各种能源什么时候用光

如果从单位质量可以放出多少能量的角度去看锂电池的话，那这个理解角度就跟评价化石燃料的热值很像了。

树木大约是500万焦耳/公斤，标准煤是3000万，汽油是4300万。锂电池跟它必不可少的那些配套设备加一起，大约算完了是90万焦耳/公斤，也就是说，它大约只有树木的1/6，只有汽油的1/47，这是通过瓦时跟焦耳的转换可以知道的。

一般来说，在同一类事情中，如果 A 跟 B 的效果相差了50倍，像47倍也差不多。那么 A 跟 B 就属于是完全两个阶层的东西了，或者是两个时代的东西。

所以，知道了这个比值，我们再看新能源 汽车 ，就对它面对的劣势有了一个更深的了解，就是它携带能量的密度太低了，即便是带着一个800公斤的电池，才能跑300多公里，它还不如一辆只装了50公斤汽油的传统车的续航的一半远。

可是，在研发中，我们又观察到很难提升电池中的能量密度。

能在电池系统中出现的能量，好像只能这样温和地存储着，密度太高，要不就是不太稳定，容易爆炸。要不就是太稳定了，以至于只有一次的放电，一次放电之后，变成了另外一种化学物质，它很难再还原了，也就是很难再给它充上电了。

我想，这就是新能源 汽车 遇到的各种困难之一。

有人说，像瓦时、焦耳这种能量的变换实在是太难了，这都是搞科研的人应该了解的。

但今年1月份，杨振宁在国家天文台作了一次演讲，杨振宁说的是：

所有高中出现的物理课是现代人为人的基础。

所以这方面内容如果落得非常非常多，也许就是我们被后一代人甩下去的原因。

我们说回石油，自从我们广泛使用石油之后，对石油会不会用光的讨论一直存在，最早的讨论甚至是1930年的时候，因为那会儿 汽车 大量出现了，油价大幅提高。

这种恐慌，数据比较全的讨论是一九七几年，那个时候，石油输出国组织，也就是欧佩克（OPEC），一起减产推高了油价。

1975年的时候，美国著名的地质学家汉布林在《地球动力系统》这本书里仔细计算过，按当时石油的消耗量和已经发现的储量，两个数字一除是31年，但如果把每年新发现的储量算进来，大约是可以满足50年的需求，也就是在他的理论中，2025年全世界就没有石油可用了。

2003年的时候，英国石油公司得出的结论是还能用110年到120年，他们的依据是：

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已知的储量是1万亿桶，这些储量按照每年递增的消耗幅度，可以使用38年；

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在这38年里，我们还会发现新的储量，如果我们探明新储量的技术还是2003年的技术的话，那石油资源还会再发现1万亿桶，这样又多了38年；

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但是这前后76年中，发现新的油田，探明新储量的技术还会再更新，它不会停留在2000年，所以把这个技术的进展也考虑进去，他认为还会再发现1万亿桶新的石油。

所以加起来大约是114年，这一下比1975年预测的50年又长了一倍的时间。

但不论是悲观的50年，还是稍微乐观一点的120年，这石油终究是要用光的，而会被用光是基于石油产生的理论。

我们先介绍一个主流理论，就是上节课说的：

石油是由远古的海生植物沉淀形成的。

但这个理论是不是站得住脚呢？

它一直存在质疑跟验证。

比如一种全球性的证据是，世界上几乎所有的大油田都位于沉积岩分布的地区，在沉积岩里还经常发现很多古代海生动植物的遗迹，这个证据虽然是全球性的，但它提供的只是两者的相关关系。

因果关系有没有呢？

也有，就是实验室里也确实有科学家模拟了地下几公里处的环境，然后把蛋白质、脂肪、碳水化合物，把它们混合放在这样的环境里一段时间，之后确实也形成了跟石油中碳氢化合物很像的一种物质，所以这个主流理论到现在是很站得住脚的，以至于这个观点都已经写进了教科书。

通过上亿年漫长的过程沉积的东西，再被人类高速开采几百年，与此同时又补不过来，所以确实是有可能枯竭的。

那真的一点希望也没有了吗？

也不是的，因为关于石油是怎么形成的，还有其他没能写进教科书的理论，也就是非主流的。

它的说法就是，石油中那些碳氢元素，在自然界给予一定的条件之后，它能自发地形成。尤其是在地层的深处，在地表下几公里，本来就拥有大量的碳氢元素，这些东西并不是什么动植物沉积造成的，因为实际上宇宙中每一个岩石星体都少不了碳氢元素，它们在宇宙中的丰度本来就非常高。

在地下温度比较高的地方，比如说几百摄氏度的环境下，有水顺着岩石一点一点渗透进来，在这里跟高温的碳氢化合物接触之后，就会生成各种有机物，这些有机物就是石油的雏形。

丰度：一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额。

这种非主流理论所涉及到的化学反应，在实验室中也已经模拟出来了。那在这个理论下，石油是一边在被挖出来，另一边在不断地生成，所以在这个非主流理论中，我们就不用担心石油有那么一天会被用光。

那无论是50年用光，还是永远都不会用光，现在新的问题出现了，那就是碳从固体里跑出来了，以二氧化碳的形式释放到空气中，这种气体对地球的气候影响实在太大了。

最早，人们把这种影响叫做温室效应，很多人都把它简单理解成哪哪都变热。

其实， 二氧化碳过量地增加造成的效果是冷热不均、降水不均、极端天气密集、海水酸化、全球平均温度升高，而不只是哪哪都变热这种简单的理解。

这种变化就威胁着地球上每一个物种。在我们之前的一系列海水酸化的课中已经详细说过了，这就不多说了。

这个严重的环境问题应该能逼迫着人们利用新的能源，从化石能源转到其他类型。

其实这个事件就有点像120年前的情况：

一八九几年的时候，世界上大城市面临的问题主要就是马粪，马匹拉的车是走一路拉一路，晴天是到处蚊虫乱飞，雨天更是污水横流，以至于1898年，在纽约举行的第一届国际城市规划会议上，那次会议最主要的议题就是，怎么解决马粪。

可是最终解决这个问题的，不是高级的清洁工或者严苛的法律，而是 汽车 。

那么二零二几年之后，是不是有一些新的技术能像当年 汽车 横空出世一样，让碳排放降下来呢？

降下来有两种途径：

第一种途径，是想方设法地把已经排到空气中的二氧化碳再从空气中固定下来。

这个工作其实地球上所有的植物都在做，否则植物中的淀粉、糖，这里的碳都是从哪儿来的呢？但农作物、植物，它的种植量是远远赶不上我们碳的排放量的。

现在研究的新技术是利用水中的一种藻类，它利用二氧化碳的效率比普通的农作物高了30倍，不过它成本特别高，只是停留在实验室中。所以，把空气中的碳固化出来的这种途径，现在前景并不是太好。

第二种途径，就是想方设法不排放二氧化碳，所以就要尽量少地使用化石能源。

常见的方式就是通过 汽车 引擎的更新，从传统的燃油车切换到电动车，然后再设法把发电的部分转换成非化石能源的类型。全球石油的消耗中，有50%用在了交通上，这其中包括 汽车 、飞机、轮船。而 汽车 又占这50%中的一半。

从经济角度分析，有机构算过，现在的电动 汽车 成本高是厂商积极性不高的主要原因，能让电动 汽车 比传统燃油车购买使用的成本更便宜，大量的需求才会出现。

现代的电动 汽车 每千瓦时的电池组成本是140美元，以这个水准，石油要达到130美元一桶，两者的成本才能持平。可是最近的石油很便宜，一直是在40美元到65美元间浮动。

所以，新能源 汽车 在成本上很难拼过传统车。即便是有大量的政府补贴，我们也只能寄希望于借助于有利的政策，撑到石油价格飞涨的那一天，或者是撑到电池成本减半的那一天。

到时候，我们再讨论的问题，就不是石油什么时候会用光这样听着就让人恐慌的问题。而是，我们什么时候就不再用石油了。

也许，等我们不再用石油的时候，全世界石油的储量还有几亿桶，但我们已经不太关心了。

这节课最后，我们回头再看这个问题，全世界石油还能用多少年？

它的答案竟然跟石油的消耗、石油的产出关系并不大，关系最紧密的是气候变化。

工业时代来临之后，人类总的耗能飞涨，从前看起来还是很清洁的能源，在使用量增加了几十、上百倍之后，之前那些无关痛痒，甚至几乎观察不到的副作用就已经显现出来了。

比如像煤，它里面的杂质远比石油要多，但只有用量非常巨大的时候才会出现像伦敦的雾都，北京的雾霾这样的情况。

等它切换到石油跟天然气之后，在燃烧的时候虽然已经很清洁了，但用量再提升个几十倍，那个时候甚至连无色无味，对身体没有害处的二氧化碳都变成了危险因素，而人类的耗能总是在飞涨的。

人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。人类利用能源的历史可分为五大阶段：（1）火的发现和利用；（2）畜力、风力、水力等自然动力的利用；（3）化石燃料的开发和热的利用；（4）电的发现及开发利用；（5）原子核能的发现及开发利用。

火,化石能源(木柴木炭,煤,石油等),电力,新能源(核能,风能,潮汐能等）。

旧石器时代是考古学中石器时代的早期阶段，我国已发现的旧石器时代人类化石，如北京猿人。在周口店北京猿人遗址洞穴内发现木炭、灰烬等痕迹，说明北京猿人已能利用火。从人类能利用火开始，就是能利用燃料（能源）的开始。

新石器时代彩陶的出现充分说明人类已经能利用木材、柴薪作燃料烧烤食物和烧制陶器。

农业社会开始于约4000年前。农业社会中利用的能源是太阳能系统的能源，植物能源如木材是主要能源。从广义能源的意义上看，食物也是能源，是一次能源，人体能（人力）是二次能源，是由食物的能量转化而来。按照同样道理，畜力也是二次能源。在农业社会太阳能也被利用，光利用（照明）和热利用（取暖、海盐制造等）；风能也被利用，如风车和帆船。在农业社会，水能和地热也曾被利用。古时有将水能转换为机械能的设备，如水轮泵和水磨等，用于提水灌溉和磨面。用温泉水沐浴是利用地热的例子。在漫长的农业社会，能源结构几乎没有多大变化。

木材的来源是砍伐森林。由于生产发展，人口增加，人类长期砍伐森林，破坏植被，导致自然生态问题，同时引起木材资源的匮乏，导致农业社会的能源危机。

18世纪前，人类只限于对风力、水力、畜力、木材等天然能源的直接利用，尤其是木材，在世界一次能源消费结构中长期占据首位。蒸汽机的出现加速了18世纪开始的产业革命，促进了煤炭的大规模开采。到19世纪下半叶，出现了人类历史上第一次能源转换。1860年，煤炭在世界一次能源消费结构中占24％，1920年上升为62％。从此，世界进入了“煤炭时代”。

煤可以用作燃料，早为人们知晓。但是由于煤又黑又脏，开采又较困难，人们不喜欢使用。14~16世纪木材短缺已严重威胁西欧和北欧人民的生活，1700年首先在英国决定以煤代替木材作为能源基础，以后逐渐扩展到欧美各国。这为十八世纪的工业革命提供了能源条件。工业革命在十八世纪60年代始于英国，工业社会迄今约250年。与漫长的农业社会相比，这是很短暂的。但是，在这250年中，工业生产发展异常迅速，科学技术日新月异。这段时期，人类使用的能源结构发展变化很快。

19世纪70年代，电力代替了蒸汽机，电器工业迅速发展，煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。1965年，石油首次取代煤炭占居首位，世界进入了“石油时代”。1979年，世界能源消费结构的比重是：石油占54％，天然气和煤炭各占18％，油、气之和高达72％。石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。

十八世纪末出现的以煤为燃料的蒸汽机，推动了机械化的工厂逐渐代替手工业工场。在十八、十九世纪，煤成为人类社会的主要能源。十九世纪中叶人类又开发了石油。1859年在美国宾夕法尼亚州钻成了第一口现代化的石油井，开发了第一个油田。十九世纪末以后相继出现用汽油作燃料的汽车、飞机，用柴油作燃料的内燃机火车和内燃机轮船。柴油还用于火力发电。石油逐渐超过煤炭成为二十世纪的主要能源。以后，天然气的利用也被重视。电能也是在十九世纪被人类发现的。1831年英国物理学家法拉第发现磁铁同导线相对运动时，导线中有电流产生，从而开辟了一种新能源——电能，人类利用电力的大门由此开启。十九世 纪70年代人们发明了直流发电机，1882年建成第一座火力发电厂。十九世纪末至二十世纪初，又有人成功建立了水力发电站。从此，电力逐渐成为人类广泛使用的能源，各部门广泛使用电力进行生产和工作的电气化成为经济现代化的标志。

人类在二十世纪40年代又发现了原子能。50年代建立了世界上第一座原子能发电站，核能的和平利用登上历史舞台。

煤、石油和天然气等化石能源是近现代的主要能源，因此人们把近三百年（从1700年算起）或二百五十年（从工业革命算起）称为化石能源时代，以区别于原始太阳能时代。

但是地球上石油的储量有限，石油的大量消费，使能源供应严重短缺，世界能源向石油以外的能源物质转移已势在必行。世界能源正面临一个新的转折点。在能源消费结构中，已开始从石油为主要能源逐步向多元能源结构过度。新能源包括地热、低品位放射性矿物、地磁等地下能源；还包括潮汐、海浪、海流、海水温差、海水盐差、海水重氢等海洋能和风能、生物能等地面能源；以及太阳能、宇宙射线等太空能源。在这些能源中，核能是最有希望取代石油的重要能源。

1、植物会利用太阳光行光合作用，光合作用会吸入二氧化碳，排出氧气。光是这点，就对人类、动物带来生机。

2、太阳的热会使水蒸发，随后水汽在空中成云，云的水汽达到一定值时，会下雨，这对农业好处多多，当然也间接造福人类。

3、一切能源，追根究柢都来自伟大的母亲太阳，石油就是古代的太阳能转化，风也是太阳的杰作，甚至，能直接采用太阳能，作为未来的绿色能源。

能量作用

到达地球上的太阳辐射能量只有太阳总辐射能量的很小一部分，但它的作用却是相当大的，太阳辐射是地球表层能量的主要来源。

1、对地理环境的影响。直接的作用如岩石受到温度的变化影响而产生风化。间接作用，地球上的大气、水、生物是地理环境要素，它们本身的发展变化以及各要素之间的相互联系，大部分是在太阳的驱动过程中完成的，地球表面划分为五带，因为地球表面各个地方的纬度不同，不同纬度地带获得的太阳热量是不一样的。

如热带一年中太阳可以直射，获得的热量最多；寒带太阳高度很低，并且有长时间的极夜，所以获得的热量最少。也就是因为太阳辐射具有纬度差异，所以各地获得的热量存在差异。

但是在热量盈余的地方比如赤道，温度并没有越来越高；热量亏损的地方，比如两极，温度也没有越来越低，而是保持相对稳定。对于整个地表来说，热量应该是平衡的，因而热量多余和热量不足的地方，要发生热输送。

2、太阳辐射为生产和生活提供能量。人们对太阳辐射作用最直接的感受来自于它是人们生产和生活的主要能源。

如植物的生长需要光和热，晾晒衣服需要阳光，工业上大量使用的煤、石油等化石燃料是太阳能转化来的，被称为“储存起来的太阳能”。还有太阳灶、太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳房、太阳能发电、太阳能电池等。

这个能源替代过程一直是很缓慢的进行的。最近天然气的势头很猛，已经挤掉了石油和煤炭的不少市场份额，等到能源价格再升高，其他替代方法也会具有市场竞争力，等到名目繁多的新能源即使不进行补贴也能够独立生存的时候，石油和煤炭的市场会被进一步削减，最终成为次要能源，不再在人类生活中起到主要地位。虽然这一天可能还需要百八十年甚至一两百年，但是能源发展的过程就是如此。化石能源在人类历史里面，估计也就是这三五百年起到作用。

而这个能源替代过程中，人们也同时寻找提高能源利用效率，提高能源经济强度的方法，减少能源价格升高带来的冲击。这也是一个逐步的缓慢的适应过程。

但是短期的石油和煤炭供需失调的确会造成价格不稳定，对经济造成冲击，具有短期影响，进而影响短期的经济发展。不过这个供需关系现在是由市场调节的，不会一直出现短缺和过剩的，所以长期看供需关系波动导致的影响可以基本消除或者整体影响不大。