北京COOL青年:绿色能源,离我们远吗?

2024-07-01 阅读次数:100次

能源是人类社会发展和生活的重要基础,能源的利用与开发对于维持社会运转和改善生活质量有着重要的作用。随着人类社会的快速发展,对能源的需求日益增加。然而,传统的化石能源在燃烧过程中会产生大量污染物,对环境和健康造成影响;同时,随着不断开采,地球上的化石能源也在逐渐枯竭。因此,寻找清洁、可再生的绿色能源成为了全球关注的焦点。那么,绿色能源离我们远吗?

1. 能源和能源利用

在了解绿色能源之前,我们需要先要了解一下什么是能源。能源是指能够提供能量的资源,包括化石能源、可再生能源、核能源等。其中,化石能源包括煤炭、石油和天然气等,也称为一次能源;可再生能源包括太阳能、风能、水能(包括潮汐能和波浪能)、地热能和生物质能等;核能源是通过核裂变或核聚变过程释放的能量。通过一次能源转化的能源(例如电力和热力等)也称为二次能源。

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化石能源中的煤炭和天然气可以作为民生和工业生产的燃料或原料,如作为钢铁厂焦炭生产的原料和燃料、热电厂的燃料、煤化工厂的原料和燃料、以及民用供热锅炉的燃料。我们国家还有一项独特的技术,就是用煤来制取液态的油。

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作为化石能源的石油可作为石油化工厂的原料生产出各种燃料和化工原料,如汽油、柴油和煤油,用来驱动汽车、坦克、飞机和航母。石油作为原料还可以用来生产其它化工企业的原料,用来生产塑料、化纤、药品和化妆品等。

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在我国,煤炭的最大作用是用来进行火力发电,所产生的电能通过电网输送,为工农业生产提供电力,点亮我们的城市,驱动我们的家用电器和电动汽车。

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2. 能源使用所引起的气候变化

化石能源的使用在给人类社会发展和人们日常生活带来极大便利的同时,也会带来环境污染、温室气体排放及其引起的气候变化等一系列问题。引起气候变化的因素包括自然因素,如:太阳辐射、地球自转和公转、大气中温室气体的数量、火山喷发等。温室气体指的是大气中能吸收地面反射的长波辐射,并重新发射辐射的一些气体。温室气体在地球大气中起到类似温室玻璃或者保温被子的作用,可以截留太阳辐射,阻止地球表面热量散失到太空中,从而导致地球表面温度上升,这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”(这里需要注意的是,如果没有足够的温室气体,地球将过于寒冷)。温室气体主要包括水蒸气,占整体温室效应的60%-70%,其次是二氧化碳(CO2),约占26%。

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温室气体的排放会影响到气候的变化,严重的话会对人类的生存环境产生影响。人类活动对气候变化的影响主要是温室气体的排放,当然也包括森林的开发和土地的利用等,后者虽然没有直接的CO2排放,但影响了自然界植物通过光合作用对大气中CO2的吸收。

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人类活动温室气体排放量最大的为CO2,随着工业化和化石燃料的广泛使用,大气中的CO2浓度不断上升。工业革命之前(1760’s):大气中CO2浓度约在200-300 ppm之间波动,工业革命以后CO2浓度开始快速上升,近几十年CO2浓度增长速度加快,每年增加2 ppm以上。当前大气中CO2浓度约400 ppm。CO2浓度的不断上升会导致全球气候的变化,也就是所谓的全球变暖。

3. 气候变化所带来的问题

随着温度上升,会引发一系列气候反馈机制,如冰川融化、森林火灾、土地干旱等,这些机制又会进一步加剧全球变暖。全球变暖会对环境、社会和经济产生深远影响,包括食物供应、淡水资源、生态系统健康和人类社会的稳定等。

根据国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告,本世纪末,如果全球气温上升1.5°C,海平面将比20世纪的平均水位高出约0.3米;如果气温上升2°C,则海平面可能高出0.5米左右。海平面上升1米,全球将减少约560万平方公里的陆地面积。

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气候变化的影响还表现在:(1)气候变暖导致的平均气温上升会加剧水体的蒸发,减少河流和水库的水量,从而可能导致水资源短缺和干旱的发生。气候变暖还可能导致极端天气事件发生的频率和强度增加,如热浪和干旱,这些极端事件会进一步恶化干旱情况。(2)气候变暖导致气候系统能量增加,大气中的水汽含量增多,这增加了极端降水事件的概率。极端降水是引发洪水的主要原因之一。(3)气候变暖引起的气温升高、干旱期延长和空气湿度下降与森林大火之间存在显著的相互作用关系。

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4. 气候变化的应对

为应对温室气体增加导致的全球气候变化问题,197个国家于2015年12月12日在巴黎召开的缔约方会议第二十一届会议上通过了《巴黎协定》。《巴黎协定》是一个全球性的气候变化应对协定,于2016年11月4日正式生效,目前共有194个缔约方(193国+欧盟27国)加入,是已经到期的《京都议定书》(1997,对包括中国在内的发展中国家并没有规定具体的减排义务)的后续。《巴黎协定》的主要目标是将全球平均气温较工业化前的上升幅度控制在2℃以内,并努力将上升幅度限制在1.5℃以内。《巴黎协定》为全球气候合作奠定了坚实的基础,并对签署国家具有一定的约束作用,各国家制定“自主贡献”:各国根据自身情况制定减排目标,并定期更新这些目标以展示其减缓气候变化的最新努力。

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2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,指出应对气候变化的《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动,各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值(“碳达峰”,碳排放量达到峰值后不再增长),努力争取2060年前实现“碳中和”(“排放的碳”与“吸收的碳”相等),即“双碳”目标。

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根据IEA (International Energy Agency) 发布的《2023年碳排放报告》,2023年世界CO2排放量为374亿吨,其中,中国126亿吨(增长4.7%)占比33.7%,是世界第一CO2排放大国。减少温室气体排放可采取以下措施:使用清洁能源(如新能源)、节能减排、植树造林、去沙漠化以及改变人们的生活方式等。

5. 新能源应用与储能

新能源是指传统能源之外的各种能源形式,如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能和核聚变能等,通常是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。

发展新能源(可再生能源)除了应对气候变化的减碳目标之外,也是我国能源战略自主和安全的重要举措。我国作为一个能源消费大国,人均能源储量非常少。我国人均煤炭储量为全球人均储量的约50%,人均石油储量为全球人均储量的约5%,人均天然气储量为全球人均储量的约8%。2023年,我国石油消费量约7.73亿吨,其中进口5.64亿吨,占比73%;天然气消费3945亿立方米,其中进口1656亿立方米,占比42%。

我国可再生能源发电装机容量已超过全国发电总装机容量的50%,但光发电量不到其装机容量的20%,风发电量不到其装机容量的50%,原因除了风电、光电的间歇性外,还有其随机不稳定性造成的电网对其消纳能力受限的影响。

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风、光的不稳定和间歇性我们无法控制,但我们可以通过储能来提高电网对新能源发电的消纳能力,从而减少“弃风”和“弃光”。储能是利用某种介质或设备将能量以原有形式或转换后的形式存储起来,在需要时再释放使用的过程。典型储能方式包括以下几种。

抽水蓄能:在电力系统负荷低谷时,使用多余的电能将水从低处抽送至高处的水库中,将电能转换为水的势能储存;在电力系统负荷高峰时,再将储存在高处水库中的水释放,利用水流经过水轮机发电,将势能转换回电能,供应电网使用。抽水蓄能具有规模大、高效率、长寿命、环保等优点,但其受地理条件限制,我国目前已使用了90%的可用位置。

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蓄电池储能:通过电池系统实现能量的存储与释放,具有高效、高能量密度、快速响应的优点,但其成本高、寿命有限。目前全球1年的电池产能,满足东京全市不到1天的用电,制造大量电池需要消耗大量的贵重金属。

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压缩空气储能:在电力需求低谷时,使用多余的电能带动压缩机,将空气压缩并储存在地下的洞穴、盐穴或人造压力容器中;在电力需求高峰时,将储存的高压空气从储气设施中释放,通过透平机(汽轮机)发电,将存储的空气压力能转化为电能,供应电网使用。该方法适用于大规模能源存储。

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空气液化储能:在电力需求低谷时,利用电网中多余的电能来驱动制冷系统,将空气冷却至极低温度以液态存储;在电力需求高峰时,将储存的液态空气加压蒸发,用于气体透平机发电,从而将存储的能量以电能的形式释放回电网。该方法高效、寿命长、环保、可在多种规模下应用。

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6. 绿色能源离我们远吗

截止到2023年底,我国可再生能源发电装机15.16亿千瓦,占总装机的51.9%,占全球可再生能源发电总装机比重约40%。2023年可再生能源新增装机3.05亿千瓦,占新增发电装机的82.7%,占全球新增装机的一半,超过世界其他国家的总和。2023年我国可再生能源发电量近3万亿千瓦时,接近全社会用电量的1/3。

所以,新能源时代离我们很近,中国会提前实现碳中和的战略目标。

我们现在所做的这一切,是在保护地球吗?

地球不需要我们的保护!

我们现在所做的这一切,是在保护人类的生存环境!是在保护我们自己的生存环境。我们要从我做起、从现在做起!

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撰稿:

王立  北京制冷学会副理事长、科普培训工作委员会主任、北京科技大学教授

郭伟  北京制冷学会会员、北京科技大学讲师(入选北京市科协2024-2026年度青年人才托举工程)


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