能源转型的速度是否足够阻止全球变暖现象的加剧？技术是现成的，至少基本上是这样，但政治决心在哪里？着力点又在哪里？在资源投入和创新技术的加持下，可再生能源领域（太阳能、风能、潮汐、海浪、地热能源和储能技术）羽翼渐丰，但焦虑感始终和希望如影随形。
作者：James Chater
我们还有多少时间？按照科学家的说法是5亿年左右。在那之后，太阳会不断膨胀，直到人类无法忍受。但如果陈旧的能源生产和消耗模式得不到改变，那么留给人类的时间只能是几十年。
好消息和坏消息
好消息也是有的。清洁能源的产量不断刷新着记录，可再生能源发电的装机容量已经远超化石能。仅在2024年，风能和太阳能发电领域增长了16%，其中中国贡献了总涨幅的57%。中国不仅在太阳能、风能发电和稀土提炼领域占据了技术主导地位，而且还拥有世界上最大的电动汽车生产商——比亚迪。不仅如此，中国的温室气体排放似乎已经达到了高峰1。
亚太是可再生能源领域增速最快的地区，随后是欧洲。有些发力较晚的国家，比如澳大利亚，开始追上了主流：2005年6月至今，碳排放降低了28.2%。
由于政府大力协助，欧洲的可再生能源领域发展势如破竹。2024年，丹麦的可再生能源发电装机容量，曾经高达发电总装机容量的88.4%，如今更是成为了一个风电强国。葡萄牙、西班牙、匈牙利、德国和英国也都紧随其后。2024年11月，意大利国家电力公司（Enel Group）宣布投资430亿欧元用于加强电网稳定性、风电和电力储存等领域。
非洲的进展也令人瞩目。肯尼亚正在大举投资可再生能源，尤其是风能、太阳能和地热发电。2024年，该国有90%的电力都是源于可再生能源。摩洛哥和纳米比亚的进展也很快。摩洛哥的瓦尔扎扎特电力项目（Ouarzazate，亦称Noor）是全球最大规模的聚光太阳能热（CSP）发电站。
尽管取得了实质性进展，但G20国家仍没能实现巴黎气候协定中的目标，即本世纪结束前，将全球气温上升幅度控制在“远低于”2度2。温室气体排放总体上仍在增长。
运气好的话，能源效率提升和可再生能源装机容量的增长，有望避免局面失控。但如果目前的态势不发生改变，那么地球升温将达到2.7℃，这对全人类而言都是灾难性的。如果加强碳减排的力度，上述增幅将缩小到2.3℃。总之看来低于2度的目标是难以达成了，尽管这并非完全不可能。
无论从绝对值还是相对其它能源的比例来看，电力需求都呈上升趋势，而可再生能源并非唯一的能源选项：2024年，所有种类的能源消耗量都呈现增长。除此以外，还有其它一些因素也在困扰着业界。
随着地缘紧张局势升温，外加战争和独裁统治的影响，大家对供应链安全的担忧也日益加剧，并促使决策者变得更加保守。由于俄乌战争导致油气价格上涨，若干油气企业已经缩减了对可再生能源的投资。2024年，化石能在能源结构中的比例仍然高达87%。
美国已经第二次退出巴黎气候协定以及若干刚刚出台的相关法规，这对可再生能源而言是不利因素。不久的将来，美国在碳减排方面的贡献将不是来自可再生能源，而是核电（尤其是小型模块化反应堆，即SMRs）、氢能和碳固存。
能源类型
所有各种可变（间歇）能源中，水力发电所占的比例仍是最高，尽管2030年这一地位将被太阳能光伏发电所取代，并和风电并驾齐驱3。太阳能发电也许是技术进步最快的领域。韩国蔚山科学技术院的学者发明了一种透明的全背接触电池（ABCconfiguration），它所有的电机都设置在电池背面，是一种玻璃状全透明晶体硅电池。天基太阳能发电站在太空中捕获和转换太阳能，然后（通过微波或激光）无线传输到地球。如此获得的电力，不存在陆地太阳能发电面临的间歇性问题，发电效率得以大幅提高。由于存在不确定因素和成本问题，上述技术直到最近才完成了一系列实体试验，但是欧洲、日本和其它国家都在积极投入研究。中国正在建造一座规模接近千米的天基太阳能电站。
此外也有一些关于安装方式和场地选择方面的创新技术。浮式太阳能发电站可以节约土地资源。由于水面上的电池板温度较低，发电效率得以提高。中国德州的丁庄项目和印度的Omkareshwar项目，在规模上都位居全球前列。全球最大的项目位于安徽淮南，装机容量达1吉瓦，建设方就是建造了全球最大水电站大坝的中国长江三峡集团。还有一种节省空间的方式，就是将电池板安装在农作物上方（农业光伏）。电池板的阴影还能避免农作物受到过多阳光照射。德国和日本对这项技术都有深度应用。其它实验性技术包括将电池板安装在火车轨道上方（瑞士）、自行车道和公共建筑物屋顶上等。太阳能发电+海水脱盐两用装置逐渐开始得到应用。位于智利阿塔卡马沙漠的某座聚光太阳能热发电站，也在利用太阳能提取空气中的水分。
关于风电，中国还有一项世界纪录，就是全球最高，且装机容量最大的海上风力发电机——26兆瓦，东方电气集团制造。据该集团称，目前处于制造阶段的风力涡轮机具有更高的耐腐蚀性，对台风的抵抗力也更强。中国在制造方面雄霸一方，其它若干国家则热火朝天地进行着安装作业，比如肯尼亚（Lake Turkana项目）和菲律宾。德国企业在为海上风电场提供技术支持，具体包括电网系统、能源储存和清洁能源发电方面的专业技术。
和太阳能以及风能不同，地热能是一种无间歇性的能源。迄今为止，只有在热岩石相对靠近地表的地方，地热能才可以得到利用，比如在冰岛、意大利、美国、肯尼亚和其它若干国家。如果将来能钻更深的井，接触到更深处更热的岩石，地热能领域会不会得到进一步发展？Quaise Energy公司正尝试利用一种称为毫米波钻井的新技术实现上述意图。该技术原本是针对核聚变而开发的，原理是用电磁波将坚硬的岩石加温汽化，而且具体实施时，可利用原有的化石能源开采设施。目前该技术处于实验演示阶段，Quaise Energy公司希望能在2028年前，将一座化石能开采设施改造成地热能发电站。海浪和潮汐能同样没有间歇性，发展前途也很可观。英国是该领域中的佼佼者，其位于Orkney群岛海域的Orbital O2潮汐涡轮发电机来自轨道海洋动力公司（Orbital Marine Power），是全球最大功率的潮汐涡轮发电机。2024年，英国政府划拨了一千五百万英镑用于潮汐发电项目的拍卖。威尔士（英联邦的构成国之一）正在建设一座研究中心，以便提高潮汐能涡轮的工作效率。此外，威尔士还批准了四个新的潮汐能开发区。一家名为Proteus Marine Renewables的英国公司设计了AR1100潮汐涡轮发电机，首台机组于2017年部署在苏格兰海滨，近期在日本鸣门海峡也进行了部署。日本的清水公司（Shimizu Corporation）正在设计一种名为海洋螺旋（Ocean Spiral）的自给自足型海底城市，它设法利用表面暖水层与深海冷水层之间的温差发电。
储存
能源转型中有两大薄弱环节，就是电网系统和储存。很多现役的电网系统，并非针对基荷电力和间歇式电力同时存在而设计。为避免发生停电，需要对它们进行升级改造。不仅如此，由于太阳能和风能具有间歇性，相应的储存技术必须更好更高效。蓄电池高度依赖锂元素，但这种物质也有多种缺点：储量有限、易燃，开采过程中碳足迹较大。电动汽车生产商们开始转向钠离子电池，中国甚至还制造了钠离子电池驱动的火车。其它正在开发的储电方式包括氢气、重力或熔盐。熔盐储能是聚光太阳能发电的关键环节。名为Hyme的一家丹麦小公司开发了一种熔盐电池，能够储存一吉瓦时电能——足够给十万户家庭供电十小时，储存效率最高可达90%。它是将氢氧化物盐加热到600℃熔融状态，然后用热熔盐产生蒸汽并提供热量或发电。该系统需要用到泵和换热器。
材料
能源转型使业界对一些关键矿物资源的需求上升，不仅是锂和钴，还包括其它一些稀土金属元素。中国在稀土领域仍占据主导地位。镍目前是供大于求，但由于电池需要用镍，而且镍基合金和某些等级的不锈钢都要用到它，因此需求可能会保持高位。水电设施、太阳能电池板框架和紧固件都要用到不锈钢，镍基合金可用于聚光太阳能发电站的熔盐输送管道系统。不锈钢如果含有镍，就能提高耐腐蚀性能和机械强度，而这些优点都是海上风电设施需要的。数十年来，不锈钢一直被用于制造潮汐发电站的涡轮叶片，但也可以选用复合材料和碳钢。1966年，法国北部Rance地区滨海的潮汐发电站就已经采用了马氏体不锈钢。美国国家可再生能源实验室（NREL）正在开发一种结构桁梁3D打印技术，产品可用于制造轴流式潮汐涡轮机的叶片。由于强度和耐腐蚀性能都很出色，而且适用于Meltio线材激光3D打印工艺，316L不锈钢被选中作为打印材料。不锈钢（尤其是超级双相不锈钢）、钛合金和镍基合金（比如625合金），都是制造地热发电设施不可缺少的材料，因为地热发电涉及高温、压力波动和酸性流体，属于严酷工况。
你知道吗？
• AI数据处理中心是耗电大户。AI消耗的电能会不会最终超出它所能够节约的？也许不会，因为AI具有灵活性和适应性，还能自主学习。因此可以利用它来生成预测模型，而且已经被用来帮助商业楼宇节约能耗。
• 英国查理三世国王利用法律授权英国王室管理的公共信托资产“皇家财产（Crown Estate）”，对海上风电进行了大力投资。风电场的租赁费是“皇家财产”的最大收入来源。
• 全球变暖现象已经打破了水基反应堆原有的平衡。夏季的高温迫使欧洲多处水基反应堆关闭。当反应堆排出的水温过高，动植物的生存就会受到影响。如果冷却水温度过高，可能无法充分冷却反应堆。随着气温上升，可以预见会有更多核反应堆被关闭。
• 新加坡开发了一种利用降雨发电的技术。将摩擦纳米发电机植入超薄电池板，利用雨滴产生摩擦电荷发电。这种电池板可以安装在建筑物的屋顶。
总结
写此文时，欧洲遭受着高温困扰，世界各地都有火灾和洪灾发生。应对全球变暖的设想有很多，但实施力度远远不够。具体的障碍主要是人和政治的因素，而非技术。如果施政不当，未来新一届美国政府可能轻易就将前一届政府取得的成绩抹杀。
参考资料
1. https://www.carbonbrief.org/analysisclean-energy-just-put-chinas-co2-emissionsinto-reverse-for-first-time/
2. Global Climate and Energy Outlook, IEA,2024 https://www.iea.org/reports/worldenergy-outlook-2024); Statistical Review of World Energy, Energy Institute, 2025 (https://www.energyinst.org/statistical-review).
3. https://www.iea.org /energy-system/renewables/solar-pv.
