【工业】谈未来的能源技术

两年多前，我在《永远的未来技术》一文中，解释了可控核聚变发电在工程上的困难。本月稍早，我又在《开发太阳系的经济效益》一文中，提到了核聚变发电在经济效益上的可疑之处。不过因为那篇文章的主题是星际旅行，所以没有详细讨论这个话题，反而是在留言栏叙述得比较清楚些。我后来想一想，觉得未来二三十年，人类在能源技术上的发展，是一个很重要的题目，值得在这里特别写一篇正文来仔细分析。

人类在一万年前发明了农业之后，有了形成高密度聚落的经济和技术基础，因此才有了文明。但是人均GDP的成长一直非常缓慢，而且有一个不怎么高的上限（其实也随主要科技而变，例如铁器时代的上限就比铜器时代要高一些），每次能接近这个上限的帝国文明，都在突破它之前就因内忧外患而崩溃了。工业革命后，有了一波又一波的技术突破，才使得人均GDP能持续以指数增长。所以有经济学家认为科技发展才是提高生产效率（严格来说，提高的是生产效率的上限，要达到或接近这个上限，必须投资到基建和生产设备）的主要决定性因素，我个人是同意这个看法的。

所以科技发展，整体来说是一件很重要的好事。对科技乐观而支持的心态在新兴的工业国，例如19世纪的欧陆和美国以及20世纪的东亚，也自然是非常普遍。但是科技发展的方向极多，同一个经济目的又只能容许很少数几个经济效益最高的技术生根发展，所以绝大部分的新科技点子，后来都落入了历史的垃圾堆里。例如硅谷的风险投资业（Venture Capital）内部的经验法则，是每十个投资有一个成功就算运气不错了。新兴工业国因为可以摸着先进国家的经验过河，没有这种不确定性所带来的浪费，自然可以全力埋头苦干，集中精力来追赶；这是为什么新兴国家对科技特别乐观，也是为什么后进国家的GDP成长率可以远高于先进国家的主要原因之一。

但是一旦一个国家已经跻身先进工业的前列，面对着许许多多不确定而又昂贵的未来科技选项，是否能做出明智的选择，就成为国运的决定性因素之一。十几年前，日本的电子厂商们把赌注下在等离子体电视（Plasma TV）技术上，这个错误对日本电子工业的衰落有显著的促进效应。在同一段时期，原本主宰全球手机工业的Nokia，也因为坚持小面屏、长待机的技术方向，而在几年内就把市场额份败得一干二净。这个转折对芬兰经济的影响，不言而喻。

中国有一个独特的优势，就是它的体量。世界上只有中美欧三个洲级的工业经济体，其中中国的工业产值又比其他两者大了近一倍。至少在理论上，中国可以负担得起大约两倍于美国或欧洲在尝试研发新技术上所需的投资；但是在实际上，中国的人均资本存量（Capital Stock，也就是应用成熟技术的既有投资）还显著低于欧美，在尖端技术的开发上也还有许多处于第二或什至第三梯队、亟须补课的项目（例如大客机和各式各样的涡轮发动机），这两方面的投资都有100%确定的经济效益，相比风险投资业资助的新技术，虽然后者一般只有3-5年的前瞻性，经济效益的确定性已经降到10%以下，所以固然可以试图兼顾，但是绝不能因为后者而牺牲前者。

在1960年代，喷射（Jet）客机还是新兴的技术，领先的英美两国都在积极为下一代产品布局，但是因为资金和技术人力的限制，不可能面面俱到，于是英国把赌注下在速度的进一步提升，其结果是Concorde，而波音则则专注在降低客户的运行费用上。虽然Concorde在工程上是绝对可行的，在技术上也是值得骄傲的独步天下，但是它的飞行使用成本过于昂贵，根本竞争不过波音的产品，勉强由国家补助，由国有航空公司营运了少数几架，结果年年亏损，直到退役，英国的客机工业也从此消失。

前面提到的几个负面例子，都是工程上可行、经济上可疑的失败。但是它们和核聚变一比，在每个角度都强上千百倍。

首先，它们无一有工程上可能过不了的难关，纯粹只是时间、资金和人才的投入问题；核聚变刚好相反，等离子拘束、强磁场发生、高能中子处理、承重结构感染放射性后的更换，都是史无前例的工程难题，每一个都可能成为无功而返的拦路虎。

其次，开发显示器和手机技术所需的时间大约是两年，客机大约是十年，它们的市场竞争对手都没有明显的时间优势。相对的，研发商用核聚变所需的时间极难估计，但是没有人敢说是在20年之内，实际上应该是50年以上，至少是到团队主要成员的退休年份为止（这也是为什么从40年前，研发核聚变所需的时间估算到现在一直没变）。更大的问题是，既有的廉价发电手段已经很多了，在未来10-15年更会有下一代靠谱的技术（参见下文）加入实用，所以核聚变必须在效费比上显著优于所有现存和未来的能源技术，才有经济效益可言。

第三点，核聚变必然是极度昂贵的。开发核聚变的团队常常吹嘘它们所将用的燃料多么地普遍，所以核聚变发电会是廉价到几乎无限的，这是一个在各方面都算是明显而无耻的谎言。核聚变用的燃料并不是氢，而是氢的同位素：氘和氚。氘还可以靠核浓缩从海水中提炼（即重水），氚却在地球上没有任何可开采的存量，必须靠人工合成（即核蜕变，Transmutation，这类似用人工把其他金属转换为黄金）。这还不算如果要改用氦三，那么就必须到月球开矿的费用。不过我觉得他们的谎言最离谱的一点，还是只算燃料的费用；如果用同样的逻辑，那么太阳能和风电就真正是零成本了。

事实上，核聚变发电站必然会有的一个极大费用，是其反应器的寿命极短。因为从物理上就无法避免极大量高能中子的对反应器结构的持续照射，那么就只有定期更换这一条路。核裂变也有中子，但是数量少很多，能级低7倍，而且只有燃料棒承受轰炸，必须定期更换；最新一代的反应器本身寿命从60年起算。核聚变不同，是整个反应器承受中子轰击，包括承重结构和（几乎无限昂贵的）超导磁铁在内。所以运行了一段时间（可能短至6个月）之后，反应器的放射性开始接近福岛的反应炉，然而承重结构已经弱化了，随时有坍塌的可能；很显然地，与其试图在高放射性环境下施工拆换部件，不如像Chernobyl那样直接用几百万吨水泥封存，然后再另建一个还比较便宜。这样的运行，基本上是有意地去一再重复福岛事件，能有什么经济效益，真是滑天下之大稽。

另一个必然极大的费用，是安全保障。核裂变反应器经过了70多年的运行经验、几个惨痛的教训、好几代的发展，总算有些安全性可言，但是价钱也水涨船高（因为不能在高放射性环境下进行维修，核裂变发电站所用的材料和工艺都是航天级别的），即使在中国也远远超过了十亿美元这个量级。但是核聚变反应器先天就比核裂变还要不稳定得多，例如如果简化到只看对反应器的电力供应（断电正是福岛事件的直接原因），核聚变的容错裕度（Margin of Error）是小于一秒，而核裂变是大约一天。这主要是因为等离子体必须由强磁场来拘束，产生磁场的高压电流稍有波动，拘束磁场就会崩溃，极高温（高于一亿度）的等离子体只能打到真空屏蔽上，把它瞬间蒸发，这是第一级爆炸。接下来的第二级爆炸有多么强、因此散布的放射性物质有多糟糕，必须有了反应器的设计细节才能计算。目前根本没有实用化的反应器设计，也就无从估计起。就算我们假设永远不会有放射性污染的泄露（其实不可能保证，尤其是新原理、新设计；所谓核聚变没有放射性废料，是另一个常见的谎言：核聚变反应器的高能中子就是有史以来可控条件下最强的放射性辐射，反应器的材料被照射之后，自然会核蜕变成为其他放射性物质），至少整个反应器也报销了，那么我们又再次面临了在高放射性环境下进行修理的问题，同样的最合理的解决方案是直接报废掩埋。

所以即使没有时限，核聚变能取代核裂变的机率，也是千中无一。但是核裂变已经不是一个很好的能源技术：它虽然没有碳排放，但是十分昂贵（几乎为燃煤的两倍，这些费用主要来自建厂、营运和安全管理，而不是因为燃料），而且总是有一点安全隐患，如果不是因为过去70多年Chernobyl和福岛附近居民已经为人类付了学费，考虑它的经济效益时就还要加上相当的风险溢价（Risk Premium），那就真的是定价高到脱离市场（Priced Out of The Market）的地步了。

中国还在继续投资核裂变发电技术的主因，是燃煤虽然便宜、方便、而且自主可控，但是远近两个层次（远是全球暖化，近是烟尘和硫化物）的空气污染都有很大的社会成本。太阳能和风电虽然和核裂变一样没有碳排放，而且经过几十年的发展，成本已经基本与燃煤相当，但是它们有两个很大的毛病：1）它们一般远离人口中心；2）它们的供电都是断断续续，不稳定的。第一个问题在中国这样大的国土上，总还是找得到地方来安装，然后可以靠超高压长途电网来运送电力（但是并不容易，也不便宜，中国早已有所需的技术，但是仍然没有建成足够的电网），第二个问题目前只能靠所谓的Base Load（基本负荷）发电产能来弥补。核裂变的真正经济价值就在于它是Base Load的主要选项之一。

然而在可见的未来（2025-2035之间，绝对远在核聚变能实用化之前），必然会有几个重要的技术突破，从而改变经济效益的计算方程式。首先，中国已经在积极建设智能电网，一旦连接了全国（也有连接周边国家的计划，不过那会需要更长的时间）的电力生产和消费中心，就会有规模效应，局部过多或过少的现象会自然互相抵消。

其次，小型核裂变反应器（大约100MW，比传统反应器小一个数量级）和我以前谈过的高温气冷堆（参见前文《高温气冷堆》）也会实用化，有相当的可能性（亦即机率大于10%）会比传统核裂变更便宜、更安全。

但是我觉得，最便宜、最可靠、最安全、最有可扩展性的新技术，还是储能，也就是把多余的电力储存起来，到需要的时候再释放出来。

电力供应传统上是几乎完全没有时间上的余裕的，这一秒多出来的电不能留给下一秒用。现有唯一的例外是水电，可以在供过于求的时候，反转涡轮，把水打回水库里。但是大部分国家（包括中国在内）的水电存量都远远不足以满足消费，而且反转涡轮的效率不好，再加上水库的存放水决定往往受其他因素（例如灌溉、干旱或泄洪）影响，所以水电不可能是最终的答案。

因此我们说储能，最后还是要靠电池。不过现有常见的锂电池是为随身使用而优化的，它很轻便、能量密度高，但是这不是电网储能的需要。电网储能的要求是1）便宜；2）可以几乎无限扩充；3）可以几乎无限循环；4）安全，不会爆炸；5）储能的效率高。锂电池在前四方面都很糟糕，所以不用考虑。

目前有两个技术很有希望，我尤其喜欢全钒氧化还原液流电池（Vanadium redox battery）。它满足所有前述的五项要求，而且在物理和工程上都是很简单而无重要障碍的。目前所需要的，是为商用做最后一些实用化细节的微调和优化，如果有足够的政策支持，几乎可以确定在2025年前能搞定。可惜在中国我只知道一个小团队在做，预算也只有核聚变的零头（绝对小于1/10，可能小于1/100）。这种资源的错误配置，才是我会在这个话题上反复大声疾呼的动力。

另一个技术用的是氢气。电力供过于求的时候，电解水来产生氢，供不应求的时候，再用燃料电池（Fuel Cell）来发电。它的安全性稍微有问题，但是因为氢气只须要储存而不须要运送，并不是很难克服。效率上还可以，尤其是如果和高温气冷堆结合，后者可以先把水加热到900°C（目前的中国技术）或者甚至1100°C（如果改用氦气直接推动涡轮），那么电解所需的电力更少，效率会更高，可以高于100%（并不违反热力学定律，因为高温气冷堆提供了额外的能量）。我对它的保留态度，主要源自于技术上的相对不成熟，氢气储存、结合高温气冷堆的电解和高效燃料电池都会比全钒氧化还原液流电池更复杂、更花时间。但是这些仍然是工程上必然可以解决的问题，所以氢储能做为一个技术备份，准备在2035年左右商用普及化，还是很值得投资的一个选项。