【趋势分析】能源转型与阀门：未来走势
当我们逐渐摆脱对化石能源的依赖并向着可再生能源转型，哪些阀门可能会有用武之地？它们何时能发挥作用？这些都是我最近和某位阀门制造商闲谈时聊到的话题。
通过对相关文献（主要是Vaclav Smil所著的《能源转型（Energy Transitions）》和Daniel Yergin所著的《新格局（New Map）》）的研究发现，上述问题依旧悬而未决。
自古以来，人类始终在依靠自然资源维持生存和生活。在很长一段时期内，动植物是人类唯一的“燃料”，而人体是唯一的“原动机”—— 即‘通过役使各种热能、动能和化学达到特定目的任何装置或物体’[1]。可以说，能源转型的历史，就是人类在地球上生活期间，能源和原动机发生改变的历史。
就能源而言，人类从生物质——特定地区或环境内，在特定时间点所保有的各种有机生命体[2]——逐步转向煤炭、石 油和天然气。就“原动机”而言，人类从自身肌肉力量发展到风能、水能（比如风 车、帆船和水车）、蒸汽机和汽轮机；随后又发展到了内燃机和燃气涡轮机。
当初是哪些因素促成了这一系列转变？大家一定都认识图1中的各种机器。从人力割草机（a）升级到马达动力割草机（b），促成这种转变的前提是发明出这样的机器——或者说要有一定的技术能力——而且还需要有合理的价格和便利的购买渠道（机器和燃料）。还有一种诱发改变的因素是某种燃料变得枯竭或匮乏， 例如用于照明的鲸鱼油，又比如因森林退化而从木材转向煤炭。
图1-割草机发展简史：a. 人力驱动 b. 马达驱动（汽油） c. 电动（自主控制）
然而，从（b）发展到（c）的过程就比较复杂了。如今人类第一次因出于环境保护的原因而谋求能源转型，当然也附带着技术、成本和便利方面的考量。对很多人而言，选项（c）意味着碳排放更少，更方便，这些已经是决心转型的足够理由。
当然，对环境更加有利的转变是回归人力割草机，因为电力生产的过程也会排放二氧化碳，特别是烧煤的热电厂。因此未来的能源转型方向应该会是可再生能源，一方面是为了减少碳排放，另一方面也是为了摆脱终将枯竭的化石能。据EIA（美国能源信息署）的定义，“可再生能源是指可以自然补充，但补充速度有限的能源；可再生资源几乎不会随时间流逝而枯竭， 但是在单位时间内，可以获取的数量是有限的[3]。”太阳能和风能就是此类间歇性能源的典型，一天内可获得的太阳能和风能，会随季节和天气不断变化，而且只能做出粗略的预估。
Smil[4]列举了九种可再生能源：太阳光辐射；因太阳光辐射产生的六种其它能源：流水（水力发电）、风能、风能导致的海洋波浪、洋流、深层和表层海水间的温差、光合作用（初级生产）；地热和潮汐能。可再生能源并不意味着不会产生碳排放。燃烧木材（由光合作用而产生）也会产生碳排放。反过来说，低排放能源不一定是可再生能源，比如核电站；它是以铀为燃料，而铀和石油一样，储量也是有限的。
图2 – 碳循环：2009-2018年的平均估计值。
碳排放为什么会造成麻烦？Yergin[5] 在其所著的书中给出了答案：“事情要从头说起。根据2009-2018年的年平均数据（见图2）：平均每年自然界排放二氧化碳的总量达2100亿吨。其来源包括植物腐烂、人类和动物呼吸等。再加上95亿吨来自化石能燃料，和15亿吨来自土地耕种的二氧化碳，总量就变成了2210亿吨。但是其中仅有2157亿吨在自然界循环中被捕获，或者说被植物和海洋吸收。这意味着会有49亿吨二氧化碳被排放在大气层。未被捕获的二氧化碳仅占自然界捕获二氧化碳总量的2.2%。
单就一年而言，这个数字看上去并不大。但年复一年，积累起来可以相当于整个地球大气层的总体量。水蒸气是就是最常见的温室气体，此外还有一氧化二氮和甲烷。有些温室气体在一年或十年后会自行衰变；但有些则能长期存在，甚至比二氧化碳还耐久。这些温室气体形成了一道屏障，将地球变成了一个巨大的温室，也就是将更多太阳散发的热量保留在地球表面，而不是流失到宇宙太空。这种局面造成的结果就是地球变得更热——这就是所谓的“温室效应”。
已经有足够证据表明地球在变暖，而且导致这一现象的原因是人类的行为。但温室效应和气候变化之间的因果关系，直到现在才得到正确的理解。以近期出版的一本书[6]为例，书中表示一个世纪以来， 诸如龙卷风和干旱等极端气候现象的发生频度并没有提高，因此并不认同其它许多文献中的观点，而是认为它们和全球变暖并没有关联。
尽管对于气候变化问题存有争议， 但有些真相是不可辩驳的。在包括美国在内的许多地方，有害污染物的排放不仅已经损害——而且仍在继续损害人类健康[7]。值得注意的是，正是由于对空气污染的担忧，直接催生了美国许多的法律法规，其中最主要的就是《清洁空气法案》（Clean Air Act），此外也促成了环境保护署（EPA）的创建。如今的碳排放限额的制定和监督执行，就是由EPA负责的。
下一波能源转型的时间表和挑战
能源转型早已不是新鲜事物；但历史告诉我们，转型需要漫长的时间。Smil[8] 研究了六个国家（美国，中国，日本，俄罗斯，英国，法国）在150年期间的转型情况，通过观察木材、煤炭以及后续其它能源的应用情况，他分析了特定种类能源需要多久才会从能源结构占比5%提高到25%[8]。反复研究的结果都是一致的：转型需要数十年时间逐步进行。1905年，石油在美国能源供应总量中占了5%。经过28年后，这一比例才上升到了25%。天然气所占比例的增长速度更慢，从1924到1957年，历时33年。如今，由于担心土地被占用和粮食生产受到影响，某些能源的大规模供应遇到了阻碍。而这就引出了下面要讨论的话题：能源密度。
能源密度也是一个重要的衡量指标， 它是指每单位面积土地所能产出能源的比例。换言之，我们希望知道生产（或消耗）一定单位的能源需要多少土地。如今，相对较少面积的土地就可以生产出全世界能源消耗总量中的一大部分。按照Smil[4]的计算，用于化石能开采、加工、 运输的土地，再加上热电厂和输配电设施占用的土地，总面积不会超过3万平方公里。这基本相当于比利时的国土面积。如果将能源种类换成植物生物量（植物生物质），同样的能源需要1250万平方公里才能提供，差不多是美国加印度的面积之和，比现在所有现代化的能源基础设施所占总面积大了四百多倍[4]。
图3 – 特定时间段（1776 至2019 年）美国能源结构中的主要各项。注：木材包括木材和木材边角料；其它可再生能源包括生物质燃料、地热、太阳能、风能。
图3的数据阐释了上述观点。它列举了特定年代范围内，各种能源在美国能源结构中的占比。从图中可以发现，能源密度越高，需要的土地面积越少。当然，对太阳能和风能的期望值可能太高了，这些前景光明的可再生能源目前尚未达到5%的份额[8]。图2利用美国能源信息署（EIA）的数据阐释了上述观点。尽管大家希望——甚至可以说无论如何都会向着可再生能源转型，但是转型的速度、具体构成和实施细节都不明朗[4]。尽管拥有先进的科学理念和制造技术、丰富的原材料，也有来源于环境问题的推动力，但是没有迹象表明，眼下这一波能源转型会比之前几次迅速一些。有若干难题都在拖累转型的步伐，下面将介绍其中两种：能量密度和基础设施。
可再生能源不仅能源密度较低，能量密度也比较低。能量密度指每单位质量或体积的能源物质含有的能量。能量越是集中，或者说密度越高，完成同样任务消耗的燃料就越少。正因为有这样一种规律， 有些事情难免受其直接影响，比如喷气飞机引擎的燃料很难找到替换品，因为其它燃料难以达到相似的能量密度。有些生物质燃料虽然通过了试验，但仍然存在基础设施建设的问题。如今的高能耗用户享有异常丰富的 能源供应链，包括煤矿和铀矿、油气田、运煤火车、管 道、运煤车或船、油轮和LNG运输船、煤炭加工厂、炼 油厂、LNG接收站、铀矿加工厂（和后处理工厂）、热电和水电站、大容量输送管线和输配管线，此外还有全 世界范围分布最广，成本也最高的汽、柴油加油站[4]。
无论具体采用哪几种可再生能源，都需要建造配套基础设施网络。以风和太阳能为例，设施建设最理想的选址应该是在远离用户的偏远地区，这样既符合实际， 也有利于能源的获取。人口密度较高的城市，基本上不可能有大片闲置土地用于建设配套设施。为了连接用户和能源生产设施， 还需要建设能源储存和输送设施。
换言之，能源转型的具体场景是从能量密度较高，能源种类和用量较少的能源结构，转型到能量密度低、能源种类和配套设施众多的能源结构。
总结
虽然政治家提出了雄心勃勃的目标，但即使到了 2030年（甚至2050年），全世界的能源应用场景和现在不会有太大的不同。碳排放会减少？那是一定的，因为有了更高效率的原动机，而且可再生能源的占比也将更高。人均能源消耗量也有望下降一定幅度。
回到一开始我们探讨的话题：从全面依赖化石能转型到可再生能源，需要用到哪些阀门？世界已进入后石油时代，市场何时能为这些阀门打开大门？考虑到技术和配套基础设施方面都面临很大挑战，有理由相信在短期内，不会因为可再生能源而导致阀门设计发生实质性改变。
作者简介
Davi Correia是巴西一家大型石油企业的高级机械工程师，他已经在那里工作了15年。他曾作为跨专业团队成员，为生产平台上层模块的管道和设备提供技术支持。在那期间，他开始在工作中接触材料学和防腐蚀，后来又将工作重点转向管道和管件，并且成为了阀门方面名列前茅的技术顾问。Correia曾作为专家组成员参与修订IOGP S-562，并参与编写了S-611标准。他拥有巴西乌贝兰迪亚联邦大学（Universidade Federal de Uberlandia）焊接专业的硕士和博士学位。
