《未来能源：我们能做些什么》.pdf

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。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，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。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？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，并且无法统计。例如，在驾驶燃油汽车时，汽油中70%以上的能量以热量的形式白白浪费掉，只有20%到30%是用于驱动汽车的。而这种驱动是唯一让我们受益的事情。虽然电动汽车的效率明显更高，但也有损耗。这样就会得出一个不太好的结论：在能量转化为对我们有用的形式时，总会有损耗，没有任何一个过程中能量是百分之百都得到使用的，尤其是将热量转化为电能（比如燃煤电厂）和将热量转化为机械功（例如发动机中）。能源对照表左侧会呈现什么数字我们的生活水平与我们的最终能源需求密切相关。如果完全用可再生能源来满足这一需求，基本上一切都会保持不变我们几乎不需要改变。那么，通过可再生能源生产能量的真正目标是最终能源消耗吗？但即使是可再生能源，也不是没有损耗的。例如，即使风能和太阳能发电不稳定，电力也必须持续地输送到我们的家中或暂时地被储存起来，这种情况有时就会导致相当大的能量损耗，再比如通过所谓的“绿色电力”生产氢气时，也会有能量损耗。或许一次能源需求是更现实的目标呢？因为这个问题的答案和解答过程都并不简单，所以我们想在我们的思想实验中将这两个数据都纳入对照表：我们当前的最终能源需求和一次能源需求。如果我们想用可再生能源满足我们现在的全部能源消耗，那么介于这两个值之间的能源量，即每人每天85120千瓦时，可能是合适的数量。这是因为，一方面，转向可再生能源省去了化石燃料发电25厂的能量损耗，但另一方面，必要的能源储存也带来了新的损失。你选择个人认为更现实的数字，其实这对本书中的结论并没有太大的决定性意义。26德国的能源消耗：一次能源需求为每人每天120千瓦时，最终能源消耗为每人每天85千瓦时。我们直接影响了家庭用电量、供暖和客运所消耗的电量，而我们的消费行为间接地影响了货物运输和工商业等领域的能源消耗。当然，我们可以假设未来将拥有更高效的技术，从而减少我们的能源消耗，比如交通和供暖的电气化就有着巨大的潜力。尽管如此，我们还是希望在能源对照表中列出现在的能源消耗。一方面，能源结构的变革条件必然是先成功实施改革；另一方面，回顾过去30年，尽管技术进步使效率有了明显的提升，但最终能源消耗根本没有改变。因此，我们不能确定是否可以像人们常说的那样，通过技术进步轻松地降低我们的能源消耗。例如，如果我们在交通领域完全依赖电能，那么该领域的能源消耗实际上是有增无减的。2730年来，尽管技术进步使效率有了明显的提升，但德国的最终能源消耗（单位：千瓦时每人每天）一直约为每人每天85千瓦时。它已经与经济增长脱钩了，但这对我们来说就足够了吗？国际比较其他国家的一次能源消耗情况又是怎样的呢？这是一个非常有趣的问题，让我们来看看这些比较有代表性的国家：28图中可以看出地球上的能源消耗非常不均衡（浅蓝色，亚太地区；粉红色，非洲；黄色，美洲；深蓝色，欧洲）。此外，世界能源消耗的平均水平是每人每天不到60千瓦时，而我们德国的消耗量是其两倍，看看印度和中国在哪里。我们可以看出：能源消耗与财富有着很大的关系。一般来说，富人会比穷人消耗更多的能源。例如，在印度，人均能源消耗量仅为我们的1/5。难道我们不想让印度人民和德国人民拥有一样的生活水平吗？答案当然是肯定的，但是这只有在能耗显著增加的情况下才有可能。此外，世界人口仍在持续增长，因此，全球能源消耗总量可能会继续上升，即使这种增长近年来已经有所放缓。仅在1973年到2020年间，世界人口就翻了一番，而在德国，人口也有5%的增长。回到我们的思想实验，现在的情况如何，我们能否只使用可再生能源来满足我们当前的能源消耗呢？让我们往下看，在下文中，我们希望共同了解未来的能源供应情况，以便每个人都可以在这个重要话题上发表意见，并帮助决定我们在未来几十年要走哪条路。所以让我们开始吧！29太阳能3031太阳是我们这颗星球的能源供应者，几乎所有可供我们使用的能源，例如风能和水能，都直接或间接地由太阳提供，毕竟，太阳就像是驱动我们天气变化的引擎。即使是天然气、煤和石油等化石燃料，其中也含有储存了数百万年的古老太阳能，但这是否也意味着太阳能将成为可再生能源的主要来源呢？太阳能概述太阳是一个巨大、炽热的气体球，它会辐射出巨大的能量，表面温度超过5500摄氏度。幸运的是，地球距离太阳1.5亿千米，再近一点的话对我们人类来说，实在太热了。但如果我们离太阳更远一点，又会太冷了，所以现在的距离刚刚好。太阳为风、天气、温度和地球上所有的生命提供动力能量。太阳的辐射可以穿越宇宙空间，并且不会出现明显的损耗，但在太阳光进入地球大气层后，会首次出现衰减，最终到达地球表面的部分在技术上是可以使用的。在特定时间到达特定位置的能量究竟有多少，这取决于多种因素：太阳照射角度、阳光穿过大气层时的路径长度、当时的天气、当天的空气污染情况和当天白天的时长。如果测量一个地点全年的太阳辐射能量，并将其平均分配到365天，将会获得当地太阳能可用性的参数。这个参数因地而异，瑞典北部每平方米每天的太阳能量为2千瓦时，而撒哈拉沙漠有6千瓦时。这个参数用我们的实验可以比喻为，瑞典北部每平方米有2名自行车手，而撒哈拉沙漠每平方米有6名自行车手。德国的太阳能量是每平方米3千瓦时。另外，在一年中，能量不会平均地到达地表的每一个位置。例如，在德国，每年5月至7月的3个月中辐射到的太阳能量大约是11月至次年1月这3个月的6倍，这就是冬天这么冷的原因。所以，现在我们知道了有多少能量以阳光的形式到达地球表面。但是，到底有多少可以有效地用于我们的能源生产呢？全部？还是只有一小部分？用什么技术才能获取这些能量呢？32我们如何利用太阳的能量从技术上讲，我们基本上可以通过两种方式利用太阳的辐射。显而易见同时也是最古老的方法是利用辐射给水加热，即所谓的太阳能热能，第二种方式是使用现代技术进行太阳能光伏发电。太阳热能用于供热和发电当太阳辐射落在材料上时，部分能量会被吸收并转化为热量。我们可以通过巧妙地选择材料，来增强这种吸收效果，并且太阳在明暗不同的表面上加热，情况也不一样。然后，被吸收的热量通过液体的形式被传输到其目的地。通常，人们还使用水箱作为提取热量的临时存储装置，可以根据实际需要，温暖房间或加热洗澡水。这项技术有着许多优点，主要是结构简单，可以储存热量，至少可以平衡一天中不断变化的太阳辐射。33利用太阳能供热（左）和供电（右）。屋顶上的面板看起来很相似，但其实不一样，下次你可以仔细看看，是否能猜出是太阳热能还是光伏发电。我们也可以更大规模地使用太阳热能。设想一下，我们离开家，去撒哈拉沙漠这样阳光充足的地区。在那里有一座大型太阳能热电厂，阳光可以通过太阳能反射镜集聚，温度可超过1000摄氏度。事实上，也确实需要这么高的温度，因为在这些设备中，电力是由蒸汽动力过程中的热量产生的。温度越高，从太阳光线中产生的电力就越多。34太阳能热电厂通过抛物线凹型槽反射镜将阳光集中到泵送液体的管道上（左）。阳光被平面镜反射到塔上并在那里集聚（右）。然而，我们想要做到这些，技术难度比起在住宅建筑中简单地加热要大得多，因此，这样的操作不适合用于房屋屋顶。该项技术的一个优点是所使用的传热流体可以储存，即使在日落之后也可以发电，这意味着发电可以不受时间限制，更好地满足需求。光伏发电另一种利用太阳能的可能性是直接发电。这需要通过一项很新的技术光伏技术来实现。它最初是为太空旅行而发明的，现在我们在许多房屋的屋顶上看到的太阳能电池板都运用了这项技术。光伏技术运用的是光电效应，直接用太阳入射光发电，所以太阳一落山，光伏就无法再提供电力了。太阳能直接转化为电能无需机械过程，无需高温具有很大的优势。光伏电池板可以用上数十年，设计简单易操作，所以使用范围极广，从带有太阳能充电器的手机移动电源，到可以为整个城市提供能源的占地数百平方千米的空地，都在使用光伏发电。典型的光伏组件可以将辐射的太阳能中大约20%的部分转化为电能。这些组件可以紧挨着一起放置在屋顶上，这样可以有效利用空间，避免浪费。在空地上，比35如高速公路旁，光伏组件的安装间距要大一些，以供通道使用，并避免白天相互遮挡。因此，在这类场地，无法将太阳能中的20%转化电能，最多只能转化10%。与所有技术设备一样，光伏组件的生产也需要能量，其中还包括提取原材料、运输等方面所需的能量。生产光伏组件消耗的这些所谓的“灰色能量”在大约两到三年内（取决于位置）会得到弥补。但这些设备会在往后的2030年间产生能量盈余。德国所在的纬度，光伏发电的效率如何呢？为了使每年生产的能量能够与一名自行车手骑行产生的一样多，即每天1千瓦时或每年365千瓦时，我们需要大约2平方米的光伏组件（中）。如果我们在空地安装许多这样的组件，就需要更多的空间，因为这样的组件安装需要更大的间距（右）。太阳热能还是光伏发电？那么哪种技术更好呢？其实没有正确的答案，因为这取决于地理位置，当地是否需要热量或电力，或者当地是否有能力储存几个小时的能量。当然，成本也会有影响。对于发电方式而言，光伏是一个不错的选择，在更南的地区，比如南欧和非洲，还可以使用太阳能热电站。太阳热能设备甚至比光伏发电更高效，也就是说，它们可以将更多的太阳能转化为电力。不过，对于地域辽阔的国家而言，地理位置的影响其实又不是那么大了，那么成本就成了决定性因素，而以目前的技术手段来看，光伏发电的成本要低得多。如果我们只是需要用热量来取暖或者洗澡，那么建议选择太阳热能设备，因为它们的效率非常高，它们可以将到达地球的太阳能中的50%36到65%转化为热量。然而，大部分热量产于夏季，那时我们其实最不需要的就是热量。因此，我们必须具体问题具体分析。不过无论如何，我们都可以将相当一部分太阳能为我们所用，这就是好消息。太阳能的潜力我们现在大致了解了将阳光转化为对我们有用的能量的方法，但这些太阳能转化技术最终能为我们的能源供应总量做出多少贡献呢？通过这些技术可以满足我们所有的能源消耗吗？我们一起来评估一下德国的情况。在德国，我们平均每天每平方米获得大约3千瓦时（即每平方米3名自行车手）的阳光，其中石勒苏益格-荷尔斯泰因州相对少一点，巴伐利亚州多一点。然而，太阳辐射绝不是恒定的，它的变化很大，通常取决于白天的时长、天气条件、空气纯度，以及因太阳的照射角度和白昼长短而变化的季节。我们分别在2019年12月（粉色）和2020年6月（黄色）的14天内，在德国各地利用光伏发电做了一次实验。每一个山形图显示的是一天的情况，两山之间代表的是晚上，此时产量下降为零。从图中我们可以看到，夏天（黄色）比冬天（粉色）产生的能量多得多，不仅是曲线的高度要更高，宽度也更宽，因为夏天的日照时间更长。目前，德国安装的光伏设备，在夏季正午天气晴朗时产生的电力几乎相当于40座核电站（即40千兆瓦）的发电量。但由于太阳不是昼夜不停地照射，并且总有某些地方天气不好太阳照射不到，所有光伏设备的年均发电量仅相当于7座核电站的发电量。换算成我们的单位，相当于每人每天1.7千瓦时。因此，我们必须谨慎对待所谓的“装机容量”数据。总结来看，德国的光伏发电平均地满足了我们电力需求的10%，但仅占37我们一次能源需求的1.4%，而所有设备所需的土地面积约为500平方千米（相当于德国国土面积的0.14%或柏林土地面积的一半）。德国用于供热的太阳热能设备较少，因此它们产生的能量大约只有光伏发电的1/5，即每人每天0.3千瓦时。德国没有用于发电的大型太阳能热电厂，因为不划算，只有在比较靠南的国家，性价比才会高一点，比如西班牙或北非。总之，我们有用于发电的光伏设备和用于供热的太阳热能。德国可以有多少太阳能现在我们先来估计一下：只给德国提供可再生能源是否可行？然后再大胆设想一下：如果将德国用于太阳能设备的面积增加10倍，会是什么样子呢？如果把这一设想放到光伏发电，那就是5000平方千米，即德国国土面积的1.4%。你认为这可行吗？原来的每人每天1.7千瓦时将变成每人每天17千瓦时。此外，未来的光伏设备将比现在的更高效，这并非不现实；毕竟，许多旧设备现在还在运行。因此，假设在遥远的未来，我们每平方米可以获得比现在运行的设备多50%的能量，那么，换算成我们的单位后，就是每人每天25千瓦时，即每人有25名自行车手。情况还不错，是吧？如果太阳热能增加10倍的话，就是每人每天的可用电量从0.3千瓦时提高到每人每天3千瓦时，即每人有3名自行车手。还记得我们的总能耗（不仅仅是电力消耗）是多少吗？确切地说是，每人每天120千瓦时的一次能源和85千瓦时的最终能源。不幸的是，我们可以从上面的数据得出，光伏发电和太阳热能远不能满足我们对能源的巨大需求。不过，根据我们的计算，光伏发电可以覆盖的电力需求至少将明显多于目前的。然而，德国所有屋顶的面积远远不足以实现这一目的，我们只有大约1500平方千米的屋顶面积，而且其中一些屋顶已经安装了太阳热能设备。除了屋顶面积外，我们还需要德国国土面积的1/100（即3500平方千米）用来在空地安装光伏设备。这将意味着，德国每平方千米范围内，都将有一个边长为100米（m）的正方形光伏设备覆盖。其实这已经很多了，然而，这还只是刚好满足我们的部分能源需求而已，我们应该逐渐意识到我们对能量的需求到底有多大。38因此，如果我们想要完全通过可再生能源来满足我们的能源需求，仅靠太阳能是无法做到的。不过，我们将在接下来的几章中介绍许多其他的可再生能源。但是，现在让我们填一下计划在每一章最后要更新的能源对照表。我们可以从右侧开始，前面的数据告诉我们，太阳热能为3名自行车手，光伏发电25名，一共有28名自行车手。所以，我们已经取得了不错的进步，但还有很多工作要做。此外，在每一章最后，我们都会在一张德国地图上显示每种能源需要多少土地面积。太阳能需要5000平方千米，但这些土地并不需要全部都是绿地，许多已经封闭的区域也可用于光伏发电。然而，这个数字也清楚地表明了我们将面临什么挑战。3940左侧的灰蓝色柱显示了，在德国每人每天85和120千瓦时的能源需求。前者是我们的最终能源需求，后者是我们的一次能源需求。右侧柱子显示的是我们将在本书中逐步估算的可再生能源的贡献。4142在本章中，我们估算太阳能可以做出的贡献为每人每天28千瓦时，这是一个相当大的贡献。前文提到，德国并没有大型太阳能热电厂，为此，这里的面积为光伏设备需要的土地面积，在这种情况下，太阳能所需的面积约为5000平方千米，即一个边长约为70千米的正方形。太阳能太阳可以辐射能量，在德国，平均每平方米每天有3千瓦时的太阳能，但从时间上来说，能量分布很不均匀，夏天比冬天多，晚上什么也没有。可能的用途利用太阳热能，例如在屋顶上安装太阳热能设备，可以产生热水供房屋使用并支持供暖系统。然而，缺点是，我们在夏季获得的能量最多，而在冬季则明显减少。这与需求正好相反。此外，热量难以长距离传输，也不可能长时间储存。利用光伏或大型太阳能热电厂（例如在南欧或非洲），也可以从阳光中获取电力。当前的使用情况在世界范围内，太阳能与风能一样，是最具潜力的可再生能源。近几十年来，太阳能发电的成本大幅下降，已经到了可以与廉价的燃煤发电竞争的阶段，并且成本很有可能还会继续下降。在德国，我们安装的光伏发电设备在高峰期（天气理想时中午12：00）的发电量相当于40座核电站（40千兆瓦），但如果按一年来算的话，光伏发电量只相当于7座核电站，因为太阳不是昼夜不停地照耀同一个地方的。效率/空间要求光伏发电或在南方国家通过太阳能热电厂发电1/5的太阳能可以转化为电能。电力形式的能源极具吸引力，因为它易于运输且用途广泛，但是生产大量能源需要很大面积的土地。43太阳热能产生热量更大比例的阳光可以转化为热量。然而，生产主要集中在夏季，且难以储存或运输。使用时间/储存要求光伏发电光伏本身不具备任何存储可能性。光伏发电的效率直接随太阳辐射而变化。太阳能热电厂发电白天可以通过高温蓄热器来调节发电量，然后在日落后的几个小时内也可以发电。生态影响生态影响很小，尤其是在封闭的区域，比如屋顶。太阳能也可以与农业结合使用。光伏组件一般都易于回收利用。国际潜力在全球范围内，只有太阳能才有可能实现能源转型。地球上可以安装光伏的区域有很多，例如屋顶或与农业相结合的区域，大沙漠或无人居住的地区也是有可能的，但需要很长的电线，或者能量必须以储存形式（例如氢气）运输，这会造成高损耗并消耗大量淡水，有时还需要大量水源来运行发电厂。好中差44生物质能4546生物质是地球上所有生物的统称，包括人、动物、细菌，尤其是植物，占其中的80%。人类至今一直在利用生物质，它在目前使用的可再生能源中占比是最大的，主要是用于供热。生物质能在未来的能源转型中可以发挥什么作用？生物质中实际包含了多少能量？植物的能量来自哪里？是来自土壤、空气，还是复杂的生物变化过程？生物质概述植物的生长需要两样东西：结构材料和能量。碳是主要的结构材料。植物从空气中，确切地说，从二氧化碳中获取碳，而二氧化碳是气候变暖的主要原因，因此植物是天然的二氧化碳储存器。当木材燃烧并在一堆肥料上分解时，会再次产生二氧化碳，与之前从空气中吸收的一样多。因此，从生物质中获取能量的过程是碳中和的。47生物质不仅是人类和动物的食物来源，也是天然的二氧化碳储存器和能量来源，而且还美观。生物质中的能量来自哪里植物中也储存了能量，但这些能量既不是来自土壤，也不是来自空气，而是来自太阳。植物实际上是太阳能的储存器，与光伏、风能不同，生物质可以在任何时候使用，例如在没有阳光或没有风的时候，以平衡其他可再生能源的波动。我们可以将生物质与光伏进行比较，因为两者都将阳光转化为可供我们使用的能量。那么，你认为哪种能量效率更高：1平方米的光伏发电还是1平方米的生物质耕地？科技还是自然？我们将在下一节给出答案。4849地球上有一个自然循环：受到光照的叶子会从空气中吸收二氧化碳，将其分解为氧气和碳，并将后者结合到植物中。所以，吸收二氧化碳需要太阳能。当生物质燃烧或腐烂时，碳再次变成二氧化碳，这意味着能量被释放出来。因此，植物是能量储存器。然而，许多古代的植物并没有再次释放出全部的能量，它们被困在地表以下，在那里变成了煤、石油和天然气。现在，这些能量也在供我们使用。生物质是人类最古老的能源。最初