短期內石油作為全球第一大消費能源的地位難以撼動, 但隨著能源領域材料與技術創新發展以及人類對生態環境保護日益提高, 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發展, 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, 2030~2050年前后氫燃料電池汽車有望進入發展快通道, 并可帶領人類走進氫經濟時代; (3) 核聚變能源。可控核聚變技術的突破和小型化, 有望全方位提供交通運輸動力, 或將在2050~2060年前后成為覆蓋全領域的主導能源。

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域被大規模替代已成為大勢所趨。由燃料應用領域轉入材料應用領域將成為石油未來應用的最終歸宿。

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎,伴隨全球經濟與社會發展和人口持續增長,未來能源需求總量仍將保持增勢,但增長速度可能會放緩。石油號稱現代工業的“血液”,自20世紀60年代以來一直是全球第一大消費能源。綜合眾多國際機構預測結果, 21世紀前半葉,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主要作為工業生產的“原料”。根據現有資料評價,全球常規與非常規石油可采資源量約9000億噸,按現有消費水平可供人類使用200年左右,且隨著認識深化和工程技術進步還會有更多資源被發現并開發利用,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:石器時代的結束不是因為沒有了石頭,而是鐵器取代了它······石油時代的結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《巴黎協定》簽署并生效以后, 世界各國已為應對全球氣候變化作出了能源轉型新規劃和相關技術提速發展的新要求, 能源消費加快向低碳清潔轉型正成為大勢所趨。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之事。在21世紀初見證了“頁巖氣革命”之后, 人類或將面對一場更具顛覆性的“新能源革命”。

石油被替代將主要來自交通運輸領域的用油, 即作為燃料的石油產品將被更清潔的能源替代, 從而導致石油需求量大規模減少。特別是能源領域的新技術、新材料以及人工智能、大數據等日新月異發展, 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和關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.儲能技術與材料推動電動汽車快速發展

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

電動汽車快速發展主要得益于儲能新材料與技術的迅猛發展、生產成本的大幅下降以及配套設施的日臻完善。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所大學共同參與的“Battery500”共同體計劃,目標是實現比現有電池容量高出2倍的充電能力,達到500 W h/kg的能量密度。這一目標如能實現,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、高倍率及高穩定性的方向發展。例如, 磷酸鐵鋰與多孔碳及碳納米管復合后作為正極, 可以提升電池的容量和穩定。硅材料是一種超高比容量的負極材料, 是傳統碳系材料容量的十余倍, 目前研究集中在硅碳復合材料、硅金屬合金材料、硅氧化物材料等方向。此外, 新型鈦酸鋰為“零應變”電極材料, 充放電循環可達近萬次, 遠高于傳統鋰電池, 備受大型儲能、動力鋰電池等領域關注。