迎接能源结构的挑战

在英国，关于如何减少能源使用对环境的影响的辩论充满了矛盾、夸张和误解。例如，当一群人会说我们需要大规模扩张风力发电时，另一群人会说这将导致整个国家都被风力涡轮机覆盖。还有人说核能是唯一的解决办法。

根据许多环境科学家和能源专家的说法，我们需要清楚地了解我们现在所处的位置，我们可能会达到的位置，以及可以用来实现这一目标的技术和技术。

关键的目标日期是2050年，这可能是下个月哥本哈根议定书的基准。到那时，英国可能必须将其碳排放量减少80%——这是一个令人生畏的总量，而且仅仅通过寻找减少当前过程中能源浪费的方法是无法实现的(见下面的背景故事)。

美国能源和气候变化部(Department of Energy and Climate Change)首席科学顾问麦凯(David McKay)最近在剑桥大学(Cambridge University)的一次研讨会上说，“粉饰绿色”毫无意义。“比如电力公司要求你点击他们网站上的绿色关税，而他们98%的电力来自化石燃料，点击再多也改变不了这一点。这就是激励我的废话。”

他的计算将所有能量分为两个不同的单位:消耗的千瓦时(kWhr)和每平方米的瓦数(W/m)²)。麦凯说，千瓦时是一个熟悉的单位。“把水壶放上20分钟，你就会消耗5千瓦时。在英国，我们每人每天使用125kWhr;你可以想象一下，我们每个人都带着大约125个正常的40W灯泡一直亮着。”

在研究可再生电力时，每种方法的关键统计数据都是其单位面积产生的能量。麦凯从英国的人口密度说起，这意味着英国共有4亿人口²大约是一个足球场面积的一半，我们可以从中产生能源。然后他研究了每一种不同的方法。

“以风能为例，它的平均发电量为2瓦/米²麦凯说:“它在苏格兰的山顶上比较高，在剑桥附近比较低。”“所以，如果我们要覆盖英国10%的风电场，我们就会有4亿²每人可以产生800瓦，相当于每天20千瓦时。”

这远低于每天125kWhr的总耗电量，但仍高于目前每人每天的用电量(17kWhr)。然而，这是风力发电的巨大扩张。他说，要实现这一目标，我们需要将目前全球风力涡轮机总数增加一倍。“这只是物理学;它既不支持也不反对风力发电。

其他可再生能源也能产生类似的能量。例如，潮汐池发电产生8W/m²．麦凯补充说:“因此，要从中得到很好的贡献，你需要一个国家大小的潮汐池，而不是河口大小的潮汐池。”幸运的是，上帝以他的智慧给了我们一个国家大小的潮汐池。它被称为北海，我们可以想象在它上面建造水下涡轮机。”

他认为，2050年的能源格局将不得不吸收来自多个领域的技术:“我们需要尽可能多地提高效率，比如把汽车换成电力，让它们的效率比现在提高四倍;有效地为所有建筑物隔热;使用地源热泵提供低等级能源为建筑物供暖，而不是燃烧材料，这是热力学犯罪。”

这将减少整体能源消耗，但增加电力需求。麦凯说，这将需要“四倍于我们现在拥有的核能、可再生能源、清洁煤和其他可再生能源，比如在利比亚或阿尔及利亚的沙漠中集中太阳能发电，并将其传输到法国各地”。他补充说，英国仍然需要40倍的风能来满足这一需求。他说，这是有汇率的:2000台风力涡轮机相当于一台Sizewell B。

对于现实地看待能量以及能量如何守恒，另一个至关重要的信息是它实际的使用方式。剑桥大学低碳和材料加工小组主任朱利安·奥尔伍德分析了能源流动，从作为某种燃料的原始来源，经过各种转换装置，最终成为实际消耗的服务。例如，石油的能量来源，通过提炼成汽油、柴油和煤油，再由内燃机转化为客运和货运。在世界大部分地区，生物质是能源的主要来源，它被转化为热舒适和烹饪食物。

奥尔伍德称之为“世界地图”的图表显示了每个阶段的能量，线条的粗细与消耗的能量成正比。在源端，石油和煤炭是粗线，天然气略细，核能相当纤细，可再生能源非常窄。转换成蒸汽系统和加热或冷却空间的比例很高，而飞机、轮船和火车的比例则较低。在服务方面，我们看到大部分能源用于维持生计和热舒适，通信和照明所占比例最小。

这幅地图揭示的一些真理令人惊讶。在所有关于发电的讨论中，这只占全球能源使用的三分之一。各种形式的运输占转换能源的三分之一;超过一半的转换能量被用来加热或冷却物体。能源转化为什么也令人惊讶:交通和结构——即工业生产——占不到三分之一，而被忽视的维持、卫生和热舒适领域占了近一半。

奥尔伍德说:“我们想要制作一份2050年的图表，但要做到这一点，我们必须把它印在橡胶上，并大大扩展核能能源的使用范围。”

实际上，这张图表帮助他了解在哪些方面可以节约能源。例如，虽然能量转换设备已经高度发达，但当我们在低温应用中使用高温能量时，仍然有很大的损失，例如燃烧气体为房屋供暖。奥尔伍德说:“通过更好地设计‘被动式系统’，为每单位有用能源提供更多的最终服务，可以最大限度地节省能源。”例如，汽车使用的大部分燃料都是用来驱动汽车本身，而不是里面的东西。

重复使用材料，而不是回收利用，也可以节省大量资金;你处理的东西越少，消耗的能量就越少。奥尔伍德的团队正在研究处理废金属的低能耗方法(见图表)，但另一种可能节省能源的方法是“不复印”——设计一种方法来去除不需要的复印或打印文件中的碳粉，使纸张保持清洁，以便重新打印。

他的一个博士生托马斯·康塞尔(Thomas Counsell)计算出，纸张和纸板的消耗占了所有气候变化气体排放的1%到2%——比例很小，但CO的数量惊人₂．造纸能源链包括林业、制浆、造纸、印刷和垃圾填埋;该行业是碳排放的前五大贡献者之一。虽然重复使用打印好的纸张，而不是将其扔掉并重新使用一张新的，可能会出现一种通常被认为是微不足道的行为改变，但它可能会产生重大影响。康塞尔认为，只要能找到足够好的不复印方法，这种纸可以取代60%以上的新纸，消耗的能源不到再生纸的40%，每张纸的成本不到半便士。

他尝试了三种从印刷纸上去除墨粉的方法:磨损、激光处理和溶剂。溶剂是有效的，但对环境不友好，因为回收利用没有净收益;烧蚀降低了纸张的质量太多;激光很有希望，但会导致纸张变黄。他现在正在研究使用更便宜的高效半导体激光器，并观察激光是否可以在不加热纸张的情况下去除碳粉，因为他认为这是导致纸张发黄的原因。奥尔伍德说:“我们必须考虑所有消除或减少使用热量的方法。”最后，他补充说，这是减少我们对地球影响的唯一可靠的方法。