开阔空间中也是如此。\ [#]_ 太阳能面板非常适合个人操作和维护。间歇性是太阳能光伏的致命弱点，如果大规模采用，则需要储能解决方案。为了说明储能的难度，为美国提供充足备用电力所需的铅酸电池规模将超过世界上估计可获得的铅储量，且按当前铅价计算将花费约 60 万亿美元 :cite:`c112`。锂基或镍基电池在成本和丰度方面表现也不佳。抽水蓄能受限于少量适合的地点。 **太阳能热发电**\ （第13.8.2节）：实现与光伏相当的效率但使用更多土地面积，通过聚光太阳能热能发电的过程有充分资格被归类为丰富——尽管在某些方面受地域限制较大。该技术相对低技术含量：闪亮的曲面反射镜，通常在单轴上跟踪，加热油或类似流体以驱动标准热机。间歇性可以通过储存热能来缓解，甚至可能储存数天。一些电站已经在运行，生产具有成本竞争力的电力。公众接受度不逊于光伏，但该技术通常必须在大型集中式设施中实施。 **太阳能供热**\ （第13.8.1节）：在较小规模上，直接从太阳收集的热量可以提供家庭热水和供暖。在后一种情况下，这可以简单到只是朝南的窗户。有效捕获和利用太阳能热量并不特别困难，归结为管道、保温和通风控制。从技术上讲，太阳能供热潜力可能是丰富的，但由于通常局限于建筑占地面积（屋顶、窗户），因此获得黄色评级。太阳能供热不适合发电或交通，但不存在接受度问题，而且几乎按定义就是一种后院即用的技术。 .. [#] ……换算为每年约新增 10–15 GW 平均发电功率 .. [#] ……尤其是阳光充足的沙漠 **水力发电**\ （第11章）：尽管效率令人印象深刻，水力发电潜力在全球范围内已开发得相当充分，注定在当今能源使用规模上继续保持从属地位。它具有季节性间歇性，\ [#]_ 不直接提供供热或交通，且很少能在个人规模上实施。接受度相当高，尽管淤积及其相关危险——加上栖息地破坏和强制搬迁人口——确实引起了一些对扩建的反对，并导致了一些水力发电设施的拆除。 .. [#] 典型的水力发电厂仅输出其设计容量的 40%。 **藻类生物燃料**\ （第14.3.2节）：由于藻类捕获太阳能——即使效率不到 5%——其潜在能量规模巨大。\ [#]_ 挑战包括保持管道清洁、可能的感染、\ [#]_ 其他物种的污染等。目前，尚未发现或工程改造出能够分泌所需燃料的藻类样本。无人知道基因工程是否能成功创造出合适的生物体。否则，提供交通燃料的能力是其最大吸引力。热量也可以高效生产，但用珍贵的液体燃料来发电则是一种浪费。 .. [#] 然而，低 EROEI 可能使该企业不可行。 .. [#] ……例如，与不断进化的生物噬菌体之间的基因军备竞赛 **地热发电**\ （第16.1节）：此选项主要在罕见的地质热点处才有意义。它无法扩展到成为我们整个能源结构的重要组成部分。除此之外，它相对容易、稳定，且在许多地方已得到验证。它可以提供电力，当然也可以直接供热——尽管通常远离需要热量的地点。 **风能**\ （第12章）：风能既非超级丰富也非稀缺，属于在大规模开发下\ :cite:`c70` 可以满足当前需求相当大比例的选项之一。实施相对简单直接，效率合理，且在全球大型风电场中已得到验证。最大的缺点是间歇性。连续数天几乎没有或完全没有区域性出力的情况并不罕见。对风能的反对意见往往比许多其他替代方案更为严重。风力涡轮机噪音大，且往往位于显眼的位置（山脊、海岸线），其高度可见性改变了风景。风能仍然适用于小规模个人使用。 **人工光合作用**：将直接太阳能输入的丰富性与液体燃料的自存储灵活性相结合，人工光合作用是一个引人注目的未来可能性\ :cite:`c113`。能够将产生的液体燃料储存数月意味着在年产量满足需求的范围内消除了间歇性。一个在阳光下滴出液体燃料的面板可以满足供热和交通需求。也可以发电，但考虑到发电方式丰富，液体燃料如果用于此目的则是一种浪费。不幸的是，尚未在实验室中展示出令人满意形式的人工光合作用，尽管美国能源部在 2010 年为此目标启动了一个大型项目。 **潮汐能**\ （第16.2节）：受限于选定的沿海地点，潮汐能永远不会成为全球能源的重要贡献者。该资源在日和月尺度上具有间歇性，但方式完全可预测。提取潮汐能并不特别困难——高效技术与水力发电设施中使用的类似——并已在世界多个地点得到验证。 **常规裂变**\ （第15.4.4节）：使用常规铀反应堆和常规采矿方式，核裂变没有跑马拉松的耐力。另一方面，它确实已得到充分验证且没有间歇性问题——除了它不能适应需求侧的间歇性（可变负荷）。与其他选项相比，核能被归类为高科技方案——意味着设计、建造、运营和应急缓解比普通能源生产者需要更高级的培训和素养。 接受度褒贬不一。德国和日本分别计划在 2022 年和 2030 年代逐步淘汰其核能计划，尽管它们对减少 CO\ :sub:`2` 非常认真。公众的不安也促成了 1978–2012 年间美国新反应堆许可的停滞。一些反对源于不合理——但同样真实的——恐惧，部分由该主题的技术复杂性所维持。但一些反对涉及核扩散相关的政治困难以及令所有国家都尚未满意解决的放射性废物这一沉重问题。 **铀增殖**\ （第15.4.4.2节）：将核裂变扩展到使用从\ :sup:`238`\ U 合成的钚（其丰度是\ :sup:`235`\ U 的 140 倍），使铀裂变有能力至少运行几个世纪乃至几千年，缓解了丰度问题。增殖已在军事反应堆中实践，事实上常规铀反应堆中相当一部分功率来自\ :sup:`238`\ U 偶然合成的钚（\ :sup:`239`\ Pu）。但尚未建造商业电厂来刻意利用大部分铀进行发电。公众对增殖反应堆的接受度将面临更高障碍，因为钚比\ :sup:`235`\ U 更容易被分离为炸弹材料，而且核能扩张带来的放射性废物增加也会造成麻烦。 **钍增殖**\ （:ref:`Box 15.5`；第260页）：钍比铀更丰富，且只有一种天然同位素，\ [#]_ 使其有资格被归类为丰富资源。与所有核能选项一样，钍反应堆属于高科技阵营，并包含常规反应堆未曾面临的新挑战。\ [#]_ 已进行了一些小规模示范，但在商业领域尚无成果；如果钍反应堆能够大规模上线，可能还需要几十年时间，甚至可能永远不会。公众反应可能与常规核能类似：不是交易破坏者，但在类似理由上会有一些抵触。目前尚不清楚钍的新颖性会受到怀疑还是欢迎。虽然钍也代表一种增殖技术（从\ :sup:`232`\ Th 制造可裂变的\ :sup:`233`\ U），但由于高放射性的\ :sup:`232`\ U 副产物\ [#]_ 和几乎不存在易分离的钚，钍的核扩散方面大大降低。 .. [#] ……因此浓缩不是瓶颈 .. [#] ……例如用于反应堆堆芯的液态钠介质 .. [#] ……对不法分子而言是致命的 **地热供热（允许耗竭）**\ （第16.1.2节）：地壳中蕴藏着巨大的热能储量，渗透在岩石中并缓慢向外移动。如果忽略可持续目标，可以钻入地下数公里以超过地球物理补充速率的速度从岩石中提取热能，实质上像一次性资源一样开采热量。在没有水流来分配热量的情况下，干岩石会在几年内使钻孔周围 5–10 米范围内的热量耗尽，需要在距前一个孔 10 米处再钻一个孔，如此反复。在陆地上反复进行大规模钻探作业使该技术被评为中等难度。 对于以任何体面效率运行热机发电来说，温度处于边缘水平，\ [#]_ 但至少在特定钻孔仍然有用的时间内，热资源不会出现间歇性问题。公里级钻探的障碍阻止了该技术在地质正常（不活跃）场址得到验证。鉴于所涉及的钻探规模，加上处理尾矿和可能大规模地下水污染问题，公众接受度可能不及不冷不热。虽然后院可能容纳一个钻孔，但考虑到每个钻孔所需的工作量和寿命，将热量用于建筑群而非单栋建筑远更实用。 .. [#] ……尤其考虑到有许多更容易的选项可用于发电。 **地热供热（稳态）**\ （第16.1.1节；）：地热能的可持续提取——由地球内部的放射性衰变补充——提供的总潜力要少得多，如果将所有陆地的热流加总约为 13 TW。而且要达到足以用于供热目的的温度，需要至少 1 公里深的钻孔。在陆地上以 1 公里深的热收集器覆盖任何相当大比例的面积都是极具挑战性的。因此，丰度因素的黄色评分可能已经过于慷慨。要收集足够的稳态热量来满足美国普通家庭的供暖需求，收集网络需要在地下覆盖边长 200 米的正方形区域，这很可能无法实现。\ [#]_ .. [#] 注意，被称为「地热」热泵的技术并未获取能源资源；它们只是利用一个大的热质量来调节温度。 **作物生物燃料**\ （第14.3节）：虽然玉米乙醇可能甚至不是净正能量，但甘蔗和植物油作为生物燃料来源表现更好。但这些来源与粮食生产和可耕地的可用性存在竞争。因此，作物生物燃料只有在植物废料或纤维素转化的背景下才能从「小众」升级到中等规模。丰度和已验证领域因此被分开评估：粮食作物能源已验证但规模严重受限。纤维素物质成为潜在的大规模来源但尚未得到验证。\ [#]_ 在相关规模上种植和收获年度作物构成了一项大规模的、持续不断的任务，因此在难度上获得黄色评级——这也拉低了 EROEI。 .. [#] ……甚至可能应该是红色 如果利用化石燃料类似于挥霍一笔可观的遗产，那么年度种植和收获能源供应就像找了一份体力劳动工作：这是最困难的转变。作物生物燃料的主要优势在于液体燃料方面。公众接受度取决于是否与粮食甚至一般土地竞争。由于植物捕获太阳能的效率仅为 1%–2%，此选项需要征用大量土地。 **海洋温差能**：海洋温差资源利用深海\ [#]_ 与海面之间 20–30°C 的温差来驱动一个效率低得荒谬的热机。这些热量对为任何家庭供暖没有用处（它不够热）。但尽管如此，由于太阳能收集器（即海洋）的面积巨大，这是一个巨大的资源。大型海上电厂将难以到达和维护，向陆地输电也不容易。该资源在中纬度地区存在季节性间歇性，但热带设施可以避免这一影响。目前不存在相关的/商业规模的示范。与许多其他来源一样，此选项\ [#]_ 仅生产电力。在接受度方面，很少有人关心我们在海上放什么——眼不见心不烦。海洋温差能不是后院解决方案！ .. [#] ……几百米深处 .. [#] ……远离需求地点 **洋流**\ （第16.3节）：大规模洋流比风慢约十倍，使每公斤洋流的功率比每公斤风的功率低 1,000 倍。水的密度弥补了这一差异，使洋流在每个转子面积上的功率与风相当。并非所有海洋都有 1 m/s 这样高的洋流，因此总丰度被归入与风能相同的类别，尽管这可能过于慷慨，可能应该是红色。将机械放置在水下（腐蚀性环境）且远离需求地，使此选项归类为困难。从积极的一面来看，洋流应该是稳定的，消除了间歇性的担忧，不同于风能。目前我们的电力构成中没有来自洋流的贡献，因此不能说已经得到有意义的验证。对于其余类别：仅产电力；我们可能对水下设施几乎没有抵触；且没有后院机会。 **海浪能**\ （第16.4节）：虽然海浪看起来强大且无处不在，但波浪是一种线性收集现象，而非面积现象。因此，全球海岸线到达的功率并没有那么多（最多几 TW）。将波浪运动高效地转化为有用的电力并不特别困难，而且靠近陆地的优势使得通达、维护和输电远比前两种海洋方案不那么令人担忧。间歇性——主要是季节性的——处于中等水平，随着风暴和平静期的交替出现。原型概念层出不穷，一些正在商业规模上进行测试。因此，它比前两种海洋来源更先进，但还没有达到获得蓝色方框的程度。来自海洋景观被破坏或受益于自然波浪能量冲击海岸的人们的阻力会是适度的。很少有人的后院能接触到波浪。 **D–T 聚变**\ （第15.5节）：两种聚变选项中较容易的一种，涉及氘和氚，是自 1950 年以来一直积极开发中的长期目标。资金充裕的国际项目 ITER 计划在 2035 年实现 500 MW 功率的 500 秒脉冲。\ [#]_ 这定义了困难的巅峰。聚变带来了诸多优势：巨大的功率密度；仅有适度的放射性废物产物；以及丰富的氘。\ [#]_ 聚变不会有间歇性问题，可以直接产热和衍生电力，但与其他选项一样不能直接解决交通问题。自然界中不存在的氚可以用中子从锂中轰出，虽然我们并不富有锂，但如果没有电池需求的话，我们有足够的锂维持数千年。我们可能预期 D–T 聚变会因必要的中子通量和相关放射性而面临一些公众反对。聚变是我们目前能设想的最高科技能源，需要一支受过良好教育的科学家/技术员团队来运营——意味着不要计划在后院建造一个，除非你负担得起手边配备几名博士。 .. [#] 与真实电厂比较：3,000 MW 热功率下持续数年的「脉冲」。 .. [#] ……虽然没有天然氚 **D–D 聚变**\ （第15.5节）：用氘替代氚意味着材料丰度在数十亿年内完全不是问题。作为交换，它比 D–T 聚变困难得多\ [#]_ 。D–D 聚变需要更高的温度，使约束更加困难。正因如此，我们对评分方案做了一个例外处理，给 D–D 聚变的难度打了 −2 分。 .. [#] ……否则我们甚至不会考虑 D–T 17.3 学生给出的排名 ---------------------- 2020 年冬季，加州大学圣地亚哥分校的学生完成了本章第11题，该题要求他们为比较矩阵中的十个属性制定自己的权重，而不是采用简单但缺乏充分理由的给每个类别相同权重的做法。本节报告了该练习的结果。 平均而言，各权重与均匀权重并无太大偏差——所有情况的调整都在 1.5 倍以内：当每个学生的权重事后重新归一化为十分制时，范围在 0.66 到 1.47 之间。获得明显加权的属性是丰度、效率和交通能力。权重较低的属性是后院标准、接受度和产热能力。\ [#]_ 这说明，总体而言，学生们重视能够高效完成任务并保持交通能力的解决方案，而不太关心个人韧性和接受度。\ [#]_ :ref:`表 17.1` 总结了该实验的结果，从中我们看到与名义均匀权重方案有广泛的一致性，主要作用是降低了一些条目的分数，且仅提升了一个（钍增殖）。请注意，该练习保留了图中的蓝色/黄色/红色方案，仅改变了属性的相对重要性——因此大部分行为基于作者的颜色判断而「内置」其中。尽管如此，调整属性的重点会在一定程度上改变排序，这本身就很有趣。任何有雄心的读者都可以尝试修改颜色方案来看看会发生什么。 .. [#] 不禁让人好奇，气候较冷地区的学生是否会忽视供热能力。 .. [#] 换句话说，不太受公众舆论约束的集中式电力是可以接受的。 .. csv-table:: **表 17.1:** 学生对比较矩阵属性加权的结果。化石燃料与太阳能之间、太阳能与中间组之间、以及中间组与最后一组（右侧）之间出现了显著的分数差距。当学生分数与 :ref:`图 17.1` 和 :ref:`图 17.2` 中的名义分数之间的差异超过舍入误差时，结果显示为 Δ，帮助突出学生评分与名义均匀权重结果之间的主要差异。 :name: tab17.1 :class: booktabs :header: 资源, 分数, Δ, 资源, 分数, Δ, 资源, 分数, Δ 天然气, 7.3, −0.7, 水力发电, 3.6, , 常规裂变, 1.6, 石油, 6.8, −0.7, 藻类/生物燃料, 3.6, , 地热（耗竭）, 1.4, 煤炭, 6.7, −0.8, 地热发电, 3.3, −0.7, D–T 聚变, 1.4, , , , 太阳能供热, 3.2, −0.8, 波浪能, 1.3, , , , 潮汐能, 3.0, , 海洋温差, 1.3, 太阳能热发电, 5.4, , 风能, 2.9, , 洋流, 1.0, 太阳能光伏, 5.1, , 铀增殖, 2.8, , D–D 聚变, 1.0, , , , 人工光合作用, 2.8, , 地热（稳态）, 0.7, , , , 钍增殖, 2.5, +0.5, 作物生物燃料, 0.4, −0.6 17.4 总结：化石燃料的缺口 ------------------------- 这种评估的主观性质确实允许对某个方向的方框排名进行多种修改的可能性。矩阵体现了一些偏见，但任何人的尝试都不会完全摆脱偏见。在这种情况下，结果非常引人注目。即使允许一些操纵，化石燃料与其可再生替代方案之间的**巨大差距**也需要过度的「粉饰」才能弥合。 本章的一个关键收获是，我们可以设计方法来系统化地比较不同的能源来源。其结果并没有提供一个权威的答案，但它**可以**做到的是： - 帮助引导我们的思考； - 暴露我们可能无法通过其他方式认识到的差距； - 引起人们对能源选择复杂性的关注：这不仅仅是能获得多少太瓦的问题。 一个教训是，摆脱化石燃料的转型*目前看来并不涉及优越的替代品*——而这一点在我们能源历史上一直是转型的特征。替代方案可能*足够好*，即使不如我们惯常使用的那么好。化石燃料代表了地球慷慨的一次性馈赠。从我们当前的视角来看，对于对我们的经济活动至关重要的能源——是否还能像我们迅猛攀升至今的过程中那样便宜、方便和丰富——并不清楚。如果不是因为有限供应和 CO\ :sub:`2` 问题，化石燃料将继续满足我们的能源需求——将焦点转移到人类压力\ [#]_ 给地球造成的各种其他全球性问题上。由于化石燃料的缺陷以及替代品在多个方面的劣势，我们如何从替代方案中拼凑出一个允许延续当前生活方式的能源组合，目前尚不清楚。即使物理学允许这样做，许多其他实际和经济障碍也可能限制选项或成功实施。 更令人艰难的是，许多替代能源技术——太阳能、风能、核能、水力发电等——需要大量的前期能源投资来建设和部署。如果社会等到能源匮乏迫使大规模部署此类替代方案时，就有陷入「能源陷阱」\ [#]_ 的风险——即开发新能源基础设施所需的大量能源消耗会减少社会可用的能源总量——这在政治上是不可接受的。如果要向可持续能源制度转型，最好现在就开始。\ [#]_ .. [#] ……如果人类「解决」了能源问题，这可能会因为事实上不受约束而变得更糟 .. [#] 第18.3节（第310页）对能源陷阱有更多讨论。 .. [#] 我们不能指望更好的选项会出现，可能需要忙着迁移到可用的选择上。化石燃料不仅驱动气候变化，还造成了一种依赖，最好慢慢减少而不是冒险——如果我们仍然完全依赖不断减少的关键资源，则可能面临混乱和战争。 17.5 思考题 ------------------- 1. 根据本章对化石燃料替代方案的介绍，您对能源未来的总体评估是什么？您形成了哪些关键收获？ 2. 对您来说，图 :ref:`图 17.2` 中替代方案的排名顺序中最大的意外是什么？ 3. 替代能源矩阵中未考虑的一个因素是 EROEI。请指出至少一个如果在考虑 EROEI 的情况下可能获得提升（排名上升）的示例，以及至少一个可能因此而下降的示例。请参考第14章的表格和正文。 4. （建议双学分题）统计图 :ref:`图 17.2` 中所有十个属性（列）的蓝色、黄色和红色方框数量。用与能源资源评分相同的方式为每个属性评分：蓝色 +1；黄色不计分；红色 −1。 a) 哪个类别得分最高？这告诉你关于替代能源在哪些方面容易？ b) 哪个类别得分最低？这告诉你关于能源生产中最难满足的属性是什么？ c) 哪两个类别拥有最多的蓝色方框，哪两个拥有最少的？你从中学到了关于哪些方面容易、哪些不那么容易？ d) 哪个类别拥有最多的红色方框，哪两个拥有最少的？你从中学到了关于哪些方面最难、哪些最容易满足？ 5. 为什么满足交通需求如此困难？化石燃料的什么特性使得交通比电气化交通容易得多？ 6. 验证第292页的说法——如果一辆汽车在加油站加油的传输速率约为每分钟 6 加仑（23 升），且汽油约含 34 MJ/升，\ [#]_ 则能量传输速率在 15 MW 左右。请展示计算过程。 7. 关于后院\ [#]_ 属性有什么特点使其获得如此多的红色评分？这告诉你关于能源获取和其捕获/使用的复杂性有什么信息？ 8. 哪两种资源受到间歇性的严重困扰？如何缓解这一挑战使其不那么成问题？这种解决方案有哪些困难？ 9. 如果生物燃料最终因低 EROEI 值而受阻，唯一对交通友好的选择就只剩下人工光合作用——本书没有专门介绍它，因为目前它还不是一个「真正的现实」——正如难度和已验证两个红色方框所体现的。两个问题： a) 基于同样的红色方框，还有哪些资源处于类似的「尚未成为现实」的状态？ b) 从阳光中获取液体燃料的前景中最令人鼓舞的是什么？它为太阳能和交通解决了哪些问题？ 10. 图 :ref:`图 17.2` 遗漏了柴火作为一种能源资源，尽管它伴随我们很长时间，毫无疑问将继续提供家庭供暖。在家庭供热的背景下，这种丰度中等的资源的十个颜色分别是什么？它的得分是多少，与哪些来源并列？请论证您的每个颜色选择。\ [#]_ 11. （建议三学分题）为了简单和透明，评分系统对10个属性中的每一个使用了简单的均匀权重，但不太可能所有十个都同等重要。制定您自己的权重方案。\ [#]_ 对于每种能源资源，蓝色方框加上相应类别的权重，红色方框减去，黄色不加分。使用您自己的权重重新评分——包括化石燃料。现在按分数从高到低重新排序矩阵，并评论与名义排序的任何重大变化。最大的意外是什么？化石燃料差距是否仍然存在？ .. [#] 自己计时试试看。 .. [#] ……只是家庭规模个人能源的简写 .. [#] 不同学生可能得到不同结果，但这将有助于理解创建此类评分方案时涉及的各种考量。 .. [#] 一个类别的权重可以是 2 分、0.3 分、5 分或您希望的任何值；不必总和为 10。首先，确保您能在所有权重为 1.0 的基础上重现当前表格中的评分。