能源与空间：新游戏，新进展

能源与空间：

新游戏，新进展

对化石能源终将枯竭的经久恐惧，以及环境和气候问题的日益凸显，驱动着各国竞相开发具备可再生性、利用率也更高的新能源。而能源领域的新进展，将直接决定太空飞行器的动力方案。

文 刘怡

2011年，发生在地球两端的两个看似不相干的事件从根本上改变了人们对能源市场前景的期待。日本东北部沿岸的9.0级地震造成福岛第一核电站严重损毁，3座反应堆堆芯熔毁、大量放射性物质弥散，成为自1986年切尔诺贝利事件以来全球最严重的核事故。而在遥远的北非和中东，政争与内战在突尼斯、埃及、利比亚、叙利亚等多个国家接续爆发，不仅使全球油价在短期内迅速飙升，还令维持近30年的中东地理政治平衡被彻底打破。坎布里奇能源研究协会创始人耶金（Daniel Yergin）不禁感慨：“能源的重要性从来没有变得如此突出！”

福岛的案例显示：一度被视为清洁能源的核能在安全性以及对环境的影响方面具有极大的不可控性，因之并不适于作为未来能源的一般模式加以推广。而中东乱局以及随后的乌克兰危机对能源价格的影响则再度凸显了化石燃料尤其是石油市场的稳定性对政治和安全因素的依赖，并令全世界对化石能源终将走向枯竭的恐慌再度飙升。三个问题遂成为举世瞩目的焦点：能否获得一种与环保主义（尤其是气候变化问题）相适应的能源解决方案？新能源在技术难度、成本和效率方面是否适于推广？现有的基于化石燃料的生产和消费体系如何实现转型？

从那时起至今，层出不穷的变化开始在全球各个角落发生：一方面，美国的“页岩革命”在短期内改善了全球石油和天然气市场的供给状况，使油价被带回到低位，从而为转型提供了宝贵的缓冲和冗余空间。另一方面，以德国为代表的激进环保主义国家加速了“非核化”能源转型，初步建立起以太阳能和风能为基干的新型电网，并验证了其经济性和受认可度。以之为基础的绿色建筑和智能电网也在进一步实用化的过程中。而在微观领域，新能源汽车正在成为各大厂商觊觎不已的市场，电力、氢燃料和天然气驱动的汽车皆有原型车问世，由锂电池驱动的高端汽车品牌“特斯拉”（Tesla）更是成为流行文化符号，在短时间内获得了极高的关注度。

另一方面，核能在特定领域和市场仍有其用武之地。对日本和美国这样在转型问题上相对保守的国家来说，改用效率更高、安全隐患较小的小型核电厂，而不是一刀切地“废核”，显然是更具吸引力的选项。而核能的另一项意义在于，现阶段它几乎是驱动远程太空飞行器的最可行方案——在人类能制造出面积足够大的太阳帆并为其提供光源之前，星际飞船的动力设置几乎只可能选择核脉冲或核聚变。著名科幻影视剧《星际旅行》中的联邦星舰“企业号”便是采用聚变反应堆作为动力。而未来的星际旅行模式，同样将取决于新能源革命的进展。

“哈伯特顶点”的误区

早在1885年，即美国石油工业起步后的第36年，宾夕法尼亚州地质协会就做出了一项悲观的预言：“石油工业的勃兴只是一种短期的、前途愈发黯淡的局面，今天的年轻人在有生之年必将看到它的终结。”从那时起至今，形形色色的“石油枯竭论”曾在世界各个地区流行。它们的基本设定相当一致：鉴于可供开采的化石燃料特别是原油的总量是一个定值，而随着人口增长，全球能源消耗量将以几何级数不断递增，终有一天石油将会消耗殆尽。到了1956年，关于枯竭周期的数学模型终于成形，那便是金·哈伯特（King Hubbert）的“顶点论”。

作为一名杰出的地质学家和数学家，哈伯特并不完全赞同19世纪以降那种机械的“枯竭论”；在他看来，随着新型机械和开采技术的出现，在一定时期内，全球石油产量的增长速度依然会超过消费量。但随着已经探明并投入生产的油田进入成熟期，开发新油田的成本和风险将会显著增加，届时人们将倾向于保守观望，而石油产量也将在此时达到峰值。在那以后，旧有油田的产量和利润将渐趋滑落，最终低于开采、运输和加工的总成本，届时厂商将停止开发，油田的寿命也宣告终结。据他估计，美国自身的石油产量将在1970年前后达到日均820万桶的峰值，随后逐渐滑落，到2020年前后萎缩至顶点的1/6。到2050年，美国将不得不完全依赖进口来供给国内市场的原油消费。而全球石油产量同样会在2005年前后达到顶点，随后快速滑落，最终在2020年完全枯竭。

整整60年里，“枯竭论”的拥趸都以“哈伯特顶点”作为支撑自己观点的最有力论据，1973年爆发的中东石油危机似乎也印证了哈伯特的担忧。但到了2015年，当人们重新审视美国乃至世界石油产量的变化曲线时，却发现了令人惊讶的结果：随着水力压裂技术被应用到页岩油开发当中——讽刺的是，这项技术的奠基者恰恰是哈伯特本人——美国本土的石油产量自2008年起重新进入了年均增长率超过10%的井喷期，后劲十足。据美国能源信息署（EIA）估计，2016年美国原油产量有望递增至日均960万桶的峰值，这个数字比哈伯特预估的“顶点”还要高15.8%。此外，随着开采过程的演进，油田的实际储量往往被证明与预估储量之间存在误差。1956年之后，美国新探明的石油储量中有86%是在后期开发阶段新增的，这更进一步延缓了理论上的“顶点”到来的时间。

最重要的是，哈伯特的模型完全建立在各国自给自足的假设基础之上，也甚少考虑价格因素的影响，而市场的灵活性和调整能力被证明大大超过他的预期。20世纪80年代以降，苏联（1992年之后为俄罗斯）原油开始大规模输入世界市场，至2012年出口量已经与此前的头号产油国沙特不相上下：能源市场的扩大和流通的进一步自由化，颠覆了自给自足的初始假设。而随着开发规模的递增，全球探明的新增石油储量同样出现了与美国一致的显著增加趋势。例如从2009年初到2011年底，两年内新探明的石油储量就已经和2009年全年的开采量相当。据坎布里奇能源协会估计，从2010到2020年，全球总的石油产能将递增25%，达到日均1.14亿桶的规模。

不仅如此，自20世纪60年代以来，海底油田、油砂矿、页岩油矿等常规上被认定开采成本过高的区块，其成本鸿沟已经为技术手段的完备所逾越。到2030年，这些“非常规”油田的产量将超过全球石油总产能的1/3。2015年12月18日，美国总统奥巴马已经批准恢复原油出口，这意味着美国有望成为继欧佩克（OPEC）成员国和俄罗斯之后的全球第三大能源输出基地。在全球原油供应本已严重过剩的情况下，此举暗示了单一出口来源波动造成全球性石油短缺的风险将进一步降低，从而和哈伯特严峻的判断再度形成了反差。

更重要的是，在“哈伯特顶点”出炉的1956年，另一种传统化石燃料天然气尚未获得充分的开发利用。彼时美国尚有55%的发电量来自以煤炭为能源的火电厂，而到2012年，全美已经有29%的发电量来自天然气，另有21%来自核电，欧洲和日本则分别有23%和28%的发电量来自天然气。过去30年间，全球天然气消费量净增了3倍以上，年均数字已经达到石油消费量的七成左右；而在未来20年，预计全球天然气消费还将增加50%。这种相对低碳和灵活，开发潜力也远未耗尽的第二代化石燃料，将进一步稀释“石油枯竭论”的负面效应。而全球天然气产地的分布状况，更远较石油产地来得分散，这就给了市场调节和国际合作以更大的空间。

换言之，与20世纪50年代忧心于“石油枯竭”随时可能到来的情形不同，今天的科技界人士和政治家在开发与利用新能源之际，能够获得一个相当长时段的缓冲期。在化石燃料的产能出现明显的下滑趋势之前，人们依然有巨大空间去开发更环保的可再生性能源，并以低油价为凭靠，逐步形成规模效应。事实也的确证明，自2005年起，风险资本开始大规模进入新能源行业，开启了其“创造性破坏”（Creative Destruction）之路。

Energiewende（能源转型）

1979年6月20日，美国总统吉米·卡特偕妻子登上白宫屋顶，庆祝总统官邸的第一台太阳能热水器安装成功。在这位总统看来，“全球能源形势将在20世纪剩下的时间里不断恶化”，“我们必须做好准备以迎接这一变化，要发展像太阳能这样的永久性可再生能源”。在他的任期内，美国政府出台了太阳能产业税收优惠、政府补助、研发资金支持等措施，还在科罗拉多州成立了第一个国家太阳能研究所。世界性的新能源浪潮，由此而起。

所谓“新能源”，亦称可再生能源，系指阳光、风力、水力、潮汐、地热、生物燃料乃至由此衍生出的新型电池（须以阳光或风力作为能量来源）等能源。它们的储量近乎无限，分布极为广泛，理论上也不会增加碳排放，因此被视为辅助甚至取代化石燃料的最可取来源。而太阳能由于技术条件的相对成熟和卡特政府的倡导，一度被视为最具潜力的新能源。1978年，美国国会通过《公共事业管理政策法案》，要求电力公司从政府登记在案的正规电厂购电。这些电厂多数为热电联产厂家或水电、风电之类的小型可再生能源厂，政府以法律保障相对较高的电价，以期推动产业崛起。到1980年，美国登记在案的太阳能周边企业已超过1000家，波音、通用电气、埃克森石油等大企业也开始投身新能源行业，一片欣欣向荣的气象。

短短一年之后，这种景气局面就被新上台的里根政府所打破。后者决心以放开价格管制的举措重整能源市场，这对低迷的石油行业无疑是一种刺激，却给方兴未艾的太阳能产业带来了灭顶之灾。乘卡特政府的东风组建的诸多中小企业原指望在高电价的保护下徐渐成长，却迅速被绝对主义的新政策所冲垮。1986年，白宫屋顶的太阳能热水器被拆除，标志着短暂春天的结束。从那时起的25年里，美国新能源产业的发展甚至落后于世界平均水平。2009年，可再生能源在美国全部能源供应中所占的比例还不到1.5%，仅与1980年时的规模相当。

事实证明，至少在最初阶段，新能源的推广必须以政府的政策扶持作为凭靠，这一点在日本和德国表现得最为突出。1975年，日本通商产业省官员池口小太郎（后曾三度出任经济企画厅长官）以“堺屋太一”为笔名发表了小说《油断！》，强调新能源对日本这个缺乏石油的岛国的意义。三年后，他从政府辞职，组建了日本太阳光发电协会（JPEC），利用过去的政府关系以及日本半导体产业的成长经验投入新能源开发。在政府支持下，日本太阳能设备的制造成本出现了直线下降，规模化效应和竞争力都获得了提升。日本政府还对购买太阳能电池板的消费者给予大量财政补贴，这使太阳能产业在有着全球最高电价的日本出现了反常的腾飞。在JPEC、政府以及夏普、京瓷、三洋等大公司的共同努力下，到21世纪初，日本在太阳能设备制造方面已经占据了世界领先地位。

德国的案例则更具典型性。20世纪70年代，为抵制经济增长造成的环境退化，联邦德国出现了以推进环保建设和新能源产业、鼓吹新左翼思想为宗旨的激进环保主义团体，并在1980年整合成为绿党（Die Grünen）。1986年切尔诺贝利事件之后，主张废弃核电站的绿党获得民众的高度信任，在1990年赢得了联邦议院的8个席位。在老资格中左派政党社会民主党（SPD）的支持下，自80年代后期起，联邦德国就开始试点可再生能源电力入网制度，用高电价补贴太阳能、风能等可再生能源发电商。两德统一之后，绿党以东西德电力系统的一体化和对原民主德国高污染褐煤电厂的升级改造为契机，通过了《可再生能源并网发电法案》，要求电力公司以较高的价格从新能源发电商那里购电，再把成本分摊到总体电价中。这样，在正常情况下缺乏竞争力的新能源就实现了入网发电，从而有助于整个产业的成长。从1993年起，德国的风力发电机数量开始以每天1个的速度持续增加，其中超过90%的新装机容量实现了联网，以期逐步取代占电力供应比例超过1/4的核电站。Energiewende（能源转型）被当作一项硬性指标写入了执政纲领，并影响到了西班牙、法国等周边国家的政策。

2000年，社民党—绿党联合政府推出了更加激进的《可再生能源法案》，宣布将在20年时间内以7倍电价大力扶植推广光伏发电技术，并宣布将在2010年之前最终停止境内17座核反应堆的运转。尽管这项政策随后被出身基民盟（CDU）的默克尔总理所推翻，并将“废核”的最终期限推迟到了2022年，但默克尔依然赞成将新能源发电在电力供应中的比例由2010年时的17%提高到2020年时的25%。美国随后也效仿了这一政策，在全国37个州推进“可再生能源发展配比标准”，要求发电总量中须有一定比例来自新能源。伊利诺伊州、俄勒冈州和明尼苏达州计划在2025年前将风力发电占发电总量的比例提高到25%，加利福尼亚州更是设定了33%的高指标。2007年以来，美国能源行业的总投资中有将近一半的比例进入了新能源行业，这无疑是政策扶持的结果。

汽车燃料竞赛

2009年，美国总统奥巴马任命诺贝尔物理学奖得主朱棣文为能源部长，重点推进能源创新。政府随后宣布了优先发展的九大技术，包括新型动力汽车、太阳能、生物燃料、碳捕捉和封存以及并网储电等。联邦政府每年拨款50亿美元，责成50个前沿能源研发中心进行不同形式的新技术应用尝试。在那之前6年，电动汽车研发专家阿兰·科科尼（Alan Cocconi）与两位投资人埃隆·马斯克（Elon Musk）和马丁·埃伯哈德（Martin Eberhard）相识，并获得15万美元的投资以进行汽车用锂电池的开发，最终的产品便是声名在外的“特斯拉”汽车。

作为一款外形漂亮的时尚车系，“特斯拉”可以在不到4秒的时间内加速到96公里/小时，使用220伏电源插座可以在4.5小时内充满电。但高昂的制造成本限制了它的市场前景：即使是在美国本土，7.2万美元（Model S型）以上的单价也限制了其向大众的推广。2015年全年“特斯拉”全系总出货量不过5万辆左右，净亏损上升至2.3亿美元（三季度数字）。尽管马斯克已宣布将在2017年上市3.5万美元的廉价车型Model 3，但市场反响尚难预料。不过“特斯拉”引发的关注已经证明：锂电池汽车确有其发展空间。因此在2009年，马斯克就从美国政府那里赢得了4.65亿美元的贷款担保，随后又引入了戴姆勒和丰田两大巨头作为合作伙伴。其他许多企业家也从中看到了机会：以色列企业家夏伊·阿加西（Shai Agassi）的“更佳之地”公司便是受“特斯拉”的启发而创建，该公司并不生产电动机车，而是出租标准化车用电池并建造覆盖以色列和丹麦的电池更换站点网。尽管该计划最终以失败告终，但做出了有益的尝试——假以时日，电池站或许会和今天的加油站一样得到普及。

一些在传统汽车业务中陷入困境的老牌企业，也试图借助混合动力乃至纯电动汽车的兴起来摆脱困境。1999年上任的日产汽车会长兼社长卡洛斯·戈恩（Carlos Ghosn）就认定：本社在锂电池研发方面的经验对扭亏为盈至关重要。他宣称：“我们接下来要生产的是零排量汽车，这种车不会产生任何尾气，不烧一滴汽油，更不是仅仅在车展上露面的概念车：它的性能和价格都要为大众所接受。”2010年底，日产的第一款纯电动轿车“聆风”（Leaf）宣告上市，车身99%的部件采用可回收材料制作，由600块锂电子电池提供动力，最大时速150公里，一次充电后可行驶160公里。“聆风”至今已售出近20万辆，戈恩计划到2020年前将电动汽车销售额占公司总收入的比例提高至10%。在他看来，零排量汽车在一个不长的时段内就将成为全行业的普遍共识。比亚迪等中国厂商同样看好这一机会，其混合动力汽车“秦”在2014年取得了1.47万辆的销量，位居中国新能源汽车榜首。

当然，纯电动方案只是零排量汽车的诸多动力选择之一。从理论角度看，燃料电池尤其是氢燃料电池也具备很大吸引力：氢和氧发生电化学反应只会产生电和水，不仅无污染，能量密度也足以和汽油展开竞争。在动作电影明星施瓦辛格担任美国加州州长期间，即倡导推广氢燃料电池汽车，本田、丰田、通用汽车等企业也从事了相关方向的研究。但燃料电池本身价格不菲，其成本至少需要下降20%才能转化为成熟的商业产品；从天然气中制备和储存氢同样需要复杂的过程和高昂的成本。到施瓦辛格离任为止，加州境内的加氢站只有14家。

相比之下，直接以天然气作为动力似乎是一种更经济也更可取的选择。在中国、意大利和南美，天然气汽车在公共交通工具中占据了相当比例；但对私家车用户来说，依然以观望者居多。推广天然气或油气混动车型需要以建设加气站网络为前提，且天然气的能量密度低于汽油，充入相同体积的燃料后持续行驶里程不如汽油车；若要达到与汽油车相等的续航力，就必须舍弃一部分车内空间来安置更大的燃料箱，这对注重舒适性的私家车和注重载重量的运输车都会是大问题。但在一个由传统动力车、混合动力车、电动汽车、生物燃料车乃至燃料电池车组成的更多元化的市场中，天然气动力车也会有其一席之地，并颠覆石油作为单一燃料的垄断地位。

星际旅行的动力

尽管对可再生能源的开发与关注已经成为世界潮流，但核能在可见的数十年内依旧不会消亡。法国政府在能源问题上便是坚定的“拥核派”：58座核电站提供了该国发电量的3/4以上，不仅合于巴黎坚持能源自主的一贯政策，还能将过剩电力输出到周边国家赚取利润。日本同样是核能的支持者，54座核电站在其电力板块中提供了近30%的输出额度，东京计划在2030年以前将这一比例提高到50%。尽管福岛核事故造成的辐射污染至今仍未彻底消除，但日本政府并未像德国一样明确打出“废核”旗号。从全球层面看，核电占欧盟、美国、日本和俄罗斯发电量的比例分别高达46%、19.5%、24%以及18.6%，在南美洲和加拿大同样高达38.4%和16.8%，占到全球发电量总规模的15%以上，这绝不是一个可以在20年之内迅速加以替代的份额。

从成本和安全性上综合考虑，发展核电的未来趋势是引入中小型反应堆，并通过改进管理来提升运行效率。装机容量300兆瓦以下的中小型反应堆选址将更为容易，设计也更简单，因之在建设成本和建造时间方面会有更大优势。相对于大型核反应堆，中小型反应堆在发展和建设过程中所面临的财务风险和安全隐患也会相应降低。而从美国的经验看，通过改善管理和雇用更有经验的技术人员，核电站的运行效率（实际发电量与装机容量之比）可以由55%提高到90%以上，反应堆的寿命也可以由过去的40年合理延长到60年左右。因此从奥巴马政府的第二任期起，美国已开始重新批准新的核电厂建设计划，而中、俄、印、韩四国也在积极上马新的核电项目。

尤其值得一提的是，核能几乎是目前实现超远程空间飞行的仅有动力选择。以化学燃料为动力的火箭理论上可以将飞行器投送至260亿公里外的太阳系边缘，但因为能量密度和燃料体积上限，永远不可能飞到最近的恒星（比邻星，距太阳4.22光年）。换言之，即使是目前最先进的运载火箭，也没有能力实现科幻小说中的“星际旅行”。美国航空航天局（NASA）考虑过利用理论上无限的太阳能作为动力：2010年，他们将一张面积为9平方米的聚酯薄膜光帆射入近地轨道，以测试其能量效率；著名天文研究团体行星学会也计划在2016年发射一具更大的“太阳帆1号”，来验证其有效飞行速度。按照NASA的计算，要到达太阳系边缘，需要制造一张直径为450米的碟形光帆，如此可在飞行两年后达到15万公里的最大时速。而抵达比邻星的旅程要远整整1500倍！

换言之，如果以光帆作为星际穿越的动力，首先需要制作一张尺寸约26万平方公里的聚酯薄膜，相当于内蒙古呼伦贝尔市的面积。而仅仅依靠日光提供能量尚不能使其迅速进入最快速度，为此，必须将一台巨大的激光发射器置入太阳同步轨道，将相当于全球发电量之和的巨大能量投向光帆，并用宇宙透镜聚拢，以防能量损失，才能驱动光帆在数十年时间内抵达比邻星。而这样一张光帆，只能搭载一枚体积不超过书桌大小的人造卫星。

相比之下，核动力明显是一种更可取的选择，也更具备实际经验。上世纪60年代末，与“阿波罗”登月行动几乎同一时期，NASA还设想过用载人飞船将12名宇航员送上火星和土星六号卫星。他们选用的动力方案是3台18吨重的NERVA（火箭飞行器核能发动机）：用核反应堆对液氢进行加热，随后经喷管向后喷出。NERVA需要的推进剂燃料仅为常规火箭的一半，但由于后续的载人太空计划未能获得拨款，整个项目在1973年被放弃。

核脉冲是此际NASA设想的另一种方案。它的原理是从火箭尾部每隔一定时间释放一枚核弹，利用核弹爆炸的脉冲作为动力，最终在数百年时间内将“猎户座”型飞船送达比邻星。即使排除大规模核辐射的危害，其最大速度也不够快；而航天器的有效机械寿命通常只有20年左右，显然无法满足条件。即便如此，核动力方案的潜力依然大过传统类型：1976年发射的“太阳神2号”探测器是迄今为止人类飞行速度最快的航天器，其最高速度达到了25.28万公里/小时，飞行至比邻星需用1.7万年。相比之下，数百年似乎还是一个相对可接受的数字。

前NASA科学家安德烈亚斯·齐奥拉斯（Andreas Tziolas）领导的研究团体“伊卡洛斯星际”则提出了核聚变方案：在2100年之前开发出一台足够小的可控核聚变反应堆，每秒向反应室内注入250次氘核，以高温使之发生聚变。聚变产生的能量从飞船尾部射出，理论上可以使其飞行速度达到光速的20%，如此便可在数十年内抵达比邻星。但氘的制备极为困难，可控核聚变迄今也尚未实用化，因此该方案的实现也非数年之功。

或许，依然是由那位充满奇思妙想的埃隆·马斯克推动的商业航天计划才是离我们最近的太空旅行方案。2015年12月22日，由他创建的太空探索科技公司（Space X）研制的“猎鹰9号”运载火箭成功完成了发射和一级火箭的回收，创造了历史。此举意味着马斯克朝他的火星探索之梦又近了一步：将“猎鹰”系列火箭的载重量提升到航天飞机的两倍，同时成本降低到后者的1/5，以逐步实现在20年内把宇航员送上火星的计划。此后数百万吨的设备以及越来越多的宇航员都将被送往那个行星，以建立永久定居点，成为向星际边缘前进的一个基地。人类文明，也只有在首先扩张到整个太阳系之后，才能踏上星际旅行的航程。

（参考资料：The Quest：Energy，Security，and the Remaking of the Modern World，Daniel Yergin；Crazy Far，Tim Folger；Fresh Hope for Combating Climate Change，Robert Kunzig等）