主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

30 欧洲，美国和世界的能源规划

图30.1 显示许多国家和地区的能耗与国民产值关系。它被广泛用来说明，人类发展是件好事情。当为人类可持续能源制定框架计划时，我打算假设所有国家，包括低国民产值国家都取得增长。当国民产值增加，不可避免，能耗也同时增加。我们不清楚能耗的目标是什么？但我默认为，采用欧洲平均水平是一个说得过去的假设，类似地，我们假设效率也与19－28章分析英国情况时类似。让所有国家按照欧洲低能耗住居标准。在第204页能耗计划中，英国能耗降低到68kWh/天/人。请记住，英国没有多少工业活动，因此，其它国家会有较高的目标，如香港80kWh/天/人。

图30.1显示许多国家和地区的能耗与人均国民产值关系。单位：购买力平价没有，资料来源：联合国人类发展报告2007.方块代表高度发展国家，圆圈代表中等或低发展国家。两个都用对数坐标。

重新计算欧洲

欧洲能毅力可再生能源吗？

欧洲人口密度是英国一半，因此，有更多土地用来发展可再生能源。欧盟人均土地9000平米。但是，在欧洲，需要可再生能源密度低于英国：大多数欧洲地区缺少风能，少波浪潮汐能。有些地方的水力能比较丰富，如斯堪的纳维亚半岛和中欧，有些太阳能丰富。让我们给出粗略数字。

风能

欧洲大陆中心的风速小于典型的英国岛屿风速。在意大利大多数地方，风速低于4m/s。让我们猜测，欧洲有五分之一地区，风速大于风电经济风速，能量密度2W/平米，假设按照第四章分析英国办法处理，人均面积9000平米，所以，风能如下

1/5*10%*9000 m2*2W/m2=360 W

对应人均每天9kWh

水力发电

欧洲每年发电590TWh，功率67GW，5亿人分享，人均每天3.2kWh。主要在挪威，法国，瑞典，意大利，奥地利和瑞士。如果每个国家将水电设施加倍，我认为，这很困难，水力能是每人每天6.4kWh。

波浪能

整个大西洋沿岸长4000公里，乘以每米平均能量10kW，我们得到每人每天2kWh。巴伦支海和地中海没有波浪能资源。

潮汐

环英伦三岛资源加倍估算（第14章，每人每天11kWh），看作法国，爱尔兰，挪威的潮汐资源，除以5亿人，我们的人均每天2.6kWh。巴伦支海和地中海没有潮汐资源。

屋顶太阳能光电池和热水器

大多数地区比英国光照多，因此，太阳能板在欧洲大陆能提供更多能量。英国南部10平米屋顶电池板提供每天7kWh，类似，2平米太阳能热水器提供平均能量是每天3.6kWh热能。建议更大面积热水器是不必要的，因为这么多已经满足需要了。

其它

总数是9+6.4+2+2.6+7+3.6＝30.6kWh/d/p。这里唯一没有提的是地热能和大规模太阳能发电站，包括聚光，电池板或生物质。

地热能还在研究中，可能没有用，我建议将其当做聚变发电，好投资，但不可靠。

太阳能发电站如何？我们可以减少，5%土地用来见太阳能光伏电站，例如，在Bavarian，能量密度5W/m2.可为我们提供每人每天 5*450W＝54kWh。

太阳能光伏电站可以为我们提供很多能量。主要问题是，太阳能光伏电池太贵，而且冬季能量减少是个大问题。

能源植物？植物仅能收集0.5W/m2。欧洲在满足食物供应自给情况下，非食物能源供应必然有限。会有一些油菜籽，还有一些森林。但是，我认为，非食品植物贡献不会超过每人每天12kWh。

底线

让我们显示点。正如英国，欧洲不能只依靠自给的可再生能源。如果目标是不使用化石燃料，欧洲需要核能，其它国家，如沙漠国家的太阳能，或两者都需要。

再来计算北美

现在北美人均每天能耗是250kWh。我们是否能用可再生能源替代？如果我们使用令人吃惊的高效率手段，如高效电动汽车，每个能源是否会降低到欧洲或日本水平？

风电

Elliot等在1991年研究中估计了每个风能潜力。风能丰富地区在北达科他，怀俄明，蒙塔大，整个国家风能丰富，可供使用的面积有43.5万平方公里，每年发电4600TWh，按3亿人计算，每人每天42kWh。这个计算，假设风能密度1.2W/平米，小于我们在第四章的假设2W/平米。面积差不多等于美国加州。风能设备是2600GW，是目前美国的200倍。

还是风电

假设浅海可以用来发展风电，面积20000平方公里，能量密度是3W/m2。平均发电功率是60GW，等于美国人均每天4.8kWh。

地热能

我在第16章替代麻省理工学院的北美地热能研究。在美国西部，有很多地热资源。加大研发投入，地热能系统可以在未来50年提供经济上有竞争力的发电系统100GW电。更进一步，地热能系统提供安全的长期能源。让我们假设这是对的，100GW等于给每人每天提供8kWh。

水力能量

在美国，加拿大和墨西哥，每年水电660TWh。除以5亿人，等于每人每天3.6kWh。能否让其加倍？如果主要，就能增加到7.2

其它

上述总和是42+4.8+8+7.2＝62kWh/d/p。与欧洲一样不够。我可以讨论焚烧加拿大的森林发电，但是，这只是延长我们的痛苦。下面我们讨论聚光太阳能发电。

图30.3是北美能够为5亿人提供每人每天250kWh能量的地方

基线

北美非太阳能可再生能源不能满足美国需要，但是，当加上巨大的太阳能发电，就能满足需要了。因此，北美需要利用自己的沙漠或核电或两者同时需要。

重新计算世界

假设60亿人的能源供应标准类似欧洲标准水平，例如每人每天80kWh，结果如何？

风电

风能资源丰富的地区，包括美国中部，加拿大Saskatchewan；阿根廷和智利南部，澳大利亚西北，索马里，伊朗和阿富汗，中国北部和西北部。苏丹西北部，南非西南，这些地方都远离大海，除了赤道热带60度

我们的全球估算，来自绿色和平组织和欧洲风能协会，下哦两个的有效风能资源是每年53000TWh，平均每人每天24kWh。

水电：

世界平均为1.4kWh/d/p。来自 www.ieahydro.org, 国家水电协会和国际能源局估计，世界上技术可行的水电是14000TWh/年，等于每人每天6.4kWh，其中8000TWh每年是经济可行的，等于人均每天3.6kWh，大多发展潜力在非洲，亚洲和拉丁美洲。

潮汐

世界上有七个地方，有很大规模的潮汐资源，包括7个河口。阿根廷有两处，San Jose和Golfo Nuevo；澳大利亚有Walcott河湾，美国和加拿大贡献Fundy湾，加拿大有Cobequid；印度有Khambat海湾，美国有Turnagin 和Knik湾，俄罗斯有Tugur。然而世界上最大的潮汐是俄罗斯Penzhinsk，十倍于其它，等于22GW。

Kowalik在2004年估计，世界总的潮汐资源是40－80GW，人均每人0.16－0.32kWh。

波浪

我们估计总的海岸长度30万公里，每米波浪发电功率10kW，考虑10%被捕集，50%转化为电能，得到每人每天0.5kWh。

地热能

根据奥克兰地热研究生Freeston估计，世界上总资源，在1995年，是4GW，平均到每人每天0.01kWh。

如果麻省理工学院作者的估计正确的花，假设世界类似美国，则地热能给每人每天供应8kWh。

能源植物

人们被能源植物吸引，因为有人宣称，它不会同食品竞争土地，可以生长在废弃的土地上。但是，人们需要知道具体数字。麻疯树的数字参见284页。所有非洲陆地都用来种植麻疯树，产生的能量给全球60亿人，每人每天进8kWh。你能指望它解决能源问题？

让我们估计，能源植物能给我们供应多少？方法类似第6章，假设所有可耕地用来种能源植物，目前世界18%土地用来耕种，面积2700万平方公里。人均4500平米。假设能量密度是0.5W/平米。处理和种植损失是33%，我们发行几十占领所有农业土地发展能源植物，能为每人每天提供36kWh。也许这个数字低估了，在图6.11给出的巴西甘蔗能提供1.6W/平米，3倍于我的估计。也许巴西能提供一点希望，但是，我这里将讨论最后一个选择

太阳热能，光伏电池和聚光发电

太阳能热水器不是新主意。它们已经出现在世界各地。中国是这项技术的领先者。全世界热水器总量达到100GW，其中一半在中国。

光伏电池在技术上是可行的，但是，成本太贵。我希望我是错的。如果光伏电池成本能在未来四十年如计算机一样下降，就能应用了。

在很大领域我给的是猜想。用于发电最好太阳能技术是聚光太阳能，我们在178和236页讨论过。我们为欧洲和北非10亿人准备了大面积沙漠太阳能发电站。在北美类似亚利桑那面积的沙漠电站。我这里留给读者来连线，为其它45亿人服务的沙漠发电。

基线

非太阳能可再生能源总数为风电24，水电3.6，潮汐0.3，波浪0.5，地热8，总共36kWh/d/p。我们的目标是超欧洲消费水平80kWh/d/p。所以结论很清楚，非太阳能可再生能源也许巨大，但它们还不够大，未来完成我们的目标，我们必须依靠太阳能或核能，或两者同时。

29 现在做什么

除非我们现在行动，否则，不久以后，灾难发生以后就不可逆转了。所以没有比这更严重，更紧急的或更需要的时期

布莱尔，英国首相 2006 10 30

实际有点不现实

布莱尔，2个月以后回答建议他不应飞往巴巴多斯度假

我们做什么由我们的动机决定。回顾第5页我们讨论不使用化石燃料的3个动机：化石燃料消失，能源供应的安全问题和气候变化。让我们先看气候变化这个动机，我们想减少碳排放。（怀疑气候变化者请掠过此部分，转到223页）

对碳污染做什么

我们不是要实现零碳排放。不会发生长期投资。碳封存公司并不兴旺，虽然经济学家和气候专家建议，从大气中吸收二氧化碳，可以避免发生气候灾难。甚至在燃煤电厂，人们也没有捕集碳（除德国有个试验）

为什么不？

主要问题是碳污染价格不正确。未来也没有把握能制定正确的价格。我所说的不正确，是指释放二氧化碳的价格低于燃煤电厂捕集储存二氧化碳成本。

解决气候变化是一共复杂的课题。但是，简单分析，办法如下：二氧化碳价格应大到阻止人们燃烧煤产生二氧化碳不捕集。因为煤炭是最大的化石燃料。减少来自石油和天然气排放是次要的，因为它们的供应量会在今后50年内下降。

在政治方面，我们需要做什么？我们需要让所有燃煤电厂上碳捕集储存。首先政府支持进行大电厂的试验项目，以筛选碳捕集储存技术，第二，政治家应当改变电站政策，从而采用先进技术。我的第二项建议是通过一项法律，要求从某天开始，所有燃煤电厂必须上碳捕集。然而，大多数共和党人认为，这个方法将关闭产生市场的大门。那么，如果我们认为，市场能够解决气候问题，市场会以什么方式实现我们的简单目标，就是所有燃煤电厂都装上碳捕集？我们会在碳捕集市场交易中做点小事，发证证明碳捕集，从而允许燃烧碳。但是，电厂拥有者只会确信，碳排放价格高于碳捕集设施成本时，才会投资建设碳捕集储存设施。专家认为，要达到这个目标，需要报纸碳税高于每吨二氧化碳100美元。

政治家们需要让二氧化碳排放价格长期保持在每吨100美元以上，从而使投资者投资建设碳捕集设施，降低二氧化碳排放。替代方法是，他们应当将碳排放许可价格固定在最低价格之上。另外一种方式是，不管碳排放许可市场如何变化，政府保证投资者，捕集二氧化碳每吨获得100美元收入。

我很担心，关闭自己的可靠大门，依靠仅仅是用来鼓励关门的国际市场，是否明智。

对能源供应做什么

下面讨论另外一个动机，我们想摆脱化石燃料，从而提高能源供应的安全性。

我们应当做什么，带来非化石燃料的供应和效率？一种态度是，让市场调节。 当化石燃料价格升高，可再生能源和核能就会变得相对便宜，理智的消费者就会选择高效技术。我发现人们对市场如此迷信，不管市场也提供繁荣和萧条，银行信贷紧缩，甚至银行崩溃。

市场在短期方面，能很好地做决定，但我们能希望让市场对影响几十年甚至上百年的能源做决定？

自由市场允许我们盖房子，我们禁止盖绝热性能很差的房子。现代能源效率高的房子是在法律控制下建造的。

市场不会负责建公路，铁路，公共汽车道，停车场或自行车道。但是，公路建设，公共汽车道和自行车到对人们的交通选择影响很大。类似地，规划法决定了人们的家和工作场所该如何建造，密度多大，对人们选择交通的影响非常大。 如果新建城市没有铁路，人们出远门就不大会选择铁路。如果住处与办公室相隔几英里，人们就会选择开车上班。

制造设备是能耗的主要部分之一。设备制造商在给我们提供设备时，就准备让其废弃，以便使市场能够更新。

因此，市场扮演了很重要角色，但是，如果说，让市场决定一切，就很可笑了。我们必须讨论法律，政策和税。

绿色化税

我们需要修改我们的税和收费，目标是对污染收税，主要是化石燃料

Nicolas Sarkozy 法国总统 萨科奇

现在买微波炉，DVD机或政客吸尘器很便宜，比修理旧的还便宜。因此，修理旧电器就成了疯子行为（这主要是中国压低自己老百姓福利，低价供应所致，译者注）。

其中原因之一是我们的税务系统，对维修人员的劳动收税重，各种税单寄到维修工。他帮助我们维修微波炉，但是，税务局让他们无法做生意。

建设绿色税务系统的主意是将税从好的工作，如劳动上转移到对坏的工作，如对环境的破坏。环境税改革是建议这种平衡的转移，保持预算平衡。

图29.2 碳排放价格是多少？才能推动社会明显减少二氧化碳排放

假设使一件活动的价格上涨一倍，就能使二氧化碳治理产生明显影响，或者二氧化碳排放治理设施投资会变成有经济性

碳税

最重要的需要增加的税。如果我们想促进无化石燃料技术，就给碳排放加税。我们需要征收到足够促进可再生能源投资和改进效率。这同我们前面推荐的政策相同。不管我们的动机是解决气候问题，还是保证能源供应问题，政策是一样的，我们需要使碳排放价格高而稳定。图29.2表明，带来各种行为变化和投资的二氧化碳排放价格；各种组织认为补偿温室气体排放的价格都很低。如果安排一个较高价格如何？欧洲排放交易，如图29.1，进行得好吗？国际政策专家和经济学家们的观点是，剑桥经济学家Michael Grubb 和David Newbery认为，欧洲排放交易还未上路，“目前还未产生投资响应”。

图29.1 欧洲二氧化碳排放交易价格

经济学家推荐用碳税作为政府支持清洁能源源头的主要机制。保守党生活质量政策团推荐，增加环境税，减少其它税。“如果你挣来的钱花起来象流水，你就会考虑转移”。英国皇家环境污染委员会说，英国应该引入碳税，“应该在上游应用，覆盖所有环节”。

因此，支持大收碳税，减少雇佣税，公司税和增值税。但是，税和市场不会带来我们需要的行动。如果消费者行动不合理，如果消费者考虑短期价值，而不考虑长期的节约，或者人们选择需要购买的，不需要支付与他们选择的所有费用，则税和市场方法就会失败。

很多牌子商品很贵。消费者选择并不唯一根据价格。许多消费者主要关心外观和感觉。有些会有意购买贵的。

一旦买了无效率的东西，就太迟了。无效率的产品就不应该制造，这是基本原则。下面是自由市场失败的几个例子。

管理者障碍

假设碳税达到很高，让一种新发明，在大批量制造时，比其高碳排放对手价格低5%。这种新发明的碳排放比老产品的碳排放低90%。因此，使用这种绿色产品对社会有利。但是，在这种绿色产品销量很低时，其价格必然高于老产品，因此，价格阻止了新的绿色产品进入市场。

政府干涉，给新发明一个机会是是否必要的。支持研究和发展？税刺激能帮助新产品？

价格差别小问题

假设绿色产品公司从头到位制造了它的绿色产品，碳税也足够高，使其产品价格低于高碳排放的竞争产品。此时，碳税确实其作用了，所有消费这会买低碳绿色产品了？但是，第一，很低消费者不关心5%价格差别。第二，对手如果感到绿色产品威胁其产品了，就会重新宣称其产品，强调现在产品是绿色的，吸引老顾客忠诚于他们的产品。“真男人用Dino”，如果这不起作用，就会发布新闻，宣称科学家没有确定，长期使用绿色产品会不会引起癌症，或者说绿色产品对狐蝠伤害较少。让你害怕，狐疑和疑惑。还有一个办法，对手公司还可以斥资买下绿色公司，买下后，对绿色产品什么也不做，如果仅有5%价格差别。

如何解决这个问题，政府也许应该禁止老产品，就像禁止含铅汽油？

房东和租房者

假设房东将一个平房租给了房客Tina。房东负责维修，提供必要的服务，房客Tina支付用电和取暖费用。问题是，房东感到没有动力去投资改善平房，以减少房客的支出。他可以更新更有效率的灯，更经济的冰箱，对环境更友好的电器等，可以减少今后的支出，从而偿付投入。但是，Tina得到这些收益，不是房东得到这些收益。类似的，房东也没有动力更换绝热材料或按照双层玻璃窗户，因为他还需要考虑到，Tina的男朋友Wanyne会在喝醉时，打碎窗户。基本上，在发育良好的市场，房东和Tina会作出正确决定，房东会安装节能设备，增加一点月租，Tina认识到现代化的平房住起来费用较低，愿意付较高的房租。房东会要求增加押金，以防打破新换的窗户玻璃，Tina会小心行事，禁止Wanyne破坏行为。但是，我认为，房东和Tina不会了解这个良好的市场。Tina很穷，无法支付更多押金。房东希望能租出平房。而且，Tina并不相信节能设备会带来账单减少，怀疑房东夸大其词。

因此，需要大家协商，让房东和Tina做正确的时期。例如，政府制定法律，对效率低的设施征收较高的税，禁止销售不满足效率要求的冰箱，要求所有平房的绝热层满足一定条件，或引入一个评估平房的强制系统，使Tina在租房时了解平房的能耗特征。

研发投资

我们强烈反对政府在可再生能源研发方面的资金（2002－2003年1.22亿英镑）太少….如果使除了风能之外的资源能够得到利用，我们必须改变。我们不得不得出节能，政府对能源问题漠不关心。

英国上议院科技委员会

没有科学理解，会导致肤浅的决定。2003年能源白皮书就是一个很好的例子。我们不愿称太不专业，但是，它没有找到解决现实问题的方法。

David King 爵士，前首席科学家

为政府可再生顾问团服务，感到是在观看几个给部长称是的小插曲在缓慢运动。我认为，政府从不关心可再生。

Jeremy Leggett 太阳能世纪创始人

我认为，数目就说明了一切。看图28.5，比较政府在办公室更新和军队方面的几十亿英镑，以及在可再生能源相关研发方面支出相差几百倍。我们花了几十年发展可再生几十，如潮汐发电，聚光太阳能发电技术和光伏电池。核聚变也进行了几十年。这些技术的成功，还需要大量支持。

个人行动

人们有时会问，我能做什么。表29.3给出我推荐的8个小建议。非常粗略的估计，每个行动所节约的能源。是在特定条件下的。你在做时，节约多少与你的起点相关。表29.3假设一般消费者的平均起点

表29.3 8个简单节约能源行动

行动 节能(kWh/d)

穿羊毛衫，将温度调低，如15－17度，给每个加热器

安上控温器，确定家或办公室每人时，关闭取暖设备。 20

每周看电表，水表和煤气表，了解减少能耗情况，同朋

友比较，同时在办公室做，产生一个对能源感兴趣团体 4

停止坐飞机 35

少开车，开慢点，开平稳点，使用电动汽车，参见汽车

俱乐部，走，或坐火车或公共汽车 20

继续使用老电器，不要太早更换，如计算机 4

将灯换成荧光灯或二极管发光灯 4

不愿买杂物，避免包装 20

多吃蔬菜，每周6天 10

尽管以上行动都很容易，表29.4需要一点计划，毅力和费用。

表29.4

主要行动 节能(kWh/d)

消除房屋漏风 5

加双层玻璃 10

改进房屋绝热性能 10

按照太阳能热水 8

按照光伏电池 5

换新房屋 35

使用地源热泵代替燃烧取暖 10

最好，表29.5列出少数省略很少的行动

行动 节能 (kWh/d)

冷水洗衣 0.5

停止使用烘干，改用空气风干 0.5

28 考虑成本

地图上的计划

下面我们在地图上规划一个新的方案。相比前一章所说5个方案，这第六个方案叫计划M，图28.1

图28.1 计划M

计划中各个项目占地面积和成本见表28.3. 为了简化，成本是根据现在的价格来估算的。许多是原型设计。我们希望它们的价格能大幅度降低。这里估计的成本是建造成本，不包括运行和处置成本。每个人成本是将总成本除以英国总人口6千万人。本书不是关于经济方面的，那需要另外400页。我初步估计成本，是让我们给这个计划加个价格标签。

图28.1 计划M

我在这里强调，我不是鼓吹这个计划，如果我作为英国首相，它的几个特点，使我不会选择它。我会审慎地包括所有现有技术。所以，你可以提出其它方案。

图28.2 地图上的计划，灰色代表风电，红线代表海上波浪电站，亮蓝色代表光伏电池发电站，每个代表20km2，海上蓝色多边形代表潮汐发电，蓝色代表海上潮汐泻湖发电，亮绿色代表能源作物，黄绿色代表生物质燃料，小蓝色三角形代表风飞舞焚烧，大的棕色宝石形代表清洁煤炭发电站，与生物质共燃，包括碳捕集和储存。品红点，代表核电站，每个平均3.3GW，一共12个。黄色六边形代表国外沙漠太阳能发电，每个代表335km2，品红线：代表高压输电线，2000公里，输送40GW沙漠电力到英国

黄色五角星：计划储能水电站

红色五角星：现有储能水电站

蓝色点：屋顶太阳能热水

表28.3 计划M的占地面积，成本

项目 占地面积 容量 成本 平均能量

平方公里 GW 总(十亿英镑)每人(英镑) kWh/d/p

52个陆上风电 5200 35 27 450 4.2

29个海上风电 2900 29 36 650 3.5

15储能水电站 30 15 250

光伏电站 1000 48 190 3200 2

太阳能热水 60 2.5 72 1200 1

100垃圾焚烧 3 8.5 140 1.1

热泵 210 t 60 1000 12

波浪发电 130 1.9（0.76） 6 100 0.3

潮汐大坝 550 8（2） 15 250 0.8

潮汐泻湖 800 1.75 2.6 45 0.7

15000潮汐发电 2000 18（5.5） 21 350 2.2

40核电站 45 60 1000 16

清洁煤炭 8 16 270 3

聚光太阳能 2700 40 340 5700 16

欧洲直流输电 1200 50 1 15

2000公里输电线路 50 1 15

生物燃料 30000 2

生物能源 31000 5

例如，如果你认为光伏电池太贵，我会在计划中增加波浪发电替代。你知道这是如何做的：增加波浪发电8倍。如果你不喜欢在你那儿设置风电，可以将它们移走（但是移到那儿？）。请记住，将它们移到离岸远的地方，会增加成本。如果你喜欢较少的风电，没有问题，你可以提出你喜欢的替代技术。你可以用1GW核电站来代替100平方公里风电。

也许你认为本方案使用太多土地来生产生物燃料。好的，你可以提出方案，或者让计划中的每人每天供应2kWh液体燃料减少，或者采用其它方式生产液体燃料。

从化石燃料转向可再生能源的成本

建造MW风电场需要需要几百万英镑。粗略估算，2008，建造1W设施，成本是1英镑，1MW是1百万英镑，1GW是十亿英镑。其它可再生能源更贵。我们目前能耗约300GW，主要使用化石燃料。如果我们从主要使用化石燃料转到使用可再生能源或核能，总量是300GW，需要花费3000亿英镑。表28.3给出的成本是8700亿英镑，主要是因为太阳能成本高，包括光伏电池1900亿英镑，聚光热发电3400英镑。今后这两部分成本会大幅度降低。2007年8月英国卫报泄露的政府报告估计，到2020年完成20%能源来自可再生能源，就是增加80GW可再生能源，成本最高是220亿英镑，平均每年17亿英镑。这个数字远远低于我的估计800亿英镑。卫报作者认为，220亿英镑是不合理的成本，最多完成9%用可再生能源替代。

十亿是很大的数字，很难与常识比较。为了帮助大家了解不用化石燃料的成本，让我们列出一项每年花费十亿英镑的时期。我还用每人花费，就是除以总人口来分析。

最直接相关的数字是当前花费在能源方面的费用。每年最终用户花费的能源费用是750亿英镑。能源市场总值是1300亿英镑。每年花费17亿英镑到未来能源系统上，仅仅等于现在能源花费的3%！

我们还可以比较我们在保险上的花费：我们在保险上的花费是对不确定性回报的投资。英国工业和商业机构每年化在保险上的总费用是900亿英镑。

补贴

25年超过560亿英镑：花费在英国核电站清理费用，这是2004年数字，到2008年增长到730亿英镑，等于每人1200英镑

交通：

43亿：英国伦敦Heathrow机场，等于每人72英镑

19亿：拓展91公里M1公路，见图28.4

图28.4 M1公路

图28.5 花费10亿英镑的项目

特别花费

2012伦敦奥林匹克：50亿英镑，也可能升到90亿英镑，每人150英镑

商业企业：

Tesco利润，25亿英镑（2007年宣布），人均42英镑

102亿英镑，英国人购买食品支出，人均170英镑

110亿英镑，英国石油公司2006年利润

130亿英镑，壳牌石油公司2006年利润

400亿美元，埃克森石油公司2006年利润

330亿美元，世界在香水和化妆品上支出

7000亿美元，美国进口石油（2008），等于平均每个每个人2300美元

政府日常支出

15亿英镑：英国军事维护支出，人均25英镑

150亿英镑：引入身份证，人均250英镑

政府未来支出

32亿英镑，减少从挪威到英国的天然气管道，输送能力是每年200亿立方米，对应25GW，每人53英镑

烟税

每年80亿英镑：英国每年烟税收入，等于每人130英镑，欧盟每年补贴烟农10亿英镑

每年640以英镑：美国反毒品支出，每人150美元

太空研究

17亿美元：一艘宇航飞船价格，每个美国人6美元

图28.6 几个更大的支出

银行

7000亿美元：2008年10月，每个政府批准7000美元救助华尔街

5000亿英镑：英国政府斥资5000亿英镑支持英国银行

军队

每年40亿英镑：英国武器出口，等于每人83英镑，25亿输出到中东，10亿输出到沙特，来源2006年12月3日观察家

85亿英镑：英国在Aldershot和Salisbury平原军营建造支出，等于每人140英镑

38亿英镑：两个航母

每年45亿美元：美国政府能源部预算中与核武器相关物资管理活动支出:美国人均15美元

100－250亿英镑：更换英国核武器三叉戟系统成本，每人170－420英镑

630亿美元：美国10年支援中东军事援助，一半给以色列，一半给阿拉伯国家，美国每人210美元

每年12000亿美元：世界武器支出

20000亿美元，根据诺贝尔经济学奖Joseph Stiglitz，美国伊拉克战争支出，美国每人7000美元

根据Stern评论，全球需要每年支付4400亿美元控制气候变化，如果由发达国家老百姓承担，人均每年440美元。2005年美国军事支出4800亿美元，世界15个军事支出最多国家是8400亿美元。

远低于十亿数量级的支出

英国政府投资可再生能源研究和发展的费用，每年1200万英镑，人均每年0.2英镑

27 英国五项能源计划

如果我们摆脱化石燃料，我们需要制定一个基本计划。还需要在政治上和财政上行得通。政治和经济不是本书的组成部分，所以，我将简单讨论计划的技术部分。 提出了许多计划。这里介绍其中5个。不要将其中任何 一个计划，看成是作者推进的计划，我推荐的是，

确信你的政策将能增加一个计划。

每个计划有一个消费方和生产方，我们必须确定我们将消耗多少能量，如何生产这些能量。为了避免计划占很多页，我简单将能源消耗分成三类，交通，热和电。这非常简单，忽略了工业，农业，食品，进口等。但我希望这种简化是有帮助的，让我们能在一分钟内比较和对比不同计划。我们最终需要详细的计划，但不是今天。我们离目标还如此之远，只能做简单介绍。

我这里阐述的方案是我认为2050年技术上是可行的方案。所有的都使用相同的消费要求。我再次强调，这不代表我认为这是正确的方案，也不是唯一的方案。我仅仅是不想介绍很多方案，让你目不暇接。在生产方面，我将阐述多种可再生能源，清洁煤炭和核能组成的计划。

目前情况

简化版国家情况如下：交通能耗是每人40kWh/天。主要消耗的是汽油，柴油和煤油。取暖能耗是每人每天40kWh主要使用天然气。电能消耗是每人每天18kWh，使用煤炭，天然气，核能，能量是每人每天45kWh。其它27kWh进入冷却塔（25）和输电线路（2kWh/人/天）。总能耗是每人每天125kWh。

图27.1 2008年英国能耗简况和未来计划

所有5个计划的共同特征

在我的未来简要计划中，能量消耗减少，主要通过更有效率的运输和取暖技术。 在未来5个计划中，交通采用电动化。电动汽车效率比汽油车高得多，能量需求大幅度减少。公共交通也电动化，良好整合，处于优先地位，能更好地为顾客服务。我假设，电动化提高效率4倍。仅仅增长会减少部分因效率提高带来的节约，净效率是降低能耗一半。还有少数汽车不能电动化，我们制造 液体燃料，如生物柴油，生物甲醇或纤维素乙醇。运输能耗是每人每天18kWh电和2kWh液体燃料。电动汽车电池作为储存设施，帮助解决电力供应和需求的波动。生产生物燃料需要占用12%英国土地（每人500平米），假设生物燃料制造来源于1%效率植物和转化为燃料效率33%。替代方法是进口，让其它国家发展农业生产生物燃料出口给我们。

在所有5个计划中，加热能耗是通过改善住宅绝热性能，控制温度（通过控温器，教育等）。新建筑要求很好绝热，不需要加热取暖，老建筑采用地源热泵，或采用太阳能热水，或使用电等。位于森林和能源植物附近的建筑，取暖使用生物质。取暖能耗从40削减到12kWh/人/天电，2kWh太阳能和5kWh生物质。

用于取暖的生物质来源于附近的森林和能源植物，如芒草，柳树和杨树，占地面积30000平方公里，或人均500平方米。对应18%农业用地。能源植物主要生长在贫瘠土壤，而肥沃土壤主要用于生产食物。500平米土地年生产0.5吨生物质，能量为7kWh/天，其中30%损失在处理和运输图中，最终给每人供应每天5kWh能量。

在这些计划中，我假设目前的电力需求，包括电器，电灯等。我们仍然需要18kWh电/天，电灯效率改进了，使用二极管灯，许多电器效率提高，但是，由于经济增长，我们增加了电器数目，如视频会议系统，帮助我们减少旅行。

在这个计划下，总的每人每天的电耗增加了，包括18kWh用于运输，12kwh用于热泵，总共48kWh。是目前电耗三倍。它们的来源是什么？

让我们来描述可能的来源。不是所有的来源是可持续的，但它们是低碳的。

制造电能的方法

为了得到许多电能，每个计划都要利用陆上和海上风电，还有来自沙漠国家的太阳能，废物焚烧，水电，波浪和潮汐发电。还有核能，清洁煤炭技术。目标是为每人每天发电50kWh。考虑某些损失，我们从分析得到的48kWh增加到此。

某些计划需要从其它国家进口电能。为了比较，我们看看今天进口的电能。2006年英国进口了28kWh燃料/天/人中的23%，包括煤炭18，原油5和天然气6kWh。核燃料通常不计为进口，因为它不易储存。

在5个计划中，我假设市政垃圾焚烧，而不是填埋。每人每天产生1kg垃圾焚烧，供应0.5kWh电，假设农业垃圾也焚烧，产生0.6kWh电。焚烧系统需要安装3GW设备，十倍2008年，如图27.2. 有700万居民的伦敦，有12个30MW垃圾焚烧发电厂，伯明翰1百万人有两个。每个20万人城镇应建一个10MW垃圾焚烧发电厂。一些认为焚烧垃圾危险或困难，脏的人，应参考图27.3，该图显示欧洲很多国家焚烧垃圾比英国多得多，包括德国，瑞典，丹麦，荷兰和瑞士。没有出现卫生问题。另外一个好处是，它消除了垃圾填埋场释放甲烷问题。

图27.2 英国垃圾发电设备，显示平均垃圾发电能力等于1公斤垃圾发电0.5kWh。

图27.3 左：市政垃圾填埋和焚烧比较

右：循环利用的垃圾与焚烧或填埋的垃圾。每个国家标准了循环利用比例。

在这5个计划中，水电贡献给每人每天0.2kWh，与今天相同。

电动汽车能够动态调节电网负荷。给电动汽车充电的平均功率是18kWh/人/天。因此，可再生能源，包括太阳能，风能的波动就被电池充电的开关所平衡。白天电力需求波动增大，因为使用电来取暖和烹调。如图26.16.为了确保10GW需求持续5小时的供应，所有计划都建设新的抽水蓄能电站。类似Dinorwig。50GWh储能能力，等于5个Dinorwig，装机功率2GW。还有一些计划增加储能能力。还建设2GW的一条到挪威的高压输电线路。

计划D 生产足够的电

D代表国内分散，使用每个国内可能的发电能力，对其它国家依赖很少。

下面是如何提高每人每天50kWh。风能8（20GW平均，66GW峰值），加上400GWh抽水储能电站。太阳能3，垃圾焚烧1.3，水电0.2，波浪2，潮汐3。7，核能16（40GW），清洁煤炭16（40GW）

风能需要在2008年装机容量基础上，增加30倍。英国风能是德国3倍。安装海上风能需要增加50个海上机船。

太阳能需要每人6平米20%效率光伏电池。面向南方的屋顶都要安装电池板。对保护古建筑组织来说，给传统乡村老房子安装很多电池板是一项经济的方法（图6.7）。

垃圾焚烧对应每人每天1kg生活垃圾，获得0.5，同样数量的农业垃圾获得0.6.水力发电每人每天获得0.2kWh，与今天相同。

波浪发电需要安装16000个Pelamis深海波浪发电设施，占据大西洋 830公里海岸线。

潮汐发电血液安装5GW设备，2GW安装到大坝上，2.5GW安装到潮汐泻湖上，可以同时用在储能系统。

核能发电包括安装40GW设备，等于2007年4倍。如果我们达到每人每天16kWh，我们的水平就介于比利时，芬兰，法国和瑞典之间。按照人均计算，比利时和芬兰是12，法国和瑞典分别是19和20.

清洁煤炭发电需要利用目前的发电站，大约30GW，增加碳捕集系统，将消耗能力，使输出减少到22GW，新建18GW清洁煤炭发电占。需要给每人每天供应煤炭53kWh，比今天使用化石燃料略多。以上是我们在23章所说的持续供应。这与消耗速度是今天的3倍，如果我们不重新回复煤矿，我们就进口煤炭生产32%电力。重新恢复煤矿需要增加每人每天8kWh煤炭供应，英国可能不能自给煤炭。

你是否反对这个计划，或感到有问题？如果是的或，后面的计划也许会使您喜欢。

其他几个计划就不再翻译了，请大家直接看图27.9

图27.9 所有5个计划

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

26 波动和储存

风能作为一个能源，是完全无法利用的，因为在无风的季节，依赖风能，整个国家的经济活动就会停止。在蒸汽机之前，风能用于矿井排水，虽然它们是很好的机器，但是，它们工作得不规则。在风小的时候，如果这时矿井积水，人们很长时间只能无事可干。 William Stanley Jevons, 1865

图26.1 英国电能消耗，2006年夏季和冬季一周情况。如果你不喜欢整个国家能耗单位是GW，记住每人每天24kWh等于60GW

如果我们不用化石燃料，转向可再生能源，或使用核能。我们会有一个大问题。这些可再生能源都不能简单关闭或开启。当风吹出来，太阳升起来，能量就需要去收集。但是，2个小时以后，它们又可能完全消失了。核能也一样，不能更加需要关或开。这时一个巨大的问题。在电力系统，电力生产和消费必须严格相等。电网不能储存能量。我们必须准备一个系统，能够随时关闭和开启，在需要的每分钟及时供应，在不需要时，随时关闭。显然这个系统能够生产电能，能够及时关开，补偿用电需求的波动。另外一个解决方式是随时能够储存电能，在需要时再输出电能。

这样的系统还要有很大能力，因为电能需求和生产能力变化很大。需求会在几分钟内发生巨大变化。本章讨论，在没有化石燃料情况下，如何对付电力供应和需求的波动。

图26.2 上：从2006年4月到2007年4月爱尔兰共和国所有风能电站发电输出，单位是MW，中：2007年1－4月，下：2007年2月，最大发电功率是5000MW，2007年平均功率是745MW，分布在60个风力发电站，15分钟一个功率数据， 来源：www.eirgrid.com

可再生能源波动情况？

虽然我们很喜爱可再生能源，但是，我们必须了解，风能等存在很大波动。批评风能的说，风能是间歇的，不可预测的。因此，它的贡献几乎为0，因为我们建设风能电站，必须要建设同样规模的化石燃料电站，以免风能电站停止时使用。报纸头条说“得克萨斯风能波动，导致电网崩溃”，增加了人们对此的印象。风能支持者对这个问题轻描淡写“不用担心，单个风能电站也许是间歇的，但是，很多电站在一起的效果是不同的，不是每个地方都同时没有风”

让我们看看实际情况，来了解平衡情况。图26.2是2006年4月到2007年4月之间，爱尔兰共和国所有风电输出情况。很清楚，风能是间歇性的。如果我们增加很多电站，例如，英国比爱尔兰大，风电数量多，但是，问题是一样的。2006年10月到2007年2月，有17天，从英国1632个风电站输出的电能等于它们的能力的10%，有5天低于5%，有一天，仅2%。

下面来看，风能系统波动性的定量分析。通常分为长期的和短期的。下面来看一个短期变化的资料，2007年2月11日，爱尔兰的风能从午夜415MW降低到凌晨4点79MW，每小时下降84MW，而风能总平均功率是745MW。对英国来说，风能功率是33GW，平均功率是10GW，计算得到的变化速率是

84*33000/745＝3700MW/h （这里应该用10GW来计算，译者观点）

假设英国情况与爱尔兰类似。这样我们就得到，我们需要准备总发电能力变化量为3.7GW/h，这等于4个核电站，能从关闭状态到一小时后满负荷运行。

图26.3 英国电能需求，左边是功率，右边是人均每天需要的电能

英国的电能平均用量是40GW，相当于人均每天16kWh。因此，如果全部用风能来供应，需要准备4GW/h的电能系统。这是否是我们从未经历过的要求？不是的，从图26.3可以看到，每天早晨，英国的电能需求从早上6点半到8点半上升13GW，上升速率等于6.5GW/h。也就是说，我们的工程师每天都要对付电力需求上升速度达到6.5GW/h。因此，风能突然变化，导致电力供应变化4GW/h不是拒绝使用风电的理由。如果一个问题与工程师已经解决的问题类似，我们仅仅需要，如何解决对应的不存在化石燃料的供应问题。这里，我没有说，我们已经解决风电变化剧烈问题，而是说，我们解决过类似问题。（这里问题在于现在的解决方案是不能搬到没有化石燃料的未来，译者注）

好，我们来寻求解决方案。我们还要分析风能的长期变化问题。在2007年2月初，爱尔兰几乎没有风。这是很不寻常的，参见图26.2.一年里，通常持续2－3天没有风，在一年里会发生几次。

有两种方法来解决无风问题。一种是在这之前储存电力，或者减少此时的电力需求。如果风能平均供应10GW电能，则储存5天的能量需求是：

10*（5*24）＝1200GWh。

英国电能需求是每天1000GWh。

平均到每个人身上，是每人储能20kWh。它能持续供应5天全英国的能源需求10GW，等于给每个人供应4kWh5天。

对付无风和快速变化

我们需要解决两个问题，一个是长期无风导致的供应能力下降，一个是能源供应或需求的快速变化。我们已经分析过这两个问题数据。假设英国风能发电能力是33GW。变化速度是每小时6.5GW；有效储能能力是1200GWh（＝每人20kWh）。

主要解决方法包括储能水电站和电池储存。在阐述这两个方法之前，我们看其它对付快速变化情况

对付供应快速变化的方法

某些可再生能源可以随时关停。如果我们建造了很多可以随时关停的发电站，我们就解决了所有问题。在挪威和瑞典，有很多水力发电站，可以随时关停。在英国，我们怎么办？

英国有许多垃圾焚烧和生物质焚烧电站，它们的角色类似化石燃料发电站。如果将它们设计成可随时开停的，会带来很多成本。这等于我们建造的发电站，是部分时间工作的。有时闲置，有时超负荷运行，与稳定运行相比，成本增加。将成本问题放一边，我们需要了解，关键问题是，我们需要建设多大的发电能力。如果焚烧所有的生活垃圾和所有的农业垃圾，平均发电能力是3GW。如果我们建造两倍于这个能力，就是6GW，几乎运行一半时间，我们就能在搞需求和不运行之间，增加6GW能力。将这些电站设计成在一小时内可开关，这是电力供应能力变化率就是6GW/h。这是最大变化率，与我们使用33GW风电系统的要求还有差距，但是，提供了很大贡献。

水力发电如何？英国水力发电的运行负荷平均仅20%，所以，它们能够提供增加供应的能力。水力关停速度很快。Glendoe水电站，装机100MW，能在30秒内关停。一个水电站的发电变化速率就达到12GW/h！因此，一个足够大的水力发电站就能够解决巨大的风力发电带来的电力供应剧烈变化问题。但是，英国水力发电能力换达不到要求。英国总的水力发电能力是1.5GW。

因此，我们简单将能源转到可关停的可再生能源，还需要其它解决方法。

储能水电站

用水泵利用低价电能，将水输送到山上的湖泊或水库中，在需要是象水力发电站一样发电。

表26.4 储能水电站

电站 装机功率 扬程 容积 储存能量

GW m 百万立米 GWh

Ffestiniog 0.36 320-395 1.7 1.3

Cruachan 0.4 365-334 11.3 10

Foyers 0.3 178-172 13.6 6.3

Dinorwig 1.8 542-494 6.7 9.1

英国有四个储能水电站，可以储存30GWh电能，参见表26.4，图26.6.它们主要用来储存夜晚多于电能，在白天使用。利润与电价相关，参见图6.5。Dinorwig电站，唯一Snowdonia山口，扮演的是安全角色，在电网崩溃时，用于启动电网。通常启动1.3GW发电能力，只需要12秒。

图26.5 英国电价变化，单位：英镑/MWh

图26.6 Llyn Stwlan， Ffestiniog储能电站上游2水库，位于北威尔士，储存能力是1.3GWh。

dinorwig 水电站是最大的。储能能力是9GWh，上游湖泊比底部高500米，工作体积是700万立方米，最大流失是390立方米/秒，发电能力是1.7GW工作5小时。储能效率是75%。

四个储能电站同时工作，总功率是2.8GW。它们能快速启动，对付需求波动或供电波动。但是，2.8GW能力还不能满足33GW风电的要求功率10GW。总的储能能力30GWh比1200GWh的要求也低很多。

我们能储存1200GWh电能？

我们探讨如何建设具有总储能能力为1200GWh的系统，它等于130个Dinorwig储能电站，发电能力是20GW，是dinorwig电站10倍。我们可以建12个新的储能电站，每个储能量是100GWh，大约是Dinorwig储能电站10倍。水泵和发电设施与dinorwig相同。

假设发电效率为90%，表26.7是几种不同储能方式，主要是水位变化和湖水深度。

条26.7 储能水库容积

上游水库高程 水库体积 水库面积 和深度

m 百万立米 平方公里 米

500 40 2 20

500 40 4 10

200 100 5 20

200 100 10 10

100 200 20 10

是否能找到12个这样地方？是的，我们可以在snowdonia建造这样的电站。表26.8列出Ffestiniog电站附近可以建造储能电站的地址。在七十年代，建造Ffestiniog时，曾考虑过。

表2.8 Snowdonia附近其它可建储能电站地址

选择位置 功率 水头损失 体积 能量储存能力

GW 米 百万立米 GWH

Bowydd 2.4 250 17.7 12.0

Croesor 1.35 310 8.0 6.7

此外，我们还能将下游水库建在地下，在英国伦敦，曾讨论过在地下1000米建造地下水库。将大海作为下游水库也是一个办法。

图26.11 Okinawa储能电站，下游水库是大海，储能能力是0.2GWh www.ieahydro.org

使用电动汽车的需求管理

简要回顾我们的要求：我们需要建造储能能力为1200GWh，等于每人20kWh，对付33GW供电能力阐述的变化，等于每人0.5kW。这个数字同电动汽车的能量和功率要求类似。第20章谈到，电动汽车储能能力是9kWh到53kWh。3000万个电动汽车，等于每人储能20kWh。典型的电池充电功率是2－3kW。因此，同时给3000万个电动汽车电池充电，功率是60GW！为电动汽车电池充电的平均功率是40－50GW。这与风电33GW，生产10GW电能相近。

下面是如何匹配两者：电动汽车可在家或办公室充电。设计灵巧的充电器可以根据电价和使用者要求，灵活充电，如早上7点之前充好电。充电器可以在风电充足是快速充电，在风电停止时停止充电。这样的灵巧充电器可以平衡电网要求，降低用电成本，从而得到回报。

如果我们让电池可更换，解决方法就更好了。想象你到充电站，将你的用光电的电池换成新电池。充电站负责给电池充电。他们可以在合适时间充电，使总的电力供应和需求保持平衡。使用可更换电池是特别好的解决方案，因为可以在充电站储备大量电池。这些电池提供了大量储能能力。有些人说，可怕，我怎么能信任充电站来照顾我的电池？他们会不会给我一个废电池。是的，你是否会问，今天的加油站加的不是油，而是水？维修车辆，我宁愿相信专业维修人员，而不是不懂车子的自己。

让我们回顾可能的选择。我们可以平衡需求和供应波动。通过开关发电系统或储能然后在需要时再生。在这些选择中，使用电动汽车是一个很好的选择。3000万辆汽车，每个40kWh电池，等于增加储能能力1200GWh。如果货运汽车也采用电动汽车方案，总的储能能力还会增加。

它们和风电系统能很好匹配。如果我们在推进风电同时，每3MW更换3000个电动汽车，同时使用智慧型充电器，将能很好地解决风能波动。如果我预测的氢能汽车是错误的，氢能汽车是未来更便宜的汽车，风能电动汽车方案当然可以被风能氢能汽车替代。风力叶轮可以发电，当电能很丰富时，可以生产氢储存起来，用来推动汽车或其它用途。

其它需求管理和储备

还有一些其它选择，一个方法是改变生产能力，从而改变工业生产的电力需求，以适应供应能力变化。这不是一个新主意。铝厂是高耗电企业，常常建造在水电站附近。降雨季节，铝生产也多。不管是否可以储存电力我们都可以灵活地开关电力需求。利润，反渗透系统也是许多国家主要耗能大户。另外一个储能产品是热。如果我们将制冷和取暖系统电力化，我们就有能力设置储热系统，连接到电网上。绝热良好的房屋可以保持温度很长时间。因此，我们可以灵活选择加热时间。进一步，在大厦中设置储热库，将热泵产生的热能储存在热库中，可以根据电能供应情况来开动热泵系统。使用第二条热泵将热能或冷传输到需要的地方。

自动控制电能需求很困难。简单方法是让电冰箱根据电的频率来调整。当电能短缺时，电频率会低于标准频率50赫兹（中国应是60赫兹）。当电力过剩时，电频率会大于50赫兹。电冰箱可以根据频率来调节控温的温度，但不会超出你的黄油的要求。它们在合适的时间用电，从而帮助电网保持平衡。

这样的需求管理能作出有意义的贡献吗？全国电冰箱有多少？平均来说，典型的冰箱功率是18W；假设总数是3000万个。当全部关闭，总功率下降0.54GW，这等于全国总量1%。这相当于全国都突然看某个节目，或同时打开电水壶。某个电视节目会导致0.6－0.8GW的能源需求。自动关闭电冰箱，可以解决日常某个活动，如电水壶。灵活的电冰箱可以解决风电短时间波动。电视会因某个节目，如英格兰与瑞典比赛而大幅度增加，超过2GW。这时，电力需求和供应保持平衡就需要储能电站。

对电网管理者来说，开关电站来使需求与供应匹配是常用方法，许多工业用户与电网有特别协议，允许它们接到通知后关闭电力供应。在南非，经常发生电力短缺，由收音机控制的需求管理系统安装到成百上千个家庭，控制空调和水加热。

丹麦解决方法

下面是丹麦解决风电间歇性的方法。丹麦使用其它国家水力发电设施来调节电网。几乎所有的丹麦风电站都输出电能到邻国。有些国家有水力发电，可以通过水力发电站来平衡。储存的水力电能可以在风力发电不足或用电高峰时，高价卖回到丹麦。总体上看，丹麦风电贡献很大，系统安全主要依赖水电。

是否英国能够采用丹麦的办法？我们需要较大输电能力，连接到其它国家的水力发电系统，或者连到欧洲电网上。

挪威水力发电能力是27.4GW，瑞典为16GW。冰岛是1.8GW。2003年曾讨论过建设一条到挪威的1.2GW的高压直流输电线路。到2010年将建设一条1GW英国到荷兰的输电线。丹麦风力发电能力是3.1GW，它有一条到挪威1GW输电线，0.6GW到瑞典，1.2GW到德国，总的输送能力是2.8GW，几乎等于它的风电能力。为了采用丹麦方式输出过剩风能，英国需要建设10GW输电线路到挪威，8GW到瑞典，1GW到爱尔兰。

两套电网解决方案

另外一个激进的方案是将风电和其它间歇性可再生能源输入到一条独立的电网中，用于供应不需要高可靠性的需求，如加热，电动汽车电池充电。自1992年一拉，法罗群岛上的苏格兰人道，人口70，面积5.6平方公里，有两个电网，来自两台风力发电机还有一台柴油发电机。标准用电服务来自一个电网，而电加热来自另一个电网。电加热主要来自一套电缆输送的风电，否则就被浪费了。通过频率控制个人用户开动加热系统，生产热水和热能储存起来。一共有6个频率，从而模仿了7个电网。法罗群岛还试验了飞轮储能系统，可以在20秒内启动。

电动汽车作为发电机

如果以后3000万辆电动汽车，在全国电缆短缺时，将储存电缆返回到电网中，每个汽车功率是2kW，则总的发电能力达到60GW。类似国家所有发电站的总功率。即使只有三分之一用于发电，总功率也能达到20GW。如果每个电动汽车贡献2kWh电缆，对应电池储能能力20%（应该是5%左右，译者注），达到20GWh，等于Dinorwig储能电站2倍。

其它储能技术

有很多储能方法，图26.13给出了三章最重要的标准，能力密度（每公斤储存的能量），效率（输出输入能量比）和寿命。其它重要标准包括，输入输出速率，常表示为W/公斤，储能时间，成本和安全性。

图26.13 储能系统和燃料性质， a 能量密度对寿命，b能量密度对效率，能量密度不包括容器，除非压缩空气和液氢罐

表26.14 燃料能量（a）和电池能量密度（b，单位Wh/kg）

燃料 能量

kWh/kg MJ/L

丙烷 13.8 25.4

石油 13.0 34.7

柴油 12.7 37.9

煤油 12.8 37

加热油 12.8 37.3

酒精 8.2 23.4

甲醇 5.5 18.0

煤炭 8.0

木炭 4.4

氢 39.0

电池 能量密度 寿命

wh/kg 循环次数

镍镉 45－80 1500

镍氢 60－120 300－500

铅酸 30－50 200－300

锂离子 110－160 300－500

锂离子聚合物 100－130 300－500

可充电碱电池 80 50

飞轮

图26.15是在建的0.4GW飞轮试验装置，重800吨。每分钟旋转225转，储存1000kwh能量，能量密度是1Wh/公斤。

图26.15 正在建造中的culham聚变研究用2个飞轮设施之一 www.jet.efda.org

用于汽车的飞轮系统设计储能是400kJ（0.1kWh），重24公斤，能量密度是每公斤4.6wh

高速飞轮，使用复合材料，储能密度为100Wh/kg

超级电容器

用于储存少量电能（最多1kWh），需要寿命很大，充电迅速。利润，超级电容器适合用于回收再生刹车能量。其能量密度约6Wh/公斤。

一家美国公司声称使用钛酸钡制造了更好的超级电容器，储能密度达到280Wh/kg

VRB动力系统提供了12MWh储能系统，用在爱尔兰sorne hill风电厂，储能系统使用氧化钒电池，功率是39MW。它可以在1分钟内平稳输出风电电能，无风时，可以在1小时内输出三分之一的储存电能。

1.5MWh系统价格48万美元，占地70平米，重107吨。充电和放电速率可以相同。效率是70－75%，体积是1立方米有2摩尔硫酸钒，储存20kWh电。因此储能10GWh，需要50万立方米，等于170个游泳池，例如，需要500*500米，深2米容器。

建设10GWh钒电池系统将对世界钒市场产生影响。但是，世界市场没有长期短缺钒。目前世界上每年生产4万吨钒，10GWh储能系统需要36000吨钒，相当于一年生产量。钒是其它产品的付产品，总的钒资源量是6300万吨。

经济解决方法

由于目前国际上还没有要求治理碳污染，因此，增设天然气发电厂就能够解决储能系统问题，因为它的成本更低。

积极性波动

长期供应和需求波动是季节波动。最重要的波动是建筑取暖，在冬季急剧增加。英国天然气需求，从7－8月平均每人36kWh/天到12－2月平均72kWh。 一些可再生能源也有季节波动，夏季太阳能强，而风力弱。

如何处理长期波动？电动汽车和储能水电站不能解决这类问题。长期热能储存是个办法。巨大的水池可以储存冬季用热，第E章详细讨论。在荷兰，来自公路的热能储存在地下水层，冬季通过热泵用于建筑供热。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

多谢多谢！

25 依靠其它国家可再生能源

不管21世纪地中海变得更加合作或更加冲突，都对我们的安全非常重要

Joschka Fischer，德国外交部长，2004 2

我们发现，我们很难离开化石燃料，依靠自己的可再生能源。核能也有它的问题。我们还能做什么？好的，依靠国外可再生能源如何？不是我们有权得到国外的可再生能源，而是国外也许会卖给我们。

可再生资源基本上与土地相关：如果你想使用太阳能电池板，你需要土地来安装它。如果你想种植庄稼，获得生物质能源，也得需要土地。Jare Diamond在其《崩溃》一书中观察到，人类社会崩溃有很多因素，常见的因素是人口密度变得太大。

英国和欧洲因为人口密度很大（表25.1）而陷入困境。所有可再生资源都很分散，能量密度很低。当我们需求帮助时，我们应看其它国家三个方面：第一，低人口密度，第二：面积大，第三：可再生能源密度高。

表25.1 单位面积能量密度 （单位：W/平米）

风能 2

海上风能 3

潮汐 3

潮流 6

太阳能板 5－20

生物质 0.5

雨水（高地） 0.24

水力能 11

太阳能烟囱 0.1

聚光太阳能 15

表25.2 能够帮助我们的国家，例如，利比亚人口密度仅是我们的1/70，面积是我们的7倍，其它面积大，人口少的国家如哈萨克斯坦，沙特，阿尔及利亚和苏丹。

国家或地区 人口 面积 人口密度 每人面积

万人 万平方公里 人/平方公里 平米

利比亚 576 175 3 305000

哈萨克斯坦 1510 271 6 178000

沙特 2640 196 13 74200

阿尔及利亚 3250 238 14 73200

苏丹 4010 250 16 62300

世界 644000 14800 43 23100

苏格兰 505 7.87 64 15500

欧盟 49600 433 115 8720

威尔士 291 2.07 140 7110

英格兰 4960 13 380 2630

在所有国家中，我认为最有希望的可再生能源是太阳能，特别是聚光太阳能，使用镜子来聚光太阳能。移动镜子跟踪聚光太阳光的方式和能源利用方式，聚光太阳能有几种，包括斯特林发动机，高压水和融熔盐做传热介质，主要作用是收集单位面积上能量密度很低的太阳能。

一项技术

图25.3碟式太阳能聚光/斯特林发动机技术

图25.4 西班牙正在建设的Andasol槽式聚光太阳能发电站 100MW

有人认为，撒哈拉沙漠能够提供100*100公里的土地来生产太阳能满足全球需要。按照平均密度15W/平米，如果所有土地都得到充分利用，没有闲置，最总功率达到150GW。这比全世界消耗的能量15000GW，包括电能2000GW都小得多。所以正确的描述是提供1000*1000公里＝1百万平方公里土地，满足我们的需要。这个面积相当于4倍英国面积。为了供应全世界，我们需要增加更多的能源供应。例如，让人均达到欧盟的水平，每天125kWh/天，需要生产太阳能的面积是2个1百万平方公里。

幸运的是，撒哈拉不是唯一的沙漠，还有其它地方。与欧洲相邻的沙漠是那里？为了供应欧洲和北非的能源，按照欧洲人均消费水平，需要多大面积？假设总人口是10亿，需要的面积是34万平方公里，对应600*600公里，等于德国面积或1.4个应面积，或16个威尔士面积。

英国需要一个威尔士面积：145*145公里，就能供应英国现有的能源消费。参见图25.5.这个面积与非洲相比很小。

图25.8 每个圆圈代表占地面积1500平方公里太阳能电站，总功率10

GW，可为10亿人每人每天供应16kWh电。

沙漠计划

有个沙漠计划组织正在推进一个使用聚焦太阳能技术，在地中海太阳能丰富的国家生产电能，通过高压直流线路输送到欧洲。高压直流电输送技术已经在1954年开始投入应用，可通过高压线或海底电缆。在南非，中国，美国，加拿大，巴西和刚果等地，有超过1000公里的输电线路。典型的500kw线路能输送2GW。例如巴西一条高压直流线路输送6.3GW。

高压直流输送线路比传统高压交流线路有优势，减少了设施，输送的能量损失减少。3500公里线路损失，包括交流直流转换和线路损失，总计约15%。另外一个优点是，它们与电网相连时，能够稳定电网。

在沙漠计划，主要使用的是沿海地区，太阳能电站可以同时生产脱盐海水，作为副产物，对当地是很有用的，可以用来农业生产。表25.6给出了在各国的生产能力估算。经济生产能力大于为10亿人提高每天125kWh能量。而沿海生产能力能够为10亿人每人提供16kWh电能。

让我们在地图上看看，实现这个计划后会如何。假设每套太阳能发电系统面积是1500平方公里，等于伦敦的面积。在每个电站，一半面积拥有收集太阳能，能量密度是15W/平米，其它区域拥有农业，建筑，铁路，公里，管道和电缆。假设电从电站传输到用户手里有10%传输损失，图25.8给出了电站分布图。四个这样的电站就能供应英国所有电能消耗（6000万人每人每天16kWh）。65个这样电站就能供应欧洲和北非10亿人。图中列出了68个电站布置。

聚焦光伏发电

图25.9 峰值功率25kW聚光太阳能发电装置面积225平米

另外一个方案是大规模聚焦光伏发电系统。为了实现这个方案，我们在聚光镜焦点上按照太阳能电池板。Faiman等在2007说，聚光太阳能光伏发电可以在加州，亚利桑那，新墨西哥和得克萨斯等地同化石燃料竞争，不需要任何补贴。

按照制造商Amonix提供数据，这个方案能够提供的能量密度达到18W/平米。

另外一个让人容易理解的是，一个峰值功率25kW的装置，如图25.9，每天可以产生138kWh电。美国生活方式需要每人每天250kWh，如果使用太阳能来满足美国人的能源，每个人需要15*15米的太阳能系统。

问题

我被搞糊涂了。在第6章，你说，在英国典型气候下，最好的光伏电池板的能够生产20W/平米，按照这个数据，在沙漠，该电池板应该能够生产40W/平米。为什么到了聚光太阳能电站，生产能力降低到15－20W/平米。难道聚光太阳能发电比不上平板太阳能电池板？

好问题，答案是是的。聚光太阳能发电在单位面积土地上，不能比平板太阳能电池板获得更多能量。聚光太阳能发电需要跟踪太阳，否则太阳光就不能被聚焦。你需要流出空间。许多太阳光照到间隙上流失了。聚光太阳能系统的优势是低成本，而平板电池板成本很贵。土地很便宜。我们的目标是降低单位成本。

你说太阳能电池板的能量密度更大，为什么不在撒哈拉使用它？

我讨论的是2050年欧洲和北非的实际选择。我猜，到2050年，镜子的价格比电池板便宜，因此，我们还是选择使用聚光太阳能。

太阳能烟囱如何？

25.10 太阳能烟囱发电设计方案

太阳能烟囱使用一个高塔来收集太阳，非常简单。一个巨大太阳能烟囱是在中心建一个类似烟囱，周围覆盖透明材料，内部空气被太阳能加热，上升进入烟囱排出。使用叶轮从烟囱气流中收集能量，生产电能。建筑很简单，但是，单位面积上收集的能量很低。在西班牙Manzanares，1982－1989年建设运行了一个试验装置，烟囱高度195米，直径10米，收集系统直径240米，面积包括6000平米玻璃，4万平米透明塑料，每年生产44000kWh电能，对应每平米0.1W/平米。理论上，收集器越大，烟囱越高，能量密度就越大。工程师们根据该试验规划了一个系统，包括一个搞1000米烟囱，直径7公里收集系统，每年能够产生680GWh电能，平均功率是78MW，能量密度是1.6W/平米。类似单位面积上风能，是聚光太阳能密度的十分之一。据说成本类似常规电站。我建议，在土地资源丰富的国家，分别试验太阳能烟囱和太阳能聚光发电技术。

从冰岛获得能源如何？冰岛的地热能和水力能很丰富。

冰岛利用丰富能源生产耗能大的产品。例如，每个冰岛人人均年生产一吨铝。从冰岛人观点来看，这样利润很好。冰岛能拯救欧洲吗？如果冰岛能够扩大电能生产，满足英国的需求，我会很惊奇。比较一下，英法之间的输电线路能够输送2GW，等于每个英国人每天供应0.8kWh，等于5%的供应量。冰岛地热能生产能力仅0.3GW，比英国1%电耗水平还低。冰岛电能生产能力是1.1GW。因此，要达到从法国输送到英国的电能输送能力，冰岛必须将它的现有生产能力提高2倍。为了给我们每人提供4kWh（约等于我们的核电），冰岛发电能力必须提高10倍。建设到冰岛的输电线路是个好主意，但是，别指望它能提供较大的贡献。

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24 核能

我们错误地将核能用于制造核武器，使核能成为恶魔。我人为这是绝对错误的。

Patrick Moore 绿色和平组织前主席

核能包括两类。一类是核裂变，我们已经知道如何使用它发电。核裂变使用铀，一种超重元素，作为燃料。我们还不知道如何使用核聚变来建发电站。聚变使用轻元素，特别是氢的同位素作为燃料。裂变是重金属核裂变成较小的核，释放能量，而聚变是轻元素核复合在一起构成较重的核，释放能量。

所有核聚变和裂变都有一个重要性质，每个原子具有的能量都百万倍于其化学能。这表明，核电厂需要处理的燃料和废物都很少，仅相当于化石燃料电厂的百万分之一。

让我们给出具体化的数字。英国平均每人每天消耗化石燃料16公斤（包括4公斤煤炭，4公斤油和8公斤天然气）。这意味着，煤炭都需要处理大量化石燃料，相当于饭量的30倍。包括从地下开采，运输，加工和燃烧。同时使每人每年排放二氧化碳11吨，等于每人每天30公斤。前面章节里，我们提到将二氧化碳捕集压缩成固体或液体，输送到某个地方储存起来。想想，一个人负责处理储存如此巨大数量的二氧化碳。每人每天30公斤二氧化碳是一个巨大的负担，是每人每天消费粮食的60倍。

比较而言，提供同样能量所需要的天然铀燃料仅仅是2克，核反应器仅使用了其中1%能量（所以近似1百万倍）。我们需要处理的矿石是200克（矿石含量1%），从而达到每人2克水平。这里我们可以看到，核电厂需要处理的物资少多了，“小的就是美的“，但是，这并不表明它就没有问题，它有美丽的小问题。

核裂变的持续能力

图24.1给出2007年全球核能发电数字，分国家或地区列出。单位是每人每天kWh。

核能是否可持续？或者说，人类释放能够依赖核裂变能量？全球核裂变能源资源有多少？我们拥有的裂变核资源是否能支持几十年，还是几百万年？

为了估算主要裂变资源铀，我给出了陆地和海洋所有可开采的铀资源量，除以60亿人，计算，如果用1000年，每人每天能用多少？

几乎所有可利用的铀资源都在海洋。海水中含量是每吨水中含有3.3克铀。加起来是45亿吨铀。我将海水中铀称为可利用的，是不精确的。我们无法接触绝大部分海水，而海水循环速度是1000年，没有人证明，从海水中工业化提取铀是可行的。所以我们分别估算陆上有资源和海洋铀资源量。

每公斤价格是130美元时，可开采的铀矿仅占千分之一。如果价格升高，则低含量的磷酸盐矿也能开采，以前在1998年前美国和比利时曾开采过。在估算铀资源时，我计算了常规和磷酸盐矿物，总量是2700万吨。如表24.2

百万吨铀

澳大利亚 1.14

哈萨克斯坦 0.82

加拿大 0.44

美国 0.34

南非 0.34

纳米比亚 0.34

巴西 0.28

俄罗斯 0.17

乌兹别克斯坦 0.12

总量 4.7

磷酸盐矿 22

海水 4500

表24.2 世界有资源 2005年一月

第一部分是确认的和估计的价格在130美元/吨以下的资源。还有130万吨废弃的铀，是以前生产中产生的核废料。

我们考虑两种方法使用铀，一种是常用的方法，能量来自仅占0.7%的U235，其它铀废弃掉。还有一种是增殖堆，建造费用大，可以将U238转变成Pu239，从每公斤铀中获得的能量增加60倍。

常规铀的核反应器，使用陆上铀矿

一兆瓦（一百万千瓦）常规电站每年需要铀162吨。所以用现有铀矿藏，按照60亿人计算，每人每天仅0.55kWh，等于136个核电站输出，仅仅是今天所有核电厂的一半。这也许低估了铀资源量。今天并不存在铀短缺，也没有刺激计划加大铀矿探查，自从1980时代以来，也没有进行多少探查活动，也许将来会发现更多铀矿资源。事实上，有文章估计，低品位的铀矿资源也许比2700万吨多1000倍。

我们是否可依靠铀资源？这很难说，因为我们对铀矿资源的估计很不确定。按照目前消耗速度，现有的，还可以用几百年。但是，如果我们不用化石燃料，使用核能替代，就必须增加40倍用量，显然就用不了几年。

快增殖堆的核反应器，使用陆上铀矿

在快堆中，铀的可利用能量增加了60倍。它可以利用U235和U238. 虽然我们不知道常规核反应器会消耗多少铀矿，但是，它们产生的核废料一样能在增殖堆中使用，因此，我们不用关心这个数字。如果能量增加60倍，则核能将为每人每天供应33kWh能量。虽然对待快堆，有多种观点，从非常危险的失败几率，到我们不久就能建造快堆，我没有能力来判断快堆技术风险。这里仅仅分析，表明我们需要其它方案。

常规核电站，使用海水中铀

如果海水中铀能够完成提取，使用常规核电站，可以得到的总能力是：

45亿吨/162吨*1百万千瓦年=28亿千瓦年

从海水中提取速度是多少？海洋循环缓慢，太平洋中下部一半海水循环到上部，需要1600年。让我们假设在1600年里，提取了10%有，则每年得到

28亿千瓦年*10%/1600年＝17.5亿千瓦

给全世界60亿人分享，是每人每天7kWh，等于现在3.7亿千瓦4倍。在假设提取能耗明显低于核反应堆产生的能量条件下，我的结论是，海水铀可以供应常规核电站相当长时间。

图24.6 来自有的可持续能量，为了比较，现在核能给全世界平均每人每天供应1.2kWh，英国是4kWh。

快堆，使用海水中铀

这时增加了60倍能量，变成每人每天420kWh，从而可以覆盖所有能耗。这需要两个很少研究的技术，从海水中提取铀和快堆。

使用河水中铀

河水中含铀，每年给海水增加32000吨。如果我们提取10%，就得到12亿千瓦能量，等于每人每天5kWh。

上述结果总结到图24.6中

成本如何？

本书基本不谈经济性。但是，由于海洋铀资源非常多，是最大的来源，这里有必要分析，使用海水中铀是否经济上可行。

日本研究者提出了以下提取海水铀的技术，成本是每公斤铀100－300美元。目前铀价格是每公斤20美元。因为铀含有如此多能量，铀成本增加5－15倍，对电能成本的影响较小。核电厂发电成本主要来源于建造成本。每公斤300美元仅增加发电成本0.3便士/度电。提取铀技术与其它技术集成，如电站冷却，可以降低成本。

这个技术能否规模化？处理海水的能耗是多少？在日本进行的试验中，使用三个装有吸收铀的材料的笼子，每个350公斤，240天可富集1公斤黄色铀饼。对应每年1.6公斤。笼子的横截面积是48平米。为了满足1百万千瓦核电站需要，我们每年需要160吨铀，所以，我们需要建设的吸收装置应该是日本试验装置10万倍大，横截面积达到4.8平方公里，含有35万吨吸收材料，比发电厂用的钢材还重。按照人均每天22kWh计算，1百万千瓦可以服务1百万人，每人每年需要0.16公斤有。也就是说，每人需要5平米吸收装置，这个计划，类似给每人配置10平米太阳能电池板。每个人配一个一吨车和相应的停车地。虽然投资巨大，但是不是那种令人可笑的规模。这个计算是针对常规核电技术，对快增殖堆，铀需要量下降60倍，每人需要的收集铀系统的吸收剂仅0.5公斤。

钍

钍也是一个类似铀的放射性元素。以前常用来制造煤气罩。在地壳中的丰度是铀的3倍。土壤中常含有百万份之六的钍，有些矿物含12%氧化钍。海水中钍含量很低，因为氧化钍不溶于水。钍在反应堆中能够完全利用。印度就利用钍。如果用光了铀，钍就是主要核燃料。

每吨钍能量是36亿kWh。也就是说，假设效率是40%，1百万千瓦核电站每年需要6吨钍。估计时间上钍资源是600万吨，是已探明量4倍，参见表24.7。与有类似，这个估算可能低估了实际量，因为今天来说，钍不是高价值的矿物。一样假设使用这些资源供应世界60亿人1000年，则每人每天得到能量是4kWh。

类似的增殖钍资源的加速器系统，由诺贝尔奖获得者Carlo Rubbia和他的同事开发，可以将6百万吨钍转换为15000TW年能量，等于每人每天60kWh持续1000年。按照发电效率40%计算，可得到给每人每天供应24kWh能量，持续1000年。而且增殖系统排放的废料放射性很低。而且，他们强调，可以得到比600万吨钍多得多的钍资源，他们估算是300倍，也就是说，可以供应每人每天120kWh能量6万年。

土地使用

让我们想象，英国不使用化石燃料，建设很多核反应堆。如果我们建设足够多的反应堆，从而完成交通和取暖的非碳化，我们能否将反应对安装到英国。核反应堆单位面积能量密度是1kW/平米。如果每人每天供应22kWh电能，则我们需要5500万千瓦核电站，每个占地1平方公里。占地等于0.02%国土面积。风能电站提供同样的电能，需要500倍土地，占英国陆地10%。如果沿海岸布置，英国海岸线，在5公里分辨率下，总长是3000公里，等于每100公里建两个核电站。虽然占地面积小，但是，占整个的海岸线比例很大，等于每100公里占用2公里（基于电站用水需要，建在海边较经济，译者注）。

清理核电站成本

清理部门给出的预算是未来25年20亿英镑。同时，核电工业给英国每人提供4kWh电能，持续25年，所以清理费用进入单位成本是2.3便士/kWh。这是一笔很大的成本，等于给海上风能补贴。

安全性

英国人很关心核电站操作的安全性。1994年建造，成本是18亿英镑，座落在谢菲尔德的THORP核电站，从2004年八月到2005年四月，因为管道破裂而泄露，向排水坑中排放了85000升富含铀的废液。这个排水坑安装了监测仪，可以监测泄露量低至15升的含铀废液，但是，没有监测出这次铀排放。因为操作人员没有检查监测系统，以确保安全系统正常工作。操作人员习惯性忽略了安全警报。

与安全系统相独立的是例行安全检查，应该检测到泄露一个月后的铀含量不正常。但是，操作员经常不做这些例行检查，因为他们感到太忙。而当他们进行检查时，如2004年八月28日，11月26日，2005年2月24日，他们也没有采取行动。

到2005年4月，已经泄露了22吨铀。这个泄露最终由会计发现，当会计师发现，他们得到的铀比供应商提供的少10%。感谢上帝，这个私人公司还在追求利润。核设施检查官感到羞愧，“电厂人情愿相信设备仪器，而不愿质疑这些设备会出问题。

如果我们让私人公司建造新核电站，我们如何确保高安全标准能够得到执行？我不知道。

另一方面，我们也不能让自己被核电站安全性问题吓到。核电站不是无限危险的地方。它危险程度类似煤矿，储存石油，燃烧煤炭，以及风能电站都是危险的。即使我们不能保证未来不发生核事故，我认为也应当与其它能用做比较。燃煤电厂一样使公众受到核辐射污染，因为煤灰中含有铀。根据科学杂志发表的文章，居住在燃煤电厂附近的每个居民所受到的核辐射大于居住在核电站附近的居民。

在评价电厂安全风险时，我们定义一个单位，每百万千瓦（GW）年致死人数，下面来看看它的含义。1GW年是一个GW电厂发电一年生产的电能。英国电厂总功率是45GW，简单说是1GW年。如果我们从电厂得到的消息是1GW年1人死亡率，则应该每年发电系统将杀死45人人。比较一下，每年英国公路造成3000人死亡。如果你对公路交通致死能够接受的活啊，你就会得出，上述电站死亡率是可以接受。当然，降低到0.1更好。相信石油钻塔悲剧，直升机在海水失事，管道泄露，炼油厂爆炸，煤矿事故，还有每年英国数十起与能源相关的事故。

下面来看看实际电厂致死率。不同国家差别很大，例如，中国煤矿死亡率是大多数国家50倍。图24.11是欧盟ExternE计划和Paul Scherrer研究所给出的研究结果，全面估算了所有能源生产的致死率。根据该图，煤炭，褐煤和石油的致死率最大，泥煤和生物质发电其次，致死率是每GW年1人以下，而核电和风电均在0.2以下。水电最好。根据Paul Scherrer研究所结果，水电最差，这是因为后者统计了不同国家。

图24.11 电车致死率

电厂内在安全

对核电事故的担心，工程师们设计时增加了很大安全措施。GT-MHR电厂，被认为是内在安全的，它转换热能到电能的效率大于普通核电站。

误解

两个广泛引用的关于核电站建设成本和废物处理的错误观点，让我们来分析一下：

建设一个核电厂，需要大量混凝土和钢材，从而产生巨大二氧化碳排放。

一个百万千瓦核电厂排放30万吨二氧化碳。将这个数字平均到25年寿命所发电上，我们可以得到：

二氧化碳排放量＝300e9克/(10e6kW*220000h)＝1.4克/kWh电

这比燃煤电厂每度电排放400克低多了。IPCC估计，核电站排放二氧化碳不超过40克/度电，包括建设，燃料处理和废物处置等。

不要误解我不是支持核能，我仅仅是进行算术计算。

核废料是巨大问题吗？

本章开始，我们提到，核反应堆产生的废料是很少的。英国十个燃煤电厂每年产生400万吨煤灰，相当于每个人每年约40升，而核废料是0.84升。大部分废物是低水平废物，7%是中等废物，3%，等于25毫升，是高水平废物。

高水平废物是非常危险的，通常在反应器中停留40年，放射水平很高，然后储存在池中，经过40年，放射性下降1000倍，继续存放1000年，放射水平才会下降到普通矿物水平。因此，储存工程师需要确保1000年储存安全。

这时非常难的问题吗？相比政府和国家寿命，一千年真是很长。但是体积很小，我认为，与其它废料相比，核废料十个小问题。每年每人25毫升，人一生下来是2升。乘以60亿人，等于105000立方米，等于35个奥林匹克游泳池。如果储存池升1米，面积等于0.1平方公里。

对人类来说，已经有很大禁区了。我不会穿过你的花园，你也不会穿过我的花园。在Balmoral，我们不受欢迎，到处是“禁止入内”标记。街道，机场，军事设施，废弃矿井，等等，都是禁区。再增加一个0.1平方公里的禁区，也许设在地下，限制1000年，又会如何？

每人每年25毫升高危险核废料，其它废料数量是，每人每年生活废料517公斤，危险废物83公斤。

比较新建核电站与现有核电站也是常用办法。下面是英国的数字。关于高放射核废料体积问题的计划估计，到2120年，现有核设施排放废料体积是478000立方米。其中2%约10000立方米是高水平废料，包括1290立方米+8150立方米用过燃料，占放射性92%。建设10个新核电站（1百万千瓦）将增加31900立方米，等于10个游泳池体积。

如果我们建很大核电站，会不会引起全球变暖，因为过多能量释放到环境中了。

这是一个有趣的问题。很容易回答。第一，请看第20页提到的全球能量平衡数据，地球大气，海洋和陆地一共吸收的太阳能是238W/平米；大气二氧化碳浓度加倍，仅增加4W/平米，增加了1.7%热量，引起气候变暖。太阳本身11年周期波动的能量变化是0.25W/平米。让我们假设100左右，实际人口是100亿，每个人使用能量的达到欧洲人的标准，每天125kWh，每个人平均拥有51000平米，得到结果是人类使用能量，贡献的额外能量是0.1W/平米。仅仅等于4W/平米的四十分之一。小于太阳能量波动范围。在这些假设下，人类使用能量对气候影响可以忽略。

我听说，核能建造速度慢，不能作出有效贡献。

快速建造核电站问题被夸大了。有人比较了实际建造速度与建造速度要求，但是基本数据只有一半是对的。卫报环境编辑总结了一个来自牛津研究集团的报告，“未来建设能对全球碳排放削减有意义贡献的核电站，工业界必须在60年内检查3000个电厂，等于每周建一个。这是不可能实现的，历史上一年最多建3.4个。3000对3.4，确实相差悬殊！这里应用了玩魔术技术。比较不仅比较时间，而且需要比较区域。3000对应的是全球，而3.4对应的是一个国家（法国）。

公正的比较方式应该是比较全球。法国拥有的核电站59个，全球一共429个，差不多占十分之一，等于增加10倍，达到一年建34个。而60年建3000个，等于一年建50个，因此，所谓不可能做到是误导。是的，这是一个很大速度，但是，与历史上能做到的水平相差很小。

真正应该比较的是世界历史上最大建设速度，看图24.14，显示了世界核电站数量随世界变化情况，数据显示，到2007年仍在运行的核电站，最大建设速度是1984年，为一年30GW，等于30个1GW电站。

核聚变如何？

我们说，我们将把太阳放入一个盒子中，这个注意真好。问题是，我们不知道如何建造这个盒子。

Sebastien Balibar, CNRS 研究主任

核聚变还处置试验阶段。我认为，假设能够解决聚变问题是轻率的，如果真的解决了问题，我会很高兴，来估计聚变能够提供的能量。

通常认为两种聚变反应最有前途，它们是：

氘氚反应，氘原子与氚原子聚合，形成氦原子，及

氘氘反应，两个氘原子聚合形成氦原子。

氘是自然界中氢的较重同位素，可从海水提取。氚是氢的更重的放射性同位素，半衰期仅12年，自然界数量很少，可从锂原子来制造。

ITER是国际上计划如何制造一个稳定工作的聚变反应堆研究计划。原计划试验氘氚反应。氘氚反应比氘氘反应好，因为能够得到更多能量，反应温度仅1亿度（怀疑是1千万度，参见http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion 译者注），低于氘氘反应温度3亿度。太阳内部最大温度是1500万度。

让我们幻想，ITER计划成功了，我们来计算一下，可以得到多少能量。试验氘氚反应的电站，试验锂做燃料，等锂用光了，就没有燃料了。这时，只能使用氘氘反应，使用氘做燃料了。

我将这两类幻想称为锂聚变和氘聚变，分别估算这两种方案所能提供的能量。

锂聚变

世界地壳锂资源是950万吨，按照使用1000年，等于每人每天10kWh。海水中还有大量锂，含量是0.17ppm，假设提取每克锂能耗是2.5kWh电，提取速度是每年10万吨，反应器需要输入能量是每克2300kWh电，则每人每天得到能量是105kWh。按照这个速度，海洋中锂可使用1百万年。

氘聚变

如果我们假设科学家解决了氘氘反应问题，那绝对是个好消息。每吨水中含有33克氘，每克到能释放10万kWh能量。海洋中的水平均给每个人是2.3亿吨，我们可以推倒得到，即使世界人口增加10倍，，每人每天供应30000kwh能量，可以持续1百万年。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

23可再生化石燃料？

这是不可回避的事实，化石燃料还将是未来数十年内主要能源来源

美国政府发言人，2008年4月

我们目前令人幸福的进步是不可持久的 wlilliam Stanley Jevons, 1865

我们在以上三章讨论了减少电耗的技术和生活方式改变。我们发现，使用电动汽车将大幅度降低交通能耗。增加房屋绝热，使用热泵代替燃料，可以降低取暖能耗。但是即使我们大幅度降价能耗，发展英国可再生能源仍然是个挑战，下面来讨论可再生能源生产。

主要化石燃料矿藏是煤炭，全世界还有16000亿吨（中国不到2000亿吨，译者注）。让它们平均分配给全世界60亿人，持续地燃烧。也就是不停地燃烧。一吨煤炭等于含有8000kWh化学能。如果持续不断使用，等于每人每天6kWh。标准燃煤电厂发电效率是37%，等于每人每天2.2kWhe。如果我们考虑气候因素，要限制排放二氧化碳，必须分离和储存二氧化碳，现在还没有实施的一项技术，将烟囱排放的废气中二氧化碳吸收，储存到地下。这将增加很多能源消耗，相当于输出电能25%，从而建设了电能输出，使每人每天减少到1.6kWh。

这里假设全世界每年消耗煤炭16亿吨（中国2009年消耗煤炭30.5亿吨，译者注），而实际上，全世界每年消费63亿吨，而且还在不断增加。

英国情况如何？英国还剩70亿吨煤炭储备，除以英国人口6000万人，每人100吨。如果支持1000年，则每人每天2.5kWh。如果考虑二氧化碳捕集和储存，则每人每天仅能供应0.7kWh电能。（中国煤炭储量约1300亿吨，按照现在每年30亿吨，仅够60年，但现在还在高速增长，按照英国人均能耗水平为增长后的能耗最高水平来计算，就是增加一倍，8年左右就能达到，仅够30年）所以，我们很容易得到一个结论：

清洁煤炭仅是阶段技术。

（译者注：对中国来说，恐怕没有等我们将清洁煤炭发展好，我们的煤炭就没有可用的）。

如果我们发展清洁煤炭技术来减少温室其它排放，我们必须小心计算。燃烧煤炭不仅在发电厂，而且在煤矿释放二氧化碳。煤矿会释放甲烷（煤气事故的主要原因），一氧化碳和二氧化碳。它们储存在煤炭矿藏里，在开采时，就会释放出来。它们释放量约占2%，当使用清洁煤炭技术以后，这部分排放就成为主要排放了。甲烷是温室效应更强的气体，排放一个体积的甲烷等于8个体积二氧化碳温室效应。

新煤炭技术

斯坦福公司 directcarbon.com发展的直接碳燃料电池使用燃料电池代替蒸汽叶轮发电，声称效率提高一倍以上。

什么时候煤炭结束

1865年经济学家Jevons做了简单介绍。人们正在讨论，英国的煤炭还能供应多久？一般人倾向用煤炭储量除以煤炭消耗速度，从而得到答案。但是，Jevon说，消耗速度不是常数，通常每20年增长一倍（这几年，我国差不多6年增长一倍，译者注）。因此，拿储量除以消耗速度给出的答案是错误的。

因此，Jevons使用指数增长速率来计算消费量，获得用完储量的实际。结果是小多了。Jevon大胆预测，英国煤炭用完的时间是100年。这是对的，英国煤炭生产在1910年达到最多，到1965年，英国不在是世界上主要煤炭用户了。

让我们使用这个方法来估算世界。2006年煤炭消耗量是63亿吨，与储量16000亿吨相比，可以使用250年。如果考虑煤炭消耗速度在增长，结果就不是这个数字了。假设煤炭用量增长速度是每年2%（这是1930到2000年平均结果），则煤炭将在2096年用完，如果按照最近10年增长速率3.4%计算，用完煤炭时间变成2072年。其结果不是250年，而是66年。

如果Jevon生活在现在，我相信，他必然预测，除非我们转向其它能源资源，否则我们必然在2050或2060年结束我们当前不断增长的经济。

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22 高效用电

图22.2 我试验关闭电器前后用电对比

我们能否不用电？是的，关闭电器是最简单的方法。使用节能等也是减少用电的良好方法。我们已经在第11章介绍了电器用电能耗。一些小电器无关紧要，但是，也有一些是电老虎。我办公室内的激光打印机不做事，也要消耗17W，等于一天消耗0.5kWh。一位朋友从IKEA带来一个灯泡。它的适配器耗能10W，等于每天消耗0.25kWh。如果你有立体声音响，DVD机，电缆调制解调器和无线设备，你会发现，可以节省一半电耗。

根据国际能源局，待机能耗等于住户能耗8%。在英国和法国，平均待机能耗是0.75kWh/d/家。问题不在待机本身，而在于待机运行的方式。可以将待机时能耗降低到0.01W，但是，生产厂家为了在制造时节省成本，就让用户使用时花大笔钱。

一个杀死吸血鬼的试验

图22.2 我试验关闭这些吸血鬼电器一周，电耗情况。通常我一天大多是时间在办公室，除了冰箱，基本上很少用电。中间高峰是微波炉，烤面包器，洗衣机和政客吸尘器等。周二我关闭了大多数吸血鬼电器，包括两个立体声音响，一个DVD机，一个电缆调制解调器，无线路由器，自动应答机。红线代表无人在家以前的能耗，绿线代表关闭电器后的能耗，下降了45W，等于每天1.1kWh。

图22.2显示了我在家做的一个试验。首先在前两条，我测量了在在外或睡觉时的能耗功率。然后，我关闭所有电器，重新测量了三天能耗，我发现节省能耗45W，按照单位电价11便士，等于一年节省45英镑。

自从我关注电表以后，我的电耗下降了一半。通常是每周读一次电表读数。以确认是否关闭了电器。每个人都可以做这件事，从而节省很多电。我们做个网页游戏，让大家记录自己的电表读数。，参见 readyoumeter.org，帮助大家进行类似试验，从而了解电耗，时刻注意降低能耗。

我希望这样的读表活动能够对节省能源有较大作用。到2050年，我假设由于能源供应高速增长，人们就可以取消此项活动。增长是我们这个社会的天性。我们会变得更加富有，从而使用更多电器。对最高级的游戏的需求，使我们增加计算机生产能力。计算机变得更加快捷，十年前计算机已经没有多少用了。

图 22.3 我家近几年（每月）用电累积

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21 聪明的取暖

图21.1 1940年建造的我的家

上一章我们讨论了电动车能够在目前水平上降低能耗至五分之一（译者注，应该是降低约50－70%，也就是降低到目前三分之一水平）。使用公共交通工具，可降低能耗40倍（译者注，这个结果说明我国今后城市交通的发展方向应该是公共交通，类似日本）。那么，取暖如何？技术或生活方式转变能提供何种节能方案？

室内取暖能耗计算可用下式计算：

能耗＝室内外温差*房屋泄露率/加热系统效率

详细讨论参见第E章，现在举例来说明，如图21.1是1940年建造的我的家。室内外温差由室内温度控制器来决定。如果设置到20度，平均温差约9度。房屋泄露率表示了热量通过墙，窗户，裂缝，门等散失的速率，又叫热损系数。测量单位是每天kWh/度。在第E章，我估算2006年，我的房屋热损系数是7.7kWh/天/度。因此，平均温差*热损系数就是房屋通过热传导等损失的能量，例如，按照上述热损系数7.7kWh/天/度，我们得到我的房屋损失热量速度是

9度*7.7kWh/天/度＝70 kWh/天

我们用这个数据除以加热系统效率就得到能耗。我的房屋使用压缩天然气锅炉，热效率是90%，于是我们发现：

能耗＝9(度)*7.7(kWh/天/度)/90%=77 kWh/天.

这个数据比第7章估计数据大。 主要原因是，第一，这个式子假定热量都来自锅炉，实际还有其它来源，如太阳能，小电器散发的废热。第二，在第7章，我们假定人们只是保持2个房间温度在20度，这里我们假设所有房间，所有时候都一直保持20度。

下面我们讨论如何降低取暖能耗？主要有3种方法。

1、 减少温差。调低控温器温度就是一个办法

2、 减少房屋热损。主要通过增加建筑物绝热：考虑三重玻璃，减少换气，顶层阁楼上加绝热材料，或者更换更好的绝热材料，或换较小住房。（房屋热损与房屋面积同步增加）

3、 增加加热系统效率。也许你认为，90%已经很高了，很难再改进了，但是，实际上我们可以做得更好。

图21.2 12个房屋的能耗，面积86平米，热损系数是2.7kWh/天/度

制冷技术：温度控制器

调低温度控制器温度，你就可以使用较少的能量。象变魔术一样。在英国，每降低一度，可以减少能耗10%。从20度降低到15度，将减少能耗一半。感谢房屋偶尔会获得能量，其提供的能量有时会大于热损。

不幸的是，这个好用的节能技术也有缺点。有人对降低温度没有多少感觉。下面简要证明，最重要的聪明点是居住在房屋的主人。图21.2是一项研究资料，监测了12个房屋的能耗。它使我们关注第一个家庭，他的能耗是第12号家庭能耗的2倍。然而，我们还应注意，他的能耗是43kWh/天，此前我们还估算过我的房屋取暖能耗，那个数字竟然比这个还大？实际上，从1993到2003年，我的房屋取暖能耗比43kWh/天略大（参见图7.10）。我想我是一个节俭的人，问题是房子。所有在该项研究中的房屋的热损是2.7kWh/天/度，而我的房子的热损是7.7kWh/天/度。

战胜泄露

除掉使用推土机推倒重来，我们还能做什么？图21.3列出了老式孤立房屋，半孤立房屋和有阳台房屋的措施及热损。增加顶楼绝缘或墙壁绝缘，减少热损25%，感谢外来热量，这使我们减少40%能量消耗。下面看看实测结果。

图21.3老式孤立房屋，半孤立房屋和有阳台房屋的措施及热损

图21.4 我的房屋从93－2004年的能耗

实例

我在第53页介绍了我的房屋，2004年我安装了一个锅炉，取代了老式天然气锅炉。同时我除去了热水罐，每个房间安装温度控制器，在锅炉上加装了加热控制器，可以设置每天目标温度。我的能耗从每天50降低到32kWh。

对这个结果，我很满意。但是，这还不够，如果目标是降低二氧化碳排放量到每年1吨，而32kWh/天对应的排放超过每年2吨。

2007年，我关注了能源消耗表。我在墙壁上安装了绝热材料，改善了屋顶绝热性能。将单层玻璃后门该成双层玻璃后门。前面增加了一个双层玻璃门。最重要的是，我关注了温度控制，从而降低了燃气消耗。最近一年，我的能耗是13kWh/天。

优于这个实例包括了很多不同措施，我们很难估计那个最重要。按照我的计算（第E章），通过增加绝热材料，减少泄露25%，从7.7kWh/天/度降低到5.8kWh/天/度，这仍然大于任何现代房屋。降低旧房屋热损是非常困难的。

我的体会是加装温度控制。将温度控制到多少比较合适？现在很多人倾向于设置到17度。但是，1970年伦敦房屋室内平均温度是13度。人们感觉是否足够暖取决于他们正在做什么，以及过去一小时做过什么等。我建议，不要仅仅想着如何设置温度控制器，可以先将温度控制在一个比较低的温度，如13或15度，然后，如果你感到冷，就临时增加温度。这象图书馆的灯，如果你问，需要将灯光亮度调到多大，你会回答，能够读书就够了。你会将灯光一直设置在那个水平。但是，问题是，你不用一直将灯光设置在那个水平，我们可以让读者来时打开灯，走时关上灯。类似地，我们也不需要将温度一直设置在20度。

在结束温度控制部分钱，我还需要提到空调。夏天很多空调温度控制到18度，常常使人感到发疯。那些疯子管理员倾向于认为喜欢比冬天还低的温度。在日本，政府推荐空调温度设置到28度。

更好的房屋

如果你新建房屋，有很多中途径保证，能耗比老房子低。图21.2显示，现代房屋建设使用比1940年代更好的绝热材料。但是，根据第E章讨论，英国在房屋建设标准方面还可以做得更好。取得最好效果的三个关键因素是，第一，在地板，屋顶和墙壁上使用更好的绝热材料。第二保证房屋很好地密封，使用有热交换装置的换气管道更新空气，除去室内潮湿空气。第三，改善设计，尽可能利用太阳能。

制热耗能

到目前为止，本章讨论了温度控制和热损。下面我们讨论等式的第三个因子。

能耗＝室内外温差*房屋泄露率/加热系统效率

如何有效地获得热能？我们是否获得便宜的热能？今天，在英国，室内取暖主要燃烧化石燃料天然气加热锅炉，热效率78－90%。我们是否能够摆脱化石燃料，同时提高效率？

热电联供是解决英国热能供应问题的一项技术，还有类似的微型热电联供。我将简单解释热电联供，但是，我的结论是，这是一个坏主意。因为还有更好的技术，叫热泵。我将详细介绍它。

图21.8 发电站工作原理

热电联供

一般认为，大型集中式发电站是没有效率的，因为热能从烟囱和冷却塔中跑走了。更复杂的观点是，将热能变成电，我们不可避免地将废热排放到低温处。如图21.8是发电站工作原理，必须有一个低温处。很自然地，人们就想，能否将我们的房屋作为发电系统的低温处，用来接受废热，从而利用废热取暖。这就是热电联产。它在欧洲已经广泛应用几十年，在很多城市，一个大型发电厂就会带一套本地区供热系统。而小型或微型热电联供则建议在一座或几座建筑物内设置一套热电联供系统，象建筑物内供电和热，同时输出一些电能到电网。

区域热电联供，对英国来说是一种倒退，主要问题是缺乏数字分析，包括两个问题：第一，当比较不同方案的耗能时，不恰当地使用了效率，就是说，将电和热等价看待了。而实际上，电能比热能价值高很多。第二，传统认为，从发电厂取走废热，不会损害发电能力。这也是不正确的。数字显示，取走用于供热的热能常使发电量下降。热电联产带来的效益常常比人们相信的要少得多。

还有一个导致热电联供迅速增长的神话是，分散技术是绿色的，而大型电厂是坏东西。如果真是这样，则我们从数字上应该能看到。大型发电厂在经济上和能源效率上常常占据优势，只有在大型建筑物，分散技术才会显示优势，而且收益仅10－20%。

政府计划到2010年增加10GW（等于一千万千瓦），但我认为增加燃气热电联供是个错误。它不是绿色，需要使用化石燃料，使我们仍然绑在化石燃料上，无法摆脱。热泵技术较好，我认为，我们应该从热电联供蛙跳到热泵技术上。

图21.10 热泵

热泵

在欧洲大陆，热泵技术广泛应用，但在英国则很少。热泵是反向运转的制冷机。感受一下制冷机背部，它是热的。制冷机将热能从内部取走，送到另一处。因此，如果 反过来运转，从自然界或外界取来热能，供应室内，就能加热室内。这个技术在效率上很有优势，当你从电网中取走一个千瓦的热能，同时热机从外界还取来3千瓦热能，从而得到4千瓦热能。因此，热泵的效率是电炉的4倍，如果电炉效率是100%，则热泵效率是400%。通常将热泵效率称为性能系数cop。如果热泵效率是400%，则COP是4.

热泵有多种运行方式。可以通过热交换器从空气中获得热能，叫空气热泵，也可以从地下获得热能，叫地源热泵。可以反过来运转，从室内空气取走热能，从而称为制冷空调。许多空调就是热泵工作在这种模式下，成为空调。地源热泵同样可以制冷，因此，一套设施可以同时用于夏天制冷，冬天取暖。

人们常说，地源热泵使用了地下能源，这不正确。第16章将介绍地热能，能量密度很低，仅50毫瓦/平米。热泵能量密度大得多，它们没有起多大作用。热泵仅仅将地下作为废热排放处，或从中取走热。当温度低取走热能，是由太阳能来补充。

本章留下了两件事，我们需要比较热泵和热电联产，我们需要讨论地源热泵的限制。

比较热泵和热电联产

人们常认为，让发电废热从烟囱中白白流失，不与用来加热房间，用于取暖。 然而，仔细检查热电联产系统性能数据，我的结论是，有更好方法获得电能和取暖热能。我使用三个步骤来画一个图，图上显示，从化学能能获得多少电能或热能。横左边是电效率，纵坐标是热效率。

没有热电联产的标准解决方案

图

第一步，我们使用电站和加热系统，获得电能或热能。

锅炉（图中左上A）的效率是90%，另外10%从烟囱流失了。英国天然气电站的发电效率是49%，如果想同时获得电能和热能，可以燃烧部分气体。这样我们使用两台设备分别产热和电，就会得到AB连线上任一点的两种效率。图中还显示了老式系统两种设施效率都较低，分别为79%和37%。

热电联产

限制我们加上热电联产系统到图上，这些系统同时获得热和电。每个实心点代表不同类型安装在英国的系统平均性能。中空表CT显示的是理想的热电联产系统，标注Nimbus是厂家数据，标注ct则是两国实际系统（自由人医院和伊丽莎白房子）。

在此图上，我们可以清楚地看到，热电联产系统发电效率明显低于天然气发电系统49%效率。因此，热不是免费使用的。增加热能供应将降低发电量。

通常人们常常将两种效率加起来，得到一个总效率，例如，发电效率10%，产热效率66%，则总效率76%。我认为，这误导了系统性能。根据这种指标，锅炉效率90%，是最有效率的热电联产系统，事实上，电能比热能价值高得多。

图中许多热电联产点比老式标准系统效率高，理想的热电联产系统也比现在的标准系统略好。但是，我们还要记得，它还有一些缺点，它只能将热传输到特定的供热系统，而单独锅炉供热可以安装到任何地点。热电联产系统在灵活性方面缺点很明显：这导致大多数时候，例如，供热过多，通常一个房间需要的热能是不断变化的，导致系统效率下降。另一个问题是，它们向电网供电的质量差，会导致电网不稳。

最后，我们来讨论热泵，使用电网中电来加热房间。

两条陡的绿线代表了制冷性能系数是3和4时，电能输送损失8%情况下，使用热泵来供热的发电和供热效率。目前最好的天然气发电站的效率是53%，假设它工作在最佳状态，得到的直线也在图上。未来热泵性能会进一步提供，日本通过法律强制改进效率，热泵性能系数已经达到4.9。

请注意，热泵使系统性能超过100%。例如，最好的天然气发电站输出电路到用户，使用热泵可以得到30%电能效率和80%热效率，总效率110%。没有任何热电联产能够达到这个效率。

结论是，在使用高效天然气发电情况下，热能效率超过锅炉。如果你想使用天然气来给建筑物供暖，安装最好的锅炉，效率是90%，如果你让发电站发电，安装电驱动的热泵，可以获得的效率是140－185%。我们不需要在花园挖洞，安装地板加热系统。最好的空气热泵能将热水输送到散热器上，获得性能系数3.图21.11是热泵将热空气输送到办公室。

因此，我认为热电联产听起来是个好注意，但他不是最好的解决建筑物取暖问题的最佳办法。比不上热泵技术。热泵的优点包括，可以安装到任何一个有电供应的建筑物，它们运行很灵活，适合个人使用需要。

我这里强调，热电联产并非总是坏主意。这里所说的建筑物供暖，需要的热能质量非常低（就是低温）。而热电联产能供应高质量的热能给工业用户。例如200度蒸汽。在这种情况下，使用热泵，其性能系数就会大幅度下降（与加热温度相关），从而不是一个好的选择。

热泵增长的限制因素

通常地下数米深处的温度接近11度，不管是夏天，还是冬天。冬天气温常常比此低10－15度。因此，热泵拥护者建议尽量使用地源热泵，因为温差大，使效率下降。

但是，地下不是没有限制的热源。热是来自其它地方，而大地不是良好的导热体。如果我们从地下吸热太快，地下会变得冷如冰，地源热泵的优势就消失了。

使用热泵的主要目的是给建筑物加热。最终的热源是太阳，通过直接辐射或空气导热来补充地下热能。热泵从地下吸热速度，必须满载两个限制条件：不能使地下温度下降太多，冬天被热泵吸走的热能，必须能够被夏季的太阳能补充。如果达不到这个要求，则应对在夏季反转运转热泵，也就是给房间制冷，加热地下。

图21.12 热泵安装密度

让我们总结这个讨论中的关键数据，热泵需要多大的地面？假设我们居住在人口密度很高的地区，例如，每平方公里6200人，等于每人160平米。这时英国郊区典型的人口密度。是否每个人都可以使用热泵，而夏季也不存在热能补偿。 第E章计算得到的答案是不行。如果我们每人从地下每天取走48kWh能力，我们将使地下结冰。如果避免这种情况出现，我们必须限制每人使用的热能低于每天12kWh。因此，如果我们使用地源热泵，那么，我们在夏季就必须向地下注入热能。夏季注入可以使用空调或屋顶太阳能。Drake Landing介绍了这个方法，参见 www.dlsc.ca。我们还可以使用部分空气热泵，只要有了电能，就可以获得所需要的热能。空气热泵的性能与冬季气温密切相关，英国冬季气温还是很冷，热泵性能很好，而北欧冬季温度太低，就不适合使用空气热泵。

结论：是否可以降低取暖能耗？当然。是否同时摆脱化石燃料，是的。不与忘记简单的方法，增加建筑物绝热，关注温度控制。我们应该使用热泵来替代化石燃料，这样可以降低能耗到当前水平25%。这样会需要更多电力。即使额外的电能来自化石燃料，这仍然比我们直接使用天然气锅炉的效率要高，或者说，同样供热要求下，减少了能耗。

反对者说，空气热泵性能系数仅2－3，但是这个信息太老了，过期了。如果你小心一点，就能卖得顶级热泵。我们还可以做得更好，日本政府通过法律驱动，已经极大地改进了空调性能，使热泵性能系数大于4.9.这些热泵能同时供应热水和热空气。

另外一个反对意见是，我们不同意安装空气热泵，因为这样会导致夏季使用空调。等等，我和其它人一样，讨厌夏季空调，但是，热泵效率是其它取暖方式的4倍（译者注，应该是2倍左右）。我们没有更好的选择。使用颗粒树木，使得只有少数人能依靠它，我们生产不了足够多的木材供取暖，只有森林住户。其它人，还是得依靠热泵。

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20 更好运输

我们的三分之一能量进入运输系统。技术上能否大幅度削减运输能耗？本章将讨论两个目标：大幅度减少运输系统消耗的能量，消除运输系统使用的化石燃料。

在我们的能耗部分，有3章讨论运输系统，包括汽车（3），飞机（5）和公路货运和海运（15）。运输分货物运输和旅客运输。计量单位分别是吨公里和人公里。如果一辆小汽车载一个人移动100km，则运输量为100人公里。如果载4人移动同样距离，则运输量为400人公里。货物运输量单位是吨公里。我们讨论运输能耗以每人公里消耗kWh和每吨公里消耗kWh。

下面我们开始讨论，如何减少运输能耗，首先看能量如何进入运输系统。下面有三个关键概念，详细讨论参见技术部分A章

1、 在短途运输中（译者注，特别是在城市驾驶），有很多启动和停车。能量主要用于加速。减少能耗的关键策略是减轻重量，增加停车间隙行驶距离。回复刹车能量，从而抓住车子降低速度时能量，此外，还能帮助车子降速。（译者注：能量损失还包括发动机空转，偏离最佳效率点）

2、 长距离运输，速度稳定，汽车和火车的能量消耗主要由空气气旋产生。因为你只需要加速车子一次。关键策略是降低速度、使用长而细车辆（或者说车子采用流线形，降低空气阻力）。

3、 所有运输，都有一个能量转化链。使化学能转化推动车辆前进。这个转化链效率环节多，必然使效率降低。在通常化石燃料驱动汽车，效率仅仅只有25％能量驱动行驶（译者注: 一般认为，当前汽油发动机小汽车的效率仅11－15%, 最新的混合动力小汽车能达到25%左右），75％损失了，变成了废热。所以，还有一个策略是提高能量转化效率。

这些分析使我们设计六种策略，提供运输效率，包括 a 减少每个人所对应的车子前面面积；b减少车子重量；c行驶时，保持匀速，避免刹车；d 行驶速度降低；e减少行驶；f提高运输系统能量转化效率。我们将讨论如何使用这些对策。

如何行驶更好

广泛引用的资料说，小汽车仅使用了1％能量用于驱动汽车运动（译者注：文献表明约10－15%，但是我们还可以减小汽车阻力，从而降低能耗），这是否表明，我们能提高汽车效率100倍。答案是是，但是我们必须应用车辆设计原理，将其做到极至。

一个极端车辆设计是环保汽车，有很小的前端和很轻的重量。移动速度低而稳定，时速每小时24公里时，行驶2184英里消耗1加仑汽油，等于每百公里1.3kWh。重50公斤，高度低于交通标志（图中红白），只能容一个驾驶员。

图20.2 生态小汽车，能耗是每公里0.013kWh

图20.3 婴儿车

嗯，我认为如果我们行驶的汽车能从当前使用的，如图2.2，美观，舒适和高性能的小汽车转到生态汽车，保持车上车速低于每小时24公里，那么，使私人小汽车提高效率100倍，不是一个无法达到的神话。我们将讨论如何提高小汽车效率，但我们首先来看增加汽车效率的几个基本原理。

图20.3时一个载多个婴儿的小汽车。它的效率是普通小汽车25倍。与环保汽车效率相同，类似自行车的性能。速度也相同，质量低于环保汽车，使用人力代替燃料和发动机。前面设计面积大，不及环保汽车，因为骑车者没有流线。

图20.4 电车

图20.4是取代汽车的另一种方案，电车，能耗是100人公里1.6kWh。与环保汽车和自行车相比，速度较高，保持标准速度。由于载人多，保持了很低的前面面积。环保汽车和自行车前面面积是每人0.8和0.5平方米，而伦敦剑桥电动班车前面面积是0.02平方米。

但是，哎呀，我们讲的是一个丑陋的题目，让我们与许多”可怕的乘客”同乘一辆车。是的，让我们想想，从个人小汽车转到高效的城市公共交通，可以减少多少能耗？

图20.5 公共交通工具

下面我们将要讨论公共交通。

公共交通

公共交通效率比私人小汽车高得多。一辆柴油客车，可载49人，速度每小时65英里，每加仑柴油可行驶10公里。等于每100人公里使用6kWh。比私人小汽车好13倍。温哥华有轨电车每车公里能耗是270kWh，平均速度是15km/h。如果电车载克40人，每100人公里是7kWh。温哥华海上公共运输船，时速13.5公里，每公里消耗83kWh，如果能载400人，则满载时每100人公里21kWh。伦敦地铁载高峰时能耗时每100人公里是4.4kWh，比私人汽车好18倍。甚至高速火车，它违反了我们的一个原则（指低速原则），使用能量也很少。 满载时，电动高速火车时每100人公里3kWh，比小汽车好27倍。

然而，我们必须面对现实。火车、客车和公共汽车常常不满员。这时能耗就比最佳情况多。那么平均能耗是多少？

2006－2007年，伦敦地铁能耗，包括地下照明，电梯、仓库和商店等，为100人公里15kWh。比小汽车好5倍。2006－2007年，英国伦敦公共汽车能耗是每100人公里为32kWh。能源成本不是唯一方面。旅客关心速度。地铁平均速度为33km/h，大于公共汽车18km/h。管理处关心财务：工人成本、每人公里成本、地铁同样低于公共汽车。

Croydon电车系统总能耗，2006－2007年是每100人公里9kWh。平均速度25km/h。

公共交通表现如何？表20.8是日本交通能耗。我们可以从中了解大概情况。

车 能耗（kWh/(100人公里)

小汽车 68

公共汽车 19

有轨电车 6

飞机 51

海轮 57

公共汽车是19kWh，有轨电车是6kWh每100人公里（电车消耗的电能，与燃料之间有1：3折算关系，实际与公共汽车能耗类似）。有轨电车有明显优势，能够实现两个目标，减少能耗，不使用化石燃料（如果发电不使用化石燃料，译者注）。公共汽车和大客车灵活简单，但是，如何实现不使用化石燃料，还面临挑战（使用氢气作燃料的高效燃料电池做动力是西方国家正在试验的方案，译者注）。

总结以上分析，公共交通，包括有轨电车、电车和公共汽车是提高旅客交通效率的良好办法。通常效率提供5－10倍以上。但是，如果人们需要私人汽车，我们如何选择？

图20.9 英国汽车销售数量和碳排放量

私人汽车：技术、法律和手段

我们也能降低私人汽车能耗。广泛的能量效率范围证明了这一点。2006生产的本田Civic1.4汽车能耗是每100km44kWh，而本田NSX3.2能耗则为116kWh。 这样大变化范围表明，我们需要法律和刺激手段鼓励消费者选择高效汽车。用各种方法，使消费者选择本田Civic。升高燃料价格，增加高油耗汽车税，给经济车优先提供停车点，或燃料分级。最简单的是强调汽车效率，禁止低效汽车销售，规定从某天开始，要求每100公里消耗能量小于80kWh，此后，过一段时间，改为60kWh，再过一段时间，改为40kWh。这样做，也给消费者提供多种选择。法律可以强制制造商降低能耗。限制重量和车前面积，可以降低能耗，改善安全性能，让人们选择不同汽车，主要考虑样式。使用限制效率的法律，人们仍然可以选择样式。就象人们可以选择任何颜色。

在我们等待选民和政治家制定法律，改善汽车效率时，我们还有什么选择。

图 20.12 荷兰自行车道

自行车

我最喜欢的建议是使用自行车。图20.12显示在荷兰某地（Enschede）的自行车道。道路有两个部分，其中一个是自行车道。在法国里昂，2005年引入公共自行车网络。里昂人口47万，服务自行车2000辆，分布175个站，占地面积50平方公里。在市政协，有400米自行车站。使用者每年交10欧分，免费雇用自行车，免费骑30分钟。长途旅行，每小时1欧分。短期旅客租用，每周1欧元。

其他法律机会

限制速度是一件很简单的时期。第一条规则是低速行驶减少能耗。在实际驾驶时，驾驶员可以进一步减少油耗：减少使用加速和刹车，尽量使用最高档，可以减少耗油20%。

另外一个降低油耗的方法是减少塞车。停车，启动，加速，减速比正常加速效率低。停车时，发动机空转是不行驶而耗油！

路上车辆多时，容易塞车。所以，一个简单的方法是让多人乘一辆车。改用大客车可以大幅度减少塞车。我们可以简单计算大客车代替私人小汽车，减少塞车情况：假设车速都是60mph（每小时约97公里），两辆小汽车之间的安全距离是77米，按80米计算，平均每辆车载客1.6人，改用载客40人的大客车，可以腾出2公里公路。

使用替代交通（如公共交通）可以减少塞车。如果一辆车增加了塞车，可以通过收费来减少小汽车行驶数量，附录里，我阐述了一个处理塞车收费简单的方法。

改进汽车

假如发达国家老百姓就是要使用汽车，我们如何改进汽车效率？减少10－20％很容易，我们已经讨论了一些方案，如使汽车更小，更轻。另外一种是使用柴油代替汽油。柴油发动机比较贵，但效率较高。是否还有其他提供效率办法（先前介绍，现有轿车的效率不到25%）？燃料效率目标是什么？

下面我们讨论5种技术，包括回收刹车能量，混合动力汽车，电动汽车，氢能汽车和压缩空气汽车。

图20.17 改装Artemis智能动力的宝马530i汽车，使用数字液压装置。左下：6升压缩罐（红色）能将0.05kWh能量储存到压缩氮气中。右下：2个200kW电机，对应两个后车轮加速或减速汽车。汽车使用190kW汽油发动机，由于使用数字液压装置回收能量，减少油耗30%。

回收刹车能量

有四种方法获得汽车减速能量

1、 使用发电机耦合到车轮上，利用减速能量发电给电池或超级电热器充电。

2、 使用压缩电机，有车轮驱动，产生压缩空气，储存在小罐中

3、 将能量储存在飞轮上。

4、 机车下坡减速时将重力势能储存起来，储存方式很灵活。铁路运输可以充分利用。例如，论点地铁线在坡顶上有个车站，每次车子到站前自动减速，而出发时自动假设，节省能耗5%，增加速度9%。

使用电子回收刹车能量，可回收刹车时能量50％，从而减少城市行驶能耗20％。 使用飞轮和液压机构，可以回收70％能量。图20.17是一个使用汽油发动机和计算机控制的液压装置，在标准驾驶循环中（汽车测试规定的驾驶线路），这辆汽车比普通汽车减少30%油耗。在城市行驶时，它的能耗降低一半，从100公里131kWh降低到62kWh（20到43mpg）（性能改善来自混合动力技术和回收刹车能量技术）液压和飞轮是两种有发展前途的回收刹车能量的技术，系统小，而能量大。重24公斤飞轮，用于汽车，可储存400kJ（0.1kWh）能量，足够将汽车加速到97公里/小时；它可以处理60kW功率负荷。电池可以储存更多能量，但是重量增加到200公斤左右。除非你想用电池储存更多能量，通常电子回收刹车系统用电容器储能。超级电容器储能密度和功率负荷特性类似飞轮。

混合动力汽车

图20.19 丰田普瑞斯

混合动力汽车，如丰田普瑞斯（图20.19）有高效发动机和电子回收刹车能量系统，但是，今天的混合动力汽车并没有鹤立鸡群。

图20.9中，有两种混合动力汽车较好。英国新车每公里平均释放二氧化碳168克，而丰田普瑞斯混合动力汽车释放100克，这与大众波罗99克相近，比不上精灵小汽车，每公里仅释放88克二氧化碳。

丰田雷克萨斯RX400h汽车是第二辆混合动力汽车，广告号称“低污染，零后悔”，但是，它释放二氧化碳量是每公里192克，比英国平均水平还低。广告管理部裁定，这个广告违反了广告在环保性能比较方面应诚实的要求。“我们认为，读者为倾向认为，该汽车对环境无害或危害很小，这偏离实际情况，与其它低排放汽车比较，不符合实际”

实际混合动力汽车可降低油耗20－30%。但是，这两种混合动力汽车并没有解决运输问题。节油30%是一项巨大的进步，但是，它还达不到本书的标准。我们在开篇假设降低90%化石燃料用量。是否必须转到自行车，才能达到？

印度REVA电动汽车2001年6月在班加罗尔上市，出口到英国改名叫G-Wiz。G-Wiz电动汽车的电机最大功率是13kW，连续行驶的功率是4.8kW。 可再生刹车能量。使用8个6伏铅酸电池，充满电，最多可行驶77公里。充满电需要消耗9.7kWh电。这些数字说明能耗是每公里0.13kWh。

图20.21 行驶距离与充电能量关系

制造商常常引用最好的性能数字。实际驾驶如何？在英国伦敦，测试结果如图20.21 充电19次，平均行驶能耗是每公里0.21kWh，仅是普通汽车1/4。如果你对碳排放感兴趣，则该车排放量等于每公里105克。这里使用每千瓦电释放500克二氧化碳。

但是，G-Wiz的性能很差。如果我们提高加速性能，增加车速和行驶距离，结果如何？特斯拉跑车处于性能的另一个极端。充电一次，行驶距离达到220英里（等于354公里），使用储存53kWh能量的锂电池，重450公斤（0.12kWh/kg）。车中1220公斤，最大功率185kW。这辆强劲有力的汽车的能耗如何？它比G-Wiz还好，仅每公里0.15kWh。行驶距离达到354公里，满足绝大多数人需要。据统计，只有8.3%的人在上下班时，行驶距离超过30公里。

我看了本章附录中不同客运交通工具的性能，其中有电动汽车数据，平均大约是每公里0.15kWh。这比我们比较的汽车好5倍。因此，即使我们需要降低能耗，我们也不必绑在公共交通上。我们还能使用电动汽车，获得高速，独享自由。

图20.23 不同客运交通能耗

纵坐标是能耗（每100公里kWh），横坐标是行驶速度。Car（1）是英国汽车平均值33英里/加，bus 是应伦敦所有公共汽车平均性能，undergroud system是伦敦地铁系统平均性能，catamaran是柴油驱动船，左边还给出单位是（每英制加仑 人英里）数据。实点代表实际情况下的典型值，而虚点代表满载情况下的数据。

本章最终结果是图20.23，显示了各种交通工具的载客能耗。到此为止，比赛结束，我宣布获胜者有两个，分别是公共交通和电动汽车。但是，我们还应当看看，冲过终点线的还有那些？我们还听说过压缩空气汽车和氢能汽车。不过这两种汽车是否变得比电动汽车更好，我们都必须在未来做到，使用绿色能源。

压缩空气汽车

图20.24 上：使用煤炭做燃料的压缩空气有轨公共汽车，满载耗煤每公里4.4公斤（36kWh），等于每人公里耗能是1.15kWh. 下：压缩空气火车，重9.2吨，压缩空气压力175大气压，功率26kW

压缩空气驱动汽车不是一个新主意。1879－1911年，在法国巴黎和南特大街上行驶的压缩空气推动的有轨公共汽车有几百辆。图20.24还显示了一辆德国1958年压缩空气驱动的火车。我认为，从储能能量效率来看，压缩空气技术比不上电池。问题是，压缩空气会产生热，从而降低效率，而高压空气碰撞，释放能量时制冷，效率不高。但它在其它方面胜过电池。例如，空气压缩几千次也不会损耗。有趣的是，压缩空气汽车公司销售的第一款产品是电动摩托车[www.theaircar.com/acf]。

据说印度塔塔公司销售空气压缩汽车，但是，我们很难知道，压缩空气汽车是否能重新火起来，因为没有人报道过这种汽车的性能。主要限制包括：压缩空气的能量密度仅每公斤11－28Wh，比锂电池小5倍（参见图26.13）。因此，压缩空气汽车的行驶距离仅能赶上早期电动汽车。主要优势包括，寿命长，称霸低，没有有害的化学品。

氢能汽车

我认为氢能汽车是令人兴奋的花车。如果证明我错了，我会很高兴，但我看不到氢能帮助解决能源问题的途径。氢不是令人惊奇的能源，它仅仅是能源载体，就象可充电电池。但是，它的效率很差，实际应用时，还有很多缺点。

加利福尼亚州长施瓦辛格为氢能汽车Hummer加注燃料。自然杂志专栏赞扬支持氢能经济。自然杂志为州长支持用氢能汽车取代污染汽车而欢呼，称之为“应对气候变化的英雄州长“。但是，我们需要回答的关键问题是”我们用什么能源来生产氢气？“。当前的技术下，我们将能源转化为氢气并不高效。下面是相关数字：

在欧洲清洁城市交通项目试验的使用氢能燃料电池的公共汽车的能耗比柴油公共汽车多耗80－200%的能量。

宝马汽车公司生产的Hydrogen7氢能汽车能耗是每公里2.54kWh，比欧洲汽车平均值高220%。

如果我们的任务是停止使用化石燃料，有无限多绿色电能，那么，耗能很多的方案，如氢能汽车也是有力的竞争技术（虽然还面临很多其它问题）。但是，绿色电能不是免费的。在当前使用数量下，供应足够的绿色电能是个巨大挑战。化石燃料挑战是个能源挑战。气候变化问题是能源问题。我们的解决方案英国使用较少的能量，而不是使用更多的能量。我知道，陆地交通中，没有比氢能汽车能耗更高的技术了。比氢能汽车差的是柴油机驱动船Earthrace号，号称生态船，能耗是每公里8kWh及喷气机船，能耗是每公里5kWh。

氢能鼓吹者说，宝马氢7仅是早期原型，而且是大马力豪华车。氢技术会变得高效。是的，我希望如此，因为我们还有很多工作要做。但是，特斯拉跑车也是一款早期原型车，也是大马力豪华车。它的效率是氢7汽车的10倍！你有权选择购买氢能汽车，如果它赢了，那很好。看图20.23，氢能汽车的性能如此之差，在图上已经表示不出来了。

是的，本田燃料电池汽车FCX Clarity做到较好，能耗是每公里0.69kWh，但是，我预测，当零排放的优势结束了，我们就会发现，氢能汽车的能耗仅仅相当与今天的普通汽车。

下面是氢能汽车的一些问题。氢的储存性能比不上其它液体燃料，因为不管以高压气体储存，还是液体储存（需要冷却到零下253度），体积大，即使加压到700个大气压（这需要沉重的高压罐），它的能量密度（以单位体积的能量来计算）仅是汽油的22%。宝马氢7汽车的低温灌，重120公斤，仅能装8公斤氢。氢在罐中会逐渐漏出，如果你给汽车加满氢，停在火车站一周，等你回来是，氢基本上都跑光了。

关于电动汽车的几个问题

虽然你显示电动汽车比化石燃料汽车效率高，但是，如果我们的目标是减少二氧化碳排放，而电是有化石燃料产生的，它们哪一个更好？

一个简单计算。假设电动汽车能耗是每公里0.2kWh，生产的电输送到用户手里，每度电排放500克二氧化碳，等于汽车每公里排放100克二氧化碳。这同最好的化石燃料汽车相同。所以，我认为，选择电能汽车是个好主意，即使没有绿色电能。

电动汽车同化石燃料汽车一样，都有制造和使用成本。电能汽车使用成本低，但是，如果电池寿命短，我们是否应该关注其制造成本？

是的，那是一个关键。我的图仅仅显示了使用成本。如果电动汽车需要每隔几年就换一次电池，我对成本的估算就偏低了。普瑞斯汽车的电池寿命预期是10年，一套新的价值3500英镑。是否会有人想在10年后换电池，用一个很旧的汽车？预测大多数普瑞斯车没到10年就被废弃了。对所有装有电池的电动车来说，都是一个令人关心的问题。我猜我是一个乐观者，我们转向电动汽车以后，电池技术还会不断改进。

我居住在热带地区，我需要一个大马力的空调汽车，我能开电动汽车吗？

有一个解决方案，在车顶上装一个4平米的光伏电池。如果需要空调，阳光必然充足。20%效率的电池板，可以提供800W电能，足够驱动汽车空调。电池板还能在停车时为电池充电。1993年马自达汽车就包括了一款太阳能驱动制冷系统，电池嵌入玻璃太阳顶内。

我住在寒冷地区，我需要加热空调，我能开电动汽车吗？

电动汽车行驶是，平均功率是大约10kW，效率90－95%，损失部分5－10%都变成热，如果设计好，可以收集这部分能量，约250－500W，用于汽车内部增温。这部分能量能够提供有意义的贡献。

汽车车祸时，锂电池安全吗？

以前的锂电池在短路火过热时会不安全，但是，现在电池工业已经制造了安全的电池，如磷酸锂电池，参见一个有趣的安全录像 www.valence.comm。

有足够数量锂来生产电池，从而生产海量汽车？

世界上锂的矿物储量是950万吨。锂电池中，锂占重量3%。如果我们假设每辆电动汽车电池重量是200公斤，每辆车就是6公斤。锂储量可以制造16亿辆汽车。比目前汽车总量10亿多。但不是多很多，所以我们需要关心锂电池数量，特别是考虑到核聚变发达还需要消耗锂。但在海水中，还有上千倍锂，海洋会提供足够数量。锂专家R. Keith Evans说，；与电动汽车相关的锂的供应不成问题。不管怎么说，人们还在其它不用锂的电池技术，如锌空气可充电电池。我认为电动汽车是好的选择。

未来飞行？

据说空中客车A380是一架低油耗飞机，事实上，它比747飞机的油耗只低12%（按每个旅客计算）。波音公司宣布了类似的突破，新的747－8越洋飞机，比747－400省15%。

这种缓慢的技术进步（对吧汽车100%甚至10倍进步），其原因见技术部分第C章。根据物理定律，飞机主要消耗能量用于维持在空中。不管什么飞机，不管其大小都必须消耗每吨公里0.4kWh能量，用于飞行。飞机已经非常好地优化了。在效率方面，飞机改进余地很小了。我一度想，长途越洋旅行应换成客轮。我看了一下数字，海轮使用的能量比喷气客机还多。QE2的能耗是飞机4倍。这是一艘豪华邮轮，如果我们选择速度慢的客轮，会好一些吗？从1952年到1968年，穿越大西洋的最经济旅行方式是荷兰制造的客轮，号称经济双子号：Maasdam和Rijnsdam。速度是16.5节（＝30.5公里/小时），从英国到纽约需要8天。满载是893人，能耗是每人公里1kWh，比飞机多一倍。公平地说，船不仅是交通公斤，而且给每个旅客提供空调，热水，灯光，以及娱乐活动数天。虽然船行驶能耗降低，但是，船上活动消耗能量很大，QE2号船消耗的能量是每人每天3000kWh。

所以，我们可悲地看到，使用船来替代飞机是不可行的。如果我们在长途越洋旅行中，最终不使用化石燃料，可能的选择是核动力船。

货运如何？

越洋轮船的效率已经经过很好优化，非常高效。因此，在公里运输中减少化石燃料是优先方案。由于化石燃料是有限的，最终船只需要使用其它能源。生物燃料是替代者。另外一个选择是核能。第一艘核动力客船是1962年首航的NS Savannah号，艾森豪威尔总统启动的原子能和平利用项目推动的。动力是74MW核反应堆驱动15MW电机，航速是21节（39公里/小时），可在60人和14000吨货物。等于能耗是每吨公里0.14kWh。它可以一次加燃料，行驶50万公里。现在有很多核动力船，包括军用和民用。俄罗斯有10艘核动力破冰船，其中七艘在服役。图20.32是一艘核动力破冰船Yamal号，有两个171MW核反应堆，电机功率是55MW。

打住，你没有提到磁悬浮列车

德国公司推出的Transrapid磁悬浮列车在中国上海建成，号称在噪声，能耗和用地方面拥有无与伦比的优势，创新的非接触运输，对环境影响降低到最低。

磁悬浮是众多技术中，让人们在讨论能源问题时，感到兴奋的技术。根据能耗，同其它火车相比，磁悬浮表现很一般。同高速电动火车城市快车相比，能耗仅略好，参见下表

速度为200公里/h

磁悬浮 0.022kWh/seat/km

城市快车 0.029kWh/sear/km

能耗略低的主要原因是磁悬浮列车的电机效率高；列车重量低，因为驱动系统大部分在轨道上。由于减少了电机使用的空间，可以载更多旅客。还有一个原因是，这个数据来自德国的磁悬浮公司，当然显得比较好了。

看过在上海运行的磁悬浮列车的人告诉我，它象喷气飞机一样安静（译者注：意思噪声很大）。

作者关于电动汽车和燃料电池汽车的对比有问题的，译者这里简要作对比。

（1）关于效率，不能仅计算充电到使用的效率，还应当考虑生产电的效率和输送电的效率。发达国家平均煤炭发电效率约30%，输电效率92%。而电动汽车效率，现阶段约65%，今后可改进到70%左右。主要限制电动汽车效率的是环节多，包括整流期/逆变器（交流电变直流电） 85－90%，电池充电和放电效率分别约92（快速充电时会降低到90%以下）和90%，电机平均效率90%，传动部分效率90%左右，每个部分虽然效率高，但是总效率是各部分效率的乘积，就变成了约65%，而不是作者所说90%. 今后以木质纤维素生物质来发电，总效率仅20%左右。木质纤维素包括树，草和秸秆，是最丰富的生物质资源，也是唯一能够替代足够多化石燃料生产车用燃料的原料。

汽车行驶能耗不仅与效率相关，而且与阻力相关，阻力与车子重量和体积相关，还与车子外形结果所决定的风阻相关。作者根据小型2座跑车与普通4座汽车FCX能耗，是无法比较两种汽车效率，因为2座跑车重量体积都小得多，而且风阻较小。另外，FCX氢能汽车的燃料经济性是60英里/公斤氢（参见http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_sbs.shtml），它等于能耗是0.35kWh/公里（=1/60*120/1.61/3.6, 氢能量是120MJ/kg）。而氢燃料汽车的效率是45%左右。虽比不上电动汽车，也不象作者那么夸张的差距。考虑到从生物质生产氢气约55%效率，氢运输效率82%，总效率约20%，反而优于电动汽车。

长远来说，情况可能又不同了。最新的燃料汽车技术是从生物质中分离碳水化合物，效率约60%（木质纤维素中含碳水化合物约65%）然后在车上安装酶催化转化生产氢的重整器，得到纯氢，效率达到110%以上（这个反应是吸热反应，反应温度温和，从而使生产的氢的能量大于原料），而且运输能耗低于2%，从而使效率达到约26.5%。而今后发展高效率燃料电池发电技术，将发电效率提高到40%，则电动汽车方案可以达到近28%。

不管怎么说。燃料汽车路线和电动汽车路线在效率方面没有多大差别。但燃料汽车和电动汽车都比目前的汽车效率高得多（12%左右），目前的问题是，它们还太贵，而汽油还太便宜，大家换这两种车，支出还是多于普通汽车。顺便说一句，个人估计，石油价格长期高于每桶80－100美元的时候，估计这两种车的市场就会增大很多。这不会很久了。

（2） 其它方面

电动汽车的电池储能密度低，锂电池仅0.15kWh/kg左右，这使电动汽车行驶距离短，一般仅200公里左右。同时，电动汽车加注燃料，或者说充电，速度慢。现在有声称15分钟充电50%，但是，这时充电电流大。例如，特斯拉跑车的电池容量是53kWh，如果15分钟充好50%，充电电流密度需要达到53*1000*0.5/220/0.25=480A, 这比国内普通民用住宅的电路承载能力大10-20倍左右。如果设置充电站，众多车辆一起充电，其对电网的要求很高，对电路也有很多特殊的设计。此外电池价格高，导致车子价格高。因此，这种车子可能有市场，不可能成为主流。 而未来使用碳水化合物的燃料电池汽车方案，能很好解决这个问题。碳水化合物可通过草，秸秆和树木来生产，储能密度约5kWh/kg，与现有燃料加注系统类似。

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