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重新发明“火”——中国和世界的三个能源变革转折点

2014-03-06 10:40    来源:《中国经济报告》 作者:卢安武(Amory Lovins) 乔恩·克雷斯(Jon Creyts) 收藏 我要评论()

在过去的20个世纪里,中国有18个世纪都是世界第一经济大国。未来十年,中国要重振过去的地位,开发和部署新技术是必由之路。正如李约瑟的学生罗伯特·坦普尔在《天才的中国》(The Genius of China)中总结的那样,为西方工业革命作铺垫的技术中,约有90%是中国发明的。今天,重启中国的能源创新引擎,将为促进世界的下一次工业革命提供独特机遇。

中国近几十年的高速发展和城镇化,使数亿人口摆脱贫困,也制造了巨大的能源危机。中国现在是世界上最大的石油进口国,煤炭燃烧量比世界上其他国家加起来还多,已然成为世界上最大的二氧化碳排放国,对经济社会发展带来风险。空气污染物的排放,不仅危害公众健康,还对整个城市发展造成严重影响。

对此,增量式的改进是不够的,中国不应沿袭西方经济体的老路,而应跨越低碳及创新新能源方案的污染陷阱。中国需要革命性的解决方案,将经济增长与能源需求脱钩,拥抱新式能源和经济繁荣,摆脱对化石燃料的依赖。远古时代,火让人类区别于其他动物,然后,化石燃料使人类走向现代化。所以,落基山研究所提出了重塑能源之火的概念,全面展示全球如何从化石燃料过渡到节能和再生能源,以实现人类的持久发展。

重塑能源之火,需要技术、经济、社会创新。幸运的是,已经出现了许多可以替代化石能源的选择。组合并扩大新型能源组合,将非常具有挑战性。中国有着令人刮目相看的技术能力,推动这项工作是值得的。

具体来说,三个能够打破现有局面的因素已经出现,成为新型能源之火的重要推动者。这三个因素是:1)实现不依赖于油的移动;2)在建筑业和工业中采用一体化设计的全新高效能源;3)重新定义电网的未来。

我们的分析表明,一项能源政策如果聚焦上述三项因素,就能获得巨大收益。由独立智囊机构落基山研究所(RMI)联合做的一个为期两年的调查发现,通过重塑能源之火,避免对煤炭和石油的使用,美国到2050年可以支持比现在经济规模大158%的经济体,节约5万亿美元的净现值,并减少80%以上的二氧化碳排放量。此外,这些变化可以通过由企业自发实现,不需要国家过多参与。

当然,中国有一个与美国非常不同的起点。中国已经证明,它能够以非凡的速度推广创新技术。以下是中国重塑能源之火的三个因素的分析。

 

因素1:实现不依赖于油的移动

 

抛弃对石油的依赖,中国可以开发更轻便的电动交通工具,极大地改善物流系统,同时推动生物燃料创新。交通行业是中国增长最快的能源使用行业,及早变革会在几十年中起到巨大作用。

在提高车辆效率、使电动汽车更加经济方面,建造超轻型车辆是关键一步。平时移动一辆车需要的能量中,三分之二被其自身重量消耗。通过减轻重量,就可以节省轮子上的单位能源,并节省把能量输送到轮子上的单位能量。

用类似于碳纤维复合材料的超轻、超坚固原料取代金属原料,能制造更安全和轻便、更符合空气动力学的汽车。汽车制造商已经证明,这样的设计可以减少汽车总重量的50%-70%,减少二分之一到三分之二的能源需求。

这样,只需要二分之一到三分之二的蓄电池或燃料电池,就可以负担电力驱动系统。中国计划到2020年增加近一倍的汽车制造量。从钢铁跨越到碳纤维,从汽油发动机跨越到电力驱动系统,这种转变将使中国在未来几十年的汽车材料和电池技术行业中保持全球领先地位。

中国的重型卡车和货运业是一个巨大的能源消耗行业。交通运输效率的改善,将使卡车、轮船、火车、飞机受益匪浅。对中国来说,将重型卡车运输效率提高三倍,并最终将飞机运输效率提高三倍以上,这是可行和有效的。这种方式不是通过限制车辆使用来控制尾气排放,而是通过让汽车零排放解决污染问题。

除了技术性调节,在物流系统方面,中国依然有很大的改善空间。中国的装卸率比发达国家低三分之一左右,部分原因是高度分散的货运卡车所有权。所有公路货运量的90%,是由只有十辆或更少卡车的运输企业完成。其中高达40%的公路货运量,是由仅有一辆卡车的人来运送的。通过管理装卸过程,能够减少货物和人员运输过程中的成本和负担。这些改进方法包括:在网上商城使用IT完成分拣和装卸技术,运输一体化的城市增长模型。

在重型卡车、轮船、飞机使用电力系统,很可能不是经济的选择。短期内,天然气可能成为首选。长期看,生物原料有可能被开发使用,氢气也是一个可行的选择。

 

因素2:一体化设计

 

通过一体化新技术,中国几乎所有的工厂和建筑,能够比原来节省更多能源。一体化设计运用工程学原理,通过不同设计逻辑取得更为有效的能源和资源利用方式。通过全方位优化设计系统,使得产生能源效率投资方面的边际收益递增。如此巨大的能源节约,只需付出很小的成本。

能源使用效率长期以来都是经济增长的关键因素。除了在2003年至2005年的短暂时期,中国一直在提高单位能源消耗创造的GDP。的确,中国是唯一一个能够在四分之一个世纪(直到2001年)的时间内,每年将该比率保持超过5%的国家。通过经验共享,提高了马达、熔炉等系统的标准,关闭没有竞争力的燃烧设备。这些都有利于增长率的保持。虽然进步巨大,但发展机遇依然存在,尤其是在使用了中国三分之二初始能源的工业领域。能源浪费常常发生在熔炉、熔化炉、提炼设备、干燥窑等初始消费能源工具中。

所以,当一体化设计满足了中国能源生产效率提高的要求时,会发生什么?一家来自上海的低碳生产厂的例子说明了问题。使用一个新加坡华人工程师的一体化设计概念,其热链传导管道的布局,由长、窄、弯的管道变为短、粗、直的管道。这个设计让该工厂节约了86%的能量。由于管道设备需要更少,所以整个系统花费不高。

工业马达使用了全世界约60%的电力,其中泵和风扇又占据一半。所以,通过设计消除泵和风扇80%-90%的摩擦力,将会产生巨大利益。例如,一个德州仪器的芯片制造厂使用一体化设计,节省了大量的能源和水资源,同时,将全部使用成本降低30%。后期的一个设计预期能够节约大约三分之二的能源,并将资本成本降为原先的一半。在英格兰重新设计了一个惠普数据中心,将其每瓦电对应的计算能力提高至三倍,而成本没有增加。全面使用一体化设计的潜力,使得该中心节约95%的能源,并将资本成本降为原来的一半。

一体化设计同样能够节约建筑物能源。住房和商业用房消耗中国大约25%的能源。虽然中国最近建造了一些能源效率很高的建筑,但是,常见的四合院、高层商业建筑或胡同等能源效率并不高。使用一体化设计,把整个建筑看做一个系统,能够为所有建筑节约很多能源,同时极大提高人们的健康、舒适度和生产效率。

不管是在新旧建筑中,质量更好的窗户、隔热层,能够使得加热、制冷等空气设备更有效。在合适的时间翻新窗户和隔热层等,能够为现存的商业建筑节省大约40%-47%的能源消耗,并在未来几年内收回成本。这些得到了落基山研究所对纽约帝国大厦以及其他美国老建筑翻新实践的证实。

新建筑能够在很少或没有额外成本的基础上节约能源。零能源建筑能够将高效率与可持续能源联合起来,为房间提供日常照明、自然通风甚至电力,与更为传统的热力、电力储存系统完美连接,创造有生命力的建筑或校园。从个体家庭农场到大型工业园区,高级控制优化方法和远程监控,能够使得新的商业模式聚焦于消费者的终端需求——冬天温暖的房间,夏天凉爽的房间,以及照明电器和随叫随到的热茶。

通过连续推广最小能耗标准,中国进步巨大,但是仍有上升空间。要确保最小能耗标准得以执行,要奖励表现优异者,并需要机制促进更多创新。

 

因素3:重新定义电网未来

 

一个电力改革成功的中国,将能引导全球可持续性电力的转变。一个提高能源效率的措施,可以将建筑物、工业和新型电力汽车需要的电力降为最小。建造规模合适的电网,可以准确满足消费者的需求。这种电网可以是中央集中化的,或者与当地分散的能源混合的。

落基山研究所的重塑能源之火工程,研究了美国三类中央电网以及一个混合的半分布式的可再生电网。这些不同的电网,在2010年到2050年期间的经济成本大体一致,均为六万亿美元的净现值。但是它们在下面八个风险方面非常不同:金融性、操作性、安全性、气候性、水资源、燃料、健康、公众接受度。把这些风险综合考虑,混合分布式的模式可能比其他方案更受欢迎。

即使大量的分布式和集中化的可再生能源,尤其是不同风能和电能的不同组合,也非常具有生命力。这在德国、丹麦已经实现。(2012年,德国23%的电力为可再生电力,丹麦41%的电力为可再生电力,它们具有欧洲最为稳定的电力供应。)甚至在2013年上半年,西班牙该比例达到48%,葡萄牙达到70%。

分布式发电使得可再生资源的未来更安全。丹麦已经从燃烧煤的中央发电站模式,转向由农业废弃物发电的涡轮发电和共同发电的分布式电网。丹麦计划于2035年达到100%可再生电力的使用,并计划在2050年之前,在没有额外成本的基础上,在各行业、各部门做到可再生能源100%利用。丹麦也在重新改造其电网结构,防止大规模停电事故。古巴也在中国的帮助下,在台风毁坏农村电网时,使用分布式发电和微型电网维持重要服务。

虽然中国电网有其独特的需求和特征,分布式电网以及可再生资源都是值得考虑的。天津正在试点一种双向互动的智能电网,它能够将需求端资源用以平衡电网发电,这是中国未来安全电力网的重要组成部分。

我们正站在一个历史时刻,技术和知识可以为大家提供可靠、干净、可支付的丰富能源服务。对今天的中国来说,这是一个巨大的机会。重塑能源之火,开始于重新设计工业基础、建筑材料、汽车结构,这样将能节约大量的电力和石油,创造一些新的世界领先行业,增强国家清洁能源行业的技术。

大约2400年前,中国的创新者们向地下钻探超过一公里,寻求天然气和液态碳氢化合物,并使用竹管向上输送燃气。现在,华夏子孙是时候重新塑造能源之火,共同创造一个更美丽的中国,并使之成为世界发展的支点。

 

(本文由《中国经济报告》编辑王艺璇译)

 

责任编辑:高健龙
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