短期內(nèi)石油作為全球第一大消費(fèi)能源的地位難以撼動(dòng), 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(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益提高, 石油作為交通運(yùn)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(dòng)汽車。依托高效儲(chǔ)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(jià)高效氫氣制取與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù), 2030~2050年前后氫燃料電池汽車有望進(jìn)入發(fā)展快通道, 并可帶領(lǐng)人類走進(jìn)氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代; (3) 核聚變能源�？煽睾司圩兗夹g(shù)的突破和小型化, 有望全方位提供交通運(yùn)輸動(dòng)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(yùn)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(jì)與社會(huì)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(huì)放緩。石油號(hào)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(fèi)能源。綜合眾多國際機(jī)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(fèi)能源。石油消費(fèi)途徑主要有兩種,約2/3用于交通運(yùn)輸燃料提供動(dòng)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(píng)價(jià),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(fèi)水平可供人類使用200年左右,且隨著認(rèn)識(shí)深化和工程技術(shù)進(jìn)步還會(huì)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(yuǎn)未來臨。

然而,古有警世之語: “人無遠(yuǎn)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(shí)代的結(jié)束不是因?yàn)闆]有了石頭,而是鐵器取代了它······石油時(shí)代的結(jié)束也不是因?yàn)榈厍蛏蠜]有了石油, 而是因?yàn)楦�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(duì)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(fèi)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(gè)時(shí)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?duì)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(yùn)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(huì)加快退出歷史舞臺(tái)。挪威、荷蘭、德國、英國、法國等多個(gè)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(huì)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(chǔ)能技術(shù)與材料推動(dòng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展

2010年以來, 以美國特斯拉電動(dòng)汽車橫空出世為標(biāo)志,全球掀起一場電動(dòng)汽車快速發(fā)展熱潮,電動(dòng)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(dòng)汽車發(fā)展后來居上, 2015年超過美國成為全球第一大電動(dòng)汽車產(chǎn)銷國, 2016年保有量達(dá)到65萬輛, 約占全球電動(dòng)汽車總量的1/3。

電動(dòng)汽車快速發(fā)展主要得益于儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室和5所大學(xué)共同參與的“Battery500”共同體計(jì)劃,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有電池容量高出2倍的充電能力,達(dá)到500 W h/kg的能量密度。這一目標(biāo)如能實(shí)現(xiàn),將會(huì)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(dòng)汽車的行駛里程。

鋰離子電池是當(dāng)前電動(dòng)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(fù)極材料、隔膜和電解液等, 其中正、負(fù)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(fù)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(fù)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(dá)近萬次, 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰電池, 備受大型儲(chǔ)能、動(dòng)力鋰電池等領(lǐng)域關(guān)注。