短期內(nèi)石油作為全球第一大消費能源的地位難以撼動, 但隨著能源領域材料與技術創(chuàng)新發(fā)展以及人類對生態(tài)環(huán)境保護日益提高, 石油作為交通運輸燃料被替代的可能性與日俱增。推測替代石油的可能路徑有三: (1) 電動汽車。依托高效儲能電池材料與技術發(fā)展, 2030年以前有望替代燃油汽車; (2) 氫燃料電池汽車。 基于廉價高效氫氣制取與儲運技術, 2030~2050年前后氫燃料電池汽車有望進入發(fā)展快通道, 并可帶領人類走進氫經(jīng)濟時代; (3) 核聚變能源?？煽睾司圩兗夹g的突破和小型化, 有望全方位提供交通運輸動力, 或?qū)⒃?050~2060年前后成為覆蓋全領域的主導能源。上述三種路徑能否完全替代石油尚存不確定性, 但是石油在交通運輸領域被大規(guī)模替代已成為大勢所趨。 由燃料應用領域轉入材料應用領域?qū)⒊蔀槭臀磥響玫淖罱K歸宿。

石油被替代的可能性

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎,伴隨全球經(jīng)濟與社會發(fā)展和人口持續(xù)增長,未來能源需求總量仍將保持增勢,但增長速度可能會放緩。石油號稱現(xiàn)代工業(yè)的“血液”,自20世紀60年代以來一直是全球第一大消費能源。綜合眾多國際機構預測結果, 21世紀前半葉,石油仍將是全球第一大消費能源。石油消費途徑主要有兩種,約2/3用于交通運輸燃料提供動力,余下1/3主要作為工業(yè)生產(chǎn)的“原料”。根據(jù)現(xiàn)有資料評價,全球常規(guī)與非常規(guī)石油可采資源量約9000億噸,按現(xiàn)有消費水平可供人類使用200年左右,且隨著認識深化和工程技術進步還會有更多資源被發(fā)現(xiàn)并開發(fā)利用,所以就資源而言,“石油枯竭”遠未來臨。

然而,古有警世之語: “人無遠慮,必有近憂”。沙特阿拉伯前石油部部長艾哈邁德· 扎基 · 亞馬尼有告誡之言:石器時代的結束不是因為沒有了石頭,而是鐵器取代了它······石油時代的結束也不是因為地球上沒有了石油, 而是因為更清潔的能源取代了它。自從《巴黎協(xié)定》簽署并生效以后, 世界各國已為應對全球氣候變化作出了能源轉型新規(guī)劃和相關技術提速發(fā)展的新要求, 能源消費加快向低碳清潔轉型正成為大勢所趨。作為單位熱值污染物與二氧化碳排放僅次于煤炭的石油, 在未來某個時間段被替代將是不可逆轉之事。在21世紀初見證了“頁巖氣革命”之后, 人類或?qū)⒚鎸σ粓龈哳嵏残缘?ldquo;新能源革命”。

石油被替代將主要來自交通運輸領域的用油, 即作為燃料的石油產(chǎn)品將被更清潔的能源替代, 從而導致石油需求量大規(guī)模減少。特別是能源領域的新技術、新材料以及人工智能、大數(shù)據(jù)等日新月異發(fā)展, 可能帶來人類出行行為的革命, 燃油車會加快退出歷史舞臺。挪威、荷蘭、德國、英國、法國等多個國家已提出2025~2040年將全面禁售燃油車。從目前看, 幾種低碳清潔能源技術和關鍵材料相繼取得重大突破, 可能會以接力或共同攜手的方式加快石油被替代的步伐。

石油可能被替代的路徑

2.1儲能技術與材料推動電動汽車快速發(fā)展

2010年以來, 以美國特斯拉電動汽車橫空出世為標志,全球掀起一場電動汽車快速發(fā)展熱潮,電動汽車保有量呈指數(shù)增長態(tài)勢, 2014 年突破70 萬輛,2015年突破120萬輛, 2016年突破200萬輛。中國電動汽車發(fā)展后來居上, 2015年超過美國成為全球第一大電動汽車產(chǎn)銷國, 2016年保有量達到65萬輛, 約占全球電動汽車總量的1/3。

電動汽車快速發(fā)展主要得益于儲能新材料與技術的迅猛發(fā)展、生產(chǎn)成本的大幅下降以及配套設施的日臻完善。在過去8年間,電池能量密度增加了近6倍,生產(chǎn)成本卻下降了約5倍。近期,美國推出了由4所國家實驗室和5所大學共同參與的“Battery500”共同體計劃,目標是實現(xiàn)比現(xiàn)有電池容量高出2倍的充電能力,達到500 W h/kg的能量密度。這一目標如能實現(xiàn),將會顯著減小電池尺寸和重量,降低電池成本并大幅度提升電動汽車的行駛里程。

鋰離子電池是當前電動汽車搭載的主流電池, 其理論最高容量約384Wh/kg。鋰離子電池構成材料主要包括正極材料、負極材料、隔膜和電解液等, 其中正、負極材料的性質(zhì)直接決定了電池的電壓、容量和充放電速率等特性。目前商業(yè)化使用的正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等, 負極材料主要為石墨、石墨烯等碳材料。為滿足電池在能量密度、循環(huán)壽命及安全性等方面日益增長的需求, 電極材料正朝著高容量、高電壓、高倍率及高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。例如, 磷酸鐵鋰與多孔碳及碳納米管復合后作為正極, 可以提升電池的容量和穩(wěn)定。硅材料是一種超高比容量的負極材料, 是傳統(tǒng)碳系材料容量的十余倍, 目前研究集中在硅碳復合材料、硅金屬合金材料、硅氧化物材料等方向。此外, 新型鈦酸鋰為“零應變”電極材料, 充放電循環(huán)可達近萬次, 遠高于傳統(tǒng)鋰電池, 備受大型儲能、動力鋰電池等領域關注。

隨著電池材料與技術的不斷進步, 鋰離子動力電池開發(fā)成果顯著。目前較為先進的商業(yè)化鋰離子電池能量密度可達260Wh/kg, 搭載此類鋰離子動力電池的TeslaModel S的續(xù)航里程達到約400 km。 近期, 以色列納米技術公司StoreDot推出了“超快速充電”動力電池, 通過將多層納米材料和專有有機化合物層添加到傳統(tǒng)鋰離子電池中, 實現(xiàn)5min完成充電,并支持汽車續(xù)航約480km。 但由于鋰離子電池的材料固有屬性, 尚難以滿足電動汽車大規(guī)模發(fā)展的要求。業(yè)界普遍認為, 電動汽車需要動力電池能量密度大于500Wh/kg, 續(xù)航里程大于700km才可以全面普及。近期有望達到上述要求的動力電池主要包括固態(tài)鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋅空氣電池等(圖1)。


其中, 固態(tài)鋰離子電池因體積能量密度可提升70%、質(zhì)量能量密度可提升40%, 成為下一代鋰電池的重要發(fā)展方向之一; 鋰空氣電池的理論能量密度最高, 劍橋大學已宣稱研發(fā)出容量3000 W h/kg的鋰空氣電池, 是現(xiàn)有鋰離子電池理論值的近8倍。目前來看, 上述電池技術尚不成熟, 仍然處于基礎研究與實驗階段, 距商業(yè)化應用還有較長距離。

現(xiàn)階段, 電動汽車的快速發(fā)展尚未危及石油在交通運輸領域的主導地位, 但對石油的替代趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。未來全球電動汽車數(shù)量仍將保持高速增長,預計2030年全球電動汽車保有量有望突破1億輛, 較2016年增長50余倍, 大約可替代車用燃油120萬桶/ 天。而自動駕駛技術和共享經(jīng)濟模式的結合將會進一步提高電動汽車的便利性和使用效率, 從而大幅降低電動車的出行成本和傳統(tǒng)燃料汽車的行駛里程, 屆時電動汽車將成為石油液體燃料的“勁敵”。

2.2氫燃料電池或?qū)⒁鹑蚰茉锤窬肿兏?br />
氫能是指氫和氧進行化學反應釋放出的化學能, 為二次能源, 具有能量密度大、燃燒熱值高等優(yōu)點,氫能開發(fā)利用已取得較為顯著的成果,未來實現(xiàn)規(guī)模燃燒產(chǎn)物是水, 無污染。目前實驗室和小規(guī)?；臍渖虡I(yè)應用還要依賴于幾個關鍵技術的突破。

氫在地球上主要以化合態(tài)存在, 需要從動植物廢料、化石燃料和水中制取, 廉價的制氫技術是氫氣作為能源應用的先決條件。工業(yè)上制取氫氣途徑主要有3種, 分別為甲烷蒸汽重整法、煤炭氣化法以及電解水產(chǎn)氫法。現(xiàn)階段, 全球每年氫氣產(chǎn)量約為5000 億m3,其中95%以上是通過甲烷蒸汽重整法和煤炭氣化法獲得,但這兩種工藝制氫過程會排放大量二氧化碳,在當前二氧化碳捕集、封存與利用技術尚不成熟、也無經(jīng)濟性的情況下,利用甲烷、煤制氫并不符合全球減少二氧化碳排放的要求?？茖W界正在積極探索廉價的制氫新模式,涌現(xiàn)出一系列新型的制氫材料與技術,如光催化分解水和光電催化分解水制氫、生物質(zhì)制氫、細菌-光催化制氫等技術, 并開發(fā)出石墨烯、黑鱗、氮化碳等新型的催化制氫材料。這些顛覆性技術及先進材料的持續(xù)突破,將為未來廉價的、低碳清潔制氫提供強有力的基礎保證。

氫氣是已知密度最小的氣體, 常溫常壓下極易燃燒, 安全可靠的儲氫、輸氫技術成為氫能大規(guī)模開發(fā)利用的關鍵。氫氣存儲方法主要包括高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、化合物儲氫等。其中, 高壓氣態(tài)儲存和低溫液氫儲存技術需要將氫氣保存在特制容器瓶中,因造價昂貴而無法大規(guī)模應用。 科學界正在積極探索相對廉價安全的納米、合金、絡合氫化物、金屬有機骨架化合物和有機液體等材料作為儲氫載體循環(huán)使用。特別是, 有機液體氫載體可利用現(xiàn)有石油儲運方法與設施在常溫常壓下儲運氫氣。

美國已實現(xiàn)體積比約為630:1的有機液體氫載體系統(tǒng),中國科學家近期也發(fā)明了一種新型鉑-碳化鉬雙功能催化劑, 將催化活性提升了近兩個數(shù)量級, 每摩爾催化劑每小時可釋放氫氣高達18046 mol, 基本滿足車載氫燃料電池組的需求[53]。近期儲氫技術的突破構建了新的高效化學儲氫體系,為燃料電池原位供氫提供了新的思路,并有望作為下一代高效儲氫體系得到應用。

燃料電池是將氫氣化學能直接轉化為電能的裝置, 是氫能高效轉化及利用的最佳方式, 具有轉換效率高、零污染、零排放等特點。盡管氫燃料電池汽車遠未達到市場普及階段, 但全球科學界和主要汽車企業(yè)都在積極開發(fā)氫燃料電池技術, 推動氫燃料電池汽車試驗應用。目前, 中國、美國、歐盟、日本、韓國等都制定了較為完備的氫燃料汽車發(fā)展規(guī)劃, 并嘗試通過政策、法規(guī)全面促進氫能開發(fā)利用。 截至2017年3月底, 全球氫燃料電池汽車保有量已達4138 輛, 其中美國和日本的氫燃料汽車遠高于其他國家,分別達到1592輛和1707輛, 二者合計約占總量的80%。隨著廉價制氫技術、氫燃料電池技術的不斷進步以及氫燃料基礎設施的不斷完善, 氫燃料電池汽車有望于2030年前后進入快速發(fā)展期, 預計到2050年全球氫燃料電池汽車保有量占比有望達到1/4以上(圖2)。


當前, 氫能源的開發(fā)利用尚處于探索起步階段, 還無法對傳統(tǒng)能源造成重大沖擊, 但遠期看, 氫能源的普及和大規(guī)模利用將是大勢所趨。氫燃料發(fā)電可用于調(diào)節(jié)電網(wǎng), 在電網(wǎng)低負荷時利用多余電進行電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣, 在電網(wǎng)高負荷時利用氫氣和氧氣反應給電網(wǎng)供電; 氫燃料汽車有潛力與電動汽車競爭交通運輸工具的主角; 氫燃料電池還可作為能源載體, 將電能、風能、太陽能、地熱能等可再生能源轉化成氫能源加以儲存、運輸或直接利用, 建立分布式能源網(wǎng)絡, 實現(xiàn)區(qū)域或城市電能、熱能和冷能的聯(lián)合供應, 通過搭建氫能源聯(lián)用平臺提升可再生能源的利用率并逐步替代石油等化石能源的使用。屆時全球有望步入“氫經(jīng)濟”時代。

2.3核聚變能小型化或是人類未來能源利用的終極目標

核聚變能一直被視作人類徹底解決能源需求的終極模式。與核裂變能相比, 核聚變能是取之不盡、用之不竭、極度清潔的綠色能源。如果地球海水中的氘全部用于聚變反應,釋放出的能量足夠人類使用幾百億年,且不產(chǎn)生長半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產(chǎn)物。因此, 實現(xiàn)可控核聚變能的利用, 從根本上解決能源問題, 已成為全人類共同面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

目前, 可控核聚變技術仍處于反應堆工程物理實驗階段, 潛在兩種實現(xiàn)途徑是磁約束和慣性約束。磁約束主要包括托卡馬克型(Tokamak)、反場箍縮型、仿星器型等類型, 其中托卡馬克型在等離子體穩(wěn)定性、能量約束時間及電子溫度等參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢, 是最重要、最有前景的磁約束位形[61~63]。 2006年在法國啟動的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃正是基于托卡馬克型磁約束方式, 至今共有35個國家參加。該計劃將全面驗證核聚變能源開發(fā)利用在科學和工程上的可行性, 是人類可控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P鍵一步[63], 最初預計耗資約50億歐元、2016 年首次點火; 但因工程復雜, 耗資預計將超250億歐元, 點火時間至少推遲到2025年, 全面核聚變實驗至少在2035年才有可能開展。

歐盟作為ITER的主導, 引領著全球可控核聚變研究, 在ITER建造同時, 持續(xù)資助中型Tokamak等離子體物理、材料、工程方面的研究;還在籌劃穩(wěn)態(tài)聚變示范電站(DEMO)的設計與建造, 計劃2044年開始發(fā)電, 2050年實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電的商業(yè)化。美國同時重視磁約束及慣性約束兩種方式,目標是30年后建成DEMO,目前已利用192束高能激光聚焦到氫燃料球上點燃核聚變反應,取得了輸出能量超過輸入能量的重要突破。中國在可控核聚變領域投入僅次于美國, EAST裝置在2017年7月獲得101。2s的穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電;正在設計建造中國聚變工程實驗堆(CFETR),預計2040年建成DEMO,2050年左右實現(xiàn)商業(yè)化。此外, 俄羅斯、日本、韓國、印度等國家也非常重視可控核聚變研究,均參與到ITER計劃中, 并分別提出了2030~2040年前后建成本國的DEMO。世界各國在可控核聚變領域的相互合作與競爭,必將進一步推動可控核聚變技術的開發(fā)利用(表1)。



實現(xiàn)可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實現(xiàn)可控核聚變的小型化, 將是人類最終追求的清潔能源利用方式。從現(xiàn)階段看, 球形托卡馬克型因其具有更小體積和更低成本特點,被視為可控核聚變小型化最有潛力的途徑[80]。美國和英國都在實驗室開展了球形托卡馬克型裝置研究,驗證了小型反應堆具有技術可行性。2016年, 美國發(fā)布了緊核聚變反應堆(ARC)設計方案, 體積只有ITER的一半。2017年, 英國宣布小型Tokamak ST40成功產(chǎn)生1500萬度等離子體,預計2030年左右有望突破核聚變發(fā)電技術。

短期看, 核聚變實現(xiàn)商業(yè)化還存在諸多挑戰(zhàn), 但長遠看核聚變技術有很大實現(xiàn)突破的可能性, 將會為全球帶來源源不斷的綠色能源供應。根據(jù)各國的DEMO計劃和技術發(fā)展趨勢, 預計2050~2060年前后可控核聚變技術有望實現(xiàn)商業(yè)化。屆時, 核聚變電力的充足供應將徹底改變?nèi)颥F(xiàn)有的能源格局, 石油、煤炭、天然氣等化石能源將由燃料為主轉向材料為主, 水電、風電、光伏等可再生能源也會淪為補充能源。而可控核聚變一旦實現(xiàn)小型化, 大型海上、陸上、空間運輸工具將得以長距離、高功率推動, 新型運輸工具將得以研發(fā), 物流成本也將極大降低, 高效快速的物聯(lián)網(wǎng)將真正進入新時代。同時, 人類不再受限于太陽能電池板發(fā)電, 將有更高效的能量去實現(xiàn)空間探索與開發(fā), 遠距離星球及外太空探索計劃不再是夢想, 人類將有機會獲得更多的知識和資源。

結語

“千門萬戶曈曈日, 總把新桃換舊符”。社會文明進步、科技水平提升以及人類對生態(tài)環(huán)境的關注合力推動能源技術以前所未有的速度加快發(fā)展, 能源技術與材料創(chuàng)新將進入高度活躍期, 人類利用能源或?qū)⒂瓉淼谌沃卮筠D型, 即油氣時代走向新能源時代。引起這場能源轉型的主角, 近中期可能以先進儲能技術商業(yè)化應用帶動電動汽車快速發(fā)展為標志, 利用儲能技術積極消納間歇式風電、光電等可再生能源, 有望在2030年前后實現(xiàn)能源利用由低碳化向清潔化的轉型; 中長期可能以氫能的儲存和規(guī)模應用帶動氫燃料電池汽車的普及應用為標志, 大規(guī)模消納可再生能源, 并支撐電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)互通, 有望在2050年前后實現(xiàn)能源利用的高度清潔化; 超長期看可能以小型核聚變能的商業(yè)化應用和普及為標志, 為人類社會發(fā)展提供不竭動力, 或?qū)⒃?060年前后實現(xiàn)能源利用的綠能化(圖3)。


這樣的變革將對世界能源格局和經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響, 石油在交通運輸方面的消費需求可能被大規(guī)模替代, 最終去向?qū)囊越煌ㄈ剂蠟橹? 轉向以生產(chǎn)多類高附加值材料為主。例如輕質(zhì)高強度的載具轂體、高級化工合成產(chǎn)品、功能塑料制品、碳纖維制品、保鮮制品以及3D打印材料等, 甚至可以加工成為儲能電池碳電極、生物電池等低碳清潔能源的制造原料。

上述三種低碳清潔能源技術在同步發(fā)展的進程中還存在聯(lián)合應用的可能性, 將對人類能源利用方式和節(jié)奏產(chǎn)生更大沖擊。設想一下, 未來中國利用西部地區(qū)太陽輻射強、日照時間長、分布范圍廣的優(yōu)勢進行太陽能發(fā)電, 然后通過大型儲能設備將剩余電能儲存并接入智能電網(wǎng)輸送至東部沿海地區(qū)。在滿足東部發(fā)達地區(qū)電力需求的同時,可以電解海水制備大量的氫。再通過化學儲氫和氫燃料電池的結合, 實現(xiàn)氫燃料汽車對傳統(tǒng)燃料汽車的大規(guī)模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產(chǎn)難題,大幅降低全生命周期交通運輸工具的污染物與碳排放問題。也許, 這將成為我們實現(xiàn)綠色中國夢的重要途徑。

人類能源利用轉型是一個長期漸進的過程, 全球能源結構發(fā)生整體變革還需要一段時間。電動汽車、氫燃料汽車以及小型核聚變裝置發(fā)展仍面臨關鍵材料及技術尚未完全突破、生產(chǎn)成本過高、配套設施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰(zhàn)。 然而, 能源領域新技術、新材料發(fā)展速度很快, 世界各國, 特別是以經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)國家為主體的經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)對環(huán)境問題的高度關注, 驅(qū)使能源領域新一輪革命很可能會提前到來。可見, 前沙特石油部長的至理名言不能不說是對石油行業(yè)善意的提示和睿智的預警。雖然替代石油的三種路徑還存在科技瓶頸、政策局限、經(jīng)濟波動等不確定性,但低碳清潔能源競爭發(fā)展態(tài)勢已呼之欲出,對石油替代已逐漸顯現(xiàn), 能源結構轉型已勢在必行。

（本文摘自：《科學通報》第62卷 第36期）