世界環境日｜能源與氣候——前景展望

2018/06/05

世界環境日

World Environment Day（世界環境日）為每年的6月5日，它反映了世界各國人民對環境問題的認識和態度，表達了人類對美好環境的嚮往和追求。

《能源與氣候： 前景展望》是麥克爾羅伊教授在能源與環境領域的又一部力著，處處體現了他的智慧、卓見以及多年的研究心得。作者針對全球變暖和極端天氣事件頻發的現狀，詳盡分析了人為因素導致的氣候變化以及全球能源系統的演變歷程。

《能源與氣候： 前景展望》不僅剖析了化石能源存在的問題與挑戰，也探討了各種低碳能源技術的應用前景，包括風能、太陽能、水能、地熱能、潮汐能和生物質能等。

不同於其他能源與氣候領域的專業書籍，《能源與氣候： 前景展望》從地球發展演變的視角出發分析能源與氣候變化的相關問題，冷靜客觀地向人類提出警示：我們必須擺脫對化石能源的依賴，開發替代性新能源勢在必行，刻不容緩。除此之外，作者還特別關注中國的能源使用現狀和發展前景，認為中國在應對全球氣候變化的挑戰中將發揮關鍵作用。麥克爾羅伊教授採用簡明詼諧的語言和生動有趣的實例闡釋了嚴肅深奧的能源與氣候問題，深入淺出，通俗易懂。

三位譯者在不同階段分別與麥克爾羅伊教授合作共事。郝吉明院士與麥克爾羅伊教授有著20 多年的研究合作，他們不僅是同事也是老朋友。王書肖和魯璽是麥克爾羅伊教授親自指導的博士後與博士研究生。在譯者看來，《能源與氣候： 前景展望》體現了麥克爾羅伊教授作為科學家和教育家所具備的探尋真理、思考現實問題並積極尋求解決方案的堅韌和勇氣，以及以推動人類社會可持續發展為己任，致力於改善地球環境的責任感和使命感。

M. B. 麥克爾羅伊（M. B. McElroy）

美國哈佛大學Gilbert Butler環境學教授，全球著名的環境學家。他29歲時就被聘為哈佛大學的終身教授，創建了哈佛大學的兩大院系（環境科學與公共政策系、地球與行星科學系），並擔任首任系主任。麥克爾羅伊教授領導創辦了哈佛大學環境中心和中國項目組，多年來一直致力於推動中美兩國在環境、氣候與能源方面的合作交流。麥克爾羅伊教授曾任美國政府的環境顧問，被美國前副總統、2007年諾貝爾和平獎得主戈爾先生譽為自己在“氣候變化方面的啟蒙導師”。

人類活動導致的氣候變化

通過對極地冰川中捕獲的氣體進行測定，分析大氣組成的長期變化，我們發現目前大氣中溫室氣體含量比過去至少80 萬年任何時間都要高。自1890 年以來，全球地表平均溫度升高了約1.1℃。其中超過一半出現在1970 年以後。這一現象背後的原因即與人類活動有關：首先，我們對作為一次能源的化石能源的依賴程度不斷增強；其次，全球人口數量有史以來首次突破70 億，迅速的人口增長也帶來了巨大的能源和技術需求壓力。

與煤炭、石油和天然氣燃燒相關的汙染物排放增加是導致CO₂含量升高的主要因素。1995～2007 年間，傳統化石燃料燃燒導致大氣中CO₂含量上升了893 億噸（地球上人均排放接近13 噸），其中29%轉移到海洋，15%由生物圈吸收，57%保留在大氣層。如果全球能源政策沒有重大改變，當今加速排放的趨勢會延續至未來。與工業化前的水平相比，接下來幾十年內，預計CO₂濃度將會增長多達兩倍（將超過560 ppm）。

近期我們觀測到氣候變化造成的廣泛影響，其中之一為調節熱帶和亞熱帶氣候條件的哈得來環流出現擴張；北冰洋海冰厚度縮減，該區域夏季冰層覆蓋面積減小，以及覆蓋格陵蘭島和南極洲主要冰川的冰層質量降低。如果未來哈得來環流持續擴張，可能會導致沙漠向高緯度區域遷移。近些年全球天氣變得越來越異常，洪水、旱災、強風暴、極端熱浪以及失控的森林火災不斷出現，且這些極端天氣事件越來越嚴重。這將威脅到對道路、橋樑、交通系統、工業設備、居民區等基礎設施進行昂貴投資的可行性，也為基礎能源供應和通信服務等重要系統的有序運行帶來挑戰。

典型能源介紹

煤：充足但存在著問題

2011 年，全球能源消費總量中煤炭消費量佔比30.3%，是自1969 年以來佔比最高的一年（BP, 2012）。基於單位能源計算，煤是CO₂排放量最多的化石燃料，這一事實本身就凸顯了我們在應對氣候問題時面臨的嚴峻挑戰。

2011 年，中國煤炭消費量佔世界煤炭消費總量的49.3%。美國（13.5%）、印度（7.9%）和日本（3.2%）分別排名第二到第四位。2011 年亞太地區煤炭消費量佔全球總消費量的71.2%，北美佔14.3%（美國、加拿大、墨西哥），歐洲和歐亞大陸（包括俄羅斯和烏克蘭）佔13.4%。

煤炭是空氣汙染和酸雨的來源。消耗煤炭時產生的黑煙主要影響下層空氣。這種黑煙是由煤煙與黑炭組成的複雜混合物，是煤炭燃燒不完全的產物，並混合有多種不同礦物質。除此之外，排放物還包括一系列有毒氣體，特別是二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳。

核能：樂觀的開端，暗淡的未來

核燃料發生反應釋放能量的過程中，組成燃料原子核的質子和中子將進行重新排列。民用核反應堆使用²³⁵U作為原料，其使用的²³⁵U丰度通常會達到3%。²³⁸U吸收高能中子後可以產生鈈，而鈈可以用來製造核彈。一個標準反應堆中，²³⁵U每吸收10箇中子，就會有平均6箇中子被²³⁸U吸收，產生²³⁹Pu。因此必須採取措施保護使用後的燃料，確保鈈的安全。

三里島、切爾諾貝利以及最近的福島核事故嚴重打擊了公眾對核電安全的信心，核電的發展陷入停滯。公眾的這種不安情緒很大程度上是由於對核電的本質缺乏瞭解，並且不清楚在這些核事故中究竟發生了什麼。目前只有切爾諾貝利核事故中有人因暴露於核輻射而死亡；即便在這個案例中，死亡人數也相對較低。相比之下，有成千上萬的人因燃煤發電導致的空氣汙染而死亡或遭受嚴重疾病。

短期內美國和其他OECD 國家核電事業復甦前景暗淡。原因不僅在於公眾對核電安全缺乏信心，也在於核電的成本高昂。目前，核電與天然氣或風電等替代能源相比，不具備成本競爭力。未來全球核工業增長最有可能出現在中國這樣的國家，他們並非單純基於利益得失進行決策，還會考慮其他因素。以中國為例，其優先考慮的事項包括確保能源多樣性以滿足國內持續增長的電力需求，減少傳統能源導致的空氣汙染，以及控制未來CO

風能：機遇和挑戰

通過對各國的陸上和海上風能發電潛力進行分析，我們發現風力發電原則上足以滿足各主要CO₂排放國的大部分用電需求。但是，風力資源的變動性為電力系統帶來了挑戰，因為電力系統一直設法達成電力的供需平衡。將相距1000 km 以內的風電場的電能輸出耦合可以減少風力發電輸出的不穩定性；採用抽水蓄能水力發電等儲能等技術也可以穩定風電輸出。

目前電力市場的運營主要以需求為主導。當電力供給有限時，如果電力系統可以調整非必需用電服務的需求量，市場的運轉將會更有效率。智能電網技術將能夠幫助電力系統將風能等變動性能源併入其複合供電網絡中，同時提升整個電力系統的運轉效率。

中國風力發電裝機容量為世界第一，但在發電量方面落後於美國，主要原因在於中國的風力發電設備在冬天需要頻繁關閉。在冬天，燃煤熱電聯產工廠需要為區域供暖提供熱水，因此不得不持續運轉，使中國的風力發電廠閒置。推動電能取代熱水為建築供暖可以改善這種低效率的局面。

低碳能源前景

風能和太陽能將成為未來電力的主要來源。通過對國家配電系統進行投資，可以緩解風能和太陽能發電的波動性帶來的挑戰。例如，優化當前美國電力系統中三個高度獨立的電網之間的連接，能夠使電力從風能資源豐富的中西部地區及太陽能資源豐富的西南部地區更高效地傳輸至西部和東部的高電力需求地區。

非化石能源提供的電力在環境和經濟方面具有很大優勢，可以替代汽油和柴油為汽車和輕型卡車提供動力。新增電動車輛中的電池可以為電力的分佈式存儲提供重要的發展機遇。這些電動車輛的電池可以在夜間電力需求低時充電。假設電池和電力設施是雙向連接的，則在常規電力供應無法滿足需求的情況下，一部分電池可用於向電網傳輸電力。這種電力分佈式存儲能夠在一定程度上緩解由於太陽能和風能供電不穩定而導致的問題。

核能將為實現未來的低碳排放目標做出重要貢獻。目前由於公眾反對和成本問題，在短期內美國的核能發展前景有限；而中國的核能發展前景更為樂觀。

電力驅動的熱泵可以代替天然氣和石油（至少作為天然氣和石油的補充），為住宅和商業建築進行供暖。假設熱泵的電力來自非化石能源，則可以為減少將來CO

實現未來低碳排放的目標需要付出的代價未必是高昂的，而且實現這一目標能夠為提高就業率、更新基礎設施、保障能源安全和提高國際領導力方面帶來一系列好處。成功實現這一目標需要政府的承諾，並需要制定相關的教育計劃，使人們就實現低碳未來的重要性達成廣泛共識。

能源與氣候： 前景展望

（美）M. B. 麥克爾羅伊（Michael B. McElroy）著；

魯璽，王書肖，郝吉明譯

北京：科學出版社，2018.06

ISBN 9787030569745

全球氣候正在以一種前所未有的速度變化著，地球能源的收支平衡被打破，由於日益嚴重的溫室效應，地球從太陽所獲得的能量超過了返還太空的能量。海洋所含的熱量在增加，地球表層和大氣層的溫度在升高，中緯度的冰川在融化，海平面持續上升，北冰洋的冰蓋正在消失，這些說法都不是理論推斷而是基本事實。《能源與氣候： 前景展望》緊跟氣候變化科學研究前沿，引領廣大讀者一起探討當前全球面臨的能源與氣候變化問題，論述高屋建瓴，深入淺出。在全面探討化石能源（煤、石油、天然氣）的開發與使用對環境與氣候變化影響的基礎上，著重闡述未來多種低碳能源（核能、風能、太陽能、水能、地熱和生物能）的前景與面臨的挑戰。此外，還特別比較了中、美兩個能源大國的能源體系，闡明瞭兩國在應對全球氣候變化的挑戰中的關鍵地位。最後，為全球能源系統提出了持續、低碳的未來發展路徑，為我們重新審視中國的能源戰略和發展模式提供借鑑。

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關鍵字: 嚮往 空氣汙染 能源