短期內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新發展以及人類對生態環境保護日益提高, 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展快通道, 并可帶領人類走進氫經濟時代; (3) 核聚變能源。可控核聚變技術的突破和小型化, 有望全方位提供交通運輸動力, 或將在2050~2060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將成為石油未來應用的最終歸宿。

石油被替代的可能性

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎,伴隨全球經濟與社會發展和人口持續增長,未來能源需求總量仍將保持增勢,但增長速度可能會放緩。石油號稱現代工業的“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主要作為工業生產的“原料”。根據現有資料評價,全球常規與非常規石油可采資源量約9000億噸,按現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現并開發利用,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劃和相關技術提速發展的新要求, 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, 人類或將面對一場更具顛覆性的“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品將被更清潔的能源替代, 從而導致石油需求量大規模減少。特別是能源領域的新技術、新材料以及人工智能、大數據等日新月異發展, 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展熱潮,電動汽車保有量呈指數增長態勢, 2014 年突破70 萬輛,2015年突破120萬輛, 2016年突破200萬輛。中國電動汽車發展后來居上, 2015年超過美國成為全球第一大電動汽車產銷國, 2016年保有量達到65萬輛, 約占全球電動汽車總量的1/3。

電動汽車快速發展主要得益于儲能新材料與技術的迅猛發展、生產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,目標是實現比現有電池容量高出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,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、高倍率及高穩定性的方向發展。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定。硅材料是一種超高比容量的負極材料, 是傳統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, 充放電循環可達近萬次, 遠高于傳統鋰電池, 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成果顯著。目前較為先進的商業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鋰離子電池中, 實現5min完成充電,并支持汽車續航約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模發展的要求。業界普遍認為, 電動汽車需要動力電池能量密度大于500Wh/kg, 續航里程大于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, 固態鋰離子電池因體積能量密度可提升70%、質量能量密度可提升40%, 成為下一代鋰電池的重要發展方向之一; 鋰空氣電池的理論能量密度最高, 劍橋大學已宣稱研發出容量3000 W h/kg的鋰空氣電池, 是現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, 距商業化應用還有較長距離。

現階段, 電動汽車的快速發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顯現。未來全球電動汽車數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氫燃料電池或將引起全球能源格局變革

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、燃燒熱值高等優點,氫能開發利用已取得較為顯著的成果,未來實現規模燃燒產物是水, 無污染。目前實驗室和小規模化的氫商業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氫法。現階段, 全球每年氫氣產量約為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。科學界正在積極探索廉價的制氫新模式,涌現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、生物質制氫、細菌-光催化制氫等技術, 并開發出石墨烯、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模開發利用的關鍵。氫氣存儲方法主要包括高壓氣態儲存、低溫液態儲存、化合物儲氫等。其中, 高壓氣態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使用。特別是, 有機液體氫載體可利用現有石油儲運方法與設施在常溫常壓下儲運氫氣。

美國已實現體積比約為630:1的有機液體氫載體系統,中國科學家近期也發明了一種新型鉑-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都在積極開發氫燃料電池技術, 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展規劃, 并嘗試通過政策、法規全面促進氫能開發利用。 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, 氫能源的開發利用尚處于探索起步階段, 還無法對傳統能源造成重大沖擊, 但遠期看, 氫能源的普及和大規模利用將是大勢所趨。氫燃料發電可用于調節電網, 在電網低負荷時利用多余電進行電解水生產氫氣和氧氣, 在電網高負荷時利用氫氣和氧氣反應給電網供電; 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, 建立分布式能源網絡, 實現區域或城市電能、熱能和冷能的聯合供應, 通過搭建氫能源聯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,且不產生長半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產物。因此, 實現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。

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定性、能量約束時間及電子溫度等參數方面具有顯著優勢, 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實用的關鍵一步[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;還在籌劃穩態聚變示范電站(DEMO)的設計與建造, 計劃2044年開始發電, 2050年實現可控核聚變發電的商業化。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的穩態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年左右實現商業化。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利用(表1)。



實現可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實現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成功產生1500萬度等離子體,預計2030年左右有望突破核聚變發電技術。

短期看, 核聚變實現商業化還存在諸多挑戰, 但長遠看核聚變技術有很大實現突破的可能性, 將會為全球帶來源源不斷的綠色能源供應。根據各國的DEMO計劃和技術發展趨勢, 預計2050~2060年前后可控核聚變技術有望實現商業化。屆時, 核聚變電力的充足供應將徹底改變全球現有的能源格局, 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, 物流成本也將極大降低, 高效快速的物聯網將真正進入新時代。同時, 人類不再受限于太陽能電池板發電, 將有更高效的能量去實現空間探索與開發, 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環境的關注合力推動能源技術以前所未有的速度加快發展, 能源技術與材料創新將進入高度活躍期, 人類利用能源或將迎來第三次重大轉型, 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化應用帶動電動汽車快速發展為標志, 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模應用帶動氫燃料電池汽車的普及應用為標志, 大規模消納可再生能源, 并支撐電網和氣網互聯互通, 有望在2050年前后實現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化應用和普及為標志, 為人類社會發展提供不竭動力, 或將在2060年前后實現能源利用的綠能化(圖3)。


這樣的變革將對世界能源格局和經濟社會發展產生深遠影響, 石油在交通運輸方面的消費需求可能被大規模替代, 最終去向將從以交通燃料為主, 轉向以生產多類高附加值材料為主。例如輕質高強度的載具轂體、高級化工合成產品、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展的進程中還存在聯合應用的可能性, 將對人類能源利用方式和節奏產生更大沖擊。設想一下, 未來中國利用西部地區太陽輻射強、日照時間長、分布范圍廣的優勢進行太陽能發電, 然后通過大型儲能設備將剩余電能儲存并接入智能電網輸送至東部沿海地區。在滿足東部發達地區電力需求的同時,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, 實現氫燃料汽車對傳統燃料汽車的大規模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產難題,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展仍面臨關鍵材料及技術尚未完全突破、生產成本過高、配套設施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰。 然而, 能源領域新技術、新材料發展速度很快, 世界各國, 特別是以經濟合作與發展組織(OECD)國家為主體的經濟發達國家和地區對環境問題的高度關注, 驅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、經濟波動等不確定性,但低碳清潔能源競爭發展態勢已呼之欲出,對石油替代已逐漸顯現, 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）