3.3 传统化石能源的保障体系正面临挑战
3.3.1 开发难度加大，供给能力偏弱
中国化石能源的资源储量大，但由于过度开采、能源利用率低、能源的品种结构不合理，能源消费问题不断增长。在能源资源储备中，煤、石油、天然气等属于不可再生资源。这些资源从数量上看，储备丰富，但中国人口众多，人均资源量少，并且存在很多问题，如资源储备分布不均匀，煤炭资源大多分布在北方，北煤南运的问题将长期存在。而且中国能源价格低廉，导致粗放型经济长期存在，能源消费以煤炭为主，煤炭占比达59%，这对环境产生了极其恶劣的影响。因此有效利用有限的能源储备合理开发，同时大力开发可再生资源，已成为首要的任务。
中国石油主要依赖进口（见图3-7），依存度达70%，且对进口依赖度近年来呈逐年增长趋势（见图3-8）。随着经济的发展，中国对石油进口的依赖程度还会增加。过分依赖国际市场，必然会对中国的经济发展造成不利的影响。同时，石油的进口额增长幅度大于石油的进口量增长幅度，致使运用国外资源的成本不断攀升。中国石油过分依赖进口，受到国际市场的制约，造成成本不断增加。自身能源供需失衡时有发生，供给能力偏弱。大力提升生物质能、风能、太阳能、潮汐能、核能等清洁能源消费占比迫在眉睫。
图3-7 中国历年进口原油量
图3-8 中国的石油对外依赖度
3.3.2 以煤炭消费为主，环境压力加大
我国能源消费以煤炭消费为主，环境压力加大，有必要大力发展低碳经济。低碳经济是低排放、低能耗，经济效益、社会效益和生态效益相统一的新的经济发展模式。目前我国虽已非常重视发展低碳经济，但传统的高耗能、高排放的产业仍占据主体地位，这些产业仍旧在污染环境，危及我们的生态平衡。同时，我们还面临巨大的国际压力，如美国在《清洁能源与安全法案》中规定，从2020年起将对不接受污染减排标准的国家实行贸易制裁，征收关税。中国出口美国的机电产品，就存在高耗能、低排放的特点，如果受到美国的经济制裁，无疑将大大影响我们的外贸出口。因此高耗能产业成为我们经济进一步发展的障碍。中国历年碳排放量如图3-9所示。
图3-9 中国历年碳排放量
现阶段，化石能源应用最大的阻碍就是污染问题。众所周知，除CO2外，煤和石油在燃烧过程中还会向大气排放出大量的SO2、NOx及碳氢化合物等污染气体，随着空气流动扩散至其他地区，从而造成全球性的大气污染。
目前，全球性大气污染主要有以下三类：
第一类是由SO2和NOx造成的酸雨危害。形成酸雨的主要物质是由SO2和NOx组成的污染物，主要是化石燃料的燃烧排放造成的。在降雨过程中，SO2和NOx可通过化学反应生成硫酸和硝酸。中国的酸雨以硫酸为主，硝酸含量不足10%；而国外酸雨中硫酸和硝酸的比例一般为2∶1。
呈酸性的雨水，即pH值小于5.6的雨水，我们称之为酸雨。硝酸和硫酸两种酸类在酸雨成分中所占的比重较大。人们在日常生活中和工业生产上利用煤炭提供热能，煤炭在燃烧过程中会释放大量有害物质，SO2就是其中危害比较大的一种。石油在生产生活中的应用范围比较广泛，而石油在燃烧过程中会释放出NOx，NOx上升到云层中并与水汽相凝结后形成硫酸根和硝酸根。这两种物质发生液相氧化反应之后，就会产生酸性雨滴，雨滴在条件较为成熟的情况下会降落到地面，这就是酸雨形成的过程。化石燃料燃烧产生的有害物质，是造成酸雨的重要因素，而酸雨会对环境产生严重影响。酸雨的形成途径包括：NO、SO2等物质经过一定的光照，能够形成酸雨的主要组成部分；臭氧可以氧化一部分有机污染物，氧化之后生成的物质能够与水结合，并在一定条件下形成酸雨或者酸；大气中的氧化性物质和其他还原性物质在一定条件下发生反应，再和水结合，就能够生成酸雨。
对土壤的影响：酸雨含有一定成分的有害物质，这些物质会对植物的生长发育产生一定影响。土壤中的微量元素有铜、锰、锌等，能够使土壤保持一定营养状态。酸雨中的某些成分能够使土壤中含有的微量元素溶解，使土壤失去原有的营养物，变得越来越贫瘠。酸雨也能够作用于土壤中的铝并对铝的性质产生一定影响，对微生物以及微生物的活动产生一定影响。此外，酸雨在损害土壤的同时，还对根植于土壤中的植物造成影响。植物和森林以及成片的植被都会在酸雨的危害下难以生存，进而导致整个自然环境和生态系统的正常循环出现问题。酸雨的pH值低于5.6时，能够使植物、森林和土壤失去生命力。土壤中含有的有机物会在酸雨影响下失去分解能力，还会生成氮，致使整个土壤在有害物质的影响下逐渐丧失生长能力。此外，土壤中的有害物质能够渗入地下，使地下水的质量也受到一定程度的影响。有些酸雨的浓度太高，还会损害建筑物。酸性化合物能够影响湖泊中湖水的质量，影响植物的生长结果，从植物的根部到植物的叶片，都会出现不同程度的损害。酸雨作用于土壤，使土壤的性质发生改变，土壤中以往正常的物质循环系统不能够正常运转，整个生态系统都受到影响。土壤中所含氢氧化物，会跟酸雨中的某些成分发生中和反应，根植于土壤的植物长期吸收这些化合物后很可能会中毒，严重时甚至会死亡。没有植物调节的土壤，其营养物质的流失速度会越来越快，长此以往，整个土壤的结构会发生变化，而植物生长起来更加困难，或者植物能够生长，但是生长情况不容乐观，容易受到病虫害侵扰。
对水和水生动植物的影响：落入湖泊和河流的酸雨，能够使水体的性质发生根本变化，水中的动植物会在污染的水体中逐渐死去。在酸雨的影响下，有些河流的水生动植物已经出现濒临灭绝的情况。
对建筑物的影响：建筑物中经常使用到的金属、石材、油漆等，会被酸雨侵蚀。比如乐山大佛在酸雨的影响下，某些部位已经出现较为严重的腐蚀情况。酸雨腐蚀建筑物和一些价值较高的露天雕塑艺术品，会给人们的生活带来不良影响，也会让艺术品的维护、修复变得更加困难。
第二类是臭氧层的破坏。臭氧是人类的保护伞，在地面上空20~50km的大气同温层中的臭氧层对来自太空的紫外线有遮挡作用。臭氧层变薄，甚至臭氧空洞的形成，会使更多的紫外线辐射到地面，引起人类视力损害、皮肤癌和皮肤老化等病症。氟利昂是破坏臭氧层的罪魁祸首，同时也是当今电冰箱行业不可缺少的物质。据联合国环境规划署推断，在大气中氟利昂气体正以5%的速度增长。如今臭氧的浓度下降到1987年以来的最低水平。南极上空的臭氧层遭到破坏，形成了臭氧空洞。据估测，南极地区紫外线照射比其他地区高出10倍左右。目前，各国一方面呼吁减少氟利昂的排放量，另一方面在寻找氟利昂的代用品。
第三类是固体颗粒物对大气的污染，即PM2.5。PM2.5是指大气中直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它能够对空气质量和能见度等产生重要的影响。细颗粒物粒径小，比表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（如重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响较大。
PM2.5主要由硫和氮的氧化物转化而成。这些气体污染物往往是人类对化石燃料（如煤、石油等）和垃圾的燃烧造成的。在发展中国家，煤炭燃烧是家庭取暖和能源供应的主要方式。另外，没有先进废气处理装置的柴油汽车也是颗粒物的来源。
进入20世纪80年代后，国内经济增长对能源、钢铁、有色金属等高能耗、高污染排放的产品的依赖性越来越强，大量开采、大量生产、大量废弃的发展模式加速了环境资源的消耗。而环境资源的稀缺程度的直接反映便是环境成本。首先，污染治理的边际成本迅速上升，目前治理成本较低的阶段已经过去，进一步控制污染的成本将迅速上升。比如，需要控制的颗粒物的粒径越来越小，从原来的小于100μm到现在的小于10μm，控制技术的要求越来越高。其次，土地开发强度越来越大，环境容量资源越来越少，抵抗破坏的能力也越来越弱，需要我们削减更多的污染物排放，而这必然带来投入成本的增加。最后，环境容量的稀缺导致环境管理成本也相应增加。随着城市化率的迅速提高，资产的密度、人口的密度、经济规模的密度越来越大，这些高密度会导致很高的环境风险。这是一个非常复杂的系统，为了降低环境风险，势必需要增加人力、资金来进行管理和治理，成本自然会大幅增加。因此有必要对资源利用效率低、污染严重的企业采取强硬措施，加强对资源的合理使用以及污染物产生和排放的监督和管理。同时，通过产权明晰的制度安排和合理的环境资源定价，以及资源税、污染税等经济杠杆，调节人们的生产和消费行为，使其向着有利于环境保护的方向转变。
3.3.3 人类化石能源规模化使用尚有空间与时间，是堵还是疏
如今，全球每年燃烧化石能源排放到大气中的碳达到约36Gt，造成大气CO2逐年增加，温室效应日趋明显。于是相关国际组织提出要在2050年实现零排放，否则人类将面临灭顶之灾。
但是，世界上最发达的美国至今还是第一排放大户，而新兴国家正紧步发达国家的后尘，利用化石能源快速发展经济以享受现代工业的文明成果。而替代化石能源的主要希望——新能源产业，还在光伏、核能、风能哪个最可行的争论中艰难行进。这时如果有人要求第三世界国家的公民们放弃利用化石能源的机会，一律建设镶满单晶硅晶片的住宅，从而实现能源自给并将发出的多余电能用于公共事业，是不切实际的。
而所谓的疏，就是一方面鼓励人们科学合理地使用化石能源，另一方面积极解决使用化石能源造成的碳排放问题，或者充分利用化石能源产生的碳，使其转化成新的能源，以吸收消化多余的CO2。
在这方面，现有的、成熟的方法已经存在，那就是化石能源的原生物质——生物质及生物质能源。一方面，人类活动导致的大气CO2的增加短期内是不可逆转的；另一方面，地球生物质繁荣与发展所需要的CO2是严重不足的。研究地球生物质被动发展的历史，不难发现，植物的快速增长总是以高浓度CO2为基础，也就是说，伴随着CO2的增长需求，今天的地球植物可实现快速的增长，并可替代化石能源，满足人类能源的增长需求。生物质能源的使用必须以足够的生物质保有量为基础，这就需要足够的碳作为生物质不断增长的物质基础。大部分C3农作物进行光合作用时CO2的最适浓度约为1000ppm，但我们认为CO2达到700ppm时即可既满足植物快速生长的需求，又不影响人类的正常活动，而目前CO2浓度约为400ppm，化石能源规模化使用尚有一定的时间与空间。
《斯特恩报告》中提到：“在过去的两个世纪，将近2000Gt的CO2通过人类活动而排放进大气层（主要通过化石燃料），地球上的土壤、植物及海洋估计吸收了这些排放量的60%，剩下积存在大气中的CO2约有800Gt。这对应着大气CO2浓度的100mg/kg的增加，也就是说，每8Gt的CO2对应着1mg/kg的浓度增加。”
以目前大气中的CO2浓度为基准，增长率按0.4%计算，可计算出我们需要一百多年方可达到CO2理想浓度700ppm，即我们仍可使用化石能源一百多年。
3.3.4 新能源快速崛起
植物能够通过光合作用将太阳能转化为化学能存储在体内，形成可为人类所利用的重要能源，并可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生、可储存的碳源，也就是所谓的生物质能。因而，能源农业也就是以开发生物质能为目的的非粮型的种植业。农业是人类以固定、转化太阳能，获取农产品为目的的生产活动。传统农业以种植业为主，即利用农作物进行光合作用，将水、CO2等无机物合成为葡萄糖、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物，为人类提供赖以生存的粮食。随着科学水平的提高，人类培育了高产、高效、优质的农作物品种，为植物生长创造了良好的生产条件，使农业生产中植物固定太阳能的效率大幅提高。
从市场能源消耗的品种及速率分析，利用生物技术提高不可再生能源的开采率及创造更多可再生能源将是21世纪提高产能的有效技术之一。因而生物技术与能源的研究及开发已经日益受到各国的重视，并已投入大量的人力及物力。显然，在不远的将来，能源主要来自生物技术的说法将成为现实。生物工程在开发能源和环境保护等方面有着广泛的应用。如在石油勘探中，地球地层结构的复杂性常常使勘探结果的可靠性降低，甚至有时会造成一定比例的钻探及开采失误，既耗能又耗财。为了尽可能地减少损失，除了对所获得资料进行综合分析之外，人类设法研发新的勘探技术，其最终的目的是求得较可靠的结论，确定钻井及开采位置。20世纪60年代以来，在石油勘探技术中，微生物勘探石油这项生物工程一直受到国内外的重视。近十几年来，微生物在石油工业上的应用发展迅速，并已经取得一定的经济效益。1937年，地质科学工作者在直接分析底土（原生风化土）中的烃含量（气测法），并用于判断地下油气的储存量时，发现油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系，而这种变化是由微生物活动引起的，于是提出了油气田中的气态烃可借扩散方式抵达地面，以及地表底土中存在能利用气态烃作为碳源的微生物等看法。此外，这些微生物在土壤中的含量与底土中的烃浓度可作为勘探地下油气田的指示菌。从20世纪40年代到60年代期间，随着微生物培养技术及菌数测定方法的不断改进，利用微生物勘探石油的技术快速发展。美国、苏联、捷克斯洛伐克、波兰、匈牙利和日本等国家都用此法进行油区及非油区、已知油区及未知油区的勘探及普查，而且取得了可喜的效果。虽然随着计算机应用的普及和先进分析技术的不断涌现，勘探石油的技术也随之日益更新且准确率不断提高，但利用微生物勘探石油这项生物工程技术仍是一项行之有效的辅助性并具有科学性的技术。
生物质能最大的特点：一是数量巨大；二是属于可再生性质；三是CO2零排放。生物质能源产业不仅可延长农业产业链，显著增加农业效益，而且可以拓展农业的功能。今后的农业领域还会扩大，即种植业将不仅局限于种植传统的农作物，还要利用和种植目前被称作野生植物的植物，例如所谓能源植（作）物。这样，农业就不仅仅是食物生产的源头，更是能源原料生产的源头，农业作为社会经济发展的基础和根本命脉地位就更加突出了。
全球能源正在向高能量密度、绿色化、多元化方向发展。在经济全球化和应对全球气候变化的背景下，为解决气候变化、供应安全等问题，全球能源生产和利用正在向更高效、更方便、更清洁、更安全、更可持续的方向发展。互联网及其他前沿信息技术将是本次能源变革中的重要技术平台及方法，能源互联网可充分利用清洁、高效能源。能源生产者和消费者均是网络的节点，从而能够实现双向转换。新一轮产业革命对能源产生新的需求，技术创新将为能源革命提供工具，同时能源革命支撑经济社会变革。
中国经济社会发展受到能源供应安全、专利技术纠纷等各种制约。新能源的兴起为中国实现强国梦、民族复兴带来了重大历史机遇，中国正积极推动向高能量密度、绿色化、多元化方向发展的第四次能源革命，力争占据能源转型和经济发展的制高点。
历史也印证了能源转型的长期性。一次成功的能源转型至少经过半个世纪以上的时间。但在技术进步的不断推动下，能源演替的速度不断加快。在1640—1880年长达240年的时间里，薪柴作为最主要的世界能源；19世纪，煤炭作为世界最主要能源；进入20世纪，石油、天然气开始主导世界能源；未来，伴随传统化石能源污染重、资源消耗殆尽，各国将大力提倡清洁能源，可再生资源或将统领整个能源消费领域。
新能源代替传统能源，没有一次是由于能源的枯竭，煤炭代替薪柴、石油替代煤炭等能源变革过程，均是由科技的进步和突破所推动完成的。本次能源革命不同于以往之处在于不依赖新能源的发现（煤炭、石油、天然气），而是将依靠科学技术的突破实现变革，同时，新能源的变革和发展可能也会因面临传统能源利益的纠葛而受到挑战。