未来能源：我们能做些什么

时代的变化真是大啊！过去，我们只知道插座里有电，这电到底是从哪儿来的，我们压根没关心过。要是真有那么一瞬间想过这个问题，我们也只会想：“有专业的人会操心这事，犯不着我来操心！”专业的人指的就是那些有着大型发电厂的大型能源公司，曾经是，现在也是。如果说我们曾经注意到过电力生产，那应该就是发电厂烟雾缭绕的巨大白色烟囱了，当然还有大大小小的架空输电线路。但是，现在在乡村和城市已经有很长时间看不到这些了。一切都埋在地下，看不见了。我们现在利用电缆供电。就像天然气流经管道、污水通过地下管道一样，电能也是通过地下电缆输送来到我们身边的。一条电缆对接着房屋，像蠕虫一样分布在大电箱中，为同一屋檐下的所有家庭供电。我们所需要的一切基础能源和原料都是在无形中输送的，而随之所产生的废料也同样消失于无形。然而，这样的时代已经快要过去了！虽然还没有完全过去，但我们都必须尽快结束这种滥用能源和原料的局面。我们的星球正在通过无数现象向我们发出警报，我们的生存正在受到威胁。我们已经把这个星球变成了一个海陆空的垃圾场。现在，我们自食恶果。历时数百万年所形成的化石能源通过煤、石油和天然气给我们提供了温暖，并且让我们能够开展各种活动，但它们也改变了大气，使地球不断变暖。这正是大自然做出的反应，以一种非常自然的方式：冰川在萎缩、永久冻土在融化、海平面在上升、海洋在酸化、干旱时间越来越长、降雨越来越多、天气变得越来越、平均气温不断上升。另外，导致全球变暖的温室气体的浓度还在不断增加，更糟糕的是：触发了这个变化的是我们人类！我们的解决方案只能是：摆脱所有排碳的东西。不再燃烧煤、石油和天然气，而是使用可再生能源。但是，太阳能和风能会成为我们未来的电力制造者吗？还是有其他选择？生产可再生能源需要多少土地？穿越德国的旅程在未来是否会变成穿越大型风力发电站、大型光伏发电设备和太阳能设备的旅程？在这些太阳能收集装置的运作下，即使在炎热的夏天，也会给农业带来高产量？还是说，能源转型完全是另一回事？无论以上哪个愿景成为现实，都需要所有人的帮助和支持！转向可再生能源的能源转型及其对气候保护的积极影响关乎我们的子孙后代，现在正是关键时刻。我们没有时间可以浪费，现在必须做出正确的、引领潮流的决定。但是，为了让所有人都参与其中，我们有必要让每个人都知道这个变化是关于什么的。在不做出虚假承诺的情况下，通过清晰的物理论证，我们会解释可再生能源能做什么和不能做什么。为防止言语解释不清楚，我们会利用图表做进一步的说明。祝阅读愉快！加入我们吧！

本书采用了一个生动形象的比喻，帮助读者对“什么是能量”形成更具体的感知和理解:假设一个自行车手，每天连续骑行10小时，可以产生1千瓦时的能量。你可以用这1千瓦时洗3分钟热水澡，或者驾驶电动汽车前行6公里……可见，我们的生活处处都离不开能量。如果没有能源，人类生存所需的能量也就无从获取和转化。而各种活动需消耗的能量，都可以用“自行车手”来量化计算。正是基于这一参数，本书梳理了太阳能、风能、水电、核能等可再生能源的现状与应用前景，并结合简明趣味的图表，呈现了这些能源的利用条件和转化率。随着环境和气候问题日益突出，全球人口不断增长，怎样才能满足我们未来巨大的能源需求？本书不仅为能源相关从业者、研究者提供了可再生能源的应用方向和投资机会，也为每一个人了解并参与未来能源转型开拓了思考空间。

克里斯蒂安·霍勒( Christian Holler )德国慕尼黑应用科学大学教授，剑桥大学实验天体物理学博士，曾在牛津大学进行相关方向研究。近年来专注研究可再生能源。约阿希姆·高克尔(Joachim Gaukel)数学家，埃斯林根应用科技大学教授。持续关注可持续的生活方式。哈拉尔德·莱施(Harald Lesch)德国慕尼黑大学理论天体物理学教授，德国著名的自然科学家之一。著有多部科普类图书作品。多年来，一直在向广大公众传授科普知识，包括在ZDF(德国电视二台)主持“Lesch’s Kosmos”(莱施的宇宙，一档德国科普节目)。弗洛里安·莱施(Florian Lesch)可再生能源和能源技术工程师。独立从事建筑能源咨询、光伏系统规划、租户用电等领域的工作。积极关注和参与气候保护和能源转型话题及活动。

2 前言4 能量！16 能源消耗26 太阳能40 生物质能54 风能68 水能80 波浪能90 潮汐能104 地热能118 其他能源130 能量储存142 核能——核裂变和核聚变156 这一切对我们来说意味着什么致谢

本书采用了一个生动形象的比喻，帮助读者对“什么是能量”形成更具体的感知和理解:假设一个自行车手，每天连续骑行10小时，可以产生1千瓦时的能量。你可以用这1千瓦时洗3分钟热水澡，或者驾驶电动汽车前行6公里……可见，我们的生活处处都离不开能量。如果没有能源，人类生存所需的能量也就无从获取和转化。而各种活动需消耗的能量，都可以用“自行车手”来量化计算。正是基于这一参数，本书梳理了太阳能、风能、水电、核能等可再生能源的现状与应用前景，并结合简明趣味的图表，呈现了这些能源的利用条件和转化率。随着环境和气候问题日益突出，全球人口不断增长，怎样才能满足我们未来巨大的能源需求？本书不仅为能源相关从业者、研究者提供了可再生能源的应用方向和投资机会，也为每一个人了解并参与未来能源转型开拓了思考空间。

克里斯蒂安·霍勒( Christian Holler )德国慕尼黑应用科学大学教授，剑桥大学实验天体物理学博士，曾在牛津大学进行相关方向研究。近年来专注研究可再生能源。约阿希姆·高克尔(Joachim Gaukel)数学家，埃斯林根应用科技大学教授。持续关注可持续的生活方式。哈拉尔德·莱施(Harald Lesch)德国慕尼黑大学理论天体物理学教授，德国著名的自然科学家之一。著有多部科普类图书作品。多年来，一直在向广大公众传授科普知识，包括在ZDF(德国电视二台)主持“Lesch’s Kosmos”(莱施的宇宙，一档德国科普节目)。弗洛里安·莱施(Florian Lesch)可再生能源和能源技术工程师。独立从事建筑能源咨询、光伏系统规划、租户用电等领域的工作。积极关注和参与气候保护和能源转型话题及活动。

能量就是生命
宇宙中发生的一切都需要能量。整个宇宙是能量的游乐场。没有了能量，就没有运动，没有辐射，没有思想，什么都没有，能量是一切的开始。
对我们人类而言尤其如此，因为我们是能量消耗者。
通过我们自己对生命的定义，可以看出能量对我们来说是多么基本的东西。我们所说的“活着”是指生物与自然环境一起代谢，用以维持自身、其身体及其功能的状态。生物与环境交换空气、水和养分。在这个过程中，生物就像是一台“连续工作的加热器”，因为它利用原子和分子的结合所包含的能量来维持生命并排放废料，生物就是这样活着的。而我们所说的“死亡”是指已经停止按照这种模式来交换能量的状态，然后死亡的生物像枯萎的花束一样分解成自身的组成部分。生命是流动的能量，其他一切物质都是没有生命的。
然而，不仅自然循环需要大量的能量，全球经济循环的各种庞杂的活动也需要巨大的能量支撑。我们的轮船、飞机和汽车，我们的机器运作、农业生产、家居生活、电子产品的使用……一切都需要能量才能运行。为了满足这些需求，我们主要使用地球上历时数百万年形成的能源储备——煤、石油和天然气——来改变我们的星球。
我们的生活水平取决于能量
难道我们不能简单地放弃使用大部分能量，从而将这个世界从气候危机中解救出来吗？
请想一想：如果没有能量，你的日常生活还会剩下什么？交通方面，很明显我们想要开车、坐飞机、出国旅行肯定是不可能了。但即使是使用自行车也包含所谓的“灰色能量”，因为生产钢和碳需要能量，制作橡胶需要能量，把自行车运到店铺等都需要能量。
那我们的饮食呢？冬天的番茄、牛油果、杧果、香蕉甚至橙子，在德国的纬度上都是没有的。冷冻比萨基本成为不可能。肉也会成为周日才会出现的例外。
电视、电脑和手机呢？没有！这里消耗的大量能量不是因为使用它们，而是因为生产这些电器。在冬天，有流动温水的供暖房屋同样需要消耗大量能量。我们的现代医学因其药物和手术技术，也依赖于能量。
有时候我们还会在不同场合穿不同的新衣服。没有能量，我们几乎一无所有！
但我们现在衡量生活品质的标准是旅行的质量，有无房子和车子，分别有多少，健康与否、生活舒适度和存款数，这些反映了我们可以购买到的消费品数量和服务质量，无论我们承认与否，我们的生活水平都取决于能量。
我们怎么会变得如此依赖能量
如果不开发新能源，人类文明的发展是无法想象的。猎人和采集者还是从环境中满足了他们的能源需求，没有在很大程度上破坏自然生态。但是，即使是早高度发达的农业文明，也控制了某些形式的能量，例如水能或风能，并且大力发挥了生物质能的作用，用以制作人类和牲畜的食物，以及用于烹饪和取暖的木材。
在大约200 年前的工业化过程中，随着机器的投入使用，人们开始大力推广和使用全新的能源：我们动用了地球上的能源储存。煤、石油和天然气从地里被开采出来，这些原料的能量密度特别高，甚至可以通过提炼厂的复杂工艺进一步浓缩。例如，这些原料可以使飞机从地面起飞，使汽车速度更快。同时，它们还可以转化为电能，这是我们所知道的形式的能量，因为它可以长距离分布，并且几乎可以用于任何事情。
正是这种电流，让我们可以使用电脑、冰箱、空调、智能手机、平板电脑和电视机。相比之下，一万年前的猎人没有这些能源装备，只能步行。即便是在19 世纪，大多数人出门仍然靠步行，也没有定位系统。但是现在，随着越来越多的人享受着现代的、能源密集型的生活方式，能源消耗也在不断增加，而我们就是罪魁祸首。
我们有必要讨论一下能量
虽然我们很少关注能量，但它确实主导着我们的现代生活方式。在本书中，我们正是要讨论能量这个话题。同时，我们还要思考这样一个问题：在未来，我们希望如何满足我们的能源需求。我们有哪些选择？哪些是暂时的，哪些是可持续的？哪些是有意义的，哪些意义不大？哪些能真正满足我们巨大的能源需求？或许根本就没有能够持续满足我们人类生活的能源，等到能源枯竭的时候，我们所有人都得改变自己的生活吗？