错入能源之门,你将与汽车业的未来失之交臂


错入能源之门,你将与汽车业的未来失之交臂

撰文:徐鸿鹄/胡静文|编辑/排版:王晓峰|校版:智库团队


核 心 内 容 摘 要


  1. 能源之门里,每个人都是一颗过河的卒子
  2. 分布式智能电网+可再生能源+电动汽车=美丽新世界?
  3. 生物燃料难扛大旗,非可再生能源才可持续?
  4. 电网+氢能网=终极答案?

么才是汽车的未来能源?

人们对此问题的答案忧心忡忡。

不管怎样,人们都希望预测未来,并掌控未来。

这个动机只要一个理由就足够了:追逐机会和更多的自由


经济学家米塞斯认为,赌博,工程设计,投机,是处理“未来”的三种不同方式:



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赌徒眼里只有他中意的结果,他信赖的是好运和直觉,这是他唯一的计划;

工程师具备他解决问题的知识,对于他无法控制的,他会留下安全的余地,工程师绝无可能消除其人生中所有的赌博因素,但他的原则是只在确定的轨道上行动;

投机者是行动的人,时时刻刻都在思考利益,他不喜欢安定,他的每一个行动都是在权衡利弊。


然而,没有任何一种人能稳赢未来。


站在技术变革的门槛上,你再不拥抱它,就可能要错过一个时代。可身处某个喧嚣的时代当中时,往往最无法冷静地思考未来。伴随变革,企业的存续和个人的职业生涯也会更加跌宕,新能源汽车产业也许会辉煌,但你未必能有那样的幸运享受胜利的果实。



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如果人们不去深谋远虑未来,就会失去目标,因为他们从来不去构筑未来梦想里的任何细节。当你一直想着赶超,为了几年走过人家几十年走过的路,为了一夜间吹起一个宇宙,就必然要省略很多东西,但恰恰有些东西是不能压缩和省略的。


汽车电动化产业将会如何演变?也许只有跳出汽车产业的微局,从能源革命的角度俯瞰,我们才能有机会真剑决胜,全力以赴,窥前所未窥。


能源之门里,每个人都是一颗过河的卒子


使汽车本身的质量和效率在不断得到提升,汽车使用的某些方面却已经不再那么高效。汽车行业现在又遇到了新的问题:


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道路,办公楼,汽车,输电线路……平均利用率都不足20%,甚至仅有一位数。石油和天然气生产工艺的采收率只有20%~40%。汽车油箱里的燃油只有14%~26%的能源被用于驱动汽车。在电力行业,甚至是最高效的中央发电站也只是将60%的燃料转变成电力。

物理学家、环境保护主义者埃默里·洛文斯(Amory Lovins)指出,一箱油中只有很少的能源才真正地用于将乘客从A点带到B点,其余的都变成了热量、轮胎磨损以及在运输大块金属和空气中白白浪费掉了。



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显然,资源需要被高效地使用。

从第一性原理来看,传统燃油车的动力核心—热机,只能是将化学能转换为热能(空调)和动能(活塞运动)。但热机里的煤炭和石油都是性质很稳定的碳氢化合物,很难直接转化为光能(电灯)和电磁能(无线电)。



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从热机的局限性当中我们发现:电能作为二次能源,功能拓展能力比热机强大得多——涵盖了力热光磁,效率也要高很多。因此,电动化是降低成本,提升效率减少浪费的关键所在,二次能源替代一次能源是大势所趋。

能源格局的变化,快得超乎想象:



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能源变局下,以二次能源作为载体的汽车(电池,氢燃料电池等)成为了必然会出现的产物。传统公共汽车如果以汽油为燃料,就只能用汽油,柴油车只能烧柴油。但使用二次能源的交通工具可以使用任何一种类型的燃料,不管是煤炭,石油,天然气、风能,太阳能,还是其他能发电的一次能源都可以。一切只取决于当时当地哪种能源最具成本效应。

在日本,一方面自然条件决定了这里缺乏石油,煤炭,天然气等一次能源,而狭小的国土面积也限制了需要耗费大量土地资源的光伏,风能,水力的可再生能源开发。于是,综合利用多样化的一次能源,并全力发展以二次能源为载体的电动汽车和氢燃料技术,自然成为了日本国家能源战略的重点。

此前,在《节能法》政策推动下,日本主推小型化(0.66L排量的K-car占据了40%的国内市场)和混合动力技术,节能水平领先全球。



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日本的经验是:技术工业战略越发肩负着创造和维护繁荣的重任,能源问题也裹挟着技术和政治正深刻地改变汽车行业的形态。

再看欧洲,对汽车能源的利用也开展了一系列探索:丹麦政府的EDISON项目;

奥地利的EMPORA(E-MobilePower Austia),AMP(AustrianMobile Power),VIBRATe(ViennaBRATislava e-mobility);芬兰的 Electric-traffic.fi;法国的brilleCarsharing;德国的Car2go;荷兰的e-laad…

欧洲的多样性允许有不同的商业模式,每个国家按照各异的市场条件,法律,政府决策,激励和经济规模,技术方案来选择适合自己的方式。在能源战略上,欧洲动作频频:




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欧洲的经验是:在能源大背景下,高毛利的新兴价值驱动下,政府主导的电动汽车商业化的主要责任落在了电力公司手里,而不是传统汽车制造商。

汽车产品已经成为了能源服务和国家战略的一颗棋子,做了过河卒子,只能拼命向前。汽车能源最终的出路,最大的可能,是没有标准而统一的答案。跨国车企们必须做好多线作战的准备。

分布式智能电网+可再生能源+电动汽车=美丽新世界?


网的修建曾是20世纪的工程奇迹,给发达世界的千万户家庭和企业送去了清洁、安全、可靠且平价的电力。

可今日今时,电力的发展似乎停滞了 — 电网还是上个世纪曾经有的样子,还很落后。落后到就像是第二次世界大战期间的有线电话系统:电力系统要提前24个小时安排发电和输电,并且以15分钟为基本单位对发电厂进行人工干预。

要知道,二战期间,长途电话要提前至少2个小时安排,话务员必须人工接通电话。长途电话可能需要15分钟才能接通。何其相似!



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不同在于,电话系统进步飞快:转换器被自动继电器取代,并诞生了电话区号,于是大量话务员消失了。再到80年代,思科公司发明了软件定义网络(SDN)路由器,有了它,每次通话就不再需要专门的线路,从而大幅降低了硬件成本。更不用提这之后的无线电话技术了。

现代电网依靠的是中央发电厂——电网的修建曾被称为20世纪的工程奇迹,但电网的基本技术自爱迪生和威斯汀豪斯时代以来几乎没有什么改变。电网网路基本上都已有40年以上的历史了,有些甚至超过了100年。

电网已经老态龙钟。

现代电网发现问题最简单粗暴的方法就是——等大量客户打来投诉电话。要解决变电站的问题,通常就是派维修工到现场关闭开关——这在21世纪的人类看来,简直低效到没朋友。

这样的工业基础怎能支持大量电动汽车的接入呢?

按照规划,2030年,我国电动汽车产销将超过1500万辆, 保有量达到一个亿。

如果1000台电动汽车跟电网互动,那么以现在电网的调度应付起来是没有问题的;

但若上亿台电动汽车同时跟电网互动,以当前电网设计,电力调度必定会瘫痪。

数以亿计的电动汽车充电需求涌入电网,每一台电动车如果都可以充放电,那么,每一台电动车就变成了能源的使用和生产者。

因此电力要双向输送,包括从电量过多(闲置电动汽车,发电厂)的地方向需要用电(为汽车充电)的地方输送,而不是让仅仅几个发电厂去生产所有的电力。



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电网中广泛分布的电动车电池也可以派上用场。存储的电能能够以顺畅稳定的方式释放出来,从而允许发电厂更高效地运转,再根据需要使用电池内存储的电能——不再需要整座调峰发电厂为了几天内的几个小时而整年待命。

幸运的是,这些功能并不需要重新发明轮子——升级后的电网里,客户的数据量通常只有百万次沟通,但距离信息技术和通信技术当中数亿次的水平还相距甚远。要知道,手机通信公司和航空航天公司无时无刻不在处理动态系统中的海量数据,对此已经驾轻就熟了。

由电动汽车所构成的移动“能源互联网”正呼之欲出。在这张全新的网架中,每一台电动汽车都将是一个移动的发电终端。作为能源互联网框架重要组成之一,随着保有量的增长,电动汽车与交通系统、能源系统耦合程度愈发加强。

分布式电力网络将取代现有的中央式电力网络,并发明出传统汽车无法想象的新的商业模式。

电动汽车带动的分布式的智能化电网一旦落成,输电主网络的负荷将会显著降低,同样呈分布式特点的可再生能源的大规模并网就成为了自然而然的事情。电动汽车,智能电网,可再生能源三位一体,能源的成本将更加低廉。



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可再生能源设备,分散布局的电力系统将挑战原有的电力系统垂直垄断的形态,大幅改变电力行业的潜规则:在德国,一根风机立在后院里,你的能源公司就可以宣告成立了。德国用事实证明,积沙成塔,可再生能源一样可以实现规模化。谷歌收购的Nest公司也已经销售了超过100万份远程传感恒温器,根据需求进行电网汇集和传输电力。

如果说大型电站是极少数大公司的精英领地,那么小型的可再生能源就是人民群众的汪洋大海。电力市场正在快速地发生变化,可再生能源的市场渗透率正以每年20%的比例增加,电力存储也在以更快的速度爆发,并推动着交通运输电气化的工作。

电力的调运,存储,电力系统分拆和自由化的进程正齐头并进,共同打造21世纪的电力工程奇迹。

生物燃料难扛大旗,非可再生能源才是可持续的?

些东西数量有限但异常庞大,有些东西可以无尽再生,但却及其有限。

纵观人类历史,每一个古老文明的衰落,都跟能源相关:木材,农田,牧场,劳力,水,泥炭…他们都是可再生的,可速度太慢。一旦人口膨胀,很容易就耗个干净。

直到异常丰富的不可再生能源出现,人类历史上,煤炭第一次承载起了经济活动和人口的双重爆炸。煤炭先为地球上的所有人创造出了可持续的财富,随后又将接力棒传递给其他不可再生能源 — 石油,天然气等等。



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一旦化石燃料参与了人类进步,经济发展就真正地插上了翅膀,我们看到,经济发展居然依靠的是非再生,不环保,不清洁的动力才变得可持续了。

要不是化石燃料,全世界99%的人都要成为奴隶,才能叫剩下的1%的人们维持体面的生活。

今天,衣食住行的极大丰富,正让地球上每个人平均以2500瓦的速度消耗功率,换句话说,每秒钟要使用600卡路里的能源。而这当中,85%的都来自于煤炭,石油,天然气等化石燃料的燃烧。

于是,难免有人担心化石燃料会耗尽——这种焦虑跟化石燃料的岁数一样古老:

1865年,经济学家斯坦利·杰文斯预测,随着需求的扩大,供给的短缺,煤炭价格会大幅提高。杰文斯的言论直接导致了1866年的“煤炭恐慌”,英国还为此成立了专门的“煤炭供应皇家委员会”。具有讽刺意味的是,就在随后的十年,世界各地均发现了庞大的煤炭储量,同时,石油钻探业也开始萌芽。

同样的事情也发生在石油身上。1914年,美国矿务局预测,本国石油储量只能持续10年;1939年,内政部说,美国石油能持续13年;12年之后的1951年,内政部又说石油还能持续13年;70年代,美国总统吉米·卡特宣布,10年内全世界石油储量将用完…可我们知道,半个世纪又过去了,石油也没有枯竭。



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过去几十年里,天然气供应即将枯竭的预言也一次次地落空。美国页岩气革命,把美国的可开采天然气资源翻了一番,差不多能用300年。

化石燃料的确是有限的,但未来的几十年乃至上百年都是可持续的。伴随着能源技术的进步,如今全世界主要国家的煤炭消费量,已经全面跌落。人们不止一次在一种能源用光前就找到了更好的替代品。总之,人类还没有被逼上绝境。

在人们在享用化石能源的时候,却轻易忘却了化石能源最大的一个好处,人们很少提到这一点:化石燃料为工业化节省了大量的土地。

可再生能源有多消耗土地?

做个简单的计算,为供应全美国3亿人口的功率需求,需要建造总面积跟西班牙一样大的太阳能电池板;或者哈萨克斯坦一样大的风力发电厂,或者全球1/3的水流量用来水力发电。生物燃料更不必说,能源从地理长出来的话,就要大量的土地用来种植,就算是全球的耕地都无法满足,这完全就是吞噬土地的怪兽。



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你如果喜欢旷野,就绝对不会喜欢像中世纪的人类一样,把周围的土地都拿来提取能源。

为什么不拿土地种植唯一重要的东西 — 食物,却反而用土地来做一件费力不讨好的事情 — 制造能源呢?毕竟土地种植出的作物几乎是唯一无法从煤炭或石油工厂里制造出的产品。

相比于燃烧化石燃料的碳氢化合物,碳水化合物的发酵反而是一门低效的产业。

为了制造乙醇汽油,每一亩的玉米和甘蔗,都需要拖拉机燃料,肥料,农药,卡车燃料和蒸馏燃料——这些耗费的全都是化石燃料啊。



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同时,为了制造乙醇汽油,光美国人就被征收了三次税来给这个行业买单:

最终,种植燃料到底需要耗费多少燃料呢?答案是:投入和产出基本相同

而开采和提炼石油,能让你用出去的能量获得600%的回报。

哪种投资听起来更合理呢?



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为了向文明提供燃料,人类在中世纪开始就已经破坏了栖息地,毁坏了山河风光,毁灭了无数的物种。直到发现了煤层,沥青页岩,发明了核反应堆,人类才用尽量少的土地满足了更多的需求,好不容易走出了青铜时代和铁器时代,我们为什么要重新走回生物燃料的老路呢?

最大的问题在于,要不是有了气候变化这个论点,你根本没法断言:生物能源环保,化石能源不绿色。在经过多年系统性的行业调查之后,德国认为使用生物质能或者生物燃料,生产规模必然受限,被长远来看是不可持续的。而太阳能,风能,水能这些非生物的可再生能源结合不可再生的天然气,将会是实现碳减排的最佳方式。

在美国,不可再生的天然气已基本取代了煤炭,其结果是美国的碳排放量已经降至30年前的水平。在英国,由于天然气大规模代替煤炭发电,碳排放量目前已回落到了十九世纪时的水平。面对弃煤弃核之后的电力缺口,德国人仍留有最后的底牌——大规模天然气发电。



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早期纽科门蒸汽机的工作效率只有1%;瓦特蒸汽机的效率是10%;奥托内燃机的效率达到20%;现代联合循环发电机组利用天然气的效率则高达60%,比任何车载内燃机都更高效。将天然气用于集中发电,并与可再生能源相结合,在碳减排方面已有成效显著的实践。

随着技术的进步,现代文明从同样重量的化石燃料中得到的功越来越多。天然气成为了更加清洁的非可再生能源,电力转化后具备极高的效率优势。在汽车行业,天然气带来的电力是比生物燃料更加环保和可持续的能量载体。

我们再次发现:如果整个交通行业都将电力这个二次能源作为默认的供能方式的话,需要多少电力,如何根据效益最优分配全国范围内的储能和自然资源将成为核心问题,在整体电气化电动化的时代背景下,电动汽车将成为最经济高效的发展方向,能源的利用效率将会再上一个新层次。

电网+氢能网=终极答案?



再生能源的主要来源,是风能和太阳能。电力供应过剩期间,人们希望将多余的电力转化为热量——加热冷水或给房屋供暖,或通过电转气设备生产氢气或其他燃料气体将能量存储起来以备将来使用。储存能量的气体可以为车辆提供燃料,也可以在阳光和风力较小的情况下,将备用的储能再转换为热量或电力。

然而,在能量转换的过程中(电力 – 储能 – 电力),会伴随着大量的能量损失。利用电力产生氢气(电解)并使用这种氢气再次发电,转换效率为40%,这意味着转换过程中60%的原始电量会损失。最终,氢燃料电池汽车的能量转换效率只有26%,合成燃料汽车只有13%左右,而电池驱动汽车由于能量转换较少,效率可以达到约69%。



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毫无疑问,直接使用电力将会是最节能的终极方案。

但是,电动化汽车发展的背后,人们对电池的热情有时掩盖了这样一个事实:汽车首先作为移动工具而不是纯粹的储能介质,光靠电池无法储存更长时间的能量,也无法储存足够多的能量。


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在德国和欧盟,弃核(德国,法国,瑞士等等)、减煤,摆脱政治敏感性的俄罗斯进口天然气都是不可逆的进程,而生物燃料却难扛大旗,如此背景之下,不发展新能源,行吗?

光伏,风电,水力转化出来的电能作为一种看不见摸不着的能量媒介是很脆弱的,电能的存储和运输相比实实在在的化石燃料更加难以实现。将不可控制的电能,转化为一种像化石燃料一样易于存储和运输的化学能量载体,就成为了一个迫切的需求。

氢能源被看作是一条最佳的出路:氢能源可以通过太阳能和风能等可再生能源制造,使用时也不生成二氧化碳。只要解决了存储条件和运输的技术难点,氢能可以很方便而高效地转换为热能或电能。日本产业界正在积极研究将氢气转换成氨和有机氢化物等化学物质后方便贮存和运输的物质(比如甲酸),从而加快氢能源的普及。



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氢能的另一个显著优点是——它并不依托于自然资源或自然环境,只要有富余的电力,它几乎是取之不尽用之不竭的。

更重要的是,氢能作为一种灵活的二次能源,可以同时跨越电力网,热力管网,燃料三大领域,在工业和建筑业,汽车行业中发挥重要作用:



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直接驱动汽车的氢燃料电池还有更多的技术瓶颈需要解决,普及之路漫漫,但氢能源作为储能媒介已经展示出了它巨大的商业价值,氢能的储能密度远超汽油和锂电,和电力结合正好优势互补,氢电合力的组合拳正在逐步吃掉传统化石燃料的市场。

能源的利用形式,并不能孤立地看,只有横向的耦合和综合利用才是真正的出路。电池技术,结合氢储能,加上可再生能源和甚至天然气的合理利用,会带来极佳的综合效益。



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德国的MEKS项目就做出了示范,MEKS是施普伦贝格多能互补集成发电系统(Multi-Energie-KraftwerkSperenberg)的缩写,项目坐落于德国东部小市阿姆梅伦塞的小镇施普伦贝格。这个多能互补集成发电系统利用先进智能系统集成技术将风力发电和光伏发电结合,所发电量可以实时馈入电网;多余的电量又可以结合制氢装置,制得的氢气可以储存或馈入当地天然气管道。



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更进一步地,德国最大的输电公司之一50Hertz多年对市场的深耕后发现,供电曲线的变化幅度与可再生能源所占的比例并不大——尤其是在40%以内时,供电负荷仍然是最需要解决的问题,而不是可再生能源的波动。换句话说,可再生能源的大规模并网并没有带来多大调峰的压力——德国的自由电力市场凭借现有技术已经解决了绝大部分的调峰问题。

德国的经验是,在中国热议的储能技术,对可再生能源的大规模利用并不会形成制约,即便可再生能源的比例达到70%,但掌控电网预测技术并借助大数据分析能力,储能的需求也没有非常迫切。没有储能技术作为先决条件的话,推进大规模利用可再生能源的进程也许比预想的要更快。



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但氢能的开发仍然是极其重要的

可再生能源带来的电力加上氢能的利用,是一个可再生能源链的全新组合。这种能源组合带来的自由度可以与化石燃料的利用相提并论:它们都具备储量巨大的特点,所以即便能源消耗量大增,它们也不存在由于资源短缺带来的收益递减和价格上涨的问题,人口的规模才得以彻底摆脱“马尔萨斯天花板”的束缚。



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在煤炭能源时代的早期,经济学家罗伯特·弗里德尔说:

“18世纪的英格兰出现了一场消费的革命。”

尼丹尼尔·笛福补充道:

“英国人穿羊毛布,吃牛肉和白麦面包,而欧洲大陆的人则还穿着亚麻布,吃奶酪和黑麦面包”。

斯坦利·杰文斯一锤定音地说:

“有了煤,什么样的壮举都能完成,甚至能轻松完成;没有煤我们就会被抛回早前时代的艰辛贫困当中。”



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高比例的可再生能源利用带来了大量富余的流动的电力,氢储能将富余而实时流动的电力固化,不受时间和空间的约束,作为能源安全的双保险,两者合力为我们带来了更多的便利和自由。我们坚信,新的能源革命将远超煤炭革命的历史价值,并再次带来空前的人类进步。

在德国,新能源转型已经演变为一场人民战争,众多的中小企业形成主力军。新能源电力已挤占了传统的煤电(将在2038年全部关停),核电(将在2022年全部关停),占据了德国全部电力的40%强,并以每年8%-10%的幅度激增,德国预测,如果氢能加入新能源的阵营,新能源的比例在2050年将超过80%的水平。



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摆脱对化石能源的依赖及其伴随的地缘政治的束缚,环保势力的摇旗呐喊,依托可再生能源变革和能源技术进步,汽车并入电网和氢能网络带来的益处将越发显著,成为汽车产业变革最大推手。


汽车诞生之日起,汽车的驱动形式就深受能源格局的影响,被裹挟向前。出行和移动本身就是一项耗费能量的事情,人们为如何高效的消费能量操碎了心。

智能电网,电动汽车,可再生能源三位一体,为我们带来了新的商业模式,交通出行并不再孤立,已经成为能源变革的一个缩影。

生物燃料过于依赖土地,将成为能源的弃子;天然气在几十年的跨度里将成为发电的主力,逐步降低人类对煤炭的依赖,并为去碳化做出重要贡献,电动汽车伴随能源结构的变化也将成为市场的主流。

最终,化石能源的重要性会减弱(主要是体现在其燃烧的用途上,比如发电,汽车等)。石油,天然气,煤炭的非燃烧使用将变得更加重要——塑料产品,纺织产品,润滑剂,沥青等需求一直在持续地强劲增长——人们对化石能源的依赖其实是稳步增加的,它们并没有远去,只是换了个方式。

同时,电和氢能两张大网逐步成型越发清晰,一边接纳可再生能源,一边向传统的化石燃料发起挑战。电池驱动和氢燃料电池驱动的汽车在两个网络的庇护下,也成为了能源革命的附属品,伺机而动。



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不远的未来,我们或将看到,混合动力汽车最初的50公里都是用的廉价的非高峰时段的电力(比如核电);阳光炽热的沙漠里建立起太阳能巨大发电厂,卵石床上建造出被动安全的模块化核反应堆;还有风力,潮汐,波浪和生物能量也被高效地利用。

新的经济模式会不断增加燃料的消耗,这是人类经济发展的必然规律。高效使用燃料,会让人类发明出更多利用能源的新途径,持续提升生活品质——这与杰文斯悖论的观点是一致的:虽然能源利用效率提高了,但对能源的需求也在增加。



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彼得·休伯和马克·米尔斯说:

“文明,就和生活一样,是一段飞离混乱的旅程,它充满苦难,永无尽头。混乱最终会占据上风,但我们的使命就是尽可能地推迟它,用尽一切的聪明才智和决心把事情朝着相反的方向推。能源不是问题。能源是解决途径。”

人类的历史就是一个逐渐发现,转移太阳能源来维持人类生活方式的故事。人们总是渴求新的能源,制造更多的能源,总归需要从什么鬼地方榨取新的功率,并让这些功率成为我们新的奴隶为我们更好地服务。


特邀撰稿:徐鸿鹄 现就职于某德汽车钢铁集团,负责电动助力转向系统开发与管理。



汽车行业11年从业经验 ,研究侧重点主要为底盘电控系统,无人车算法,功能安全等。热爱物理,数学和科学哲学,乐于使用物理学思维和工具解决工科的问题。关注历史,经济学和艺术,跨越学科的藩篱,看见世界感受成长。


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特邀撰稿:胡静文


2008年毕业于德国斯图加特大学汽车与发动机硕士专业,毕业后在斯图加特周边汽车工程技术咨询行业工作,参与了戴姆勒,保时捷等多家德国车企大客户的研发项目。同时,作为中国市场负责人,他筹建了中国分公司,发展中国车企新客户以及项目管理。


目前就职于斯图加特某 德国世界顶尖一级汽车供应商 动力总成前瞻研发部门,负责技术战略转型和新能源系统构架以及技术方案集成等。

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页面更新:2024-04-20

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