主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

第一部分 数词而不是形容词

1 写作动机

最近我读了两本书，第一本是物理学家所著，另一本是经济学家所著。加州理工学院物理学家David Goodstein所著《大气之外》，阐述了由于石油时代结束带来的日益迫近的能源危机。他认为，危机将很快降临，在石油枯竭之前，石油不能满足需要以后，也许2015或2025年就会来临。即使我们能够象变魔术一般，将我们的能源系统转向核能，也只能将能源危机发生时间推迟20年，因为那时铀资源也会同样枯竭。

在《好怀疑的环境学家》一书中，Bjorn Lomborg则给出了完全不同的图像。“一切都会很好”， 事实上，“一切都会变好”，而且，“我们不会遭遇能源危机，我们有丰富的能源”。

为什么两个聪明人会得出如此不同的结论？我想搞清楚。

2006年，能源问题频繁成为英国的新闻。巨大的气候变化和6年内天然气价格上涨3倍点燃了争吵的火焰，英国应如何供应能源，世界应如何解决能源供应？

“采用风能或核能”。人们难以想象聪明人之间截然不同的观点。在一次讨论增加核能的建议时，前环境部长Michael Meacher说，如果我们打算削减温室气体60％，到2050年，我们唯一的办法是采用可再生能源。前市政官员，Bernard Ingham爵士说“任何人想使用可再生能源来填补能源缺口，都是痴人说梦，按照我的观点，都是人民公敌”。

在生态学家中，这种相反观点比比皆是。所有人都同意，我们必须马上采取行动，但是，采用什么行动？可再生能源发展委员会主席，Jonathan Porritt认为，此刻扩大核能的计划都是没有理由的，都与政府发展可再生能源政策不一致。采用非核能政策，能够在2050年实现减少碳排放计划，获得可靠的可再生能源。与此相反，环境学家James Lovelock在他的书《盖亚的复仇》中写到“现在建立可再生路线已经太迟了”。按照他的观点，核裂变不能作为解决我们境况不佳地球的最终特效药，它仅仅在现在短期有效。使用陆上风能仅仅是我们的政治领导人对环境问题表达的一种姿态。

这些激烈的争论的关键是数字。每一种能源有多少，在什么价格水平上，有何种风险？人们很少提到和讨论这些数字。人们在讨论时，仅仅说“核能是一个耗资巨大的陷阱”，或说“我们需要大量风能和海洋能”。问题是，仅仅告诉我们，需要的东西很多是不够的，我们需要知道，未来我们需要的巨大数量与能够提供的巨大数量之间的比较。为了这个比较，我们需要的是数词，不是形容词。

在使用数字时，我们常被巨大数字所迷惑。数字是用来评判争论的论点的，不是表述某种现象。“洛杉机居民每天驾车行驶2700万英里，相当于地球到火星距离”。“每年有2700万英亩热带雨林消失”。“每年扔到海里的垃圾达到140亿磅”，“英国人每年扔掉26亿片面包”。“每年在英国扔掉的废纸可充满103348辆双层公共汽车”。

将所有解决能源危机的无效主意连接起来，可以到达月球，抱歉，我走题了。

这些数字和事实是缺少意义的，其结果是我们被大量废话淹没了。英国广播公司在宣传个人应为拯救地球作贡献时，提出很多建议，例如，“当我们不使用手机充电器时，应关闭”； 如果有人反对，手机充电器实际不是我们最大的能源消耗，人们就会说，我们应做每一个微小的有益工作。然而，更现实的结果是：

如果每个人做一点，我们仅能得到一点。

很多公司每天也给我们贡献大量废话，尤其当它们告诉我们，它们是如何优秀或如何能够帮助我们做到这一点。例如，BP公司在他们的网站上庆祝改变商船油漆对减少二氧化碳排放的贡献。它对我们有影响吗？如果它对削减二氧化碳排放有明显作用，则人们会猜想，这不是外部油漆，而是包括了内部涂料。BP在网上提供了一项基于网络的碳吸收服务，“targetneutral.com”，声称能中和所有碳释放，费用很低，每个人每年仅需要40英镑。将它们加起来会如何？如果每个人每年仅需要40英镑，政府很容易就解决了。

也许更应斥责的是一些公司利用人们对环境问题的关心，提出一些荒谬方法，如“水驱动电池”，“生物可降解手机”，“手持风力涡轮机”，以及其他一些垃圾。

能源领域的竞争者也在误导。想推荐可再生能源的人们说“海上风能能供应英国所有家庭电能”，而“新的核能电站对气候变化问题贡献很少”，因为“10个新核能电站仅减少4％”。这个论点是在误导，因为前面讨论的是对家庭电能供应，后面却转换到减少排放。事实是能够供应所有英国家庭的风能能量等于10个核能电站所提供的能量。使用风能供应所有英国家庭，仅仅等于减少排放温室气体4％。

也许最大的罪犯是那些明知故犯的家伙，一些媒体在故意宣传这些垃圾，例如，新科学家上关于“水驱动汽车”文章。

在人们对数字了解很少的情况下，记者、从业竞争者、公司和政治家应远离欺骗。

我们需要确切数字，需要全面的、可相互比较的、明确的数据。

有了这些数据，我们就能很好回答人们关心的问题，例如：

1、 象英国这样的国家能否依靠可再生能源？

2、 如果每个人将空调温度与环境温度差调低1度，开较小汽车、关闭不使用的手机充电器，能源危机是否能够避免？

3、 汽车燃料税是否应增加？道路限速是否应减半？

4、 宣传风能比核能好是否正确？

5、 如果“气候变化是比恐怖分子更大的威胁”，政府是否应反对鼓吹旅行，通过法律禁止“鼓励消费”？

6、 是否转向先进技术，能让我们不降低生活质量情况下消除二氧化碳污染？

7、 是否应鼓励人们多吃蔬菜？

8、 是否世界人口太多了，超过了6倍容量？

为什么我们要讨论能源政策？

三个方面的动机推动我们讨论能源问题。

第一、 化石资源有限。供应我们汽车的石油和供应我们建筑热能的天然气都很可能在我们的有生之年枯竭。因此，我们需要替代能源。而且化石燃料还是制造塑料和各种材料的原料，我们应节约使用，而不是简单点火燃烧获得能源。

第二、 我们非常关心能源安全。虽然世界上其他地区还有化石燃料供应，但是我们不能依靠它们，这会使我们易受靠不住的外国人的攻击。如图1.2，我们的化石燃料生产已经走过顶峰，正在下降。英国能源供应缺口巨大，安全问题突出。在未来十年，大量燃煤电厂和核电厂将关闭，如图1.3。如果不制定和执行正确的计划，我们将面临电能供应不足的局面。

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图1.2 北海石油产量和价格

图1.3 由于常规电站关闭导致的能源缺口

（横坐标是年份）

第三、 还有一个重要问题是使用化石燃料很可能将改变气候。人类一些活动对气候变化产生了影响，但是，对气候变化最大贡献来自二氧化碳产生的温室效应。绝大多数二氧化碳排放来自化石燃料燃烧。我们燃烧燃料的目的是获得能源。为了停止气候变化，我们需要一种新的能源。气候问题就是能源问题。

无论你关心那一种原因，我们都需要能源数据，从而制定新的能源政策。

前两个原因是我们减少使用化石燃料的直接原因。第三个原因，气候变化，是一个无私的动机，气候突变不是现在，而是未来几百年以后的事。一些人认为气候变化不是他们的责任。他们说“关我们什么事”？，“中国正在失控！” 因此，我将讨论一点气候变化问题，因为在写作这本书的时候，我了解了一些与各国有关的有趣事实。如果你对气候变化不感兴趣，直接跳过这个部分，到本书第16页。

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气候变化问题

分三个步骤进行讨论：1、人类燃烧化石燃料导致二氧化碳上升；2、二氧化碳是温室气体；3、增加温室气体效应增加了大气温度，导致其他很多效应。

我们从二氧化碳浓度上升这个事实开始。图1.4显示从公元1000年开始大气二氧化碳浓度测量结果。一些怀疑论者认为最近的二氧化碳浓度增加是一个自然现象。这些怀疑论者是否从没看过数据？难道你不认为，在1800－2000之间，发生了某件事情，在千年历史里，它不是自然过程？

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图1.4 过去1100年大气二氧化碳浓度（ppm）根据冰心空气二氧化碳浓度

（IPCC报告给出的数据是2005年大气二氧化碳浓度是379ppm）

显然发生了一件事，它是工业革命。1769年瓦特发明蒸气机，我将它作为工业革命开始。第一个实用蒸气机是1698年发明的，瓦特蒸气机更有效率，开始了工业革命。蒸气机主要应用之一是将水从矿井中打走。图1.5（省略，参见1.7）是英国1769年以后煤炭燃烧每年产生二氧化碳量情况。此图显示燃煤产生了数以几十亿吨的二氧化碳。1800年，人们使用煤炭制造铁、船、加热建筑、驱动火车和其他机器，包括英格兰和威尔士山间煤矿矿井中的水泵。煤炭馈赠英国巨大：英国当时煤炭储量等于沙特阿拉伯石油储量。

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图1.7 英国年煤炭产量和世界年煤炭产量（单位十亿吨二氧化碳计算） 上：大气二氧化碳浓度变化，中：煤炭产量，世界（红）和英国（绿）， 下：人口，世界（红）和英国（绿色），英国船（兰，千吨），英国铁（品红，千吨/年）

从1769到1800年30年间，英格兰煤炭产量加倍。再过30年，又加一倍。下一次加倍是20年（1850年），再下一次加倍也是20年（1870年）。使英格兰达到世界第一。英格兰和威尔士的繁荣还反映在一个世纪内人口的空前增长。

当工业革命扩散以后，其他国家也进入快速增长。图1.6（省略，见1.7）是英国和世界煤炭产量，英国煤炭产量在1910年达到最高，世界产量又持续增长50年，每20年加倍。很难在一张图中显示煤炭产量历史。我们在下图中用两张图显示这种巨大增长。另外一种方法是使用不均匀坐标，如使用对数坐标，每格都增加十倍，如1到10，10到100，100到1000。如图1.7下图。在对数坐标上，每年以一定增长率增长，图中显示的是一条直线。可以让人们了解增长速率。在通常坐标下的，显示英国和世界煤炭产量增长巨大，人口也成倍增长，但是，我们很难从中了解增长速率。从对数坐标图，我们能够了解和比较增长速率。例如，从图中人口增长斜率，我们可以看到，过去50年世界人口增长速率比1800年英格兰和威尔士略大。

从1769年到2006年，世界煤炭年产量增加800倍。今天煤炭产量还在增加。人们也开采了其他化石燃料。图1。7中图显示了石油产量，以二氧化碳释放量来表示，煤炭仍然是最多的。

燃烧化石燃料是二氧化碳浓度增加的主要原因。这是事实。但是，也有一些反对声音，他们是如何说的？下面是独立报专栏作家Dominic Lawson观点：

“每年燃烧化石燃料向大气释放了70亿吨二氧化碳。这听起来很多，但是，生物圈和海洋向大气分别释放了19000亿吨和360000亿吨。…这就是为什么我们会怀疑，人类燃烧化石燃料会对温室效应产生影响。减少人类制造的二氧化碳是没有作用的，这夸大了人类的作用，政治家不能改变天气。”

现在我来花大量时间来与怀疑论者讨论。不是所有怀疑论者的观点是肥料，但是不负责任的记者，象Dominic Lawson应让人羞愧。

第一个问题是，Lawson给出的三个数据（70，19000和360000）是错误的。正确的数据是260，4400和3300。将这些数据放在一边，我们来看Lawson的主要观点，人为因素对二氧化碳排放增加的贡献很小。

是的，当我们200年前开始燃烧化石燃料时，自然排放的二氧化碳远远多于人为增加。但这是一种彻头彻尾的误导，它仅仅提及自然向大气排放的二氧化碳，没有提及还有一个相反的从大气向自然排放，几乎同样数量的二氧化碳，它们相互平衡，使大气二氧化碳浓度保持恒定。因此，它们的大小与人类人为排放二氧化碳导致的二氧化碳排放增加无关。与此相反，燃烧化石燃料，虽然很小，但是对大气中二氧化碳浓度的增加却不可忽略。这里有一个简单的类比，在机场，每个小时有1千个旅客到达，就必须有能够运输1千个旅客的能力。虽然会排队，由于运送速率和旅客到达速率总体上匹配，队伍不会排得太长。现在想象机场大雾，输送能力下降到每小时50人，远远小于旅客到达速率。这时必然会导致排队旅客增加，队伍加长。燃烧燃料会毫无疑问增加大气中二氧化碳浓度。没有气候科学家会反对这个事实。当二氧化碳浓度达到危险浓度，人们就毫无办法了。

好，燃烧化石燃料会明显增加二氧化碳浓度。但那有什么关系？“碳是自然存在的！”“碳是生命！”如果二氧化碳没有有害效应，则二氧化碳释放就没有危害。然而，二氧化碳是温室气体。不是最强温室气体，但是是不能忽略的温室气体。增加大气中二氧化碳，它就会产生温室效应：吸收来自地球表面的红外辐射（热能），向四方散发，一些热能又重新回到地面，减少了地表热能排放，象被子一样有保温效果。因此，二氧化碳会产生温室效应。这个事实不是来自全球温度历史记录，而是来自二氧化碳物理性质。温室气体是一床被子，而二氧化碳是这床被子的一层。

因此，如果人类将大气中二氧化碳浓度加倍或增加两倍，会发生什么？现在还有很多不确定性。气候科学是非常困难、复杂和难以琢磨的。我们还不知道，大气二氧化碳浓度加倍会导致大气多热。最好的气候模型预测，二氧化碳浓度加倍相当于太阳光强增加2％，导致全球温度增加3度。这是历史学家所说的非常糟糕的事情。也许读者以前也听说过，我就不再一一列举长长的悲剧效应。“一百年内，格陵兰岛冰盖会逐渐融化，海平面上升7米， 过去10万年，地球从没到达这样的温度。可以想象，生态系统将显著改变，我们正在享受的农产品将不再存在。(译者注，此段和后面关于气候变暖的分析，不一定正确，参见译者对IPCC 2007年报告的解读： http://www.ccthere.com/article/2987854)

气候模型非常复杂，有很多不确定性。但是，我们不能将我们不知道过多温室气体导致的升温量作为不作为的理由。在大雾中如果你在一辆高速行驶的摩托车上，正在向悬崖驶去，你没有一幅好的地图，能告诉你悬崖的确切位置，缺少这样一幅地图会证明你不应当降低车速？

那么，谁应当将车速降下来？谁应当减少二氧化碳排放？谁应当为气候变化负责？这是一个道德问题，当然不是科学问题，但我们必须讨论这个问题。让我们现在必须了解温室气体排放的事实。首先，我们要讨论测量温室气体的单位。温室气体包括二氧化碳，甲烷和氮氧化物；每一种气体有不同物理性质；通常将所有气体的温室效应表达为等价的二氧化碳数量，这里等价的含义是在100年以上时间内产生的温室效应等价。等价1吨二氧化碳表示为1tCO2e，十亿吨表示为1Gt CO2e。本书使用标准单位，1t＝1000kg。

2000年左右，每年排放的温室气体约等于340亿吨二氧化碳。这个数字难以置信。但我们用它除以地球上的人口，约60亿，得到每人每年排放约5.5吨。我们使用长方形来比试世界排放量，用高度来表示每个人排放量，如下图。

这里显示的是所有人排放相同数量二氧化碳，但实际不是每个人每年排放5.5亿吨。我们将其按洲分解，看看各大洲排放贡献：

此图标尺与前图相同，将世界分成8个地区。每个长方形代表一个地区的温室气体排放数据。长方形宽度代表了各地区人口数量，而高度代表了每人每年排放量。

在2000年，欧洲人均排放量是世界排放量2倍，北美洲是世界排放量4倍。我们还可以将各地区分解成国家，结果变得更加有趣：

人均排放最多的国家是澳大利亚、美国和加拿大。欧洲国家、日本和南非也居前列。在欧洲国家中，英国居中。关于中国，那个失去控制的中国？是的，中国长方形几乎等于美国，但事实是，他们的人均排放低于世界平均水平。印度比世界水平低一半。更为重要的是，中国和印度的工业排放很大成分是为富裕国家生产产品产生的。

那么，加入某些人需要做得更多，减少温室气体排放，谁有责任做得更多？按照我的观点，这是一个道德问题。但我很难想象，任何道德观点能否认那些人均排放量是世界2－4倍的国家的责任。这些国家还最有支付能力，如英国和美国。

气候影响的历史责任

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气候影响的历史责任

如果我们假定气候是人类破坏的结果，谁应负责，谁来支付？人们通常认为，污染者支付。前面图中我们可以看到，今天谁在污染。但事情不仅是污染速度，不是每年排放量，而是累计排放量，过去50或100年累计排放量。如果我们接受那个道德观点，污染者付费，我们必须回顾历史了解各国累计排放量。下图显示的是各国在1880－2004年期间累计排放量，以等价二氧化碳表示。

恭喜，英格兰！英国已经靠近冠军了。虽然今天我们仅仅是欧洲平均水平，但按照历史累计，按人均计算，我们仅仅低于美国，名列世界第二。

好，关于道德方面的讨论足够了。回到问题本身，为了避免地球温度升高2度（这是许多预测数据中一个），科学家们估算我们应该做些什么？舆论很清楚。我们应放弃使用化石燃料习惯，我们需要加快这个进程。一些国家，例如英格兰，需要承担到2050年减少60％温室气体排放。必须强调，减少60％，虽然看起来很激进，并不一定能排除威胁。如果到2050年世界削减60％，气候科学家估算，全球温度升高低于2度的可能性较大。图1.8显示我们需要削减的两种数量与威胁排除可能性。这是公共政策研究所Baer和Mastrandrea在报告（2006）中提出的两种具有一定安全性的削减方案。较低的曲线假定削减从2007开始，每年削减5％。较高的曲线假定存在一个削减延迟，每年全球削减4％。两种情况都存在一定风险，都可能导致地球温度比工业化前升高2度。低排放情况下，温度升高超过2度的可能性是9－26％，而较高曲线则升高到16－43％。两种可能是安全的方案均假定一个很高的削减速率，大于联合国政府间气候变化专门委员会提出的方案，或Stern的综述（2007）。

这些可能安全的方案要求到2050年全世界减少排放70－85％。对英国来说，这意味着什么？如果我们赞成，所有国家人均排放量应相等，则英国需要削减排放量超过85％：英国应当将目前人均年排放11吨降低到2050年1t。这是非常大的削减，我建议，最好的方案是再也不使用化石燃料。

关于气候变化问题最后一个问题：人类很多活动会导致温室气体排放，最大的原因是能源。一些人不想在能源上采取措施，借口：奶牛排放的甲烷多于飞机。是的，在2000年，农业付产物占温室气体排放量1/8。但是，使用能源带来的贡献占74％。气候问题基本上来说，就是能源问题。

图1.9 世界温室气体排放来源和不同气体贡献，能源包括发电，工业、运输、燃料处理和建筑使用的能源。土地使用，生物质燃烧是土地使用，砍伐森林和燃烧不可再生的生物质，如泥炭。废弃物包括废物处理处置。体积代表每一种来源在100年中的温室效应。来源：全球大气研究排放数据库。

对读者的警告

好，有关气候变化部分就讨论到这里。我假定我们应不使用化石燃料。不管您的目的如何，本书目的是帮助你搞清楚数据，通过数据计算评价政策，从而能够看到，什么建议对解决能源问题有贡献。这里的数据不是新的，前面提到的Goodstein，Lomborg和Lovelock的书，也有大量有趣数据和计算，在因特网上，还有许多有益数据（参见每章注释）。

本书所做的工作是使这些数据简单和容易记忆；帮助你根据个人需要使用这些数据，使情况变得清晰简单，任何愿意思考的读者都能得到最后的结论。我不想将我的结论推销给您。如果结论是自己产生的，而不是别人教的，读者会更相信。理解是一个创造性过程。当您阅读本书时，我希望您能强化一个观点，您能想清楚任何问题。

我要强调的是，我们的计算不是非常精确。简化对理解非常重要。第一，将数字取整，使我们容易记住它们。例如，本书中所述英国人口是6千万，世界人口是60亿。我能提供完美的精确数据，但是精确数字会使我们的思考速度减慢。 例如，在2000年全世界排放的温室气体约340亿吨二氧化碳当量，我们能不使用计算器，知道人均每年排放约5－6吨。这个粗略结果不准确，但已经足够给出有趣的结论。例如，如果你了解，一个越洋往返航班释放的气体等于每个旅客2t二氧化碳当量，我们就知道，这个释放尺度（年人均排放5吨多）将使您每年进行一次这样的越洋飞机旅行就会产生年人均三分之一以上的二氧化碳排放。

我愿意使用人们日常知识进行计算，而不是使用基于国家的统计数据。例如，我想估计剑桥的典型风速，我会比较我的车速是大于还是小于风速？答案是大于。因此，我得出结论，剑桥风速很少比我的自行车速大（20km/h）。使用其他人的计算结果和官方统计资料来支持我的日常估计。（请看每章结尾的注释）本书不准备成为一个权威性的精确数据库。而是阐述如何使用大约数据获得一个大家能够认可的建设性结论。

在计算时，主要使用英国日常数据，偶尔使用欧洲、美国和世界数据。但您会很容易使用您所在国家数据进行计算。

下面我们将对读者提出几点警告，来结束本章。我们不仅使用大约数据来进行估算，我们还将忽略很多细节，这些细节对投资者、管理者和经济学家非常重要。如果您尝试投资一项新技术，增加5％的成本将是您成功和使用的关键，因此，在商业活动中，必须跟踪每一个细节。但是5％对本书读者来说太小了。本书讨论的是因子2和因子10。是关于可持续发展能源的物理限制，不是目前的经济可行性。经济在经常变化，但原理上限制不会发生变化。我们需要了解这些限制。

人们关于政策方面的争论经常是混乱的，感性的，因为人们常常将事实和利益混淆起来。

事实主张的例子是“全球燃烧化石燃料每年排放二氧化碳340亿吨”，“如果二氧化碳浓度加倍，未来100年将升高温度1.5-5.8C。”“温度升高2度，将导致格陵兰冰盖在500年内融化”，“格陵兰冰盖完全融化将导致海平面上升7米”。

事实主张也存在正确和错误。搞清楚是科学问题。例如，上述主张可能是正确的，也可能是错误的。但我们不知道，它们是否一直正确。我们判断，一些结论很可能是正确的。讨论它们是否正确所存在的困难导致科学界的争论。通过足够多的科学试验和讨论，最终我们将得到这些事实主张是否正确，至少不会产生一个有理由的怀疑。

利益主张，包括“将成本强加到下一代，继续使用全球化石资源是错误的”，“不应当是否污染”，“我们应采取步骤，以保证二氧化碳浓度不会加倍”，“上个世纪二氧化碳排放最多的国家有责任采用行动”，“在全世界人口中共享二氧化碳排放权是公正的”。这样的主张不是正确或错误，我们是否同意这些主张，是由我们的利益或价值观来决定的。不同利益主张之间可能不一致。例如，Tony Blair（布莱尔）政府主张削减二氧化碳排放的激进政策：“英国应到2050年减少二氧化碳排放60％，与此同时，政府高官Gordon Brown却一再要求产油国增加石油产量。

本书主要讨论事实主张，不讨论利益主张。我要澄清事实，使人们在讨论利益主张时，能进行有意义的讨论。我希望每个人能理解，残酷的现实限制了我们的选择范围。作为一个科学家，我将尽量将利益主张排除在外，虽然偶尔会提及，请原谅我。

欧洲和北美获得能源蛋糕是否公正是利益问题，我提醒读者一个事实，我们

不能独享蛋糕；我们将帮助您排除无意义和无效的政策建议；帮助您识别与您个人价值一致的能源建议。

我们需要一个计划！

注释和进一步阅读材料（略）

本章结尾，我注释了本章一些观点细节，数据和引文来源，进一步阅读材料。

页2、“除可再生外，没有其他办法”；“”，引文来自BBC电台4频道，2006年1月27日，有何问题？Michael Meacher是英国1997年到2003年环境大臣。Bernard Ingham爵士是Margaret 撒切尔首相的助手，是政府信息服务部部长，也是核能促进协会秘书。

Jonathan Porrite（2006年3月），核能是答案吗？第三部分，对部长的建议，

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2 平衡单

自然不会被愚弄 Richard Feynman（译者注，费曼，美国物理学家，1965年诺贝尔奖获得者）

下面讨论能源消费和生产。当前发达国家消耗的能源绝大部分来自化石燃料，是不可持续的。我们依靠化石燃料多久是个有趣的问题，本书不加讨论。我想讨论没有化石燃料情况。

左边栏目关键――能源消费

运输

小汽车，飞机，货车

供热和制冷

照明

信息系统和小电器

食品

制造业

右边栏目－可再生能源生产

风能

太阳能

光伏，光热和生物质

水电

海浪

潮汐

地热能

核能？难以归类到可再生类

我们设计两个栏目，左边栏目，红色部分将列举能源消耗，右边栏目，绿色部分将列举能量生产。我们将一一定量分析每个栏目中每个项目。

本书将要回答我们是否能依靠可再生资源生活？我们将使用所有可使用的再生能源，将它们放在右边栏目中。

在左边栏目，红色部分，我将估计典型中等富裕人员消耗；我鼓励您估计您个人消耗，得出您个人在左边栏目的个人数量。我们将估算出欧洲和美国目前平均能源消耗。

我们的能源消耗包括取暖、交通、制造等，我们不仅计算左边平衡菜单中数字，而且要理解，每个数字来源，能进行多大改变。

在右边绿色部分，我们将估算英国可再生能源生产。这将使我们能够回答“英国能否依靠可再生能源生活”。

我们放在右边的可再生能源是否经济可行是非常重要的，但我们将这个问题放一边，仅仅先将两个栏目枚举完全。有时人们太过关注经济可行性，忽略了整体问题。例如，人们讨论“风能比核能便宜吗？”忘记询问“有多少风能？”“还剩多少铀？”。

最终结果可能如下图：

如果我们发现，消费比预计可再生能源低很多，我们就可以说“好，也许我们能够依靠可再生能源；让我们再看看可再生能源的经济、社会和环境成本，搞清还需要什么研究和开发工作，如果我们的工作充分，也许不存在能源危机”。

另一方面，如果结果如下图：

非常凄惨的前景，结果显示：“不管可再生能源经济型如何，我们没有足够可再生能源支持我们的生活方式，我们必须作出巨大改变”。

能量和功率

很多关于能源消费和生产的讨论都非常混乱，因为能量和功率测量中有很多不同单位，从吨石油当量，到万亿瓦时（TWh），千万亿焦耳（EJ）。除了专家，没有人了解一桶石油或1百万英热单位含义。本书将使用与人们生活密切相关的单位。

我使用的能量单位是kWh，这个单位时用电帐单上所使用的单位。2008年通常英国居民将为电费支付10便士。我们将看到，每天每个人消耗的能源等于数个kwh。

当我们讨论功率时，主要单位是每天消耗电能千瓦时数（kwh/d）。偶尔使用W或kW（1kW＝1000W＝24kWh/d），每天kwh是一个与日常生活相关的单位：大多数人每天消耗能量是几个kwh。例如，一个40W灯泡一直亮着，约消耗1kwh/天。一些电力公司在帐单上，用图表示以kwh/h为单位的能量消耗。我将使用这个单位用于所有能量。包括汽油、天然气和煤炭消耗。让我们澄清一下，对某些人来说，单词“功率”仅仅代表电能，本书将用于所有形式的能源。

如果每天一个千瓦时代表一个仆人提供的服务，则每天数个千瓦时代表几个仆人提供的服务。

人们在口语中交替使用能量和功率。本文将采用科学定义，使用功率代表使用能源的速率。

我们可以使用水龙头放水的水量和放水速率来类比能量和功率。如果您想喝水，你可能需要1升水，你打开水龙头，将产生一股水流，通常以每分钟流出升数计算，即使是涓涓细流，每分钟一升水，你也只要一分钟就能得到1升水。一定时间内获得的水的体积等于流量×时间。

体积＝流量×时间

我们说流量是流体体积传输速率。当我们知道一定时间内传输的流体体积，我们可以计算流量：

流量＝体积/时间

能量和功率有类似关系，能量类似水的体积，功率类似水的流量。例如，开动烤箱，它就会开始消耗功率，消耗速率是1kW。它将持续消耗电能，直到关闭。另一种表述方法是消耗能量，如果一直将烤箱开着，每小时将消耗1kWh，一天将消耗24kWh电能。

烤箱开动时间越长，消耗能量越多。你可以将烤箱功率乘以开动时间得到消耗的能量：

能量＝功率×时间

标准国际能量单位是焦耳J，但这个单位太小了。一个千瓦时等于360万焦耳。

功率是如此有用和重要，它们有水流量没有的东西，它们有自己的单位。当我们谈论流量时，我们用每分钟升，每小时加仑或每秒立方米来度量。表示功率的每秒种焦耳称为一瓦特，每秒种1000焦耳称为1kW。让我们直接使用术语，烤箱是一千瓦。这里我们不 用使用每秒千瓦，每秒已经放到千瓦定义里了。一千瓦就是每秒一千焦耳，类似，我们说核电站产生十亿瓦。因此，十亿瓦能供应一百万烤箱能量。英文种十亿瓦省略为GW。

请注意，我们从不使用每秒一千瓦，每小时一千瓦，每天一千瓦，这些是无效的功率单位。我们可以说每天千瓦时，这样说和写麻烦一些。

最后需要澄清的事情是，如果我说某人使用十亿瓦时能量，我仅仅在说使用了多少能量，不是在讨论使用能量的速率。说十亿瓦时不代表是在一小时内使用的。你可以打开一百万个烤箱使用一小时，也可以打开1000个烤箱，开1000小时。

我将使用功率单位是每天每人千瓦时（kWh/d/p），一个原因是我们容易在不同国家谈论这个单位。例如，当我们在讨论焚烧垃圾时，我们了解到英国每年焚烧产生7万亿瓦时，丹麦产生10万亿瓦时，这是否说明，丹麦焚烧了更多垃圾？每个国家通过焚烧垃圾产生电的功率是一件有趣事实，我想人们更想知道，每人提供用于焚烧的垃圾。根据记录，丹麦每人每天产生5千瓦时，英国每人每天产生0.3千瓦时。因此，丹麦焚烧的垃圾数量，按照人均计算，是英国13倍。为了节省墨水，英文中每人缩写为/p。通过讨论每人涉及的事情开始，我们将以容易理解的书来结束，希望在讨论可再生能源时比较有用。

详细细节

能量不能保存吗？我们谈论使用能量，但是，自然规律说，能量既不能被产生也不能被消灭？

是的，我这样说不精确。一本关于熵的水会解释这件事。当我们用掉一千焦耳能量时，我们实际是将一千焦耳以低熵存在的能量例如，电能，转化为同样数量其他形式的能量，通常有较高的熵，例如，热水或热空气。当我们使用能量时，它仍然在那儿，但我们不能一次又一次使用它，因为只有低熵能对我们才有用。有时，我们使用不同单位来区分这些不同等级的能量：1kWhe代表一千瓦时电能，能源中最高等级。1kWhth是一千瓦时热能，例如，十升沸水。高温物体中所含能量比低温中能量更有用（熵比较低）。第三种能量是化学能。化学能是一种高等级能量，类似电能。

本书中大多数时候我们讨论能量，不讨论熵，这样比较方便，虽然有明显缺点。偶尔这样做会是不准确加大，例如，当我们讨论冰箱、电站、热泵或地热能。

你比较过苹果和桔子？比较不同形式能量，例如用于驱动汽车的化学能和风力发电机产生的电能，是可行的。

通过比较能量消耗和可以产生的能量，我不希望给大家一个错误印象：不同形式能量是等价的，可以相互转换。通过风力发电机产生的电能对汽油发电机来说是无用的。如果你要驱动电视机工作，汽油是没有用的。原理上，一种形式能源可以转换为另一种形式能量，虽然转换常常带来损失。使用燃料发电厂会消耗化学能，产生电能，转换效率约40％。炼铝厂使用电能生产含有高化学能的金属铝，效率约30％。

在总结能源生产和消费时，不同形式能量使用相同单位，但是需要引入转换系数。通常电能价值是同样能量化学能的2.5倍，就是说，1kWh电能等于2.5kWh石油能量，因为我们在电厂使用石油来生产电能，效率为40％，需要2.5kWh石油来生产1kWh电能。本书中，我们通常使用1比1转换比例比较不同形式能量。将2.5kWh石油能量等价1kWh电能不是总是成立。这仅在使用油生产电的情况下，才成立。是的，将化学能转化为电能效率低。但是，电能有时也会被转化为化学能。在将来，如果我们缺少石油，而有丰富电能，我们会电能生产液体燃料。这是我们将使用相反的比例，每kWh石油能量将等于3kWh电能。我使用1比1转换率，得到结果将与别人不同。例如，BP世界能源统计综述使用1kWh等于100/38约等于2.6kWh石油能量，另一方面，英国政府提供的能量统计文摘使用1比1转换率。这里我强调，你可以将一种能量直接转换为另一种。将化学能转换为电能常常浪费能量，反过来将电能转换为化学能也一样。

物理和等式

通过本书，我的目的不仅是用数字来表达我们目前的能源消费和所有可能的可再生能源，而且搞清楚这些数字来源。如果我们采用不同政策来改变这些数字，了解这些数字的来源是起码的要求。除非我们理解能源消耗和能源生产的物理机场，否则我们无法评价各种主张，例如“汽车浪费了所消耗的99％能源，我们应当重修设计汽车，使它们减少至少100倍能量消耗。”这个主张正确吗？为了解释答案，我需要使用等式，例如：

动能＝0.5mv2

但是，我认识到，对许多读者来说，这样的等式是外国语言，因此，我承诺，我将将这些外国语言放在本书末尾。读过高中数学、物理或化学的读者能够读懂这些章节。本书的主线是让所有读者都能阅读，仅使用加减乘除。这对我们国会成员，民选的和非民选的国会代表非常有帮助。

最后，在我们继续以前，我声明我不了解能源一切。我没有所有答案。我提供的数字是公开的，可以修正。事实上，我希望它们被修正，并将在网上修改。我能确信的是，所有与可再生能源相关问题的答案都与数字有关。本书将阐述这些数字，显示我们应如果处理它们，我希望您喜欢它！

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

本书有关能源消费的第一章，是讨论现代文明的标志，每个人都喜欢的汽车。

一辆小汽车会消耗多少功率？一旦我们知道消耗速率，我们就能通过简单算术计算能量消耗。

每天使用的能量＝每单位燃料能量×每天行驶距离/每单位燃料行驶距离

让我们使用50公里来代表每天行驶的距离。对每单位燃料行驶的距离，对一辆小汽车来说，我们可以使用每英制加仑为33英里（来自汽车广告）：

每英制加仑33英里≈每升12公里。

≈代表约等于。

每单位燃料的能量是多少（或说多少卡，或能量密度）？我们增加一点思考来估算这类数字，虽然可以简单查到。汽车燃料，不管是汽油还是柴油都是碳氢化合物，与我们吃的食物碳水化合物类似，所含热量约每公斤8kWh。将这个数字转换为每单位体积所含能量，我们需要知道燃料密度。黄油密度是多少？我们知道，黄油可以漂浮在水面，它的密度必然小于水，水的密度是每升1公斤。假设黄油密度是每升0.9公斤，我们就能得到：

8kWh/kg×0.9kg/L≈7kWh/L

下面我们使用实际值10kWh/L来估算汽车能量消耗：

每天消耗能量＝每单位燃料能量×每天行驶距离/每单位燃料行驶距离

＝10(kWh/L)×50(km/d)/12(km/L)

≈40kWh/d

恭喜！我们获得了有关能源消费的第一个估计。我将估算结果放在图的左边，代表每人每天消费40kWh。

图3.3 本章结论：典型的英国车主每天开车消耗40kWh能量。

这是一个典型的自驾车人的使用典型车子所消耗能量。后面章节还将考虑不是每个人都驾驶车辆，重新计算英国所有人的平均能耗。在第二部分，讨论消费品是什么时，使用其他技术，如电动汽车如何？

为什么汽车使用每加仑汽油行驶33英里？这些能量去那儿了？我们是否能够制造一辆汽车，每加仑行驶3300英里？如果我们试图减少汽车消耗，我们需要懂得汽车消耗能源的物理原理。这些问题的答案在本书技术章节（254页），这些章节主要讨论汽车消耗能源的技术原理。我鼓励您阅读技术章节，如果等式不会给您带来困惑。

本章结论：一个典型的有汽车的人使用汽车消耗能量，每天是40kWh。下面我们将讨论可再生能源生产方面，我们需要比较它们。

图3.4 英国人上班的主要交通方式，根据2001年统计资料，从上到下分别是自己开车，别人开车带，公共汽车，火车或有轨电车，自行车，步行，在家上班

问题

制造汽车燃料的能量消耗是什么？

好问题，当我们估计某项活动消耗的能量时，我需要首先选择这项活动的边界。这使估计容易一点。我同意，应估算这项活动的所有能量。估算制造单位汽油需要消耗1.4单位石油和一些其他一次能源（Treloar et al., 2004）.

制造汽车的能量消耗是多少？

我们将在第15章讨论。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

4 风能

英国风能资源在欧洲最丰富 ―――可再生发展委员会

风力发电站将会毁坏农村，且毫无意义 ―――James Lovelock

我们能期待风能发电站能生产多少电能？

我们可以估算陆上风能潜在能力。它等于英国人均土地面积乘以单位土地面积所拥有的风能功率：

每人风能功率＝单位面积风能功率×人均面积

第B章解释如何估计英国土地上单位面积的风能功率。如果典型风速是6m/s（＝13英里/小时＝22公里/小时），单位面积风能功率是2W/m2。

图4.1 2006剑桥平均风速，单位 米每秒，每日（红线）和每半小时（蓝线）平均

平均速率6m/s是英国很多地点平均值。例如，上图是剑桥2006年风速分布情况，每天平均风速超过6m/s在一年里不超过30天。在某些地方，风速超过6m/s，例如在苏格兰Cairngorm，风速分布如下：

图4.2 2006前六个约Cairngorm平均风速，单位 米每秒，每日（红线）和每半小时（蓝线）平均

根据英国人口密度：每平方公里250人＝每人4000平方米，我们得到风能可以为每个人产生：

2瓦/平方米×4000平方米/人＝每人8000瓦

假设2瓦/平方米是正确的单位面积风能功率数，将整个英国所有土地都安装风力涡轮，将这个结果转换成我们喜欢的单位，它等于每天每人200千瓦时。

让我们回到现实。安装风力涡轮的土地比例是多少？也许10％？如果我们在英国10％土地上安装风力发电设备，我们将能为每个人产生20千瓦时电能，等于汽车每天形式50公里消耗的化石燃料能量一半。

剑桥风速分布图（左：日平均风速，右：半小时平均风速）

英国陆上风能资源非常巨大，但它明显没有我们巨大的能源消耗巨大。后面我们还会估计海上风能。

我这里解释一下我们是如何得出一个假设。让我们比较这里给出的英国风能资源与时间目前安装的风力发电设备。我们估计英国最终安装的风力发电厂能给每个英国人每天提供20千瓦时电能，这个数字是丹麦已安装设备的50倍，德国7倍，是全世界所有风力发电能力2倍。

不要误解我，我不是说不建风力发电厂。我仅仅是给出一个有益的事实，如果我们想让风力发电发挥作用，我们需要让风力发电厂覆盖非常大面积土地。

这个结论，虽然陆上风力发电贡献巨大，比我们的消费还是小得多，这很重要，因此，我们使用英国实际风力发电厂检查关键假设，单位面积风力发电功率每平方米2瓦。

苏格兰格拉斯格附近Whitelee风力发电厂安装峰值功率为322MW，占地面积是55平方公里。单位面积峰值功率是每平方米6瓦。平均发电功率要小得多，因为风力涡轮很少工作在最大功率点上。平均功率与峰值功率之比叫负荷因子，不同地点负荷因子不同。典型数值是30％。如果我们假设Whitelee风力发电厂平均负荷因子是33％，平均单位面积电能实际功率是每平方米2瓦，恰好等于我们假设的功率密度。

问题：

人们一直在增加风力涡轮直径？大涡轮能改变本章结论吗？

B章会解释。较大风力涡轮主要是通过规模来降低成本，与单位面积发电功率无关，因为大涡轮占用更多土地。但是，增加一倍涡轮高度，会增加30％发电功率。

风能一直在波动，是否说明风能用途较少？

也许是，第26章将讨论。我们将讨论风力发电不连续性，可能的解决方案，包括能源储存和管理。

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5 飞机

考虑你乘飞机做越洋旅行，你会消耗多少能量？

外链图片需谨慎，可能会被源头改

图5.1 一年里，乘坐一次国际航班，等于你在这一年时间里，每天消耗能源30kWh

一架波音747飞机飞行8800英里（等于14200公里），需要240，000升燃料，可以载客416人。燃料热值是每升10千瓦时（参见第三章），因此，该飞机作往返飞行，每个旅客消耗的能量是

2×240 000升×10千瓦时/升/416名旅客＝12000千瓦时/人

如果一年旅行一次，则平均每天消耗能量等于

12000千瓦时/365天≈33千瓦时/天

14200公里比伦敦到南非开普敦距离（10000km）略大，也比伦敦到洛杉机略远（9000km），因此，我们稍微高估了越洋旅行距离，但是，我们将飞机看成是满载，也同样高估了。假设飞机实际载客率是80％，使用10000km代替14200km，我们得到结果是29千瓦时/天，为了方便记忆，我们使用30千瓦时/天。

让我们来看看这是什么意思。坐飞机越洋旅行一次，相当于每年365天，每天24小时使用1千瓦电器。

本书技术部分第C章同样讨论相关技术部分。讨论能量消耗到那儿了？还能回答“如果飞机速度慢一点，是否消耗能量会减少？”答案是不，汽车速度减慢，效率会增加，二飞机效率与速度几乎无关。飞机使用能力主要用于两个方面，其一是让飞机悬浮在空中，同时克服空气阻力前进。从根本上改进飞机效率是不可能的。改善10％？也许可能，改善一倍？这是绝对不可能的。

问题

是否涡轮飞机更有效率？

不，又舒服又绿色的Bombardier Q400下一代飞机，世界上最先进涡轮飞机，按照制造商数据，在飞行速度为667公里/小时下，每100旅客飞行1公里需要3.81升燃料，而波音747飞机是4.2升。因此，两者效率相近，都是运送1个人汽车的2倍。

是否飞行对气候变化带来恶劣影响？

是的，专家观点是这样，虽然还有一些不确定性。飞机飞行不仅增加二氧化碳，而且还增加其他温室其他，如水蒸汽和臭氧，氮氧化物等。如果要估算排放的二氧化碳当量，应在直接计算得到的二氧化碳数据上增加2－3倍。

我们能对环境学家所做的最好的事情是杀死他们 Michael O’Leary Ryanair 首席执行官

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

6 太阳能

我们在估计我们的能量消耗和可能的可再生能源。前面三章，我们发现开车和飞行消耗的能量大于英国陆上风能资源。太阳能能否弥补？

晴天无云情况下，地面中午太阳垂直照射能量约为每平方米1000瓦。为了估算英国陆上太阳能，我们必须做些修正。我们必须考虑地平面倾斜，太阳非垂直入射，使太阳能减少40％。我们还要考虑处于中午时分的太阳时间很短。无云情况下，从3月到9月，平均太阳能强度与中午太阳能强度比约是32％。最后，由于云雾覆盖降低了太阳能。典型英国光照时间仅是白天34％。

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图6.1 春分或秋分中午时，太阳照射到纬度为52度剑桥能量约是赤道60％。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

图6。2英国伦敦和爱丁堡平均太阳能强度与月份关系。年平均强度为100瓦/平方米

上面三个效应加上季节变化和昼夜变化，使英国倾斜的向南屋顶平均太阳能强度是110W/m2，水平地面太阳能强度是100W/m2。

太阳能可以用于四个方面：

1、转换为热能：使用太阳能加热水和建筑物；

2、转换为电能：产生电能的光伏技术；

3、生物质：使用树木、微生物、藻、玉米，大豆，或油麻生产燃料，化学品或建筑材料。它们的能量来自太阳能

4、食物：与生物质相同。

后面章节将介绍适合应用在沙漠中太阳能发电技术。

让我们快速估计这四种转换途径所能得到的最大能量。我们将忽略生产成本，设备制造和维护成本。

太阳热能

最简单的太阳能技术是使用平板制造热水。假设我们将所有面南屋顶覆盖太阳能集热板，平均每人约10m2，假设效率是50％，就是说50％太阳能转换为热水。 我们得到热水能量

50％×10平方米×110瓦/平方米＝550瓦

因此，每人每天可以得到0.55千瓦×24小时＝13千瓦时；

图6.3 屋顶太阳能集热板3平方米产生热水试验，Viridian 太阳能，平均每天获得3.8千瓦时能量。试验模拟欧洲通常家庭每天耗用60度热水100升，使用和产生的能源之间差距是1.5－2千瓦时/天是各种散热产生。

我将这个结果加入到热能生产和消费表中，如图6.4，使用白色代表热水能量，其品质最低，价值比电能差，热能不能通过电网输出。如果您不使用它，它只能被浪费。我们要记住，这种热能常常不在正确的位置。在城市，人口密集，每个居民拥有的屋顶面积低于平均，此外，太阳能热水在一年里很不均匀，随季节发生变化。

光伏发电

光伏电池板能将太阳光转换为电。典型的太阳能电池板效率是10％。非常贵的效率达到20％。物理基本原理限制了使用完美聚光器光伏电池效率是60％，没有聚光的是45％。在南面屋顶使用效率20％光伏电池可以获得

20％×110W/m2＝22W/m2

图6.5 太阳能光伏发电试验：2006年Cambridgeshire25平方米电池板发电数据，峰值功率是4kW，按照年平均每天发电12kWh，相当于每平方米20W

图6.5试验数据支持这个结果。下面我们假设每人拥有10平方米效率20％太阳能光伏电池板，安装在南面屋顶。它们将每天产生 5千瓦时。

由于每人使用面南屋顶10平方米，我们就没有空间同时放置光伏电池和太阳能集热板。我们不得不选择是使用光伏还是光热获得能量。这里我们先不管这个问题。顺便提及，目前安装光伏电池得费用是集热板4倍，而获得能量仅是一半，但是获得的是品质高电能。这里我建议首先选择安装太阳能集热板。聪明的方法也许是通过简单安装同时得到电和热水系统。Heliodynamics首先提出了这个方法，使用平面镜阵列，将光学聚焦到小面积砷化镓太阳能电池上，同时使用水冷却，从而同时获得热水和电。

结论是，将您的屋顶覆盖太阳能电池能够提供部分您消耗的电能。但是，这两者之间还有巨大差距。我们需要继续寻找办法。图6.6显示两个太阳能战士的方法。

图6.6 两个太阳能战士使用120个电池板，每个2.2平方米，300W，总面积268平方米，输出峰值功率是30.5kW，平均输出功率是5kW，在美国加州Santa Cruz附近，由Kenneth Adelman友情提供。

太阳能工厂

如果太阳能技术有突破性进展，同时成本大幅度下降，我们在整个国家安装光伏电池板，我们能获得多少能量？假设使用10％效率电池，使用5％英国土地，则每个人每天获得：

10％×100W/m2×5%×4000m2/人×24小时/天≈50kWh/天/人

这里假设10％效率，因为必须大规模制造低成本电池板。太阳能电池板发电密度是10％×100W/m2=10W/m2，这个密度是Bavaria 太阳能公园两倍（图6。7）。

图6.7 德国巴伐利亚Muhlhausen太阳能公园安装6.3MW电池板，平均单位土地太阳能功率是5W/m2，照片由Sunpower提供。

是否让风力发电设备与太阳能电池板同时存在？是的，没有问题，风力涡轮会有一点阴影。地面太阳能电池板对风力涡轮影响可以忽略。这个方案非常大胆，让这个系统为每个英国人每天提供50kWh，需要电池板是全世界现有量100倍。我是否应当将其加入到能源消耗和供应表中？有两种主意。本书开头，我说要使用物理原理探索可再生能源极限，不考虑成本。基于这些，我应当考虑将乡村工业化，将所有太阳能发电厂加入到表中。同时，我想帮助人们认清从现在开始到2050年，我们需要做什么。今天，太阳能电池板生产的电成本是市场价格的4倍。我感到一点不负责任。在英国5％国土上安装太阳能电池板受很多因素限制，显得不太可能。如果我们认真考虑这件事，我们应当将电池板放在太阳能丰富地区，通过线路输送，有些国家和地区太阳能密度是英国两倍以上。我们在第25章讨论。

图6.8 英国人均土地用途

图6.9 光伏电池对能源的贡献，假设10平米电池板，效率20%，每天产生5kWh电

神话

制造太阳能电池板消耗能量大于其生产的。

错误，在中欧，安装在屋顶联网的太阳能电池板，在20年生命周期内，能量产率（什么周期内产生的能量与生产电池系统消耗能量之比）是4，在太阳能丰富的澳大利亚，产率大于7，从能源角度来看，产率大于1都是好事。寿命20年的风力涡轮的能量产率是80。

通过改进技术，光伏电池效率是否会提高？

我认为光伏电池价格会下降；我也相信光伏电池生产能耗会逐步下降。但是，本章不关心生产成本和制造能耗。本章关心的是我们能获得多少太阳能。20％效率电池板已经接近理论上限。本章估计结果不需要做较大修改，因为未来不会在效率上有所突破。

生物质能

突然，我们能源产业要依靠农场生长的草。将其收割，转换为能量，这是即将发生的事情。

乔治 布什，2006年2月

图6.10 Emily博士种植的芒草 英国种植芒草的能力密度可达到0.75W/平米 伊利诺伊大学提供图片

生物质能解决方案包括绿色植物生长，然后将其转化。我们能从植物中获得多少能量？有四种转换方法获得来源于太阳的植物能量。

1、 我们养殖某种植物，然后在火电厂燃烧发电或/和产生热。我们称之为煤取代。

2、 养殖特定植物，如油菜，甘蔗，玉米，将其转化为究竟，生物油等，可以用于驱动汽车，火车，飞机或生产化学品。或培养细菌，蓝藻或其他藻类，直接生产氢气、酒精、丁醇甚至电。我们称这种方法叫“替代石油”。

3、 我们使用其他农业副产品，燃烧发电。如作物秸秆等。这也是取代煤。焚烧农业副产物不占用土地生产生物质，但是产生的能量少于专门农场。燃烧来自填埋厂产生的甲烷也能获得能源，但是不能持久。填埋厂甲烷来自废弃的食物，每个英国人每天扔掉300克食物。焚烧家庭垃圾有时一种从生物质中获得太阳能。

4、 将植物作食物，供应人类或牲畜。

在这些方法中，首先是将太阳能储存到植物分子中，如糖。我们来估算这个阶段能获得多少能量。所有其他步骤，包括拖拉机收割、动物吸收、化学转化，填埋厂转化或发电都损失能量。因此，第一步限制了这个方案的上限。

我们先简单估算这个阶段获得能量，前面各章我们会估算每个过程最大贡献。英国太阳能平均能量是100W/m2。欧洲最有效率的植物将太阳能转化为糖的效率是2％，因此，我们得到2W/m2生物质能。这是特定季节最佳结果，按照一年平均，这个效率还会大幅度下降，在欧洲，能源植物最好结果是0.5W/m2。让我们让英国土地75％覆盖绿色植物。每个人可以获得3000m2上生物质能。这等于英国农业用地。每个人能够获得的生物质最大能量为：

0.5W/m2×3000m2/person×24hour/day=36kWh/d/person

喔，那并不多，考虑到我们刚刚所作的不可能发生的假设，以获得一个较大数字。 如果您想利用植物为汽车或飞机生产燃料，还有增加从农产到火花塞之间很多没有效率的步骤。我认为应通过优化，让整个过程带来的损失小于33％。即使焚烧植物生产热能也会损失20％能量。因此，实际从生物质中获得能量或生物燃料不会超过24kWh/d/person。不要忘记，我们还要使用植物为人类和动物生产食品。

我们是否能根据将太阳能高效转化为化学能。我们可以想象，但是，到目前为止，在欧洲，预测净能量产率不超过1W/m2。

我在表中加入24kWh/人/天到生产栏中，我强调这个数字高估了，由于农场和加工处理过程中会消耗很多能量，实际最大值比这个小得多。

图6.11 不同植物生产的能源，单位面积上的生产的能量。严重依赖灌溉条件，施肥情况等，木材产能是0.095-0.254W/平米，底部三个是生长在热带

本章结论：生物燃料在英格兰这样国家不能取代汽车燃料。即使不考虑它们同食物生产竞争土地，由于生产或转化过程中能耗，它们所能提供的净能量很少。我认为讨论它们没有多少价值。

图6.12 太阳能生物质能量贡献

图6.13 英国剑桥太阳能情况 纵坐标是晴天时数与白天时数之比

图6.14 生物质能的净能量

图6.16 各国太阳能资源情况

图6.17 Shockley 和Queisser解释光伏电池理论效率31%

图6.18 市场销售太阳能光伏电池效率情况

图6.19 Heliodynamics 聚光太阳能发电技术

使用反射聚光镜加热液体介质，得到中温热能80W/平米，用于发电，得到电能12W/平米，成本低廉。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)

7 取暖和制冷

本章将研究我们在控制家庭或办公室温度方面消耗的能量，还包括加热或冷冻食物、饮料、衣服和碗碟等。

民用热水

家庭使用热水主要包括洗浴、淋浴、洗碗和洗衣服，与个人生活方式有关。我们来估算一下洗澡需要的能量。

澡盆的体积约50cm×15cm×150cm＝110升。假设温度是50℃，房间温度是10℃，水的热容量是4200J/L/℃，因此，加热水升温40℃消耗能量是：

4200J/L/℃×110L×40℃≈18MJ=5kWh

因此，洗一次这样的澡，需要消耗能量5kWh，而洗一次淋浴，需要用水30L，消耗能量1.4kWh。

图7.2 洗澡用的热水

电水壶和电热炉

英国作为现代文明国家，使用230V民用电。我们可以使用电热壶加热水，功率是3kW，有些国家使用110V电压，加热需要两倍时间。

这里假设一个家庭有2人，每天使用电水壶加热20分钟，平均消耗能量1kWh。电炒锅功率与烤面包器相同，都是1kW，电功率较大的电热板是2.3kW。如果每天使用电炒锅1小时，消耗能量是1kWh。

微波炉的功率标注在前面板上，例如900W，但实际消耗功率是1.4kW。如果你每天使用20分钟，消耗能量是每天0.5kWh。

通常烤箱功率是3kW。如果您每天使用半小时，能耗是每天1.5kWh。

通常烤箱功率是3kW。如果您每天使用半小时，能耗是每天1.5kWh。

设备 功率(kW) 每天使用时间 h/d 每天消耗能量 kWh/d

烹饪

电水壶 3 1/3 1

微波炉 1.4 1/3 0.5

电炒锅 3.3 1/2 1.6

电烤箱 3 1/2 1.5

清洗

洗衣机 2.5 1

烘干机 2.5 0.8 2

碗橱烘干机 0.5

洗碗烘干机 0

洗碗机 2.5 1.5

制冷

电冰箱 0.02 24 0.5

冰柜 0.09 24 2.3

空调 0.6 1 0.6

烘干衣服和碗碟

洗衣机、洗碗机和转筒式干燥机的功率都是2.5kW。洗衣机需要使用80L水，如果设置温度是40℃，约需要1kWh能量加热。如果使用家用热空气烘干机，需要消耗能量1.5kWh

根据以上估算，总计每人需要消耗12kWh能量用于热水。

家庭和办公室取暖

是否需要更多功率用于建筑物取暖？估算每天用于取暖的方法是假设使用人们熟悉的电取暖器，功率是1kW，冬天每个人都需要一个电取暖器，每天消耗24kWh，但是夏天不需要。因此，平均估算，每个人每天需要消耗12kWh能量用于取暖。但大多数人需要更多能量，用于同时保持数个房间温度，如厨房、客厅、走廊和浴室等。因此，可能消耗的能量是这个数字2倍：每人24kWh。

对应技术部分第E章包括更详细的建筑物取暖能耗清单，还包括如何关闭空调、使用双层玻璃等节省能量方法。

室外取暖和其他奢侈消费

现在有一个趋势是在室外使用天井加热器，功率是15kW。如果每天使用2小时，就会每天消耗30kWh。

还有一个消费是使用电热毯，功率是140W，使用一小时，消耗0.14kWh。

制冷

电冰箱

我们不仅使用热水和热空气控制我们周围环境，而且使用电冰箱。平均功率18W，每天消耗0.5kWh。

空调

一些国家气温超过30度，空调是必不可少的，消耗的能量也非常大。本书主要讨论英国能耗，在制冷空调方面消耗能量很少，如下图

图7.8 英国剑桥2006年气温，摄氏度，红色是日平均，蓝色是半小时平均

使用空气源热泵比较经济。窗式电空调功率式0.6kW，制冷功率是2.6kW。假设每天使用12小时，每年使用30天。平均计算，每天消耗能量是0.6kWh。

本章估计制冷能耗为每人每天1kWh，包括空调和冰箱。此外，食品运输过程中，常常需要冷冻，我在第15章估算其能耗。

图7.10 1993－2005年我家累计天然气消耗 ，单位是1000kWh，线上数字是每天消耗数据，单位kWh/天

取暖和制冷合计

粗略估计，每个人每天用于家庭、工作和烹饪等方面制热和制冷方面能耗是37kWh（12热水，24热空气，1制冷）。

上述估计与实际比较相符，或者稍低。例如，我家12年消耗的天然气，平均到每天是40kWh。我认为，我是一个相等节俭的人，虽然不太关注能量消耗。第21章将阐述我主意到能耗时，削减了多少能量。

因为制热是能耗的主要部分，我们来比较一些国家统计资料。2000年平均家庭用于空间加热、热水、烹饪能耗是每天每人21千瓦时。在服务中心是8.5千瓦时。在工作场所，剑桥大学在2006－2007年间是每个人16kWh。总计是21＋85+16≈45kWh/d/person。这个结果与我们的估算相近。

图7.11 加热和冷却能耗为37kWh/天，加入到能源消费和供应清单

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8 水力发电

水力发电要求有降雨和海拔高度。我们来估计降雨所具有的能量。

为了预测水力发电能量，我将英国分成两部分，海拔较高的高地和海拔较低的低地。这里选择Bedford和Kinlochewe作为代表

先看低地Bedford，为了估计单位面积雨水能量，我们将雨量（584毫米/年）乘以水的密度（1000公斤/立方米），重力加速度（10m/s2）和典型海拔高度（100米），得到结果是0.02W/m2（还要除以365天和86400秒）。这是低地地区雨水能量。我们乘以每个人平均拥有土地面积2700m2，估计得到水力发电最多为每个人每天提高1kWh能量。这是理论上限，假定每个河流都筑坝，每滴降雨都收集利用。实际上，我们主要在落差较大河流上筑坝，流域面积远比国土面积小，还有很多水蒸发，没有一个水轮机能完全转化水力能。因此，我们的结果是高限。即使很多人喜欢水力发电，在小型河流上安装发电机，我们也不可能超过每人每天1kWh。

图8。1 威尔士Nant－y－Moch水坝， 图中是英国两个代表性地区

水力发电功率55MW

图8、2 英国高度与土地面积

下面估算高地部分。Kinlochewe雨量充沛，每年降雨2278毫米，四倍Bedford。海拔高度约300米，因此，相当于低地12倍，单位面积能量是0.24W/m2。英国人均高地面积是1300平方米，我们发现上限是每人每天7千瓦时。假设没有蒸发，收集了每一滴雨水。

实际结果是多少？我们猜测是20％，约每人每天1.5千瓦时。

图8、3 水力发电

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9 灯

家庭和办公室照明

家庭最亮的灯泡是250瓦。床头使用40瓦。老式白炽灯将大部分电能变成的了热，而不是光。荧光灯使用白炽灯四分之一电能，就能发出同样亮度光。普通人在照明时，使用了多少能量？我初步估计见表9.2，典型的2人家庭，使用的能量，人均是2.7到5.5kWh/天。我假设每人在办公室与他的同时分享，使用类似的照明，每人煤炭1.3kWh。我们得到每人每天4kWh。

表9.2 家庭照明电耗，总是可能达到每家每天5.5kWh，办公室类似，总量达到每人每天4kWh

装置 功率 每天使用时间 每天每家能耗

10个白炽灯 1kW 5小时 5kWh

10个节能能 0.1kW 5小时 0.5kWh

图9.1 照明能耗4kWh/天，加入到能源消费和供应清单

街道灯光和交通灯光

我们是否也应该将公共灯光也加上，从而得多精确估计？或者家庭和办公室照明能耗是主要的？街灯能耗平均到每人每天是0.1kWh。交通是0.005kWh。两者都不那么准确。还有其它公共设施？例如，发光信号灯。很少有能与街灯相比的，我们就不在修改结果了。

家庭灯光

有些国家要求，不管车子是否移动，必须打开灯光。与可以关灯相比，这个政策会增加多少电耗？假设车灯4个，功率是100W。假设25%发电机效率，发电机效率55%，总能耗是730W。与此相比，典型的车子速度是50km/h，每12公里消耗1升汽油，平均功率42000W，因此，灯光造成的能耗增加是2%。

未来电动汽车如何，电能汽车能耗是5000W，增加100W照明，同样增加2%能耗。如果我们改用发光二极管灯，能耗会减小很多。如果我们关注这个题目，我们就陷入了关注小事。

节能灯经济性

通常我避免讨论经济问题。但对灯是个例外。Osram 20瓦节能灯号称发光强度等于100W白炽灯，寿命据说等于15000小时（或12年每天3小时）。典型的白炽灯寿命是1000小时。在寿命12年内，你可以使用一个节能灯（费用是30英镑），或使用15个白炽灯（费用是150英镑）。

我是否应在白炽灯坏了之前就换一个？

这似乎是浪费，不是吗？人们投下资源制造了老式白炽灯，我们买下了它，难道不应该用完？但是，经济分析表明，继续使用老式白炽灯是浪费，你可以用节能灯来替代它。

水银灯如何？发光二极管灯比荧光灯如何？

研究者说发光二极管灯效率将在不久以后超过荧光灯。测量灯光效率的单位是流明/瓦，飞利浦Genie 11瓦荧光灯亮度是600流明，每瓦是55流明，通常白炽灯是每瓦10流明。Omicron二极管灯功率1.3W，20个组成的灯，每个亮度是46，每瓦是35流明。因此，二极管灯效率快赶上荧光灯了。在我写作是，我看到www.cree.com正在小时每瓦100流明的二极管灯。预计未来发光效率可以达到150W/流明。我希望今后几年，从能量效率和避免汞污染，最好使用二极管发光灯。

图9.3 发光二极管灯比荧光灯

错误概念

没有必要转向节能能，浪费的能量都变成热能，加热房间，所以没有浪费。

表9.5 商业灯的照明效率，未来预计二极管灯可达到 150 流明/瓦

灯类型 效率(流明/瓦)

白炽灯 10

卤灯 16－24

二极管发光灯 35

小荧光灯 55

大荧光灯 94

街灯钠灯 150

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10 海上风能

伦敦海水发电厂将对英国可再生能源目标作出关键贡献

James Smith， 英国壳牌公司主席

电能是至关重要的日用品，而风能工业生产电还能提供工作机会

David J.White

图10.1 Kentish 海上风电站，叶轮直径90米，安装高度70米，每个重500吨，功率3MW。

海上比陆上风更大，更稳定。因此，海上风力发电，单位面积功率比陆上更多。

Thames湾kentish Flats风力发电厂，离Whitstabel和Herne湾8.5公里，2005年末运行，平均功率密度是3.2瓦/平方米，2006年实际平均功率是2.6瓦/平方米。

我们假设海上风力发电单位面积功率密度是3瓦/平方米，比陆上功率密度2瓦/平方米大50％，是比较恰当的。我们可以来估算海水发电。通常将海水风力发电分为浅海发电和深海发电。通常浅海发电，深度低于25－30米，成本是陆上发电2倍，经济上可行，收益中等，而深海发电成本高，目前基本上还不可行。2008年仅有一个深海风力发电平台，是一个试验性发电设备，在石油钻井平台Beatrice附近。

浅海

在英国周围，浅海面积约40000平方公里。大多数在英格兰和威尔士附近。这个面积相当于两个威尔士。根据平均功率密度估计，总功率为120GW，等于每天每人48千瓦时。但是，这样安装会导致水上运输困难。海上运输需要的水道，渔业海域等占用部分地区，我假设可能的海域是1/3，这是一个比较乐观的估计，参加附录。我们得到最大能量是每人每天提供16kWh。这里需要占用三分之二个威尔士地区的面积。

图10、2 英国周围深度低于25米（黄色）和低于50米（紫色）海洋分布

来自可再生海上资源分布图 DTI。

英国海岸线长度约3000km，我们需要饶海岸线平均宽度4公里带安装风力发电机，总面积13000平方公里。美国风力发电机功率是3MW，需要安装44000个，每公里海岸线需要安装15个。

由于海水腐蚀作用，海风太强烈，在Danish风力发电厂，每18个月，所有80个风力发电设备就需要撤除维修。Kentish 电厂的变速箱也发生同样问题，在最初18个月，有1/3需要维修。

深海

海水深度在25－50米海域面积是80000平方公里，等于苏格兰面积。假设功率密度是3瓦/平方米，深海风力发电总功率240GW，如果全部安装，将为每人每天提供96千瓦时。同样我们必须为海上运输提供通道，我们同样使用1/3区域，比威尔士大30％，有些离岸50公里。如果我们在沿岸9公里宽区域安装风力发电机，我们就能为每个人每天提供32kWh电能。虽然很多，却比我们巨大消费低得多。这里我们还没有讨论风能的不连续性。我们将在第26章讨论它。我将深海风力发电也包括在表中，这里需要重复前面提到的问题，深海风力发电成本太高。

图10.3 海上风能贡献

一些比较和成本

到目前为止，我们的能源供应和消耗之间的比赛如何？将深海和浅海风力发电加上以后，我们的能源供应领先了。但是，我们应该主意到，我们在消费方面的增加是很容易的，但是，在生产和供应方面的增长很困难。我在写作时，虽然感到很冷，我还是关闭空调。对我来说，增加消费30kWh是很容易的，但是，从可再生能源生产中，给每人每天增加30kWh是非常困难的，需要对非常大面积的环境进行工业化。

为了在海上增加风力发电，使每个英国人每天增加48kWh，需要6千万吨钢筋和混凝土，每人1吨。世界钢总产量是每年12亿吨，等于世界每人每年只生产0.2吨。第二次世界大战期间，美国共生产2751艘战船，每个需要钢7000吨，总共需要1900万吨，相当于每个美国人0.1吨。因此，减少6000万吨风力发电设备，不是一件容易的事情。建设大量风力发电设备同二战时美国建造众多战舰一样困难。

作为比较，建造核能电厂，同样为每个英国 人每天提供48kWh电力，需要800万吨钢，14万吨混凝土。我们还可以比较6000万吨风力发电机与化石燃料生产设备，如北海油田。1997年，安装200个设施，7000公里管线，总共使用8百万吨钢和混凝土。新建从挪威到英国的天然气管线，功率25GW，使用1百万吨钢和1百万吨混凝土，可为每个英国人每天提供10kWh能量。

2007年12月19日，英国政府宣布批准一项海上风力发电发电项目，峰功率是33GW，平均功率约10GW，可为每个英国人每天提供4.4kWh。风力发电界人士说是天上掉下的馅饼，我们来讨论一下。这等于我们前面讨论的浅海风力发电所有能力的1/4，为了建成这个系统，需要1万个3MW风力发电机，实际发电能力是1MW。这里3MW是峰值发电能力。

这33GW需要建造成本多少？90MWKentish Flats风力发电厂建造投资是1.05亿英镑，换算下来，是330亿英镑。摊到每个英国人头上是550英镑。这比在房顶上建造小型风力发电设备，给每个人每天提供1.6kwh，需要投资1500英镑要好。 而且实际屋顶上小型发电机发电能量还要低。

建造海上风力发电机，另外一个瓶颈是需要特制船。为了在10年内，竖起1万个风力发电机，我们需要50个起重驳船。每个需要耗资6000万英镑。因此，我们需要增加投资30亿英镑。我们需要预先计划，从而能够及时建造这些船。

图10.4 海上石油平台 Magnus， 2000年生产380万吨石油，等于功率5MW， 重71000吨，价值11亿英镑

影响鸟类带来的成本

风力发电机会杀死鸟吗？最近挪威人反对风力发电。在smola岛，风力发电机杀死9只10个月大白色尾巴的鹰。我同意国际鸟类协会对稀有鸟类的关心，但是，我认为，我们应搞清楚数字。据估计，在丹麦，风力发电机每年杀死3万个鸟，生产了9％电力。恐怖，我们应禁止风力发电！但是，我们要知道，每个在丹麦，交通杀死100万只鸟。是风力发电30倍以上。那我们应30倍禁止汽车。在英国，每年被猫杀死的鸟是5500万。

图10.6 不同行为杀死的鸟类数目

从感情出发，我应当住在一个没有汽车，没有风力发电，有很多猫和鸟的国家（猫会捕食鸟，而鹰会捕食猫），但我希望，我们的每项决定，是经过理学思考，而不是感情冲动。也许我们需要风力发电机。

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11 小电器

2000年以来，英国广播电台警告我们，我们最大的危险是电话充电器。

“几年后，我们将关闭核电站，我们如何保持我们的电力供应？….我们应在不使用时，拔下移动电话充电器”。

但是，一年以后，英国还没有得到消息，英国广播电台有报告：英国能源浪费名列前茅。这个结论是怎么来的？英国广播电台说“65％英国消费者没有拔下充电器”。从记者报道来看，这些小东西，对地球毁灭产生了影响，我们应当确定，其毁灭影响到底有多大？

本章我们将讨论这些充电器。我们也将讨论其他小电器，包括计算机，电话，电视机，数字机顶盒等，调制解调器。估算它们的能耗，但不包括生产制造能耗，我们将在原料一章讨论制造能耗。

关于充电器的真相

现代电话充电器，当我们将它插在电源上，不用来充电时，功率仅半W，每天仅消耗能量0.01kWh。通常每个人每天消耗能量超过100kWh，因此，英国广播电台的劝告，将其拔下，不过减少每人每天能量消耗的0.01%，

多么小的贡献！

我不这样认为，关闭手机充电器的作用就向用茶匙在泰坦尼克号舀水。关上充电器，但是，请记住，这仅是一个姿态。我来告诉大家：

关闭充电器一天节约的能量只够汽车使用一秒种。

关闭充电器一年节约的能量只够洗一次热水澡。

当然，有些老充电器功率半瓦。使用1瓦或3瓦可以让人感觉到温暖。3瓦充电器使用一天，消耗0.07kWh。及时关闭它，一年可以介绍3英镑。这是一个好主意，但是，不要欺骗您自己，您这样做，就完成了自己的工作，3W是非常小的能量消耗。我们不再讨论使用茶匙为泰坦尼克号排水，下面我们看看其他耗能电器。

其他耗能小电器

表11.4是家用小电器能耗。第一列是机器正在使用时能耗，例如，音响系统正在放音乐。第二列是机器打开，但是没有使用。我很震惊，激光打印机打开不使用的能耗是17W，与冰箱平均能耗相同。第三列是机器处于待机状态，第四列是机器切断电源时能耗。但是，机器内部还有一些设备，仍然消耗能量。单位都是W，换算到通常我们熟悉的能耗单位是每40W等于1kWh/d。假设每度电价格是0.1磅/kWh，则一年的电费约1英镑。

最大消耗是计算机、显示器和电视机，每个使用时都是上百瓦。一些计算机外围设备，如立体声播放机和数字激光放映机，功率在100W。一个数字激光放映机仅值20英镑，但是，你一直开着，每年将花费10英镑。立体声放大器或计算机外网设备关机后功率消耗还有几瓦。拔下插头，以确保真正关上小电器。

信息时代隐藏能耗

根据Jonathan Koomey（2007）资料，美国数字中心计算机服务器及其相关设备，如空调、后备电源等消耗能量平均下来，等于每人每天0.4kWh，超过了美国1%能耗。这是2005年结果，是2000年2倍。因为服务器数量从560万增长到1千万个。

表11.4 各种电器不同状态下能耗

(抱歉出处表输入很费时间，参见：http://blog.sina.com.cn/s/blog_59adfee00100l34d.html）

其他电器

一周使用几小时吸尘器，将等于每天0.2wWh。使用割草机修剪草坪，约0.6kWh。

总结：小电器能耗与你使用的电器数量有关。但是，如果一直让小电器通电，能耗很容易超过5kWh/d。

荒唐观点

冬天我打开等、电视、手机充电器，浪费能量将加热我的房间。所以，不浪费。 这仅对部分人的冬天有效，大多数时候不是这样。

如果你使用电取暖器，它们的效果与您的加热系统相同。但是，如果您改变了这种取暖方式，因为电是高品质能源，将电转变成热是一种浪费。准确地说，如果您将一单位电转变成一单位热，这是浪费。使用空气热泵或地热泵，可以得到更多能量，通常一单位电可以获得3－4单位热。它们类似制冷冰箱逆过程，将热能从室外空气中打到室内（见第21章）。

还有一些使用化石燃料或生物燃料获得热能。避免使用电器中废弃能量作为热源是好主意。虽然燃烧燃料一样消耗能源。在家直接燃烧燃料取暖更好。燃料发电，只能转化部分燃料能量为电能，还有一部分能量在冷却塔上走了，电运输途中还要流失约8％能量，在家使用燃烧化石燃料为热，可以得到更多能量。

图 小电器消耗的能量

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12 波浪能

如果波浪能能给某些国家带来希望，则必然给英国和爱尔兰带来希望。它们处在大西洋东侧和北海西侧。

波浪能的来源：太阳产生风，风产生波浪.

图12.1 波浪发电设备，来自 www.pelamiswave.com

图12.2 波浪发电的贡献

太阳光照射到地球上，大多数给海洋加热。海洋温度升高，使海洋上空空气加热，同时产生水蒸汽。热空气上升后，在高空冷却，下沉。这个由太阳驱动的空气运动就是风。风是太阳能二次能源。当风吹过水面，就产生波浪。波浪也是太阳能次生能源。

在开阔水面，无论何时，风速大于0.5m/s，都会产生波浪。波浪向前推进的速度和方向与风相同。波长（两个波峰之间距离）和周期与风速有关。风吹时间越长，波浪范围越大，波浪越高。由于大西洋的波浪是从西向东为主。我们主要分析大西洋波浪资源。

风停以后，波浪还会持续几天。海上风向经常变化，产生的波浪方向也经常变化。 如果波浪向前推进时，遭遇一排沙岛，会吸收波浪能量，则小岛后面波浪就会消失。因此，不管在单位面积上有多少太阳能转移给波浪，波浪都会将能量传递给一定长度海岸线。你可以尝试使用能够吸收能量的设备来收集波浪能量。

我们可以估算波浪能量，它是单位长度海岸线能收集的能量与长度乘积。这里省略波浪能量是如何收集的。

测量得到结果是每米长度波浪冲击的海岸线能量是40kW。这听起来很多。如果每个人拥有1米海岸线，我们就有了40kW，可以覆盖所有现代个人设备的能耗。但是，我们人口太多了，我们没有足够多面向大西洋的海岸线。见前面英国地图，英国总共只有面向大西洋海岸线1000公里，分给每个人只有1/60m。因此，每个人每天仅能得到16kWh。如果我们能收集所有波浪能量，海边就会平静得如池塘。实际系统不可能收集所有能量，部分能量必然在转化过程中丢失。让我们假设实际效率只有50％，我们在面向大西洋500公里海岸安装设备，则我们实际只能得到25％的理论数据，就是每人每天4千瓦时。这个假设，同样是很不现实的。

这个结果与现实技术数据比较如何？现在有3个机器在工作。苏格兰制造，安装在葡萄牙。没有实测数据，但是，制造者预测，总长2km，包括40节蛇形设备，每米获得能量是6kW。将这个结果带入500公里厂波浪发电，得到每人每天1.2kWh。虽然波浪能在偏僻小岛上有很大用途，但是，对英国可再生能源的贡献不可能很大。

一节最大发电能力为750kW波浪发电设备，重700吨，由钢制造，包括350吨压舱物。相当于每峰瓦500公斤钢。与海上风力设备相比：海上风力发电设备功率3MW，重500吨，包括基础。重量与功率比是每千瓦170公斤。该波浪发电设备是第一个原型。今后，随着技术的改进，会降低重量功率比。

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