第十二章 替代能源
替代能源(alternative energy)有多种定义。从生态的观点出发，替代能源是指不会造成污染的能源(不过制造相关设备可能会造成一些污染)。从经济的观点出发，替代能源可能是指尚未大规模应用、又或者是有极大扩张潜力的能摞。对我来说，替代能源是这两者的结合。
有关替代能源的论述已相当丰富，很大一部分似乎忽略了现实，例如成本问题。下表是一个价目表，显示每一种主要替代能源相对于油价的损益平衡价(也就是原油价格必须达到这水平，这种替代能源才符合成本效益)。
我按损益平衡价由小到大的次序排列主要替代能源，因此可能(可能!)是最廉宜的能源排在最上方。不过，这些价格区间并非固定不变。因为研发人员正于许多替代能源领域努力创新，假以时日，这些损益平衡价多数将降低。个人认为，成本最可能显著下降的替代能源包括太阳光电(利用太阳能发电，亦称光伏太阳能)、太阳热能，以及生质燃料。
核能在表中居首位，部分原因在于核能的损益平衡价最低可至10 美元。这有点不公平，因为这价格仅出现在折旧完毕的运作中核电厂。如果你关闭这样一座核电厂，那等于舍弃不会污染空气、以原油计成本等同每桶10 美元的能源。我就不会这么做。
这表格显示，许多替代能源其实颇具竞争力一一油价不必维持太高的水平，它们就能符合成本效益。不仅核能如此，水力、风力、糖基乙醇、纤维素生质燃料、地热及太阳热能(例如在阳光充沛地区的屋顶装设太阳能接收板，为游泳池或自来水加热)也是如此。不过，这些能源要符合成本效益，必须符合个别的特殊条件。
因天然的核子反应之故，地球内部温度非常高。事实上，地球99% 的部分温度高于摄氏1 创则度，仅0.1% 是低于摄氏100度。这是我们可以利用的地热能，在冰岛、菲律宾、土耳其及意大利北部是很好的能源。在这些地区的某些地点，你只需要插一条管子到地下，放冷水进去，然后就可以泵出冒着蒸汽的热水，或直接泵出蒸汽。在其他地方，管子可能必须插得更深，而你得到的可能只是微温的水，必须使用电力进一步加热。我已说过，我在瑞士的家就装有利用地热能的装置。瑞士某些地区普遍使用地热能，成本低于石油。家居地热能装置通常是将管子插到地下150-500米处。不过，现在有许多研究计划希望能更深入地底( "加强型地热系统"、"热干岩技术" ) ，主要是希望能到达地下5 创)()米处，利用地热发电及产生热能。最具经济效益的地热能是在接近板块边界之处，通常也就是山脉附近。这种地方包括几乎整个南北美洲的西岸、欧洲阿尔卑斯山区、东非、日本、菲律宾及喜马拉雅山区。
燃烧废弃物也是一种重要的替代能源。焚化炉可借单一过程产生三项好处:
● 令废弃物体积减少95%~96%;
● 产生热能或电力;
● 销毁含有病菌或毒素的有害废弃物。
我在上一章提到，核能是地球以至宇窗能量的首要来源。我们可以在一段合理时间内，大幅提升核反应堆产生的能量，而且这过程不会排放二氧化碳到大气中。国际上若想净化空气，未来可能需要大力借助核能。目前世界各地约有440 个核反应堆运作中，供应人类总能源需求7% 左右，占电力供给17% 左右。为什么核能规模这么大?想想这数字: 1 公斤铀(核燃料)所含的能量，相当于300万公斤煤。
核电厂目前使用的主要是第二代反应堆。这种反应堆之所以昂贵，主要是因为它们基本上都是一次使用的设计。但如今研发人员已开发出数种第三代反应堆，包括新的球床反应堆(pebble bed reactor) 。球床反应堆的基本设计，是在一个大槽上放置氧化铀球，使用完之后可以经槽底取走，整个设计就像那种糖果装在透明塑胶球中贩售的糖果机。这种燃料球每个含成千上万粒氧化铀，由碳化硅及一层热解涂层封起来，再装在一个石墨壳中。氮气经过反应堆，吸收能量变热一一氮有不会产生幅射的优点。如此一来，这过程就是流动式(flow) 而非批次的(batch) 。此外，这种反应堆不会融解，燃料也很难转用于制造核弹。
即使将切尔诺贝利核灾(释出的幅射量是投在广岛与长崎的核弹的百倍以上)算进来，并且不考虑煤可能促成的全球暖化效应，历史上核能仍远比煤安全。1970 年代，煤矿事故每年导致约7 万人罹难，如今每年仍至少有1万人罹难。至于车诺比核灾最终将造成多少人死亡，我们还需要再观察。死亡人数最高估计是4 侧人，但截至2010 年，此次事故估计造成4000甲状腺癌病例(一般是可治疗的) ，另有57 人死亡。受幅射影响的80 万人致癌率增加多少则无从得知。这虽然是惨痛的后果，但煤历年来造成的伤亡无疑严重得多。此外，新的核反应堆(甚至是西方较旧的反应堆)安全标准已大幅提升，类似车诺比核灾的事故应该是不可能再发生了。
现今的核能是靠核裂变，也就是由原子核分裂产生能量。核电厂以铀为燃料，但反应堆仅能使用燃料所含能量的7% 左右。不过，我们可以利用滋生反应堆(breeder reactor) ，从传统反应堆用过的燃料中取得更多能量。一般估计，按照当前的消耗速度，旦前已探明的铀矿藏够我们使用280 年。如果我们增加使用滋生反应堆，则铀资源应足够我们使用数千年。如果我们从海水中提炼铀，则铀应够我们用数十万年。核裂变真的是非常充沛的能量来源。
核融合则是另一回事，规模也完全不同。人类制造核融合，是直接模仿太阳产生能量的过程，当然规模要小得多。核融合实验已经历了多个时代，有句老话这么说: 核融合能距离成功还有40 年，而且永远如此。不过，相关研究是有进展的，如今我们已接近能制造能量输出大于输入一一尽管只是短暂的一一的核融合反应器。核融合能若能商业化运作，人类的能源问题即可大致解决。核融合的燃料是负( deuterium) 及氟( tritium) 的微粒，可从海中提炼。核融合不会产生放射性废弃物，而地球上的负及氟蕴藏量足够供应人类电力数百万年。
甲烷水合物有成为第二大替代能源的潜力。地球上的甲烧水合物蕴藏量估计至少是天然气的100倍，仅使用一小部分也足够满足人类能源需求数百年。不过，甲烧水合物燃烧时，会释出二氧化碳，因此称不上干净。即使我们不使用这资源，甲烷水合物也被视为一种潜在威胁，因为它们多数冰封在西伯利亚的冻土中; 冻土若暖化，部分甲烷水合物可能蒸发到大气中，分解成二氧化碳及水，而前者会促成全球暖化。目前甲烷水合物仍无商业上可行的采掘方法。
相对于甲烷，乙醇这种替代能源则正吸引非常可观的资金与政治支持，在巴西及美国尤其流行。巴西是以甘煎为生产乙醇的原料，相对于石油有很强的竞争力。而且，汽车只要简单改装一下化油器，就可以像使用汽油那样顺利以乙醇为燃料。但是，尽管有这些好处，巴西乙醇产量也仅相当于世界石油产量的0.3%。
美国乙醇产量大于巴西，但该国气候条件不如巴西，因此主要以玉米而非甘蔚为原料。美国乙醇厂商的能量投入与产出不分伯仲，其运作因此像是大型的试验项目。这些厂商使用的是所谓的第一代技术，仅发酵植物的果实，不包括其纤维素、半纤维素及木质素。事实上，植物演化出后三种物质，正是要避免自身被细菌、真菌及昆虫轻易分解。
但是，美国乙醇业长期而言或许可蓬勃发展，因为目前正有许多研发纤维素乙醇的项目进行中，一旦成功，不仅是植物的果实可用于制造乙醇，连占植物质量大部分的结构物质也能派上用场。这些材料需要更多工序处理，但除了生产效益较高外，还有可利用农业及林业废弃物的优点。研发者正试用的材料包括玉米秤、杨树、杂交柳、悬铃木、枫香树、按树、芒草及木片。但其实几乎任何一种树、草或灌木皆可用作原料。这技术显然是可再生的，而且是碳中和的，因为植物生长过程中吸收空气中的碳，制成燃料燃烧时则将碳释回空气中。除乙醇外，我们还能以植物油、动物油脂、回收油脂及甲醇制造生质柴油。
有趣的是，柳枝稷( switchgrass)也能用来生产乙醇。这是多年生的植物，可生长在不符合一般耕种标准的土地上，不需要灌溉、施肥、培养或播种。在某些地方，最合适的方式是轮流种植粮食作物与生物燃料作物。第二代生物燃料每单位土地的燃料产出可达第一代的二至三倍，而且显然是符合能源效益原则的。能促进第二代生物燃料发展的技术，包括植物基因改造，以及制造可分解纤维素、半纤维素及木质素的酵素(可能也是透过基因技术)。
虽然第二代技术仍在研发中，目前已有许多团队在开发所谓的第三代生物燃料。第三代技术使用经基因改造的藻类或细菌，培养在由阳光自然加热的水槽里。这技术涉及的资本投资远高于第一及第二代，但藻类与细菌的生长速度是最快植物的20-30 倍，每单位土地产出应是传统作物的15-300倍。而且，由于基因技术实质上已变成一种信息技术，我们有理由估计第三代技术的效率将进入极快速成长期。事实上，美国生物学家及企业家克莱格·范特( Craig Venter) 就说过，要为第三代生物燃料技术制造效率是目前1 侧倍，甚至是100万倍的细菌，方法可能是利用计算机从零开始设计。讲句题外话，我们完全有可能制造出新陈代谢速度极快的细菌，将碳转化为糖、建筑材料以及许多其他物料。
第三代生物燃料使用的藻类或细菌培养水槽，可置于不适合种植作物的地区，例如沙漠、旱地，以及土壤盐分过高的土地。美国能源部估计，若要以藻类燃料取代美国全部石油燃料，需要约4 万平方公里的土地，相当于目前玉米田面积的七分之一。欧洲若要做到这一点，则需要一个比利时那么大的地方。不过，生物技术快速发展，或许可大幅降低所需的土地面积。
风能是近年最成功的再生能源之一。风车愈大，效率愈高，而最有可为的风力发电方式是建设大型的离岸风电场。但是，尽管风能市场将继续扩大，这技术的确有一些环境问题，例如风电场可能不雅观、令人讨厌，以及会杀死一些鸟类。此外，这种能源仰赖风力，因此可能比太阳能更不可靠。丹麦装了许多风力发电机，无风时不能运作; 风太多时，许多机组必须停机，因为电网无法吸收它们产生的全部电力。
长期而言，太阳能很可能是大有可为的能源。地球接收的太阳能约为人类能源消耗的7000倍。我们只需要在撒哈拉沙漠2.6% 的面飘铺上太阳能接收板，产生的能源就足够供应全球2010 年的需求。太阳能可分太阳热能及太阳光电两大类。太阳热能用于为某种液体加热，其蒸汽可用于推动涡轮机发电。最简单的应用方式是用来为水加热，热水流进水槽备用，或是为游泳池供应暖水。太阳光电则是直接以阳光发电，装机规模每增加一倍，成本会下跌20% ，其性质因此有如工业与信息科技的混合物。还有一种新的薄膜太阳能电池成本低很多，但产生的能源也较少。假以时日，太阳光电或将变得极具吸引力，因其生产成本可能将继续快速下滑，而其装置则日益雅致。在建筑物上加装太阳光电板有时会很困难，或显得难看，未来令人期待的发展是将太阳能板做成建筑物的表面材料，以及例如车顶及轮船甲板等。
不过，最经济、最易得的能源资源，或许是节约能源。节约能源能有多大效果? 以加州及丹麦为例，这两个地方均能在几乎完全不增加用电量的情况下，大幅提升GDP。人类消糙的能源，大部分其实是浪费掉了，而我们不难显著减少浪费。燃煤或燃油发电厂一般浪费了35%~65% 的能源(尽管如此，这已经比数十年前大有改善)。此外，剩下来的35%~40% 能源通常有10% 浪费在电网上。而白炽灯泡所消耗的能源，95% 是浪费在发热上。总结如下:
● 发电厂烧100 公升的燃油，产生的电能仅相当于35 公升燃油。
● 在经过电网输电的过程中，约10% 的电力浪费掉了，剩下的能量因此相当于32 公升的燃油。
● 这些能源经过白炽灯泡，仅5% 实际用于发光。
因此，以白炽灯泡为例，电厂烧100公升的燃油，最后实际用于发光的能源仅相当于1.6 公升，也就是98.4% 的能源在这过程中浪费掉了! 汽车的能源效率也好不了多少，约87% 的能源浪费在引擎、空转及传动装置等地方，余下的13% 则还要消耗在防倾阻力及气动阻力上。汽车若能做得比较轻、更符合空气动力特性，并将部分制动力回收(油电混合车能做到这一点) ，能源效率可大幅提升。事实上，汽车底盘为什么要用金属这么重的物料制造呢? 最好的跑车已改用碳纤维制造，而生物可分解的碳未来或许将是制造汽车的基本材料。
节省能源有很多种方法。现代电厂多数会提高燃烧温度来提升效率。另一方法是汽电共生( cogeneration) ，是指利用发电过程中的废热，例如用于为大楼供暖，又或者是利用工业制造的废热来发电。
传输电力的电网也能借更有效率的管理，减少能量消耗。这基本上是靠扎实的工程技术及大量经验。房屋的能源效率也大有提升的余地，例如加强隔热功能，或是将传统灯泡换成日光灯或发光二极管(LED) ，寿命长得多，而耗电量则低很多。演色性( color rendering) 可能会是一个问题(这种灯令所有东西看起来都冷冷的) ，但这问题已见改善。
制造业有大量工序可改善以节省能源。最有可为的领域之一，是使用新的物质加快化学反应的速度，或是借以生物工程技术制造出来的微生物产生特定物质。更换大型的老旧电动机，也对节能大有帮助。
运输耗费大量能源，节能潜力因此也很大。停缸技术、涡轮增压、油电混合牢/插电式混合动力车、降低轮胎的防倾阻力，以及使用如铝、敏、陶器及碳纤维等轻质材料，均有助节能。
许多信息科技也有助于节能。例如，先进的视讯会议技术可大幅减少商务旅行的需要。信息科技的应用也可以防止人们无效率驾驶，并减少我们对实体商品如纸本书籍、CD 、DVD ，以至商店的需求。此外，计算机中心数目日增，能源消耗抵得上一个中型国家，借由智能软件的应用及更周全的选址规划，也能提升能源效率。未来的趋势之一，是将服务器中心设于有大量廉价再生能源的地方，如接近水力发电站( Google 在美国的服务器中心正是如此)、风力发电站(如德州)、成本低廉的地热发电站(冰岛) ，或太阳能发电站(西班牙南部)之处。另一重要领域是应用所谓虚拟化软件，管理多部计算机的运作，确保那些闲置中的计算机全数进入节能的休眠状态。
智能型电表的应用也跟节能大有关系。这种电表能使家里的电器一一如洗衣机、游泳池过滤器，以及未来的电动车一一于夜间自动进人充电状态;夜间用电量较低，发电的戚本也较低。这不但有助发电厂节省资源，还能帮助吸收风力及太阳能电厂发电高峰时段的产出。设有实时电能计算功能、所有用户均有权出售及购买电力的超级电网，有时被称作电网络" Electranet" 。没错，这词是模仿" Internet" (网际网络)创造出来的。如果这样的电网成为事实，而且人人都知道化石燃料将一直昂贵下去，那么人类的集体创造力很可能将研发出各式各样的能源及相关业务，令我们在数个世代后可完全不必再使用化石燃料。
许多人错误以为我们必须建设所谓的"氢能经济" (hydrogen economy)来解决能源问题。好消息是，宇宙间90% 的原子是氢。因此，若我们真有需要，是不怕没有原料的。此外，氢燃烧之后化为水，不会产生任何其他东西。
但是，好消息也仅此而已。氢是极其容易产生化学作用的原子，自然中是找不到纯氢的一一它总是跟其他原子结合在一起，因此若要以氢为燃料，首先必须将它从化合物中分离出来，而这过程是需要能源的。这过程的能源消耗一定多于燃烧提炼出来的氢所能得到的能量，通常多30% -40% 。也就是说，氢完全不是一种能源资濒，而是一种戚本高昂的能量转移方式。
在我看来，以氢为能源是极其不切实际的。氢是挥发性很高、非常轻的气体，这也是齐柏林飞船，如兴登堡号(Hindenburg)，使用氢气的原因。但是，氢既然轻，密度也就很低，每体积单位能供应的能量因此也很少。若想以氢为汽车燃料，你必须将它压缩成液体，方法是将它冷冻至摄氏零下253度，然后维持这样的温度。这非常耗能，而且也很危险，因此替代做法是将氢大幅压缩。遗憾的是，压力下的氢通常会渗透到金属容器之外，每天流出1% -5%。 因此，如果你休假数天，燃料缸里的氢会逐渐跑掉，而车房里则充满氧。氢气元色无昧，因此你若在车房里点一根烟，可能会引起爆发。而你的车子若卷入交通事故，压缩的氢可能会引发特别猛烈的爆炸。那些运送压缩氢到加油站的卡车，也有爆炸的危险。这些问题或许都有解决方法，但在我看来，要解决能源问题，我们有好得多的其他方法。
问一个问题: 既然我们有这么多节省及产生能源的方法，我们何不全力以赴，完成能源结构的必要转变?为什么我们还没完成这工作呢?
原因有很多。首先，这些方法必须有利可图，或是获得政府补贴，否则不会有人去做。第二，投资新能源往往需要5 -10 年方能产生收入，因此你必须对未来的能源价格有某程度的信心，否则不会投入。至于政府补贴，已开发经济体多数不太可能增加财政预算，因为加税会侵蚀税基，而且这些国家多数已处于赤字连连的状态。
赢利能力方面，替代能源项目的问题之一，是它们通常是资本密集型投资，回本时间往往很长。在此有三项商业基本法则应记住。首先是π，我称之为"时间与金钱的实证倍数"。π的数值约为3.14 ，π法则如下:你认真地合理估算某个项目所需的时间与金钱，得出答案后，你将这两个数字都乘以π。我实验过很多次，发现这真的令很多估算变得实际得多。不曾真正做过大型项目的学者就如何拯救世界做出他们的估算时，我想你必须将他们估计的成本与时间都乘以π 。
第二个重要数字是7% ，代表增加一项机蜘工业产品年产量一倍，通常能节省的成本。
第三个数字是15% ，代表多数投资人对一个高风险项目期望的内部报酬率。例如，投资人会期望运作良好的对冲基金与私募基金一般可产生这样的报酬率。若投资项目风险较低，投资人期望的报酬率可能会降至不动产的资本化率(cap rate) 、股息收益率，甚至是长期公债的收益率一一通胀处于低位时，通常是3%~7% 。世界银行期望8%~10% 的报酬率。
我己说过，传统化石燃料的成本料将上升，但拜技术创新及规模经济所赐，许多替代能源的成本则估计将下滑，至少在实质基础(剔除通胀因素)上是这样。不过，如果我们看看风能及太阳能的例子，就能了解舍弃化石燃料、改用替代能源为何需要颇长时间。2010 年世界消麓的能糠约33% 为石油、25% 为煤、2013串天然气， 7% 核能。余下约15% 为"再生能源"，但绝大多数源自水力发电，这方面的拓展空间有限。太阳能及风力发电加起来占全球能源消耗量不到1% 。想想这情况: 风能及太阳能总共仅能满足全球能源需求不到1% ，而后者的趋势成长率约为每年2% 。也就是说，全球能源需求一年的增幅，相当于2010 年风力及太阳能总发电量的两倍以上。
《史登报告》与折现率
受英国政府委托编篡的〈史登报告》 (Stem Review) 检视全球暖化的经济含义。对于抗暖化的成本，该报告取联合国跨政府气候变迁专家小组(IPCC) 成本估计区间的中值，然后约除以2 (换成是我，会乘以π)。
至于抗暖化的效益，该报告的估计显著高于IPCC 的最乐观估计，某些项目是IPCC 估计值的8 倍。
然后该报告以约1.4% 的折现率将未来的金额折算为现值，这真是经济史上的创举一一我在现实世界中不曾见过任何接近这水平的折现率。事实是，所有这些技术要大规模投入使用，莫不需要很长一段时间，而除核能外，其他替代能源均需要特殊的环境条件配合。太阳能需要充沛的阳光，风能显然需要大量相当稳定的风，其他替代能源则需要廉价土地、充沛水源，以及地热等条件。若想了解替代能源的现实情况，可看看Desertec 计划。该方案由12 家创始公司于2009 年10 月30 日签署推动，当中包括重量级企业如ABB 、德意志银行、E.ON 、慕尼黑再保及西门子等。其计划的目标有如实现环保人士的梦想(也是我的梦想) :建一个跨欧洲/北非/阿拉伯地区的电网，连结太阳能电厂(当然是主要在非洲及阿拉伯地区)、地热发电厂(冰岛、意大利及西班牙等地)、风能(主要是欧洲西北沿岸)、生物能源(主要是欧洲) ，以及水电(山区)。透过此项建设，电力生产系统较易根据每天及每年的季节需求波动调整产出，并可以将沙漠地区的太阳能电力输送至能源需求庞大的欧洲。此案预算约为4000亿欧元，至2050 年应可供应欧洲电力需求的15%左右，尽管电力输送跨越地中海时会损失约10%~15% 。平均电价(经通胀调整)估计将低于现今水平。这是一个从各方面看都令人赞叹的计划，但我想指出的是， 4 000亿欧元是非常庞大的金额，而2050 年欧洲电力供给的15% 起。
促进替代能源产业发展的最佳方法，可能是对化石燃料能源课征富弹性的重税，同时承诺不会让消费者支付的油价跌破某一水平，甚至是逐年小幅调高此一底价。但是，我撰写本书时，现实是欧洲课征很重的能源税(但没有可信的底价承诺)、美国能源税远低于理想水平，而许多新兴市场国家则补贴民众的能源消费一一这是非常愚蠢的政策。尽管如此，替代能源还是会发展下去的，而且将是世界上最大的成长产业之一。
这产业将一波波地发展。第一波的焦点是提升电网的效能，并应用回本时间很短的节能技术。短期内也将兴建大量新电厂，包括新的燃煤发电厂。这些电厂供应的并非"洁净"能源(尤其是燃煤电厂) ，但远比旧的电厂干净，估计主要依赖超高温及合成气技术。此外也会有开采页岩气及油砂资源的大型项目动工。这些发展将令人们得以逐渐转用电动车，这种汽车可吸收供电系统产出高峰时段的电力。跑车将一直使用液体燃料(你需要引擎的声音) ，但在化石燃料之外，也将可使用生物燃料。
约从2020 年起，我们很可能会开始大规模使用第二、第三及第四代生物燃料，它们将使用经基因改造的细菌、藻类及植物。到2025 年，我们或许会看到20~30 年内完全不必再仰赖石油及煤的商业路线图。在此同时，太阳光电面板的成本将大幅降低，普遍用作建筑物的表层物料。此外，在气候温暖地区，太阳热能技术也将普遍应用。最后，到本世纪中叶，我们很可能已克服核融合的技术困难，在接下来的数十年中普及应用这种能源。果真如此，我们将可拆掉风车、移除太阳能面板，改善环境的外观。
简而言之，我相信的是: 除非我们投入资金，能源问题将无法解决。好在我们未来将投入愈来愈多资金。这主要是因为能源需求将暴增，而随着人类的知识每8~9 年增加一倍，我们将能想出无比聪明的方法解决能源问题。到2050 年，人类知识将是2010 年的45 倍左右，当中将有解决能源问题的完整答案。这一切有赖信息科技，它们体现在核子科学、基因学及生物技术上。
后两者是下一章的主题。