殷雄:技术创新是打开终极能源之门的“钥匙”

2021-07-31 09:30  来源:能源杂志  浏览:  

在上篇专访中,殷雄教授解读了能源技术发展和能源转型重点等诸多问题。在下篇中,殷雄教授将会解读热点的核电问题,以及论述能源资本、技术创新、能源革命三者之间的关系。

记者:人类能源的进步是一次能源能量密度不断增加的过程。目前来看,核能的能量密度高于风光,但风光是公认的未来主体能源。如何理解这一现象?

殷雄:核能从本质上来说,它也是一种化石能源,因为它的能量来源是储存在地壳中的铀等可裂变的矿物质。由于可裂变物质的储量有限,因此总有用完的一天。

风能、太阳能等可再生能源虽然所蕴含的能量价值总量可观,接近于无穷无尽,但在目前的技术条件下,也无法完全满足人类对能源的渴求。

一般而言,人们认为核聚变可能是一劳永逸地解决人类能源需求的终级能源,也就是在地球上复制一个“太阳”。核聚变的原材料很容易找到,地球上氘的含量并不算少,每一万个氢原子中就有一个是氘原子。

在理想的情况下,每升海水中的氘聚变能够释放出的能量,相当于燃烧300升汽油;而一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600公斤原料,但一个同样规模的火电厂,每年将需要300万吨燃料煤。地球上仅在海水中就有45万亿吨氘,其核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释放出的全部核裂变能的1000万倍,可供人类使用数亿年,甚至数十亿年。

同等质量的轻元素聚变产生的能量比重元素裂变释放出的能量大得多,而产生的辐射也少得多。现在的人类,就像是站在四十大盗藏宝洞之前的阿里巴巴,唯一缺乏的,就是一句开门的“咒语”。这句“咒语”就是核聚变技术的突破。核聚变的技术难度太大了,其中最难的是在地球上找不到可以承受高温的材料和容器。

核聚变的本质就是在地球上模拟太阳。问题在于,真实的太阳每天就在天上挂着,人类为什么不想办法充分利用它的光和热呢?作为人类满足好奇心与求知欲的目的,核聚变可以作为继续进行科学研究的重要前沿课题,比如,不断探索最新的原理,进而可以不需要某种容器就可以进行核聚变反应,但商业化应用有一个规模和总量的要求,在可预见的将来,建成商业化聚变反应堆的可能性还比较小。作为科学研究的课题,当是另外一个话题了。

迄今为止,人类所利用的所有能量,都来源于太阳,风能也是一种储存太阳能的方式,它是空气运动的结果,这种分子运动的能量就是所吸收的太阳光。从这个角度来说,只有太阳能及其特殊形态的风能才是终极能源,可以说人类的未来“风光无限”。只有通过颠覆性的技术创新,才能真正做到“风光无限”,也就是技术创新是打开终极能源之门的“钥匙”。这种前景,已经不是停留于展望的层面,而是在部分国家已经成为现实了。我们可以这样说,谁拥抱太阳,谁就拥有了未来的能源;谁驯服风能,谁就抓住了能源的未来。

记者:未来核能在碳中和的过程中,又将发挥什么样的作用?

殷雄:核电的发展历史证明,核电的技术成熟度、经济性和一般意义上的安全性已经得到了验证,是可以大规模工业化利用的可靠技术方案。核电的低碳排放特性,与包括太阳能和风能在内的其它新能源形态相比,毫不逊色。

在2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和以及电气化的历史大背景下,核能作为能量密度最高的已知能源,同时也属于低碳能源,在战略上具有不可替代性。面对人类未来对能源的持续需求,单一的政策、燃料或者技术都不能满足,必须采取多元化、“组合拳”的方法。

核电是一种以科技革命将自然资源转换为电力的重要产业,是人类思维的智慧之光,也是人类迄今为止所取得的最引以为骄傲的技术创新成果。核电作为一种重要的高能量密度的清洁能源形态,是实现碳达峰、碳中和的重要而持久的选项。

记者:近期日本政府的做法,无疑会让普通民众对于核电的恐慌进一步加剧。这种非技术因素,是否会影响核电在未来能源转型中所发挥的作用?

殷雄:日本政府的草率决定,违背了技术伦理、生态伦理、公共伦理和责任伦理,应当受到谴责,而且必须改变其错误的决定。日本政府的做法,是否影响核电在未来能源转型中所发挥的作用,或者影响程度有多大,需要进一步观察。

不可否认的是,核能作为现代能源的技术高地,发展历史虽不足百年,但已为减少温室气体排放做出了历史性贡献,从上世纪中期民用核电开始应用起,全球核电已累计减少温室气体排放超过850亿吨以上。从当前全球主要经济体制定温室气体减排战略看,继续和平利用核能是大国的重要战略选项。

中国政府近期批准建设5座核电机组,总装机容量为490万千瓦,约占中国在运核电总装机容量的10%。中国政府之所以这么做,是因为深刻认识到中国需要加快核电发展,以实现其到2060年的碳中和承诺。同时,也说明中国核电发展到今天,其安全性得到了确保,不论对于政府还是公众,对中国核电未来的发展抱有坚定的信心,这是中国核电健康发展的社会环境。

如果没有一定的核电发展规模目标,那么五年规划与中长期发展目标就容易落空。将五年发展规模与中长期总量规模进行合理衔接,是做实规划的前提,更是核电产业健康持续发展的战略需要。

从国际经验来看,世界核电发展高峰时期的核电比例,约为电力装机总容量的17%,而且这一比例延续了相当长一段时期。我国是一个发展中大国,对电力的需求增长仍未达到峰值。从确保能源和电力供应安全稳定的角度看,我国不易过分依赖某一种能源形态(比如,现在这种煤炭占比过高的状态是不恰当的;石油对外依存度过高也是不可持续的),必须实施多种能源形态共存互补的国家战略。

综合历史的经验与现实的需求,参照世界平均核发电占比11%的现实,我国应争取2050年前后实现核电在国家电力供应中的比例稳定在10%左右的规模,而且这一比例应该延续到实现碳中和的2060年及其之后相当长的一段时期(至少为一个核电机组从建造到退役的一百年寿命期)。按照这一总体规模,回过头来制定各个五年规划尤其是“十四五”规划的在建核电规模,是比较积极稳妥的策略。

核电发展不是简单的量的扩张,而是技术创新水平和综合实力的质的提升。如果核电占比为10%的这个规模被确定为国家发展核电的战略目标,那么对核电产业链所涉及到的各个领域的知识创新、技术迭代、人才沉淀和能力培养,以及调控某些年度或时期内核电项目的建设规模和节奏,都具有明确的指导性,使整个产业发展有了明确的方向,不大容易受某个时期能源与电力供应波动或其它政治因素的影响,也就不会出现要么多年没有项目而导致发展停滞的“冷寂期”、要么热火朝天大干快上的“大跃进”这两种极端倾向,而是按照既定的目标和节奏,平稳有序地推进。这是一种必须长期坚持的系统思维。

记者:能源资本推动技术创新,反过来技术创新又促进了能源资本的转化。在当前这个能源转型的关键时期,资本与技术是如何相互作用的、未来又会有哪些表现形式?您能否举例说明?

殷雄:资本是一个抽象的概念,是价值的表征。资本的本质不是物质,而是一种能够持续创造价值的能力,是体现在物上的生产关系。这种生产关系的内禀特征是一种处于运动中的价值,而理解价值需要抽象力。只有把资本赋予某种固定的、可见的形式,才好理解它。马克思说:“以货币形式为完成形态的价值形式,是极无内容和极其简单的。”货币本身并不是资本,只是资本发展过程中的多种表现形式之一。我们在理解资本与价值的概念时,需要跳出货币这种简单的形式,寻找其它可以更能够体现价值的形式。

能源是一切社会化大生产过程的前提,没有这个前提,所有社会化大生产活动不可能进行;反过来,仅仅具备这个前提,而没有实际的生产过程,那么能源产业也仅仅是一具没有灵魂的“躯壳”。在生产过程中执行职能的,并不是各类具体的能源形态,而是由能源资产转化而来的资本所蕴藏着的抽象的价值。

能源资产转化为资本的先决条件,就是要确立一种正规的所有权制度,在此基础上,还需要另外四个因素:货币资本和人力资本的投入、技术平台的选择以及适宜的市场环境。循着这个思路,我们惊奇地发现,能源资本的这四种组成元素与生物学中的DNA结构的四种含氮碱基具有惊人的相似性。正是这种形式上的相似性,我们破解了能源资本具有创造价值的“遗传密码”。

能源资本是投资的结果,作为其“基因”之一的技术平台,当然也是投资的结果。人类技术发展史,就是一部能量价值的发现、凝固、传递和增值的历史,我们将其概括为“能量价值的循环累积增值原理”,其含义是,迄今为止人类社会所创造的一切物质财富和精神财富,都是在能源驱动下实现的,这些财富中已经包含了能源资本的价值,并且成为其创造更多价值的“遗传基因”。在这个过程中,能源所蕴含的能量价值通过循环累积而实现了增值。这个循环累积经过了四个步骤:

第一个步骤:能源形态的能量价值发现。火,使人类摆脱了吃“色拉”的境地,吃上了熟食,促进了大脑的发育,使人类具备了创造物质文明和精神文明的自身条件。火的能量价值,由此被发现了。

第二个步骤:技术平台凝固了能量价值。火的工业化应用,使有些物质被烧“硬”了(陶瓷),有些物质被烧“软”了(金属的冶炼与器具的制造)。火的能量价值,被凝结在了物质形态之中。

第三个步骤:商品交换传递了能量价值。从柴薪到新型能源形态,只是能源形态的转型,其能量价值的“内核”被不断地发现、凝固与传递,这是一个展现能源资本持续创造价值属性的过程。

第四个步骤:能量价值通过循环累积而出现了增值。从火到电,人类走了十万年。在这个漫漫长途跋涉中,人类先后发明了风箱、农具、马镫、蒸汽机等等技术工具,都成为凝结人类文明成果的载体,其背后的推动力无一不是能源价值的“内核”——能源资本。

这个循环累积增值原理,比较形象地阐释了能源资本与技术之间的相互作用。至于这种相互作用的结果会有哪些具体的表现形式,由于技术创新和发展的日新月异,我们不好预测,但从基本原理出发,不外乎是无形与有形两种形式。无形,是存在于人的头脑中的各种知识和所拥有的技能以及由此形成的知识产权;有形,是能够通过货币资本和人力资本的投入而把各种能源形态的潜在价值发现、凝固、传递并实现增值的各种技术平台。

比如,我们前面说到的储能,它是能源资本的银行,就是一种能源资本与技术相互作用的形式;再比如,能源互联网有可能实现能源价值的传递,并且在传递的过程中实现价值增值,它也是一种能源资本与技术相互作用的形式。

记者:您在《能源资本论》中提到,技术创新取得突破,会对能源资产转化为资本的技术平台产生革命性的影响。是否意味着未来能源领域的革命,大概率会在能源产业之外起源?我们应该如何重视小的技术创新,以及它们对能源的潜在影响?

殷雄:通过对人类能源发展史的考察,我们会发现,每一次能源形态的转型都伴随着重大的技术创新,而每次重大技术创新都离不开能源资本的驱动,因此,能源资本是技术进步和技术创新的主要驱动力。在经济学乘数效应的基础上,我们提出了双向乘数效应和搭车乘数效应这两个学术概念,前者代表了能源资本与技术创新之间的关联性,后者代表了能源技术创新与其它技术创新之间的关联性。

人类社会中的各个技术领域都与能源有着密切的联系,任何一项技术的突破,都离不开能源资本的投入;反过来说,只要任何一项技术创新取得突破,都会对能源资产转化为资本的技术平台产生革命性的影响。核心技术一旦获得突破,应用范围将十分宽广。

搭车乘数效应不仅体现在其它技术与能源技术之间,而且还体现在技术与经济增长等方面。当今技术创新的主要特点,就是不同产业之间的深度交叉与融合,从而使新技术、新模式和新业态以蓬勃的姿态兴起。技术领域的真正颠覆,来自于边际的革命,影响能源的很多技术都并非出自能源行业自身。

任何一项技术的发明和发展,都离不开能源资本这个驱动力。任何一项技术,也都有可能在能源领域得到应用,从而促进能源技术本身的发展。至于说未来能源领域的革命会由哪项技术引发,这是难以预计的。但有一点是可以肯定的,随着技术创新的增多,能源技术与其它技术之间的搭车乘数效应一定会表现得愈发明显。

比如,人的心跳可以用来为手机充电;公路可以用来发电;细菌可以为纸电池提供能量;质子陶瓷可以制备燃料电池,等等。新材料在能源领域的应用范围十分广泛,许多技术瓶颈就在于新材料尚未取得突破。比如,二十年前曾经热闹一时的超导现象,最后渐渐沉寂下来了,原因就是超导陶瓷材料没有取得突破,因此无法进入实用化阶段。目前陶瓷燃料电池的研发取得进展,主要得益于陶瓷材料本身的进展。这就是一种搭车乘数效应。我认为,今后能源技术创新的主要领域,应该是材料科学、量子技术和电力的无线传输。这几个领域的技术突破,必定带来能源领域超乎我们想象的革命性变化。

记者:《能源资本论》中提到要确保净能源的递增特征。但目前风光技术在净能源的递增上还不是很明显。另外书中也提到了氢能仍然是人类未来重要的能源消费方式选择。如何理解这样的观点?您认为风光会解决净能源递增的问题,还是说风光更多地是一种过渡性质的能源?

殷雄:所谓净能源,就是一次能源生产过程中能源产出与能源投入之差(净能源=能源产出-能源投入),是能源在生产时刨除自身所消耗的能源投入后,最终能提供给经济社会所使用的能源。其中能源投入包括一次和二次能源的直接能源投入和以非能源形式呈现出来的间接能源投入。判断一种能源形态的经济性和环保性,就看净能源是否能够确保递增特征。

近年来由于风电和光伏技术进步的日新月异,风光所发出的电力,超过了制造风光发电设备所消耗的电力,因此风光电也具有净能源的递增特征。今后,随着技术的进步,这种净能源递增特征会越来越明显。从能量来源的角度看,风光是地球上所有动植物的唯一能量来源,因此,不能说它是过渡性质的能源;从利用风光的技术手段来说,目前的风光发电设备会有一定时期的相对稳定性,但未来肯定会有更具有颠覆性的技术创新,转化风能和太阳能的效率会更高,成本会更低,会从根本上解决净能源递增的问题。正如我们在前面说过的那样,人类未来的能源是“风光无限”,具体地说,就是“谁拥抱太阳,谁就拥有了未来的能源;谁驯服风能,谁就抓住了能源的未来”。

说到氢能,必须明确一个基本概念,就是氢能不是一种能源形态,只是一种利用能量的方式。举一个最形象的例子,航天员在太空中行走时需要能源,但不可能让航天员背上几吨煤或石油上天,目前最方便的能量利用方式就是氢,哪怕提取氢的成本会高很多,但就其使用方便这一个优点来说,让航天员使用氢就是有价值的。因此,我们只能这样说,在太空这种特殊的时空里,只能使用氢能这种能源形态,而无法使用诸如煤炭、石油等其它能源形态。

氢在地球上不是一种单独存在的自然资源,而是像电一样,要从水、天然气或生物质中分解后才能得到的一种二次能源。目前主要通过甲烷来获得氢气,但这种方法在产生氢气的过程中也向大气排放了二氧化碳。采用电解水的方式获得氢,需要大量的电力供应,而现在大量的电力仍然出自消耗化石燃料的发电厂。每获得1个单位氢能(电解水)需投入约1.5个单位的电能,或3个单位的原煤,那么,净能源是负值,这种氢能在能量效用和经济成本方面是不划算的。

如此看来,使用电解水方式获得的氢能源也许让城市变得干净,但城外电厂的负担却在增加,人类温室效应气体的排放并没有减少。如果制造出来的氢能多于消耗的电能,那么这部分多出来的能量是从哪里来的?所谓技术上的根本突破,就是要解决这一涉及能量守恒定律及多余能量来源的重大问题,确保净能源以及所蕴含的净能量是正值,并且表现出递增特征。如果不解决这个问题,那么氢能“从水到水”的情境真的就是“一种十分迷惑人的说法”。今后至少要做到,制备氢所使用的电力不再消耗化石能源,而是充分利用暂时无法储存的风能、太阳能等可再生能源,也就相当于把氢作为一种储能的载体。如果这些技术难题得到解决,那么,氢能仍然是人类未来重要的能源消费方式选择。

需要指出的一点是,目前中国各地冒出一股氢能热,这种态势令人担忧。我听到一个笑话,某个省的领导希望该省开发一种技术,从汽油中提取氢。举一个不恰当的例子,这就好像从瘦肉中提取瘦肉精,再拿来炒菜炖汤。况且,氢也不具备瘦肉精那样的功能。即使提取氢,也不应该从汽油这种能源形态中提取,因为自然界中有比汽油更丰富的甲烷资源。这种做法,纯粹属于无效地消耗宝贵的汽油资源。尽管汽油中含有甲烷这种制氢原料,从净能源递增的角度来看,这种做法肯定是不划算的。

在努力实现碳达峰和碳中和的大背景下,各地的氢能项目一窝蜂地上马,这不是科学的态度,也不是科学的办法。这种做法,真是忘了为什么要制备氢的“初心”。只讲要做制备氢这件事情,而不讲为什么和如何制备氢,这就是形式主义,其危害是十分严重的。现在热热闹闹上马,许多属于“从汽油中提取氢”的闹剧,将来会齐刷刷地下马,最后不了了之,由此会造成更大的能源浪费,对生态环境产生更严重的破坏。

碳达峰和碳中和是好事,但不能急病乱投医,抓住一个概念或项目就盲目跟风,最后造成的结果就是消耗了更多的其它能源形态而所获无几。这种“大跃进”式的蛮干,需要能源主管部门坚决制止,不能任其泛滥。能源是极其严肃的科学课题,它所遵循的基本法则是能量守衡原理。任何违背这一原理的行为都是非科学的,甚至是反科学的,都必须加以制止。在对待氢能的问题上,需要对决策者进行诸如能量守衡原理这种科学知识的科普宣传,否则,会在中华大地上再次出现比“大跃进”更荒唐的笑话。


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