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        論地球能源演化與人類發(fā)展及碳中和戰(zhàn)略

        2022-05-12 10:21:46鄒才能馬鋒潘松圻林敏捷張國生熊波王影梁英波楊智
        石油勘探與開發(fā) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:能源人類發(fā)展

        鄒才能,馬鋒,潘松圻,林敏捷,張國生,熊波,王影,梁英波,楊智

        (中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

        0 引言

        目前人類對能源的定義,約有20余種,但本質(zhì)都是圍繞著“能量”和“資源”進行不同角度的闡述[1-4]。首先是提供能量的形式,包括光能、熱能、機械能、電能等;其次是提供能量的載體資源,包括煤炭、石油、天然氣、流水、陽光、風(fēng)等。能源之所以被人類認識并利用,與人類社會的進步密不可分。伴隨著社會革命、科技革命、工業(yè)革命的發(fā)展,可利用的優(yōu)質(zhì)能源形態(tài)和先進能源技術(shù)也不斷演化發(fā)展,自舊石器時代遠古人類發(fā)現(xiàn)和使用火開始,歷經(jīng)薪柴、煤炭、油氣三次用能轉(zhuǎn)換,從低能量密度、低端技術(shù)開采、低效率應(yīng)用、高碳排放的“三低一高”,向高能量密度、高端技術(shù)開采、高效率利用、低碳排放的“三高一低”轉(zhuǎn)換,推動人類文明從原始文明、農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明逐步向綠色生態(tài)文明轉(zhuǎn)型,也使人類活動從認識自然、改造自然逐步向保護自然發(fā)展。

        化石能源作為自工業(yè)革命以來的主體能源,助力人類完成了工業(yè)化和現(xiàn)代化進程,但傳統(tǒng)用能方式與人類社會的快速發(fā)展,逐漸改變了地球原有的自然環(huán)境,引發(fā)以氣候變化為代表的全球生態(tài)危機,成為全世界共同關(guān)心的首要問題。在全球應(yīng)對氣候變化推進實現(xiàn)碳中和背景下,以化石能源為主體的傳統(tǒng)高碳能源體系,正向以可再生能源為主體的新型綠色低碳能源體系轉(zhuǎn)型[5],多能互補、多能融合、多能轉(zhuǎn)化的“大能源”時代正在開啟。面向未來,能源技術(shù)革新和能源轉(zhuǎn)型將深刻改變?nèi)祟惖纳罘绞胶陀^念,而對地球系統(tǒng)、人類發(fā)展和能源演化的歷史研究,將有助于鑒往知今,開啟未來。

        1 能源分類及供能機理

        1.1 地球上“能”的來“源”

        地球上“能”主要有3個“源”,包括來自地球外部天體能、地球自身能、與其他天體相互作用能。外部天體能主要是太陽能,除了直接輻射外,太陽能還為風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能和礦物能提供產(chǎn)能基礎(chǔ),植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能存儲下來,煤炭、石油、天然氣等則是古代植物、動物固定下來的太陽能。地球自身能包括地殼中儲存的原子能、地?zé)崮艿?,原子能包括核裂變能和核聚變能,地?zé)崮苤饕缘叵聼崴⒌叵抡羝⒏蔁釒r體等形式表現(xiàn)。與其他天體相互作用能主要為潮汐能,由于月球引力變化導(dǎo)致海平面周期性升降而產(chǎn)生能量(見圖1)。

        圖1 地球能源來源示意圖(地殼厚度未按真實比例示意)

        1.2 能源分類及供能機理

        有關(guān)能源的分類,除了按上述來源進行粗分外,更多是根據(jù)能量被存儲的載體性質(zhì)進行分類。按照能量守恒定律,能量能夠從一種形式轉(zhuǎn)變成另外一種或多種形式,或者從一個載體或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另外一個載體或系統(tǒng),但是它不能夠被創(chuàng)造也不能夠被消滅;日常提及的節(jié)約能源,嚴格意義上講,應(yīng)該節(jié)約的是能量載體資源,而不是能量本身,眾多的石油公司在“生產(chǎn)”石油,也是能量的“轉(zhuǎn)運工”。依據(jù)載體資源的類型,通常將能源劃分為化石能源和非化石能源,根據(jù)短期內(nèi)是否可以重復(fù)再生利用,進一步劃分為再生能源和不可再生能源(見表1)。

        表1 地球上能源的種類、規(guī)模與特點[6-9]

        1.2.1 化石能源及其供能機理

        化石能源主要包括煤炭、石油和天然氣,它們儲存的化學(xué)能來源于幾億年前地球上古植物光合作用捕獲的古太陽能。古植物將CO2和H2O轉(zhuǎn)化成更高能量(還原態(tài))的碳,為生物提供能量并通過化學(xué)重組成為生物的結(jié)構(gòu)材料,隨后經(jīng)過漫長的生物化學(xué)和地質(zhì)演化過程,這些生物原料轉(zhuǎn)化形成了化石能源,它們中的能量主要以化學(xué)鍵的形式存在于C、C原子和C、H原子之間[6]。以天然氣為例,其主要由CH4組成,C原子和H原子之間的組合方式比較“松散”,如果它們與氧混合或與含氧量 20%的空氣混合,H原子將脫離出來與O原子結(jié)合形成穩(wěn)定的H2O分子[5],而C原子則與O原子結(jié)合形成穩(wěn)定的CO2分子,H2O和CO2與結(jié)合前的烴類分子相比,具有較低的勢能,更多的能量以熱的形式釋放出來,在這個天然氣燃燒的過程中,處于還原態(tài)、高能量的C變成氧化態(tài)、低能量的C,同時也使數(shù)億年前被沉積物掩埋的C重新回到了大氣圈中[7]。化石能源的形成與人類歷史相比,短期內(nèi)無法恢復(fù)再生,屬于不可再生能源。

        1.2.2 非化石能源及其供能機理

        非化石能源主要包括原子能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、潮汐能等,因其能量來源的不同,其供能機理也存在差異。

        原子能即核能,是由原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而釋放的能量,重原子核裂變的過程稱為核裂變,輕原子核相結(jié)合的過程稱作核聚變。通常意義的化學(xué)反應(yīng),僅涉及原子與原子之間相互結(jié)合關(guān)系的變化,原子核不發(fā)生變化。但在核反應(yīng)中,原子核的中子和質(zhì)子相互關(guān)系發(fā)生了變化,在核力作用下質(zhì)子和中子聚集在一起擁有勢能,當(dāng)新形成的原子核的質(zhì)量小于構(gòu)成它所有原子核的質(zhì)量之和時,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,損失的質(zhì)量將變成熱量,由于光速的平方是個巨大的數(shù)字,微小的質(zhì)量變化導(dǎo)致的能量變化將釋放出比化學(xué)反應(yīng)大幾百萬倍的能量。作為原子能量載體的核礦石屬于不可再生的礦產(chǎn)資源,故原子能屬于不可再生能源。目前人類發(fā)電以核裂變?yōu)橹?,主要利用鈾原子,單個U235原子裂變釋放的能量,比單個 CH4分子燃燒釋放的能量高1.2×108倍;可控核聚變技術(shù)目前仍處在實驗室初級階段[6]。

        地?zé)崮苤饕獊碜缘厍騼?nèi)部放射性元素的衰變和地幔、地核的熱對流與熱傳導(dǎo),目前主要用來產(chǎn)生熱蒸汽驅(qū)動渦輪機發(fā)電,熱能資源只分布于構(gòu)造活動區(qū)域,僅占地?zé)崮茉礉撛诳捎每偭康囊恍〔糠帧O乱徊綄⑻剿髟鰪娦偷責(zé)嵯到y(tǒng)(EGS),該系統(tǒng)將熱介質(zhì)注入地下,通過與高溫巖石接觸獲取能量來進行發(fā)電,傳統(tǒng)油氣形成過程中的熱水資源和油氣井設(shè)施,使其與EGS具有天然融合的發(fā)展優(yōu)勢。此外,利用超臨界 CO2替代水作為傳熱介質(zhì),實現(xiàn) CO2封存與地?zé)岚l(fā)電也將是一個重要方向[10-11]。

        潮汐能是由地球、太陽、月球三者之間的萬有引力所產(chǎn)生的能量。月球引力場使得距離月球最近和最遠區(qū)域的海平面上升和下降,引發(fā)潮汐運動,漲潮和退潮產(chǎn)生的動能推動水下渦輪機葉片運轉(zhuǎn)進行電力生產(chǎn)。潮汐能屬于可再生資源,但只局限在潮汐資源豐富的地區(qū)。

        太陽能是直接將太陽的電磁輻射能轉(zhuǎn)化成電能、熱能或化學(xué)能等,主要以光伏發(fā)電和光熱發(fā)電轉(zhuǎn)化成電能為主,前者利用半導(dǎo)體界面的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能,后者則使用大型反射鏡陣列聚焦太陽光獲得熱能,利用熱能產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動渦輪機發(fā)電。光伏發(fā)電技術(shù)成熟,但電池生產(chǎn)過程高能耗、高污染,且受日光照射強度影響較大,與傳統(tǒng)電池并網(wǎng)難度大;光熱發(fā)電生產(chǎn)過程清潔,能將太陽能以熱能形式存儲起來延遲發(fā)電時間,實現(xiàn)連續(xù)供電,還可通過增加儲熱單元或補燃與常規(guī)火電聯(lián)合運行,但該技術(shù)目前仍處于創(chuàng)新與改進完善階段。

        水能是由太陽輻射能產(chǎn)生的一種間接能源,地球所截獲的太陽能中,約 50%被地表吸收,其中約一半的能量用于水的蒸發(fā)過程[6],主要是海水蒸發(fā),但大氣層保留水蒸汽的能力有限,當(dāng)水蒸汽以雨水的方式降落到高于海平面的地表,水就被賦予了勢能,在向下流回海洋的過程中勢能轉(zhuǎn)化為動能,人類在水流動的路徑上引導(dǎo)動能來做有用功,目前主要用來發(fā)電,是一種可再生清潔能源。公元前 200年左右,人類已經(jīng)開始建造水磨利用水能[12],1878年法國建成世界第一座水電站,隨后在 20世紀水電得到快速發(fā)展,2020年世界水力發(fā)電量占全球發(fā)電量16%左右。

        風(fēng)能是太陽能產(chǎn)生的另一種間接能源。太陽輻射熱使地表空氣不均勻受熱膨脹流動而產(chǎn)生兩種方式動能,一種是空氣從高空下沉到低處,重力推動空氣做功,另一種是空氣從高壓區(qū)移動到低壓區(qū),壓力梯度做功。利用動能驅(qū)動風(fēng)力渦輪機葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電,但轉(zhuǎn)化效率存在絕對上限59.3%,又稱貝茨極限,現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機的效率已經(jīng)達到貝茨極限的 80%,但也只利用了48%動能。公元前2 000年,人類已開始建造帆船和風(fēng)磨,1887年,Charles F. Brush建造了世界第一臺風(fēng)機用來產(chǎn)生電力[5]。2020年世界風(fēng)力發(fā)電量約占全球發(fā)電量的6%左右。

        生物質(zhì)能是指蘊藏在生物質(zhì)中的太陽能,大部分生物質(zhì)能都來源于綠色植物通過光合作用生產(chǎn)的有機物,廣義的生物質(zhì)包括一切有生命可以生長的有機物(植物、動物和微生物),狹義的生物質(zhì)包括人類種植、養(yǎng)殖的各種農(nóng)牧產(chǎn)品以及人和家畜產(chǎn)生的糞便與有機垃圾等。生物質(zhì)能的利用實質(zhì)就是如何把生物質(zhì)中儲存的能量釋放出來,主要包括薪柴直接燃燒(熱能)、生物質(zhì)化和液化(熱化學(xué)轉(zhuǎn)換)、沼氣發(fā)酵(生物化學(xué)轉(zhuǎn)換)等方式,人類歷史上最早使用的能源就是生物質(zhì)能,也是唯一一種可再生的碳源。

        2 地球、能源演化與人類發(fā)展

        宇宙與地球的演化為人類的出現(xiàn)提供了包括能源在內(nèi)的諸多物質(zhì)前提和全球環(huán)境條件[13],人類的發(fā)展改造地球演化進程。在此過程中,對于能源的開發(fā)利用驅(qū)動人類文明階梯式上升,但文明進步反過來又加速了能源利用類型的演化和利用技術(shù)的發(fā)展,并帶來全球化石能源危機和氣候變化問題,進而影響人類文明的升級(見圖2)。剖析地球、人類、能源三者的關(guān)系,需要從 3個尺度論述:①從宇宙演化的超長時間尺度,分析日-地-月系統(tǒng)來揭示地球的演化史;②從地球系統(tǒng)的長時間尺度,分析地球各圈層關(guān)系和人地關(guān)系來揭示生命的起源和人類的發(fā)展史;③從人類社會發(fā)展的短時間尺度,結(jié)合人類社會形態(tài)與文明的發(fā)展來揭示能源的演化史。

        圖2 地球、人類、能源關(guān)系圖

        2.1 超長時間尺度上的日-地-月系統(tǒng)演化

        按照宇宙大爆炸理論,大約138×108年前,宇宙由密度極大且溫度極高的奇點爆炸、膨脹而成[14]。在這一過程中直接產(chǎn)生了氫和氦。約50×108年前,以氫分子為主的氣體-塵埃旋渦收縮形成“太陽星云”,受自轉(zhuǎn)離心力扁平化的影響,在收縮快、密度高的中心區(qū)形成了原始的太陽,其余部分則圍繞太陽,沿赤道方向逐漸擴展形成“星云盤”;太陽由于物質(zhì)的收縮動能轉(zhuǎn)化為熱能而持續(xù)升溫,氫發(fā)生核聚變反應(yīng)變?yōu)楹?,逐漸進入“主序星”階段(青壯年時期)。星云中塵埃顆粒相互碰撞和黏合,形成較大的物質(zhì)團塊,在引力、離心力、摩擦力作用下,這些物質(zhì)團塊再碰撞形成包括地球在內(nèi)的八大行星[15-16],由于太陽質(zhì)量占太陽系質(zhì)量的 99%以上,故將行星吸引在自己周圍。在太陽系形成后不到1×108年,月球星胚撞擊地球產(chǎn)生巨大能量,使地球處于熔融狀態(tài),地球表面的硅酸鹽與月球星胚的物質(zhì)共同形成了圍繞地球的物質(zhì),這些物質(zhì)中重物質(zhì)冷卻返回地球,一部分則消失在太空,其余部分就形成了月球[17-18]。月球的出現(xiàn)改造了地球的重力場,在地球表層形成了潮汐,并改變了兩者的距離和轉(zhuǎn)速,影響地球軌道運動周期,還通過平衡地球的傾斜度而影響地球的氣候。(46~45)×108年前,日-地-月系統(tǒng)形成,太陽系的行星在各自軌道上運行,為地球的演化提供了安全的宇宙環(huán)境;太陽自身逐漸穩(wěn)定和逐步升溫,為地球提供光和熱,維持著地球地表的溫度。地球自身適中的質(zhì)量(占太陽系質(zhì)量的0.000 3%)使其與太陽保持距離適中[16-17],并使地球地表溫度適中,為液態(tài)水和大氣層的存在提供了條件,進而為生命的存在提供了物質(zhì)和能量前提。

        2.2 長時間尺度上的地球系統(tǒng)演化

        關(guān)于長時間尺度的起點,即地球的天文年齡,由于早期的星子碰撞事件造成地球可能存在多次“巖漿?!?,完全抹殺了最初大陸的地質(zhì)記錄,組成地球原始地殼的巖石和礦物并沒有被完整保存下來,目前可以追蹤年代的最古老礦物是在澳大利亞西部發(fā)現(xiàn)的約44×108年前的鋯石[19];采用鉛-鉛測定年代法,測算地球南極上最原始的球粒隕石中鉛同位素的比率,間接推斷地球形成時間在 45.5×108年以前;而地球上最早的生命記錄來自格陵蘭西部Isua火山與沉積巖[15]。據(jù)此,將地球系統(tǒng)的演化按照“天文階段”、“生物圈演化階段”、“人類圈演化階段”3個部分進行闡述。

        2.2.1 地球形成的天文階段(138×108年前—38×108年前)

        由于缺乏直接的證據(jù)和地質(zhì)記錄,基于人類目前的認知和科學(xué)界的普遍共識,來闡述此階段的演化特征[14-20]。原始地球在增大成長過程中,受微行星的碰撞或內(nèi)部長壽命放射性物質(zhì)的衰變及引力位能的釋放,發(fā)生增溫過程,使地球上部處于熔融狀態(tài)(巖漿海),鐵、鎳、鈷、錳等親鐵元素與硅、鋁、鎂、鈣等親石元素發(fā)生重力分異,形成地核和地幔,地幔的表層又逐漸分異出薄薄的地殼,地球的分層結(jié)構(gòu)由此逐漸形成。(44~38)×108年前的“晚期大爆炸”階段,微行星碰撞引發(fā)地球表面發(fā)生碰撞放氣過程,釋放大量水分子和其他揮發(fā)性化合物,形成原始的大氣圈,以氣態(tài)硅酸鹽為主,伴隨著地球表面冷卻,大量硅酸鹽迅速凝固,留下CO2和H2O組成濃厚大氣層,隨后大氣溫度繼續(xù)急劇下降,水分凝結(jié)產(chǎn)生降水,形成了地球上的水圈。

        2.2.2 生物圈演化階段(38×108年前至今)

        在38×108年前,逐漸降溫的地球原始大氣中沒有氧氣,也就沒有臭氧層來吸收太陽光中的紫外線,生命很難存活;但水圈的形成為生命的產(chǎn)生提供了條件,原始生態(tài)系統(tǒng)開始逐步形成[14-15]。大約在27×108年前,藍細菌以微生物席形式進行有氧光合作用,開啟了地球大氣聚氧過程,早期的氧氣基本被生物呼吸作用、還原性物質(zhì)風(fēng)化作用、火山噴發(fā)氣體中的H2和H2S與O2相互作用消耗掉;直到25×108年前的“大氧化事件”,F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+在海底廣泛沉淀,在全球范圍內(nèi)發(fā)育條帶狀含鐵建造,形成了全世界 70%的鐵礦,同時造成了早期的海洋“硫化氫化”,延遲了地球生物的大發(fā)展;元古宙真核細胞生物逐漸出現(xiàn),地球的氧氣和臭氧濃度逐漸上升,有效的紫外線屏障形成,海底條帶狀含鐵建造結(jié)束,板塊活動使海底水層徹底擺脫硫化物的困擾[14];(7.5~6.0)×108年前,地球再次發(fā)生氧化事件后,大量有機碳被埋藏,從而使得無機碳δ13C變重,地幔釋放到表層的碳被還原為有機碳,釋放出自由氧,形成氧化大氣,為約5.4×108年前寒武紀生命大爆發(fā)提供了條件;伴隨著大陸地殼增厚、氧氣含量的不斷升高、多次大冰期的出現(xiàn),地球生物圈開啟了從微生物、植物、動物到人類的演化,地球系統(tǒng)也開始從原始巖石圈演變?yōu)閹r石圈、大氣圈、水圈、生物圈多圈層協(xié)同發(fā)展系統(tǒng)[21-22]。此外,在奧陶紀末、晚泥盆世、二疊紀末、白堊紀末發(fā)生了 5次生物大滅絕重大生物事件[23-24],產(chǎn)生了大量的有機質(zhì)并為其保存提供了適宜的條件,為化石能源的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。煤炭的形成主要集中在 3大聚煤期[25]:晚石炭世—二疊紀的孢子植物成煤,以煙煤和無煙煤為主;侏羅紀和早白堊世的裸子植物成煤,以褐煤和煙煤為主;晚白堊世—新近紀的被子植物等高等植物成煤,以褐煤為主。石油與天然氣的形成主要集中在寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀—早石炭世、晚石炭世—中二疊世、侏羅紀、白堊紀、古近紀—新近紀 8大時期,早期的烴源巖演化程度較高,以生成天然氣為主,中晚期的烴源巖則以生油為主[26](見圖3)。

        圖3 地球系統(tǒng)演化階段與特征(據(jù)文獻[14-18, 20-28]修改;圖中百分數(shù)為該層富集的煤炭和油氣資源占全球煤炭和油氣資源的比例)

        2.2.3 人類圈演化與人類文明發(fā)展(250×104年前至今)

        人類圈又稱人類社會圈、智慧圈,用來標志現(xiàn)代地球系統(tǒng)中人類作用的介入。上述討論的巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈是人類圈的環(huán)境,又具全球規(guī)模,因此稱之為全球環(huán)境,現(xiàn)代地球系統(tǒng)是由人類圈和全球環(huán)境構(gòu)成的系統(tǒng)。關(guān)于人類圈與生物圈概念的區(qū)別、形成的時間(地理大發(fā)現(xiàn)時間)以及人類世地質(zhì)學(xué)概念的提出,目前有不同的看法[27-29]。但人類歷經(jīng)漫長的演化,在認識自然的基礎(chǔ)上,通過主觀能動地開展社會性物質(zhì)生產(chǎn)和消費過程,顯著改造了自然,已經(jīng)成為地球系統(tǒng)變化的驅(qū)動力之一。人類活動范圍內(nèi)至地表以下12.5 km的巖石圈深部[30],外至太陽系空間,已經(jīng)超出了傳統(tǒng)生物圈的概念,因此借用人類圈的概念,來闡述人類文明的發(fā)展對地球系統(tǒng)其他圈層的影響;同時結(jié)合1964年俄羅斯天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達舍夫基于能源利用率提出的宇宙文明卡爾達舍夫等級設(shè)想[31],從人類對能源的利用方法和效率的角度,來闡述人類圈的演化(見圖4)。在人類出現(xiàn)之前的近45×108年里,地球系統(tǒng)處于原始自然演化階段,先后形成了巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈。在約250×104年前人類出現(xiàn)后,文字的形成標志著原始文明的開端,按照尼古拉·卡爾達舍夫提出的三級文明構(gòu)想框架,人類文明歷經(jīng)原始文明、農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明的發(fā)展,目前已達到0.73級[32],人類圈的演化也從早期作為生物圈的物種之一,逐漸演化擴張到目前的全球化圈層[33],并顯著影響到地球系統(tǒng)其他圈層的自然演化,正從依靠自然、適應(yīng)自然、認識自然、改造自然的低端形式,向共享自然、呵護自然的高端生態(tài)文明階段發(fā)展,突出的標志可能是人類掌握可控核聚變技術(shù),建造“人造太陽”,人類也將在一級文明中成為地球的主人,不會因為地球進入下一次冰期,或者氣溫不斷升高等地球環(huán)境變化而帶來物種滅絕。對于二級文明和三級文明,目前仍處于科學(xué)假說階段,雖然人類圈層的影響已經(jīng)突破了地球系統(tǒng),發(fā)展了空間站和航天技術(shù),但人類利用化學(xué)類能源的潛力已達極限,深地和深空探索仍處于初級階段,可持續(xù)發(fā)展受材料技術(shù)、電池技術(shù)、基因技術(shù)、可控核聚變技術(shù)等限制[34-35],尚未突破無限能源、可持續(xù)生命、高性能材料、高級人工智能等人類圈實現(xiàn)一級行星文明跨越的關(guān)鍵科學(xué)問題。受現(xiàn)代地球系統(tǒng)階梯式上升演化的控制,工業(yè)文明已發(fā)展到分岔點,進入階梯式上升的突變期,轉(zhuǎn)變?nèi)祟惖男枨笈c生存模式,推動能源利用轉(zhuǎn)型發(fā)展,將是人類社會發(fā)展尺度上,從工業(yè)文明發(fā)展到生態(tài)文明的主要途徑。

        圖4 地球系統(tǒng)、人類圈與文明演化的階段與特征

        2.3 短時間尺度的能源演化與人類社會發(fā)展

        能源是人類文明進步的基礎(chǔ)和動力,關(guān)系人類生存和發(fā)展[36],通過追溯人類社會的發(fā)展史和能源的演化史,可以為人類應(yīng)對地球環(huán)境變化的挑戰(zhàn)提供借鑒和參考。人類社會發(fā)展可劃分為生存階段(人類出現(xiàn)—工業(yè)文明之前)、發(fā)展階段(工業(yè)革命—21世紀早期)、可持續(xù)發(fā)展階段(21世紀中期—未來)。與這3個階段相對應(yīng),能源利用的演化經(jīng)歷了薪柴時代、煤炭時代、油氣時代,正在向新能源時代轉(zhuǎn)型發(fā)展。

        2.3.1 薪柴時代(170×104年前—18世紀中期)

        自170×104年前元謀猿人開始使用火到1.8×104年前山頂洞人掌握人工取火技術(shù),開啟了最早也是至今最漫長的一次“技術(shù)革命”,推動人類社會從舊石器時代進入農(nóng)業(yè)文明時代,先后歷經(jīng)了3次農(nóng)業(yè)技術(shù)革命[37],薪柴在這一時期成為人類社會發(fā)展的主體能源,推動人類的進化和社會技術(shù)的發(fā)展,使社會生產(chǎn)動力從人力為主向畜力、風(fēng)力、水力發(fā)展(見圖5)。

        圖5 人類社會發(fā)展與能源演化(薪柴時代與煤炭時代)

        2.3.2 煤炭時代(18世紀中期—20世紀中期)

        歐洲在歷經(jīng)黑暗時代的發(fā)展后,伴隨著蒸汽機的發(fā)明,蒸汽動力開始大規(guī)模代替人力和畜力,人類社會首次真正意義上具有了超越生物圈的內(nèi)在強大驅(qū)動力,相繼發(fā)生了2次科技革命和1次工業(yè)革命,并帶動冶金業(yè)、制造業(yè)、開采業(yè)、運輸業(yè)等工業(yè)的快速發(fā)展,加快了世界工業(yè)化進程。

        2.3.3 油氣時代(20世紀中期—現(xiàn)代)

        自1859年,美國人首先在賓夕法尼亞鉆探第1口商業(yè)油井,開啟了近代石油工業(yè),伴隨著大功率發(fā)電機和內(nèi)燃機的發(fā)明,石油以其更高熱值、更易運輸?shù)奶攸c,逐漸取代煤炭成為第 3代主體能源。人類社會進入了工業(yè)和科技快速發(fā)展階段,發(fā)生了 4次科技革命、3次工業(yè)革命、1次農(nóng)業(yè)革命和4次管理革命[38],推動全球相繼進入電氣時代、信息時代,并向智能時代發(fā)展,社會生產(chǎn)也從蒸汽動力向燃氣動力、電動力、風(fēng)力、水力、核動力等多元供能體系發(fā)展(見圖6)。

        圖6 人類社會發(fā)展與能源演化(油氣時代)

        2.3.4 新能源時代(21世紀中期—未來)

        新能源一般指傳統(tǒng)能源之外的利用新技術(shù)加以開發(fā)利用的可再生能源,人類對于新能源的利用貫穿人類社會發(fā)展的生存階段和發(fā)展階段(見圖7),在 17世紀以前,主要以原始直接利用新能源產(chǎn)生機械力為特點;到了18世紀—20世紀早中期,人類開始了新能源供能機理與利用技術(shù)的探索;21世紀早期,受化石能源危機的刺激,新能源利用進入規(guī)模化發(fā)展階段;面向未來,伴隨著人類社會進入智慧時代和原子時代,人類將逐漸突破新能源高效、低成本、規(guī)模利用技術(shù)及儲能技術(shù),建立起全球智慧能源網(wǎng)絡(luò);預(yù)計在23世紀或之前,人類很可能最終掌握可控核聚變技術(shù),徹底擺脫以利用化學(xué)能為主的能源利用模式,開啟直接利用核能和生物質(zhì)能的高級能源利用模式,傳統(tǒng)的化石燃料也將回歸其物質(zhì)原料屬性[35,39]。

        圖7 新能源發(fā)展歷程及新能源時代預(yù)測

        3 碳循環(huán)與全球氣候變化

        從人類社會發(fā)展的生態(tài)學(xué)角度看,人類的生物屬性決定了相關(guān)的生態(tài)學(xué)規(guī)律將同樣作用于人類,人類社會的高速發(fā)展將帶來全球性環(huán)境變化。1844、1845年皮埃爾·弗朗索瓦·韋呂勒提出,在地球上環(huán)境資源有限、種群起始數(shù)量小于環(huán)境最大容納量的假設(shè)下,種群數(shù)量與環(huán)境之間遵循 Logistic曲線 3階段增長方式[33,40]:第1階段,充足的環(huán)境容量驅(qū)動系統(tǒng)得以快速發(fā)展;第2階段,隨著人系統(tǒng)規(guī)模的增長,環(huán)境條件的限制會明顯阻礙系統(tǒng)增長率的提高;第3階段,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展接近環(huán)境容量的時候,系統(tǒng)增長率趨近于零。Logistic曲線增長方式表示環(huán)境對于物種數(shù)量的制約是即時的,但由于人類的主觀能動作用,環(huán)境資源變化對于人類社會發(fā)展的影響相對滯后。從地球系統(tǒng)的角度看,所謂全球變化就是人類活動改變了地球表層系統(tǒng)的自然運行,具有智能的人類已經(jīng)成為地球系統(tǒng)前所未有的一種營力,正在改變地球系統(tǒng)自然演化的運行軌跡,尤其是人類通過大量使用化石能源,改變地球系統(tǒng)的自然碳循環(huán)路徑,嚴重影響到人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

        3.1 碳的循環(huán)

        宇宙中本沒有碳元素,借助恒星的氦聚變反應(yīng),將3個氦原子核聚在一起,生成了1個碳原子,由此誕生了碳元素。當(dāng)恒星演化終結(jié)爆發(fā)成為星云時,其內(nèi)部的各種元素向宇宙彌散,以塵埃、顆粒、天體的形式被地球捕捉,由此開啟了碳在地球上的循環(huán)過程。碳原子通過+4、+2、0、-4等多種化合價參與化學(xué)反應(yīng)[14-15],具有多種多樣的成鍵方式,而且C—C鍵強度極大。碳不僅能形成無機化合物,還可以通過原子間共用電子的共價鍵形成有機化合物,是地球上存在形式最復(fù)雜的元素,正是由于碳極高的成鍵能力和獨特的性能,成為太陽能的主要化學(xué)能載體和構(gòu)成地球上各種生命體的骨架元素,也是溫室氣體的主要成分。碳循環(huán)可分為無機碳循環(huán)、短期有機碳循環(huán)、長期有機碳循環(huán)3種過程,這3種過程相互交叉同時進行[41](見圖8)。

        圖8 地球上碳循環(huán)簡圖

        3.1.1 無機碳循環(huán)

        無機碳循環(huán)主要是無機碳在大氣圈碳庫、海洋圈碳庫和巖石圈碳庫的閉環(huán)循環(huán)過程,一個循環(huán)經(jīng)歷時間跨度在百萬年至數(shù)千萬年,使地球維持在一個較為穩(wěn)定的溫度區(qū)間。大氣中的 CO2溶于雨水,通過化學(xué)風(fēng)化侵蝕陸地巖石或被海洋直接吸收,在海底形成碳酸鹽沉積物,歷經(jīng)沉積成巖作用,形成碳酸鹽巖。洋殼與陸殼的俯沖碰撞,使碳酸鹽巖被融化為巖漿,發(fā)生脫氣作用,再次轉(zhuǎn)化為CO2回到大氣圈(見圖8a)。

        3.1.2 短期有機碳循環(huán)

        短期有機碳循環(huán)是主要發(fā)生在大氣圈碳庫和生物圈碳庫之間的閉環(huán)循環(huán)過程,一個循環(huán)時間跨度在數(shù)十年至數(shù)百年;植物作為初級生產(chǎn)者,通過光合作用,借助葉綠素吸收太陽能使低能量的 CO2和水轉(zhuǎn)化為高化學(xué)能的糖類,無機碳也首次以有機碳的形式,進入生物圈;而作為消費者的生物,通過食物鏈來獲得能量維持生命,動植物的遺體和排出物被微生物分解,并釋放出CO2(見圖8b)。

        3.1.3 長期有機碳循環(huán)

        長期有機碳循環(huán)是主要發(fā)生在大氣圈碳庫、生物圈碳庫和巖石圈碳庫之間的閉環(huán)循環(huán)過程,一個循環(huán)時間跨度在數(shù)千萬年以上;初期的過程與短期有機碳循環(huán)類似,但動植物的遺體在被微生物分解之前,被掩埋至地層深處,歷經(jīng)漫長的物理化學(xué)過程,轉(zhuǎn)變?yōu)槊禾?、石油和天然氣等化石燃料,然后在?jīng)歷板塊運動被燃燒,釋放出CO2(見圖8c)。

        3.1.4 人類活動對地球碳循環(huán)的影響

        碳是人類最早利用的元素之一,對碳的利用將人類帶進了文明時代。但人類文明反過來成為地球碳循環(huán)的新要素,改變了地球碳循環(huán)的閉環(huán)路徑(見圖9)。原始文明時代的人類仍屬于生物圈的一員,受限于人類數(shù)量和用火規(guī)模,額外排出的 CO2很快被地球碳循環(huán)調(diào)節(jié)了。但進入農(nóng)業(yè)文明時代,農(nóng)耕技術(shù)的發(fā)展、人口的增加,一方面對薪柴的使用,使本該在生物圈存留數(shù)百年的碳被提前終止循環(huán),排放到大氣圈;另一方面人類砍伐樹木造成森林面積的減少,使森林碳庫的儲碳能力減弱,導(dǎo)致自7 000年前起,大氣圈中的CO2濃度開始上升,但速度非常緩慢,并沒有徹底改變地球碳循環(huán);自18世紀開始,人類進入工業(yè)文明時代,化石能源的大量使用加速了地層深部有機碳的釋放,大量被提前釋放的 CO2進入地球系統(tǒng),但森林的儲碳效率下降,只能吸收人類排放的CO2的30%左右,而海洋由于過量 CO2的吸收導(dǎo)致海水酸化,進而限制海洋碳庫的儲碳效率,也只能吸收人類排放的 CO2的30%左右,剩余 40%左右的 CO2進入大氣,短期內(nèi)不參與碳循環(huán),導(dǎo)致大氣圈層中 CO2體積分數(shù)從工業(yè)革命前(1760 年)的 280×10-6上升到 2015 年的 400×10-6,2019年突破 410×10-6,2021年達到 415×10-6,過去 70年,大氣中CO2濃度的增長率是末次冰期結(jié)束時的100倍左右[42-43],成為影響全球溫度和氣候變化等連鎖反應(yīng)的直接因素。

        圖9 人類活動對碳循環(huán)影響示意圖

        3.2 全球氣候變化及影響

        全球氣候變化已成為21世紀人類的嚴重威脅。人口規(guī)模的持續(xù)增長和社會的高速發(fā)展,使人類圈規(guī)模已逐漸接近地球環(huán)境容量。截至2022年1月,全球230個國家人口總數(shù)為75.97×108人[44],其中發(fā)展中國家人口約占 80%,未來數(shù)十年,人口持續(xù)增長和更多發(fā)展中國家人口轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化生活方式,世界溫室氣體排放將在510×108t/a的基礎(chǔ)上持續(xù)增長,導(dǎo)致地球系統(tǒng)能量收支不平衡,極端天氣事件和流行疾病日趨頻繁,人類的可持續(xù)發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)[45]。

        3.2.1 全球地表溫度升幅逼近1.5 ℃

        CO2等溫室氣體濃度持續(xù)升高使地球的凈能量吸收不斷增加,導(dǎo)致地球圈層的持續(xù)升溫。2012年Hansen和Sato基于過去80×104年的氣候數(shù)據(jù)模擬揭示,當(dāng)大氣中的 CO2濃度當(dāng)量加倍時,全球平均地表溫度年平均值的平衡變化為(0.75±0.15)℃,由此計算出全球平均地表溫度將上升2.5~3.5 ℃[5-6]。1880年以來全球平均氣溫觀測數(shù)據(jù)揭示,1880—1930年,全球平均氣溫變化值平穩(wěn),在0 ℃上下浮動;1930—1980年,全球平均氣溫變化值緩慢上升,浮動值為0.1~0.5 ℃;1980—2020年,全球平均氣溫上升速率加大,浮動值為0.5~1.2 ℃,意味著70%的溫度增長發(fā)生在過去的40年,地球地表溫度比過去140年內(nèi)任何時候都要高,不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化風(fēng)險也日益加大[46](見圖10)。1977年,美國經(jīng)濟學(xué)家威廉·諾德豪斯最先提出全球2 ℃的溫升控制目標,2015年,《巴黎協(xié)定》正式提出到本世紀末將全球平均溫升控制在工業(yè)化前水平(2 ℃)以內(nèi)。但2018年,聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)歷時2年完成的《全球溫升1.5 ℃特別報告》指出,將全球溫升控制在 1.5 ℃比控制在2 ℃更能夠有效降低地球氣候風(fēng)險[47],2021年,聯(lián)合國氣候變化大會達成決議將“控制全球溫升 1.5 ℃”作為確保人類能夠在地球上永續(xù)生存的目標之一[46-47]。

        圖10 1880—2020年全球溫度距平值[46]

        3.2.2 全球極端天氣增多增強

        根據(jù)IPCC評估[47],過去40年里,極端低溫、極端高溫、極端干旱、極端降水、火山噴發(fā)等極端事件呈現(xiàn)增多增強的趨勢[48](見圖11),2021年全球爆發(fā)了約190次極端天氣事件,“地球之肺”亞馬遜雨林已逼近生態(tài)崩潰的臨界點,正從碳匯轉(zhuǎn)變成了碳源;北極海冰面積持續(xù)下降,將面臨夏季無冰的現(xiàn)象;海水熱膨脹和陸地冰融化造成全球海平面快速上升,1993—2002年全球平均海平面每年上升 2.1 mm,2013—2021年全球平均海平面每年上升4.4 mm,增加了1倍多;全球開闊海洋表面pH值下降為26 000年以來最低值,海洋碳庫吸收 CO2能力隨之降低;截至目前,全球15個“氣候臨界點”已被激活了9個,極端天氣有可能加速并引發(fā)地球系統(tǒng)的“多米諾骨牌”效應(yīng),從而以自然災(zāi)害、疾病等直接或者間接形式影響人類的生存與可持續(xù)發(fā)展。目前人類已爆發(fā)了16次大的疫情,累計造成了超過 10×108人口的死亡。2002—2003年間爆發(fā)的SARS疫情,在短時期內(nèi)造成919人死亡,病死率達11%;2019年爆發(fā)至今的新型冠狀病毒疫情已造成全球死亡人口突破 600×104人(見表2),人類面臨自二戰(zhàn)以來最嚴峻的考驗,全球氣候變化帶來的環(huán)境危機不斷發(fā)展,未來強度更大、影響更廣的極端天氣將給地球系統(tǒng)各圈層帶來更多不確定性的風(fēng)險因素。世界各國已普遍認識到:為避免全球極端天氣帶來的威脅,人類不僅需要關(guān)掉持續(xù)排放溫室氣體的“水龍頭”,將每年向全球大氣排放510×108t CO2當(dāng)量的溫室氣體在本世紀末實現(xiàn)“凈零”排放,人類還需要打開清除歷史累積溫室氣體的“排水閥”,消除人類歷史已排放的CO2,實現(xiàn)“凈負排放”[49]。

        圖11 1980—2021年人類經(jīng)歷的極端天氣災(zāi)害[48]

        表2 全球爆發(fā)16次大疫情統(tǒng)計表

        4 碳中和下能源發(fā)展戰(zhàn)略

        碳中和目標下,碳基能源向非碳基能源跨越,能源體系將加速向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型[50-51],化石能源將從主體能源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楸U闲阅茉?,新能源將逐步成為主體清潔能源[52-53];能源技術(shù)將實現(xiàn)變革性突破,CCUS(碳捕獲、利用與封存)/CCS(碳捕獲與封存)、氫能與燃料電池、生物光伏發(fā)電、太陽能發(fā)電、光儲智能微網(wǎng)、超級儲能、可控核聚變、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)等顛覆性技術(shù)將逐漸被攻克。能源理念將發(fā)生轉(zhuǎn)變,從單一滿足人類自身用能需求向呵護與共享地球的綠色用能轉(zhuǎn)變,構(gòu)建綠色能源命運共同體將成為打造人類命運共同體的重要組成部分,追求綠色創(chuàng)新、奉獻綠色能源、建設(shè)綠色家園將成為新型能源科技創(chuàng)新體系的“三綠”目標。

        4.1 世界能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略舉措

        4.1.1 更新能源理念,發(fā)展“能源學(xué)”與“碳中和學(xué)”

        能源理念的更新轉(zhuǎn)變需要對能源科學(xué)理論的再認識和再發(fā)展。碳中和目標下,綠色能源體系建立是關(guān)鍵。能源學(xué)的提出[24]打破了傳統(tǒng)單一類型的能源研究范式,第一次以系統(tǒng)觀的視角探究地球、能源、人類三者相互影響與協(xié)同演化這一科學(xué)問題,在時間和空間尺度,研究各類能源形成分布、評價選區(qū)、開發(fā)利用、有序替代、發(fā)展前景等內(nèi)容,揭示地球系統(tǒng)中各種能量載體的共生分布關(guān)系及發(fā)展規(guī)律,對完善能源研究學(xué)科體系具有重要意義。碳中和學(xué)拓展了能源學(xué)的研究范疇,以人類活動引起的碳排放與地球碳循環(huán)系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡為目標,以無碳新能源有序替代化石能源為途徑,以經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)政策、能源技術(shù)等為內(nèi)容,探究人類活動足跡對自然環(huán)境影響最小化的科學(xué)規(guī)律,是能源科學(xué)與社會科學(xué)的交叉學(xué)科[54-55]。創(chuàng)新發(fā)展能源學(xué)與碳中和學(xué),培養(yǎng)人才、創(chuàng)新技術(shù)與管理,將為可持續(xù)開發(fā)利用地球能源、清潔綠色發(fā)展、建設(shè)宜居地球提供理論指導(dǎo)。

        4.1.2 創(chuàng)新能源技術(shù),發(fā)展“三碳”技術(shù)

        科學(xué)創(chuàng)新無盡前沿,技術(shù)發(fā)展無窮力量,科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新是實現(xiàn)碳中和目標的主要驅(qū)動力。低碳化和生態(tài)化成為新一輪科技革命的顯著特征,綠色、智慧、可持續(xù)發(fā)展成為重大主題。發(fā)展“三碳”(碳減排、碳零排、碳負排)核心技術(shù)成為能源轉(zhuǎn)型中科技創(chuàng)新的重要方向和關(guān)鍵目標。通過清潔替代、跨界融合、綠色接替三大路徑,來推動化石能源碳中和發(fā)展,通過發(fā)展碳工業(yè)體系與氫工業(yè)體系,來構(gòu)建以清潔、無碳、智能、高效為核心的“新能源”+“智能源”體系。

        4.1.3 打造綠色能源命運共同體,共建宜居綠色地球

        綠色發(fā)展承載人類同呼吸共命運的價值追求,成為全球的共同關(guān)切和期望目標,蘊含世界協(xié)同合作的融合與交匯。從能源利益共同體向綠色能源命運共同體發(fā)展,需要人類在“地球村”理念的框架上,建立以共贏、互信、協(xié)同、參與、分享為基礎(chǔ)的能源科技創(chuàng)新與能源合作發(fā)展新模式,共同應(yīng)對氣候變化等挑戰(zhàn),尊重自然、順應(yīng)自然、呵護自然,積極促進全球可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn),助力推動人類命運共同體的構(gòu)建,共建生態(tài)宜居的綠色地球。

        4.2 中國從“能源大國”向“能源強國”的戰(zhàn)略躍升

        中國從 1949年能源總產(chǎn)量為 0.2×108t標準煤的“能源小國”,發(fā)展為2021年能源總產(chǎn)量為41.7×108t標準煤的“能源大國”。未來,向“能源強國”跨越,逐步實現(xiàn)“能源獨立”,就必須牢牢端穩(wěn)能源的飯碗。加快能源革命,建設(shè)能源強國,需遵循“科學(xué)無盡前沿、技術(shù)無窮力量”的宗旨,根植“只有枯竭的思想、沒有枯竭的能源”的精神,秉承“綠色創(chuàng)新、綠色能源、綠色家園”的理念,打破固化傳統(tǒng)觀念的“封腦子”理論禁區(qū),突破束縛產(chǎn)業(yè)升級的“卡脖子”技術(shù),練就科技“殺手锏”絕招,依靠高水平科技自立自強,實現(xiàn)高質(zhì)量的能源自主自強。既要一手端穩(wěn)端牢化石能源的飯碗,筑牢筑強化石能源安全供給的“壓艙石”,又要一手端起端好新能源的飯碗,筑高筑大新能源綠色可持續(xù)發(fā)展的“增長極”。能源發(fā)展具有化石能源低碳化、新能源規(guī)?;?、能源系統(tǒng)智慧化三大趨勢,分“三步走”構(gòu)建高質(zhì)量的“清潔低碳、安全高效、獨立自主”綠色能源體系,實現(xiàn)中國能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)從以化石能源為主的“一大三小”向以新能源為主的“三小一大”戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)型。

        4.2.1 構(gòu)建“清潔低碳、安全高效、獨立自主”的綠色能源體系

        分“三步走”構(gòu)建新型綠色能源體系。①2021—2035年,化石能源清潔化為主并提速新能源發(fā)展,依靠煤炭清潔利用產(chǎn)業(yè)化、頁巖油氣開采工業(yè)化、可再生及核能規(guī)?;嵘履茉凑急?、保障油氣供給;②2036—2050年,化石能源與新能源并重發(fā)展,提升新能源規(guī)模,減量煤炭利用,力爭頁巖油與富油煤原位開采工業(yè)化釋放大量資源潛力,儲能、可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)取得顛覆性突破,“氫能中國”社會基本建成;③2051年之后,新能源生產(chǎn)消費占主體地位,全面低廉化、規(guī)?;瘧?yīng)用,智慧能源體系全面建成,實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)從煤炭占比最大,石油、天然氣、新能源占比小的“一大三小”,向煤炭、石油、天然氣占比小、新能源占比最大的“三小一大”革命性轉(zhuǎn)型,化石能源與新能源二者地位歷史性轉(zhuǎn)換。

        4.2.2 能源生產(chǎn)領(lǐng)域要高碳能源低碳化、零碳新能源規(guī)?;?/p>

        端穩(wěn)化石能源飯碗,煤炭需要實現(xiàn)高效清潔利用和超低排放,發(fā)揮保障國家能源長遠戰(zhàn)略安全“儲備”與“兜底”作用;石油需要實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn),以非常規(guī)石油戰(zhàn)略接替為主,回歸原料屬性,發(fā)揮保障國家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”的作用;天然氣實現(xiàn)增產(chǎn),常規(guī)天然氣與非常規(guī)天然氣并重發(fā)展,發(fā)揮保障國家能源安全與新能源最佳“伙伴”作用;端穩(wěn)新能源飯碗,需要實現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)發(fā)展,實施集中與分布式并重的布局,發(fā)揮保障國家能源戰(zhàn)略“接替”與“主力”的作用。

        4.2.3 能源消費領(lǐng)域多能互補、智慧調(diào)控

        構(gòu)建靈活穩(wěn)定的智慧能源系統(tǒng),充分應(yīng)用新一代數(shù)字、智能化信息技術(shù),加快構(gòu)建源、網(wǎng)、荷、儲智慧協(xié)同,煤、油、氣、電、氫多能互補,電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃料網(wǎng)多網(wǎng)融合,產(chǎn)消雙向靈活響應(yīng)的智慧能源體系,實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)在能源供給側(cè)、輸配側(cè)、需求側(cè)互聯(lián)互通深度融合。依靠智慧“大能源”管理,大幅提升能源利用效率,支持和鼓勵各類能源主體自主接入能源系統(tǒng)、雙向參與能源市場交易,促進能源利用效率和服務(wù)水平大幅提升。

        4.2.4 能源儲備領(lǐng)域要多能聯(lián)動、備足“糧倉”

        做穩(wěn)能源“糧倉”,強化天然氣儲備,發(fā)揮支撐可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的“穩(wěn)定器”作用,形成戰(zhàn)略儲備與商業(yè)儲備相結(jié)合、地下儲庫與地上儲罐相結(jié)合的儲備系統(tǒng)。構(gòu)建“保底+調(diào)節(jié)”特征的石油儲備體系,實施“探而不采、產(chǎn)能儲備”戰(zhàn)略,建立10×108t探明地質(zhì)儲量規(guī)模的石油資源戰(zhàn)略儲備。推動多能聯(lián)儲,由常規(guī)儲油、儲氣為主,向機械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能等拓展,依據(jù)不同能源特點和經(jīng)濟社會常態(tài)與非常態(tài)下的能源需求差異,建立集中式與分布式協(xié)同的多種儲能聯(lián)動保障系統(tǒng)。

        4.2.5 能源新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域要創(chuàng)新技術(shù)引領(lǐng)、構(gòu)建新的能源

        工業(yè)體系

        依托新能源發(fā)展與儲能“糧倉”建設(shè),構(gòu)建“綠電、綠氫、綠熱、綠碳”產(chǎn)業(yè)體系。從以火電為主體的“灰電”,向以新能源發(fā)電為主體的“綠電”產(chǎn)業(yè)發(fā)展;從以化石能源為主的“灰氫”,向新能源為主的“綠氫”產(chǎn)業(yè)發(fā)展,在大西北規(guī)?;l(fā)展風(fēng)光熱能與新型儲能技術(shù),實施“西氫東送”工程;在大東南利用海洋能并發(fā)展海水制氫技術(shù),實施“氫化東南”。利用地?zé)崤c石油工業(yè)融合發(fā)展的先天優(yōu)勢,發(fā)展油氣田地?zé)崮芾茫瑯?gòu)建供暖制冷一體化智能保民生“冷暖”的地?zé)岙a(chǎn)業(yè)。提高“灰碳”的利用率,發(fā)展以CCUS/CCS為核心,涵蓋碳捕集、碳運輸、碳驅(qū)油、碳封存、碳產(chǎn)品、碳金融等一體化業(yè)務(wù)的全鏈條碳產(chǎn)業(yè)。

        5 未來10大科學(xué)之問的思考

        從宇宙演化、地球系統(tǒng)演化、人類社會發(fā)展與能源演化3個尺度來思考未來,需要研究關(guān)注10個方面問題:①在太陽56×108年后成為紅巨星之前,人類如何通過成千上萬代努力來維持日-地-月系統(tǒng)?②人類如何避免可能周期發(fā)生的第 6次生物大滅絕而導(dǎo)致文明的瓦解?③如何利用當(dāng)前地球的環(huán)境與剩余資源來支撐人類由工業(yè)文明發(fā)展到生態(tài)文明階段?④全球氣候變化對人類威脅日益加大,需要什么樣的綠色“地球科學(xué)”與“地球工程”?⑤人類發(fā)展過程就是打破時間與空間限制的過程,走向太空需要優(yōu)先突破哪些技術(shù)?⑥隨著人類社會進步與能源轉(zhuǎn)型,除了“碳中和”外,還需其他元素“中和”或“補償”嗎?⑦未來的終極能源,除了掌握可控核聚變技術(shù),還有其他更高能量密度的綠色能源選項嗎?⑧人工光合作用技術(shù)利用“人工樹葉”制造“超級燃料”并固定 CO2,未來會被廣泛使用嗎?⑨人類可以逐步替代化石燃料的能源屬性,但用什么替代其物質(zhì)屬性來維持人類發(fā)展?⑩新能源利用歷經(jīng)千年,從原始利用、規(guī)?;?,向智慧高效利用的時間依然會很長嗎?

        6 結(jié)論

        生命起源與能源形成與地球系統(tǒng)密切相關(guān),具有3個尺度的協(xié)同演化關(guān)系。超長時間尺度上,日-地-月系統(tǒng)演化為地球系統(tǒng)的形成提供了能量來源和地外環(huán)境條件。以地球天文年齡為起始的長時間尺度上,地球系統(tǒng)演化經(jīng)歷了天文階段、生物圈演化和人類圈演化3個階段,為生命的誕生和人類的發(fā)展提供了能源資源等物質(zhì)前提和適宜的圈層環(huán)境。以人類誕生為起點的短時間尺度上,人類文明建立以煤炭、油氣、新能源為代表的能源時代,利用能源推動社會進步,使人類圈層突破了地球系統(tǒng),向地外文明拓展,推動地球文明從行星文明向恒星文明跨越。

        地球系統(tǒng)碳循環(huán)存在無機碳循環(huán)、短期有機碳循環(huán)、長期有機碳循環(huán) 3種形式,記錄了地球、能源演化與人類發(fā)展協(xié)同演進的過程。人類的生物屬性決定人類營力改造地球的后果將同樣作用于人類,人類對化石能源的無節(jié)制利用和全球化圈層改造活動打破了地球系統(tǒng)碳循環(huán)自然平衡和閉環(huán)路徑,導(dǎo)致溫室氣體增加和全球氣候變化,嚴重影響人類可持續(xù)發(fā)展。地球地表溫度已升至140年來的最高,“控制溫升1.5 ℃”已成為保障人類可持續(xù)發(fā)展的全球目標,能源轉(zhuǎn)型勢在必行,碳中和愿景必將實現(xiàn)。

        謀劃構(gòu)建世界“綠色能源命運共同體”,中國深入推動能源革命,加快建設(shè)能源強國,是碳中和目標下構(gòu)建新型能源體系的根本舉措。建設(shè)能源強國,需筑牢筑強化石能源安全供給“壓艙石”,筑高筑大新能源綠色可持續(xù)發(fā)展“增長極”,依靠高水平科技自立自強,構(gòu)建高質(zhì)量的“清潔低碳、安全高效、獨立自主”的綠色能源體系,實現(xiàn)中國能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)從以化石能源為主的“一大三小”,向以新能源為主的“三小一大”革命性轉(zhuǎn)型。

        碳中和戰(zhàn)略目標加速了新能源時代的到來。石器時代的終結(jié)不是因為缺少石頭,化石能源時代的縮短也不是因為短缺資源。從傳統(tǒng)化石能源向非化石新能源轉(zhuǎn)型,是能源發(fā)展的必然趨勢和必然選擇。能源發(fā)展具有化石能源低碳化、新能源規(guī)?;⒛茉聪到y(tǒng)智慧化三大趨勢,遵循“科學(xué)無盡前沿、技術(shù)無窮力量”的宗旨,根植“只有枯竭的思想、沒有枯竭的能源”的精神,通過綠色創(chuàng)新,貢獻綠色能源,共建綠色家園,力爭實現(xiàn)“能源獨立”,共享“美美與共,天下大同”的愿景世界。

        由于作者水平有限,文章難免有不妥之處,敬請讀者指正。

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