《电子技术应用》

未来能源依赖储能突破

2017/4/21 13:14:00

  我们一向热衷于从物质层面讨论能源的发展和变迁,这当然无可厚非,毕竟大多数时候能源首先是作为一类物质而存在。但当我们把眼光逡巡在“水面”之下,试图找出能源发展的深层动因和内在规律时,似乎可以发现一些隐秘的“暗线”在不羁地波动,它们既指向能源发展的本质,也彰显着人类文明进程中某些微妙而深远的规律。

  从信息储存到能量储存

  人类逐渐区隔于动物界,最关键的在于大脑的进化。得到普遍认可的理论认为,某次偶然的基因突变,改变了人类祖先大脑内部的连接方式,让他们以前所未有的方式来思考与沟通。当时,人类的大脑只占身体总重的2%~3%,但在身体休息时大脑的能量消耗却占了25%,其他猿类在同样状态下的大脑能量消耗只占8%。造成这种差异的原因只有一点,那就是人类大脑储存了更多的信息,大脑储存能力得到了极大的拓展。这种信息储存能力与认知能力相互促进,最终使人类在成为地球主宰者的路上走得更快。

  借助于发达的大脑,人类社会后来出现了图画与文字,出现了印刷术、光盘、优盘甚至云端,整个人类进化史,也是一部人类信息活动的演进史。信息积累和传播的效率越来越高,是人类文明进步的基础,可以说,文化和科技的飞速发展都缘于信息储存能力的提升。

  信息储存带来了文学、艺术和科技的发展,而人类所发明的花样繁多的食物储存技术,则让其有效地增强了体质,延长了寿命,拓展了活动范围。动物驯化、粮食种植、肉食加工保存、酿酒、罐头等等,都是对食物的储存方式。储存食物的能力让人类免于饥饿、便于迁徙;而随着储存时间不断被延长,使人类终于突破了地域限制,走向了地球的每一个角落。

  在物质和信息储存推动文明进步之时,作为人类能量的主要来源,能源的发展也不自外于这一规律。从能源发展进程中,我们可以合乎逻辑地发现,能源演进就是能量储存不断改进的过程,遵循着从低密度到高密度、从分散到集中的趋势。储存能力的增强、效率的提高,在不断改变着人类利用能源的方式,也有力地保障了产业发展与科技进步。

  从钻木取火开始,人类开始使用薪柴这样的初级能源,这一最易获得的生物质能,支撑了人类数千甚至数万年的发展。此外,人类学会了使用风力和水力,并驯化了动物以获得畜力,这些机械能成为人类自身力量的延伸。到后来,化石能源的大规模使用,在能源发展史上具有显著的意义。化石能源可以集中储存和运输,大大减少了搜集薪柴所耗费的人力成本,提升了能源获取的便捷程度。从薪柴到煤炭再到石油,人类使用的主导性化石能源的能量密度不断增加,成为了技术快速进步的最大动力源,煤炭和石油分别催生了第一次工业革命和第二次工业革命,彻底地改造了世界经济政治结构。

  当煤炭在能源舞台上逐渐黯淡,石油也因“峰值论”的破产而走下神坛,人类又把目光投向了天然气,认为它是向未来能源体系过渡的最佳桥梁,也将是清洁能源大行其道之前“碳家族”的最后辉煌。与此同时,人类对能量密度最高的核能也寄予厚望,在核裂变与核聚变领域的孜孜努力从来没有停止过。

  未来能源依赖储能突破

  随着低碳趋势进入不可逆转的轨道、清洁能源的快速发展,我们有理由相信,未来的能源结构是多元化的,多种能源形态将并存。而风、光、水等能量来源是离散分布的,这让人不禁疑惑:能源发展是否将背离从分散到集中、从低密度到高密度这一规律呢?理解这一问题的关键,在于储能技术。储能技术可以把分布式能源进行聚集式储存,如此,即便能源生产是离散的,能源的使用依然是集中式和高密度的。

  储能并非多么新鲜的事物,机械能、热能、化学能、电能、核能等主要类型的能量,都能储存在一些普通种类的能量形式中,但储能技术能够应用于从煤炭到风能任何形式的能源供应,也能够设置于从交通到供暖的任何用途当中。借助于能源储存技术,我们可以在最经济的状态下生产能源,可以在任何需要的时候使用能源,供需之间无需实时匹配,从而提高了能效。伦敦大学国王学院政策研究所主席尼克˙巴特勒曾经说过:“在改变能源业的技术当中,可能没有哪一项比能源存储更重要的了。在应用规模足够大的情况下,这项技术能够为那些勉强维生的人提供光和热,并从根本上改变世界的能源结构。”

  但储能技术发展过程中遇到了两个问题:第一,技术进步对能源体系的改变,必然受到现有能源输配体系的制约,应该如何应对;第二,能源存储技术要具备经济可行性,是否真的一定需要取得爆炸式的突破?

  前者的解决方案在于,将能源储存机制融入现有输配系统,使能源生产与使用得到更好的协同管理。关于后者,我们则要认识到技术进步的渐进性。能源储存的核心技术已经为人所知,也正在取得进展,一些技术已经拥有了商业竞争力,就像笔者写作所使用的笔记本电脑,其续航时间要比十年前有了极大的改进,我们可以乐观地预见,在燃料电池、电网端储能、能源管理系统等领域未来都将出现一些具有革命性改变的新技术,但爆炸性突破并非是必不可少的。

  关键的一点是,我们在不断取得进步。能源储存的进化是能源发展的内在规律,从历史深处获得的信息是,人类的发展是储存能力提升的过程,人脑、信息、食物、能源,都在这一轨道上运行。这是历史进程中的偶然吗?我们有理由如黑格尔所说的那样相信,世界运转自有其逻辑,使不同领域出现偶合现象。对于这种规律,人类的任务是发现它、遵循它、适应它。具体而言,能源储存的进化是能源发展的内在规律,作为能量密度最大的核能,在安全技术得到保障的前提下,将是未来的宠儿;而储能技术的发展,将使构想当中以电为基础平台的能源结构成为现实,届时人类将进入一个全新的电能时代。(文˙胡森林 作者系中国人民大学国际能源战略研究中心研究员)


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