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《国家能源转型:德、美实践与中国选择》

2016年08月23日来源:浙江大学出版社    作者:朱彤 王蕾

国家能源转型:德、美实践与中国选择 

 ISBN

 9787308153492

 出版社

 浙江大学出版社

 作者

 朱彤 王蕾

 出版时间

 20162

 

编辑推荐

《国家能源转型美实践与中国选择》通过对漫长经济增长史及其特征的回顾,探讨经济增长进程中能源转型与经济转型的关系,通过对人类社会能源转型历史阶段的分析,提炼能源转型的基本逻辑;通过对能源转型的国别比较,概括能源转型的差异化特征。作者朱彤、王蕾努力为研究能源转型提供一种“系统思维”和“全局观”。本书为全面理解“能源转型”实践提供了一个独特视角和分析框架。

 

目录

第一章 经济增长历程中的能源转型

一、前工业社会的增长“极限”及其破除

二、工业革命、经济转型与能源转型

三、能源转型与国家经济兴衰的案例

四、经济增长新“极限”与能源转型新挑战

第二章 能源转型的历史与逻辑分析

一、能源利用与能源转型的历史

二、国家能源转型分析的一个概念性框架

三、向可再生能源转型的特殊性与面临的问题

第三章 国家能源转型的德国实践

一、德国历史上的能源转型

二、德国当前能源转型的背景与目标

三、2020年能源转型目标进展评估

四、德国向可再生能源转型的经验与问题

五、德国向可再生能源转型面临的挑战

第四章 国家能源转型的美国实践

一、美国历史上的能源转型

二、美国当前能源转型政策的演进

三、当前美国能源转型的进展

四、“页岩气革命”对美国能源转型的影响

第五章 中国能源转型的特点

一、中国历史上的能源转型

二、中国能源资源禀赋的特点

三、能源需求的刚性特征

第六章 中国能源转型的难点与制约因素

一、中国能源转型的难点

二、制约中国能源转型的主要因素

三、中国能源转型应注意的三个问题

第七章 中国能源转型的进展、问题与前景

一、中国能源转型的含义与参考目标

二、中国能源转型的进展评估

三、中国能源转型的问题

四、中国能源转型前景

第八章 中国能源转型的方向与路径

一、德国与美国能源转型实践的启示

二、中国能源转型的方向与路径

三、能源大转型需要大智慧参考文献后记

 

书摘

能源转型的三种理论观点的简要评述

三次能源转型论

“能源转型”(energy transition),简而言之,就是能源的更替和变化。人们在不同的层次上描述这些变化,就形成了能源转型分析的不同逻辑和不同的阶段划分。目前,国内外对能源转型的“历史”研究相对薄弱,但也有少数学者努力在纷繁复杂的能源技术进步和能源演变轨迹中,尝试构建能源转型的分析逻辑和理论框架。目前,大致存在三种判断重大能源转型的标准或分析逻辑,我们概括地称其为:“两次转型论”、“三次转型论”和“五次转型论”。[1]

1. 三次能源转型论的基本内容

三次能源转型论是目前关于能源转型流传最广的一种理论观点,但难以确定是谁,在什么时候提出来的。

这一观点通常将人类能源利用史描述为几个“时代”的方式来表述,同时也提出两次能源替代的看法。从认识能源转型的角度,我们将这一观点概括为“四个时代”、“三次转型”。“四个时代”是指薪柴(植物能源)时代、煤炭时代、石油时代和后石油时代;“三次转型”分别是指煤炭替代薪柴的“第一次能源转型”,石油替代煤炭的“第二次能源转型”,以及即将到来的“第三次能源转型”。

通常认为,大约30万年前,原始人学会用火,特别是掌握人工取火方法后,人类能源利用就进入薪柴(植物能源)时代。原始人生产、生活所需热能绝对地依赖于木材、枯草、作物秸秆、动物粪便等;作为动力来源的人体肌肉力和畜力同样依靠植物能源的转化。公元前后虽然发明了风车、水车等设施利用自然动力获得更多的机械能,但人类活动和社会运行的主导和基础能源依然是薪柴(植物能源)。

第一次能源转型大致在18世纪末英国工业革命时期。蒸汽机的发明和推广,以及一系列能源(煤炭)密集型工业的发展,加快了煤炭对薪柴的替代,使煤炭很快成为社会生产和生活的主要能源,人类社会进入“煤炭时代”。

第二次能源转型大致出现在19世纪末20世纪初,内燃机的发明标志着石油作为一种“新”能源开辟了一个新的市场;各类以石油产品为燃料的高效内燃发动机的出现和推广,石油对煤炭的替代从20世纪10年代开始在主要工业化国家进入加速阶段。如果以石油消费量超过煤炭消费量来度量“石油时代”的话,那么美国大约在20世纪40年代末进入“石油时代”。全球层面,石油消费量在20世纪60年代初超过煤炭。

进入21世纪,随着人们对化石能源消费导致的环境问题和大气变暖的重视,以及风能、太阳能利用新技术的日趋成熟,关于第三次能源转型的讨论开始增多。不过,第三次能源转型向“哪种”能源转,存在两种代表性看法:一种是认为当前的能源转型是化石能源向可再生能源转型,最终走向“可再生能源时代”;另一种观点则认为,可再生能源在一段时期内还以成为主导能源,因此,当前的能源转型是向包括核能在内的多种能源转型,化石能源时代将走向“多元能源时代”。

2. 简要评述

这一“理论”没有对“能源转型”进行界定,也没有明确阐述能源转型的“判断标准”。然而,通过梳理其分析逻辑可以发现,这一理论对“能源转型”理解有如下三个特点:一是立足于能源转型是“能源的更替和显著变化”这一基本含义;二是把能源转型理解为薪柴、煤炭、石油这些“一次能源品种”的更替和显著变化;三是用一次能源品种的比重变化来描述能源的“显著变化”。

“三次能源转型论”按照一次能源品种主导地位的转变区分了过去、现在和未来的三次能源转型。但这一理论对能源转型概念的理解仅停留“一次能源转变”的浅层含义上。这种对能源转型的理解,无法对“能源转型因何发生”这一基本问题做出合理回答。因而,基于这一含义的能源转型研究很难对能源转型的历史过程做出较为深入的阐述,对认识未来能源转型的启示也很有限。

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[1]这种概括是为了便于表述的简化做法。事实上,这种不同阶段划分本质上反映了对能源转型历史的评价标准和逻辑的差异。介绍这些不同的划分标准,正是为了构建本书的“能源转型”分析逻辑提供借鉴。

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瓦茨拉夫·斯米尔五次能源转型论

1. 五次能源转型论的基本内容

 加拿大学者瓦茨拉夫·斯米尔(Vaclav Smil[1]2004年发表一篇名为《世界历史与能源》的论文中,提出了一个关于能源转型的理论,我们称之为“五次能源转型论”。[2]这一理论认为,判断能源转型的最重要标准是极大改善能源转换效率的“原动机”(prime movers)出现,[3]使人类社会所能利用的能量数量级得以大幅提高。根据这一判断标准,斯米尔提出,到目前为止人类能源利用经历了四次能源转型见图2-8。即将到来的第五次能源转型则是向天然气作为单一能源转型。

 图2.8

2-8人类历史上的四次能源转型

资料来源:Vaclva Smil(2004)

第一次能源转型的标志是驯养役畜和利用火来生产金属和其他耐火材料。距今约10000~5000年前,人类已经驯服了牛、马等动物作为役畜。利用畜力耕犁、收割和运输,提高农业收成。数据显示,人劳动的持续输出功率为50~80瓦,而小型耕牛为300瓦,优良马匹为700~800瓦,而且可以连续工作数小时。一个健壮马匹的工作量相当于10个强壮劳动力。[4]用火来冶炼金属——先是炼铜(公元前4000年)然后是炼铁(公元前1400年)——可以提供耐用的生产工具,烧砖则用于修建保温性更好的住所。所有这些都极大地提高所能获得和利用的能量级。

第二次能源转型标志是风车和水车的出现。人们设计水车和风车,水磨、水碾,[5]把水力和风力转化为机械能,部分替代动物原动机(人和役畜)。至少在公元前1000年,埃及和和美索不达米亚等地已经开始利用水车进行农产品加工、灌水和排水。公元前200年,古波斯人开始用垂直轴风车碾米。公元400-500年,欧洲的“罗马水磨”和中国的水磨已经有相当高的水平。比如,罗马人在法国南部的阿尔勒(Arles)附近修建的巴贝格大水磨由8个梯级磨房组成,每级磨房有2套水磨,水轮直径达2米。在山溪水驱动下,大水磨每天可加工粮食28吨,足够供应居住在阿尔勒地区的1万多居民。[6]

水车的传播很快。11世纪东部和南部的英格兰,达到平均每3501辆水车。然而,水车性能虽然在不断改进,但直到18世纪,欧洲水车的平均功率依然不到5千瓦,同期一匹好马的功率可以超过1千瓦。

由于风车和水车的利用要受到资源条件限制,尽管风车和水车在其所能发挥作用的领域产生了深刻影响,但这次能源转型的影响不像第一次能源转型那样普遍。

第三次能源转型的标志是蒸汽机的发明。1765年,瓦特改良了蒸汽机。蒸汽机的发明和推广取代了动物原动机(人和役畜),煤炭取代了薪柴。瓦特专利到期后,高压蒸汽机发展迅速,从根本上改变了陆地和海上旅行。数百年来,马车平均低于10千米/小时。但到1900年,蒸汽火车能够很容易跑马车10多倍速度。铁路极大地降低了大负荷移动的成本,蒸汽轮船缩短了国际旅行的距离。比如,跨大西洋航行从1830年乘坐帆船的1个多星期减少到1890年坐轮船不超过6天。

这次能源转型始于18世纪末工业革命的英国,并于20世纪在所有工业化国家得以完成。蒸汽机对动物原动机的替代在多数低收入国家依然还在进行之中,特别是非洲。

第四次能源转型的标志是发电机发明使用和1882年世界第一座中心发电站投入使用。19世纪70年代,欧洲企业纷纷采用电能源作为新动力,但基本属于一台发动机设备供应一栋房屋或一条街道照明的“住户式电站”。1882年在伦敦和纽约的“中心电厂”投入发电(都是燃煤电厂)。其中,伦敦电厂所发电力可供1000个爱迪生灯泡使用,纽约电厂所发电力可供6000个爱迪生灯泡使用。发电机、蒸汽轮机、电动机这些新的能量“原动机”推动能源向“电气化”转型。

到今天,19世纪90年代末形成的电力系统技术架构和标准依然是现代电力系统的基础。而且从那时起,“原动机”单元规模和效率不断提高。汽轮发电机功率从1900年的10千瓦发展到2003年的1.5吉瓦(GW),发电效率从1900年的5%提高到2003年的40%(热电联产60%)。各种廉价电动机的出现使美国制造业在30年内迅速实现了转型:1929年,工业电机容量占所有安装机械动力的80%以上,高级生产组装线(福特1913年首创)是典型代表。

廉价而可靠的电力供应深刻影响着人们的日常活动:街道和房屋的照明,房屋制冷(空调),给城市和城际列车提供能量,等等。20世纪60年代以来,电力开始给计算机和互联网时代提供动力。

从能源结构变化角度,以“电气化”为核心的第四次能源转型有两个特征:一是电力部门消耗的化石燃料份额日益增长,同时在电力生产结构中,1950年代以后开始出现了核能发电、风力发电和光伏电池发电等新的发电方式。二是煤炭份额稳定下降,石油和天然气的份额增加。

需要指出的是,石油对煤炭的替代是伴随着1876年内燃机发明,以及后来汽油柴油发动机的出现和推广而产生的。然而,由于内燃机作为原动机的原理与蒸汽机是一样的,因此,虽然其在时间上与第四次能源转型重叠,但不属于第四次能源转型,也不构成一次新的能源转型,而是将其作为第三次能转型的深化。

而且,驱动不同阶段能源转型的原动机在相当一段时期内是长期共存的。比如,18世纪末和20世纪中期之间内燃机和电动机完全占主导地位之前,役畜、水车(风车)和蒸汽机在欧洲部分地区共存了150多年。

2. 简要评述

斯米尔的能源转型理论,对迄今的人类能源利用史上发生的能源转型进行了梳理和分析。根据其描述,目前我们依然处于第四次能源转型推动的“电气化”时代之中。对于第五次能源转型,斯米尔认为,虽然大家讨论的焦点集中在化石燃料向可再生能源转型方面,但在未来20~30年间最有影响的全球能源转型是天然气将成为世界上最重要的单一燃料。[7]

瓦茨拉夫·斯米尔的“五次能源转型论”遵循的是“原动机”发明和推广逻辑。该理论从“原动机”的产生及其导致能量利用数量级增长的角度,提出人类历史到目前为止经历了四次能源转型,对我们认识“能源转型因何”提供了非常有启发性的见解和思路。

然而,这一理论所提出的以“发电机”出现而引发的第四次能源转型,偏离了“一次能源”的逻辑而进入了“二次能源”(电力),从未来能源转型的角度看是不恰当的。原因是,化石燃料发电的“原动机”效率和能级的提升将进一步增强化石燃料的竞争力,不利于向清洁燃料的过渡。而且,一次能源是能源之“源”,脱离“一次能源”讨论“能源转型”,转型可能会成为无源之水。换句话说,任何非一次能源对于“能源转型”的价值和意义,必须回归到其所依赖的一次能源的“源头”来评价,才是真实可靠的。

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[1]瓦茨拉夫·斯米尔是加拿大马尼托巴温尼伯大学(University of Manitoba Winnipeg)环境学院教授,研究领域包括能源、环保、粮食、人口、经济、历史和公共政策,2010年入选《外交政策杂志》全球100名思想家。

[2]Vaclva Smil. World History and Energy.Encyclopedia of Energy,C. Cleveland, ed.,2004,Vol. 6, Elsevier, Amsterdam,pp.549-561.

[3]原动机(primemovers)泛指利用能源产生原动力的一切装置与机械。按利用的能源分,有热力发动机、水力发动机、风力发动机和电动机等,是生产、生活所需动力的主要来源。

[4]尼克拉·艾莫里和文思卓·巴尔扎尼:《可持续世界的能源——从石油时代到太阳能将来》,陈军、李岱昕译,化学工业出版社2014年版,第23页。

[5]瓦茨拉夫·斯米尔没有提到水磨、水碾,但它们应该和水车一样,都属于“能量原动机”,不过出现时间要比水车晚1000年左右。

[6]谭徐明:《中国水力机械的起源、发展及其中西比较研究》,《自然科学史研究》1995年第14卷第1期。

[7]VaclavSmil. Energy Transitions. http://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/WEF_EN_IndustryVision-12.pdf

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罗伯特·海夫纳三世的“两次能源转型论”

1. 两次能源转型论的基本内容

美国天然气专家罗伯特·海夫纳三世在其2009年出版的《能源大转型》一书中提出了有关能源转型的另一种观点。[1]海夫纳三世认为,为了更好地理解人类能源的过去、现在与未来,应从能源存在形态上考虑所有能源资源,将其分为固体、液体和气体三类存在类型,而不必纠结于能源利用、能源政策与政治之间的复杂关系。

固体能源包括木材、干草、动物粪便、煤炭,石油则是典型的液体能源,气体能源则包括天然气、风能、太阳能、氢能等。能源大转型是从过去的不可持续的固体能源向未来无限的、清洁的可持续发展的气体能源转变,而液体能源是固体与气体能源的过渡状态。

据此,人类能源利用存在两次重大能源转型(见图2-9)。第一次能源转型是固体能源向液体能源的转型,发生在19世纪中期液体燃料(石油)对固体燃料的替代(煤炭)。第二次能源转型是液体能源向气体能源的转型,目前正处于过渡阶段。如果不存在政治因素的干扰,2050年世界将完全转向气体能源时代。

 图2.9

2-9人类能源利用过去与将来的两次转型

资料来源:罗伯特·海夫纳三世(2013年),第4页。

在每个能源阶段,都会发生周期性的能源替代。比如,固体能源阶时代炭取代木材,液体能源时代石油取代鲸脂油,以及目前出现的生物燃料对石油的替代。在气体能源时代,天然气也将逐渐被风能和太阳能等替代。气体能源时代的最后阶段将主要依靠氢能、太阳能、风能和核聚变提供能量,实现以氢为基础的经济。在海夫纳三世看来,过渡到气体能源时代的最后阶段大约需要200年的时间。

需要注意的是,这一能源转型理论的一个隐含前提是,海夫纳三世认为地球上天然气储量不比煤炭储量少。因为天然气存在条件非常广泛,地球上几乎所有岩石中都存在天然气。[2]因此,他特别强调了天然气作为一种清洁能源的重要地位。而主张尽快使能源体系从化石能源向可再生能源转型的观点显然忽视了这一点。2014年,世界一次能源消费结构中,原油、天然气和煤炭的比例分别为32.6%23.7%30%;美国一次能源消费结构则分别为36.4%30.2%19.7%[3]显然,无论从现状还是未来趋势看,世界天然气地位还有进一步提升的空间。

2.简要评述

罗伯特·海夫纳三世从能源存在的三种物理形态出发,把人类漫长历史和未来的能源转型概括为“固体向液体”,“液体向气体”的转变。这一观点具有高度的理论抽象性和逻辑一致性,为我们认识未来能源转型方向提供了极具价值的观察视角。然而,这一理论对于能源转型判断标准过于抽象,而且对概念内涵和特征等问题分析很少,这对于理解当前及未来能源“如何转型”作用有限。

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[1]该书2013年出版了中译本。参见:罗伯特·海夫纳三世:《能源大转型:气体能源的崛起与下一波经济大发展》,马圆春、李博抒译,中信出版社2013年版,第4-10页。

[2]罗伯特·海夫纳三世曾经在2007年预测陆地可开发天然气在30000万亿~40000万亿立方英尺(相当于849.5万亿~1132.7万亿立方米),而2013年BP的天然气可采储量数据为6558万亿立方英尺(相当于185.7万亿立方米)。20世纪80年代中期,海夫纳三世应当时的中国石油部邀请对中国天然气潜在储量进行调查,其结论是中国的天然气储量非常丰富,可能与美国相当。

[3]根据BPStatistical Review of  World Energy 2015数据计算。

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书摘来源:《国家能源转型:德、美实践与中国选择》(朱彤、王蕾著),浙江大学出版社,201512月,第66-73

 

供稿/朱彤

编发/王磊

朱彤(INDUSTRY_REVIEW) 

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