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能量转换效率正在下降

中科院半导体所 来源:悦智网 作者:Vaclav Smil 2021-05-17 15:01 次阅读

一直以来最著名的统计图表也许是1869年法国土木工程师查尔斯•约瑟夫•米纳德(Charles Joseph Minard)发布的数据统计示意图。他使用了一系列代表了总人数的细色带绘制了行军图,追踪了拿破仑军队入侵俄罗斯并于1812年到1813年撤退的情况。

42.2万名将士向东进发,入侵俄罗斯,其中10万抵达莫斯科,1万穿过涅曼河向西,朝普鲁士进发。正是在普鲁士,这支大军团损失了97.6%的起始军力。英国土木工程师学会(ICE)的一个委员会在1897—1898年蒸汽机热效率报告中也采用了类似的图形表达技术。

该图展示了Louisville-Leavitt蒸汽泵的运行情况,图中绘出了蒸汽机的锅炉炉篦燃烧煤时,每分钟产生193 708千焦(18.36万英制热单位)热量,实际到达发动机的热量为每分钟149 976千焦。

最终的有效功(制动马力)则为每分钟26 788千焦,总效率仅为13.8%。很快,这种表示法就被命名为了桑基图,以该委员会的名誉主席马修•亨利•菲尼亚斯•里亚尔•桑基(Matthew Henry Phineas Ri-all Sankey)的名字命名。

桑基图最著名的应用之一是追踪美国全国能量流动,从左侧的所有一次能源投入开始,包括化石燃料和生物燃料,还有水力、核能、风力、太阳能和地热能能源产生的电力。右边是实际的能源服务,包括工业用热、动能和化学能、住宅及商业供热和制冷,以及所有的交通方式。

美国有一组1950年、1960年和1970年的相关绘图,之后从1978年到2019年,每年都有相应绘图;通过劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的两个网站就可以下载这些绘图。最近的2019年桑基图显示,美国的有用能源(能源服务)合计占总一次能源投入的32.6%,该表现远远不如1950年,1950年的总平均值为50.8%!

有两种实际情况可以解释这种倒退。首先,交通运输在能源预算中占据了更大的份额。从20世纪70年代以来,汽车发动机的平均效率一直在提高;飞机方面,每载客公里的效率更是有了显著的提高。

不过,汽车持有率的升高、更重的车辆、更频繁的航班飞行以及每人每年更远的旅行距离,都能够解释为什么交通运输部门的最终能源使用占比更高(2019年占比37%,1950年占比30%),以及为什么过去70年来其效率从26%略微下降到了21%。

第二个实际情况是,住宅和商业能源使用的平均能量转换效率在下降,从约70%下降到了65%,更有效的供热带来的能量结余更多地被大量的空调使用所消耗。空调用电大多数来自化石燃料发电厂,其固有的能量转换损耗非常大。

2019年,美国燃煤发电厂的平均效率只有约32%,而目前主流的燃气发电站的平均效率为44%。在工业部门,平均能量转换效率的下降更明显,从70%下降到了49%,这很大程度上是由该部门持续的电气化(电气化取代了从前的直接燃料使用)和用电集中的制造业的扩张造成的。改善相关设计和提高单个能量转换器的效率是普遍矛盾的。

即便特定性能有所改善,总体性能也会下降。美国现在浪费的能源比以往加起来的都多。一次能源总投入中,约有2/3都直接用于了让全球变暖,而没有首先做任何有效功,只有1/3投入提供了所需的能源服务,而1950年,这一比例为五五分。这又是一个倒退式发展的例子。

作者:Vaclav Smil

编辑:jq

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原文标题:能量转换效率正在下降

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