短期内石油作为全球第一大消费能源的地位难以撼动, 但随着能源领域材料与技术创新发展以及人类对生态环境保护日益提高, 石油作为交通运输燃料被替代的可能性与日俱增。推测替代石油的可能路径有三: (1) 电动汽车。依托高效储能电池材料与技术发展, 2030年以前有望替代燃油汽车; (2) 氢燃料电池汽车。基于廉价高效氢气制取与储运技术, 2030~2050年前后氢燃料电池汽车有望进入发展快通道, 并可带领人类走进氢经济时代; (3) 核聚变能源。可控核聚变技术的突破和小型化, 有望全方位提供交通运输动力, 或将在2050~2060年前后成为覆盖全领域的主导能源。

上述三种路径能否完全替代石油尚存不确定性, 但是石油在交通运输领域被大规模替代已成为大势所趋。由燃料应用领域转入材料应用领域将成为石油未来应用的最终归宿。

能源是人类赖以生存和发展的物质基础,伴随全球经济与社会发展和人口持续增长,未来能源需求总量仍将保持增势,但增长速度可能会放缓。石油号称现代工业的“血液”,自20世纪60年代以来一直是全球第一大消费能源。综合众多国际机构预测结果, 21世纪前半叶,石油仍将是全球第一大消费能源。石油消费途径主要有两种,约2/3用于交通运输燃料提供动力,余下1/3主要作为工业生产的“原料”。根据现有资料评价,全球常规与非常规石油可采资源量约9000亿吨,按现有消费水平可供人类使用200年左右,且随着认识深化和工程技术进步还会有更多资源被发现并开发利用,所以就资源而言,“石油枯竭”远未来临。

然而,古有警世之语: “人无远虑,必有近忧”。沙特阿拉伯前石油部部长艾哈迈德· 扎基 · 亚马尼有告诫之言:石器时代的结束不是因为没有了石头,而是铁器取代了它······石油时代的结束也不是因为地球上没有了石油, 而是因为更清洁的能源取代了它。自从《巴黎协定》签署并生效以后, 世界各国已为应对全球气候变化作出了能源转型新规划和相关技术提速发展的新要求, 能源消费加快向低碳清洁转型正成为大势所趋。作为单位热值污染物与二氧化碳排放仅次于煤炭的石油, 在未来某个时间段被替代将是不可逆转之事。在21世纪初见证了“页岩气革命”之后, 人类或将面对一场更具颠覆性的“新能源革命”。

石油被替代将主要来自交通运输领域的用油, 即作为燃料的石油产品将被更清洁的能源替代, 从而导致石油需求量大规模减少。特别是能源领域的新技术、新材料以及人工智能、大数据等日新月异发展, 可能带来人类出行行为的革命, 燃油车会加快退出历史舞台。挪威、荷兰、德国、英国、法国等多个国家已提出2025~2040年将全面禁售燃油车。从目前看, 几种低碳清洁能源技术和关键材料相继取得重大突破, 可能会以接力或共同携手的方式加快石油被替代的步伐。

石油可能被替代的路径

1.储能技术与材料推动电动汽车快速发展

2010年以来, 以美国特斯拉电动汽车横空出世为标志,全球掀起一场电动汽车快速发展热潮,电动汽车保有量呈指数增长态势, 2014 年突破70 万辆,2015年突破120万辆, 2016年突破200万辆。中国电动汽车发展后来居上, 2015年超过美国成为全球第一大电动汽车产销国, 2016年保有量达到65万辆, 约占全球电动汽车总量的1/3。

电动汽车快速发展主要得益于储能新材料与技术的迅猛发展、生产成本的大幅下降以及配套设施的日臻完善。在过去8年间,电池能量密度增加了近6倍,生产成本却下降了约5倍。近期,美国推出了由4所国家实验室和5所大学共同参与的“Battery500”共同体计划,目标是实现比现有电池容量高出2倍的充电能力,达到500 W h/kg的能量密度。这一目标如能实现,将会显著减小电池尺寸和重量,降低电池成本并大幅度提升电动汽车的行驶里程。

锂离子电池是当前电动汽车搭载的主流电池, 其理论最高容量约384Wh/kg。锂离子电池构成材料主要包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液等, 其中正、负极材料的性质直接决定了电池的电压、容量和充放电速率等特性。目前商业化使用的正极材料主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等, 负极材料主要为石墨、石墨烯等碳材料。为满足电池在能量密度、循环寿命及安全性等方面日益增长的需求, 电极材料正朝着高容量、高电压、高倍率及高稳定性的方向发展。例如, 磷酸铁锂与多孔碳及碳纳米管复合后作为正极, 可以提升电池的容量和稳定。硅材料是一种超高比容量的负极材料, 是传统碳系材料容量的十余倍, 目前研究集中在硅碳复合材料、硅金属合金材料、硅氧化物材料等方向。此外, 新型钛酸锂为“零应变”电极材料, 充放电循环可达近万次, 远高于传统锂电池, 备受大型储能、动力锂电池等领域关注。