短期內(nèi)石油作為全球第一大消費能源的地位難以撼動, 但隨著能源領(lǐng)域材料與技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展以及人類對生態(tài)環(huán)境保護日益提高, 石油作為交通運輸燃料被替代的可能性與日俱增。推測替代石油的可能路徑有三: (1) 電動汽車。依托高效儲能電池材料與技術(shù)發(fā)展, 2030年以前有望替代燃油汽車; (2) 氫燃料電池汽車。基于廉價高效氫氣制取與儲運技術(shù), 2030~2050年前后氫燃料電池汽車有望進入發(fā)展快通道, 并可帶領(lǐng)人類走進氫經(jīng)濟時代; (3) 核聚變能源。可控核聚變技術(shù)的突破和小型化, 有望全方位提供交通運輸動力, 或?qū)⒃?050~2060年前后成為覆蓋全領(lǐng)域的主導(dǎo)能源。

上述三種路徑能否完全替代石油尚存不確定性, 但是石油在交通運輸領(lǐng)域被大規(guī)模替代已成為大勢所趨。由燃料應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)入材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭�油未來�?yīng)用的最終歸宿。

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),伴隨全球經(jīng)濟與社會發(fā)展和人口持續(xù)增長,未來能源需求總量仍將保持增勢,但增長速度可能會放緩。石油號稱現(xiàn)代工業(yè)的“血液”,自20世紀(jì)60年代以來一直是全球第一大消費能源。綜合眾多國際機構(gòu)預(yù)測結(jié)果, 21世紀(jì)前半葉,石油仍將是全球第一大消費能源。石油消費途徑主要有兩種,約2/3用于交通運輸燃料提供動力,余下1/3主要作為工業(yè)生產(chǎn)的“原料”。根據(jù)現(xiàn)有資料評價,全球常規(guī)與非常規(guī)石油可采資源量約9000億噸,按現(xiàn)有消費水平可供人類使用200年左右,且隨著認(rèn)識深化和工程技術(shù)進步還會有更多資源被發(fā)現(xiàn)并開發(fā)利用,所以就資源而言,“石油枯竭”遠未來臨。

然而,古有警世之語: “人無遠慮,必有近憂”。沙特阿拉伯前石油部部長艾哈邁德· 扎基 · 亞馬尼有告誡之言:石器時代的結(jié)束不是因為沒有了石頭,而是鐵器取代了它······石油時代的結(jié)束也不是因為地球上沒有了石油, 而是因為更清潔的能源取代了它。自從《巴黎協(xié)定》簽署并生效以后, 世界各國已為應(yīng)對全球氣候變化作出了能源轉(zhuǎn)型新規(guī)劃和相關(guān)技術(shù)提速發(fā)展的新要求, 能源消費加快向低碳清潔轉(zhuǎn)型正成為大勢所趨。作為單位熱值污染物與二氧化碳排放僅次于煤炭的石油, 在未來某個時間段被替代將是不可逆轉(zhuǎn)之事。在21世紀(jì)初見證了“頁巖氣革命”之后, 人類或?qū)⒚鎸σ粓龈�具顛覆性的“新能源革命”�?/p>

石油被替代將主要來自交通運輸領(lǐng)域的用油, 即作為燃料的石油產(chǎn)品將被更清潔的能源替代, 從而導(dǎo)致石油需求量大規(guī)模減少。特別是能源領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料以及人工智能、大數(shù)據(jù)等日新月異發(fā)展, 可能帶來人類出行行為的革命, 燃油車會加快退出歷史舞臺。挪威、荷蘭、德國、英國、法國等多個國家已提出2025~2040年將全面禁售燃油車。從目前看, 幾種低碳清潔能源技術(shù)和關(guān)鍵材料相繼取得重大突破, 可能會以接力或共同攜手的方式加快石油被替代的步伐。

石油可能被替代的路徑

1.儲能技術(shù)與材料推動電動汽車快速發(fā)展

2010年以來, 以美國特斯拉電動汽車橫空出世為標(biāo)志,全球掀起一場電動汽車快速發(fā)展熱潮,電動汽車保有量呈指數(shù)增長態(tài)勢, 2014 年突破70 萬輛,2015年突破120萬輛, 2016年突破200萬輛。中國電動汽車發(fā)展后來居上, 2015年超過美國成為全球第一大電動汽車產(chǎn)銷國, 2016年保有量達到65萬輛, 約占全球電動汽車總量的1/3。

電動汽車快速發(fā)展主要得益于儲能新材料與技術(shù)的迅猛發(fā)展、生產(chǎn)成本的大幅下降以及配套設(shè)施的日臻完善。在過去8年間,電池能量密度增加了近6倍,生產(chǎn)成本卻下降了約5倍。近期,美國推出了由4所國家實驗室和5所大學(xué)共同參與的“Battery500”共同體計劃,目標(biāo)是實現(xiàn)比現(xiàn)有電池容量高出2倍的充電能力,達到500 W h/kg的能量密度。這一目標(biāo)如能實現(xiàn),將會顯著減小電池尺寸和重量,降低電池成本并大幅度提升電動汽車的行駛里程。

鋰離子電池是當(dāng)前電動汽車搭載的主流電池, 其理論最高容量約384Wh/kg。鋰離子電池構(gòu)成材料主要包括正極材料、負極材料、隔膜和電解液等, 其中正、負極材料的性質(zhì)直接決定了電池的電壓、容量和充放電速率等特性。目前商業(yè)化使用的正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等, 負極材料主要為石墨、石墨烯等碳材料。為滿足電池在能量密度、循環(huán)壽命及安全性等方面日益增長的需求, 電極材料正朝著高容量、高電壓、高倍率及高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。例如, 磷酸鐵鋰與多孔碳及碳納米管復(fù)合后作為正極, 可以提升電池的容量和穩(wěn)定。硅材料是一種超高比容量的負極材料, 是傳統(tǒng)碳系材料容量的十余倍, 目前研究集中在硅碳復(fù)合材料、硅金屬合金材料、硅氧化物材料等方向。此外, 新型鈦酸鋰為“零應(yīng)變”電極材料, 充放電循環(huán)可達近萬次, 遠高于傳統(tǒng)鋰電池, 備受大型儲能、動力鋰電池等領(lǐng)域關(guān)注。