可持續能源：技術、規劃和政策基礎(原著第二版)（簡體書）

宋欣，水電水利規劃設計總院教授級高工。多年從事可持續能源、清潔能源的科研工作，具有豐富的相關工作經驗。

《可持續能源——技術、規劃和政策基礎》在全球能源問題日益嚴峻的大背景下，介紹說明可持續能源這一得到廣泛認可的解決方案，內容涉及科學、技術、設計、經濟、金融、規劃、政策、政治和社會等諸多維度，整合了能源數據分析、工程設計、生命周期經濟成本效益、環境影響評估及規劃和政策等方面的內容，展現了多年來能源模式、高效可再生能源系統及能源規劃政策的研究實踐綜合成果，令可持續能源理論科學化，並通過實例使理論在技術層面更易理解。《可持續能源——技術、規劃和政策基礎》可供廣大能源、環境等領域研究人員和技術人員閱讀參考，還可供對新能源、碳減排等感興趣的社會各界人士閱讀，同時，可作為能源、環境等專業的高年級本科生和研究生教材使用。

本書的第一版於2008年出版，不到十年後，全球向可持續能源的轉變順利進行。本版遵循了第一版的大部分內容和格式，但進行了重大修訂，以反映能源使用模式的重大變化。變動包括在能源效率和可再生能源方面的大規模投資，盡管燃料價格創下歷史新低，但這些投資有利於減緩化石燃料的消耗量和碳排放的增長速度。本版闡述了理解並積極參與向可持續能源的轉變所需的新的分析方法和數據。
我們面對的能源挑戰和對應的解決方案是多維度的，涉及科學、技術、設計、經濟、金融、規劃、政策、政治和社會等多方面。因此，理解和推進向可持續能源的轉變需要多學科的結合，涉及技術方面的科學家、工程師、設計師和經濟學家（“技術人員”）以及規劃者、政策制定者、社會科學家和民間團體（“模糊人員”）。我們的目標是使模糊的社會理論科學化，而讓技術層面的理論變得更加易於理解。學習清潔能源轉型的所有學生都需要理解涉及的數字，並能夠使用、分析和解釋它們。他們需要了解技術和設計過程，同時了解實現能源轉型所必需的政策和社會機制。
為了實現這一目標，本書整合了能源數據分析、工程設計、生命周期經濟成本效益、環境影響評估以及規劃和政策措施等方面的內容。這本書是80年來能源模式、高效的可再生能源系統以及能源規劃和政策教學與研究的綜合成果。本書由六個部分組成：
Ⅰ.能源模式和發展趨勢
Ⅱ.能源的基本原理
Ⅲ.建築與能源
Ⅳ.可持續電力
Ⅴ.可持續交通和土地利用
Ⅵ.能源政策與規劃
本書第一部分通過回顧能源對經濟、環境質量和生活質量的重要性，為讀者提供了“能源素養”，包括當下全球和美國的能源生產和消費模式以及未來的能源前景。第二部分提供了關於能源物理、工程和經濟學的基礎知識，因為其涉及能源生產、轉換和消費。第三、第四和第五部分探討了三個最重要的用能行業的技術和發展機會，包括建築、電力和交通行業。本書前五個部分討論了一些政策問題，而政策和規劃是第六部分的重點。第六部分介紹了能源政策的基本原理，以及公共政策和消費者選擇在能源市場可持續化轉變過程中的關鍵作用。能源是21世紀最複雜的問題之一，本書認為向可持續能源的轉型正在發生。
理解數字是本書的另一個前提，如果不理解數字，就無法理解能量。技術人員贊成這一點：“數字方面的事馬虎不得。”在本書中，能源分析方法和經濟分析的目的是讓讀者定量地認識和理解能源系統。重點是簡單、實用、基於粗估和電子表格的用於小規模系統的設計、調整和分析的工具，包括經濟成本效益評估。除了分析方法，本書還廣泛使用案例研究來展示當前的已有經驗並說明各種可能性。在開始本書的閱讀之前，簡要介紹一下向可持續能源轉變的最新情況。
向清潔、負擔得起的可持續能源轉型
社會開發和利用能源的能力推動了人類文明的進步，促進了人口和經濟的增長。化石燃料改變了世界。就在117年前，也就是1900年，在石油和電力時代開始時，世界人口為20億，全球經濟規模為1萬億美元。今天，化石燃料使用量增加了100倍，世界人口增長到76億，經濟規模達到75萬億美元。文明的發展需要能量。
但是世界能源系統是不可持續的。雖然化石燃料在20世紀提供了巨大的好處，但燃料的提取、加工、運輸和燃燒也損害了人類健康和環境，包括采礦影響、石油泄漏，特別是空氣污染。最重要的是，以碳為基礎的化石燃料燃燒導致的CO2排放已經引發了全球變暖，科學告訴我們，除非我們能盡快控制CO2排放量，能夠在本世紀中葉之前將碳排放減半，且在2100年之前將其減少到零，否則全球變暖將產生災難性的影響。這一方案在2015年12月的《巴黎協定》中得到195個國家的認同。實現這一目標需要能源轉型，並通過技術、能源市場、政策和社會選擇的進步，在能源供應階段脫碳和提高能源使用效率。我們需要能源來實現可持續發展。我們需要清潔的、負擔得起的、可持續的能源。
盡管2017年化石燃料市場供過於求，燃料價格也處於十年來的最低點，但向可持續能源的轉型正在發生。盡管全球仍有84%的市場能源依賴於化石燃料（美國為81%），但能源使用效率的提高正在減緩能源需求的增長，隨著價格下降，可再生能源如太陽能、風能等正在世界各地迅速發展。
以下是當今能源使用和新興能源轉型的一些指標。
（1）需求
在欠發達國家需求增長的推動下，全球能源需求量持續增長，盡管2015—2016年的增速要慢得多——為0.9%。發達國家的需求自2000年以來一直保持穩定，美國2016年的能源需求量低於1998年，盡管在此期間其人口增長了17%，經濟增長了35%。
（2）化石燃料
盡管數十年來燃料價格低迷，導致2015—2016年需求上升，但發達國家的石油消費繼續停滯不前，2016年美國的石油需求量比2005年減少5%。創紀錄的美國天然氣產量壓低了燃料價格，並增加了國內消費，特別是電力消費，但代價是煤炭消費的下降，從2008年到2016年，美國的煤炭消費下降了37%。全球煤炭需求從2000年到2013年增長了64%，但在中國和美國需求都減少的作用下，煤炭需求在2013年便達到了頂峰。由於得克薩斯州、北達科他州和賓夕法尼亞州的水力壓裂技術的應用，美國石油和天然氣產量從2007年迅速增長到2015年的創紀錄水平。因此，石油進口占消費量的比例從2008年的62%下降到2015年的37%。美國所有能源的凈進口量占能源需求的比例從2005年的31%降至2015年的9%，這是自20世紀70年代初以來未曾出現過的水平，接近能源獨立。2016年價格偏低制約了油氣產量，凈進口量比例升至13%。
（3）碳排放與氣候變化
當今全球能源系統面臨的主要問題是氣候變化。化石燃料CO2排放已將大氣中的CO2濃度（體積分數）從1880年的260μL/L提高到2017年的407μL/L，引起全球變暖，在2016年達到創紀錄的高溫。過去的17年是有氣溫記錄以來最熱的18年中的17年，其中包括2014、2015、2016和2017四個最熱年份。氣候變化的影響，包括極端天氣、海平面上升和生態系統影響的跡象正在全世界範圍內被觀察到，並將在未來幾年內持續增加。《巴黎協定》旨在通過減少碳排放來緩解這些未來的影響。盡管全球與能源相關的CO2排放量從2000年到2013年增長了37%，但2014—2016年內的排放量並沒有增加。從2000年到2016年，發達國家的排放量減少了8%，美國的排放量減少了14%。從2000年到2013年，中國的排放量快速增加，但2014—2016年沒有增長，原因是煤炭使用量減少。
（4）能源效率
在化石燃料價格創紀錄低位的情況下，能源需求增長緩慢令人驚訝。能源需求量受經濟增長速度的影響，但更為重要的方面在於其受能源效率顯著提高的影響，如建築、車輛、照明、電氣設備和土地利用等方面的技術創新和設計水平都取得了很大的進步。凈零能源建築、電動和混合動力汽車、LED照明、雙效電機、智能電子控制和緊湊的城市形態對能源使用產生了重大影響。這些技術和設計剛剛開始獲得市場份額。特別是在發展中國家，能源需求增長一旦站穩腳跟就停滯不前。
（5）可再生能源
可再生能源（水能、生物質能、風能、太陽能和地熱能）占全球和美國市場能源的份額仍然僅為約11%，但太陽能和風能是增長最快的能源。從2010年到2016年，全球太陽能光伏裝機容量每年增長38%，達到305GW，美國太陽能每年增長64%，達到40GW。全球風電裝機容量每年增長16%，達到487GW；美國風電裝機容量每年增長14%，達到82GW。在美國，2015—2016年間，風能和太陽能占所有新發電能力的60%，相比之下，天然氣占34%，10%的煤炭發電產能被淘汰。幾乎所有的風電容量都來自公用事業規模的風電場，但大約5/8的太陽能裝機容量是公用事業規模（>1～2MW），其余是分布式小系統，主要分布在住宅（<20kW）和商業（<1～2MW）建築的屋頂和地面上。風能和太陽能的發展受系統成本穩步下降和政府激勵政策的刺激，因此，風能和太陽能得以在許多電力市場與現有的燃煤、核能和天然氣發電廠相互競爭。在美國，奧斯汀能源公司（Austin Energy）以不到2.8美分/（kW·h）的價格簽署了2017年太陽能采購合同，埃克西爾能源公司（Xcel Energy）的風能合同平均報價為1.8美分/（kW·h）。能源價格持續下跌。
（6）分布式能源
分布式能源（DERs）的發展，包括太陽能和其他與電網互聯的能源、能效改進和需求響應技術，為社區能源自力更生和提高效率提供了機會。各種所有權和業務選擇促進了發展，包括公用事業管理的計劃和系統、獨立的發電商、物業所有者系統、第三方能源服務公司、第三方太陽能租賃和購電協議以及社區共享系統。DERs的有效實施還需要調整傳統的電力公用事業商業模式。DERs倡導者、公用事業公司和州公用事業監管機構繼續就最有效、最高效和最公平的方法展開辯論，這是2017—2018年度重要的能源政策問題之一。
（7）清潔能源投資
2015年，全球對清潔能源（幾乎全部是風能和太陽能）的投資達到創紀錄的3600億美元，其中亞太地區占54%，美洲占24%。在美國，2016年太陽能行業的就業人數增長到26萬人，風能行業的就業人數增長到8.8萬人，超過從事油氣開采的18萬人和煤礦開采的5.3萬人。越來越多的公司承諾100%使用可再生能源，其中包括43家在RE100倡議下承諾的公司。其中包括宜家、谷歌、微軟、高盛、塔吉特和沃爾瑪。截至2016年，塔吉特和沃爾瑪分別在其美國門店的屋頂上安裝了容量為148MW的太陽能發電系統。
（8）化石燃料金融危機
與此同時，化石燃料行業，特別是石油和煤炭行業，面臨著金融挑戰。2016年1月，《華爾街日報》（WSJ）報道稱，25%的美國煤炭生產商破產，包括拱形煤炭（Arch Coal）、阿爾法自然資源公司（Alpha Natural Resources）、愛國者煤炭（Patriot Coal）和沃爾特能源（Walter Energy）。2016年1月，規模較小的石油生產商正在申請破產，WSJ報道稱，由於加拿大和美國的石油勘探和生產公司2015年估計負債3530億美元，“按當前價格計算，北美油氣生產商每周都在虧損近20億美元”。與此同時，化石燃料投資大幅下降。皮博迪煤炭（Peabody Coal）的股價從160美元跌至5美元。2017年，美國的政策變化可能會增加化石燃料投資，但全球能源市場對石油和煤炭的影響可能比政策影響更大。
（9）化石燃料撤資
似乎市場狀況還不夠糟糕，一場以遏制氣候變化為目的的化石燃料的全球性撤資運動正在如火如荼地進行。無化石組織（Fossil Free）列出了498家機構，它們從化石燃料公司撤走了所管理的3.4萬億美元資產。其中許多撤資決定都是基於道德原因做出的，但也有越來越強烈的商業因素導致撤資，而非繼續投資化石燃料。如果要采取積極行動將全球氣溫上升控制在2℃以內，在沒有經濟高效的碳捕集與封存技術（CCS）的情況下，價值100萬億美元的化石燃料資產可能永遠不會被利用，包括目前石油儲量的一半、天然氣儲量的四分之一和煤炭儲量的80%。因此，許多投資者認為化石燃料經濟的前景更悲觀，化石燃料投資的回報也很低。
（10）低碳核能和CCS
隨著核電的大規模擴張和CCS的實施，碳排放可能會減少。核能提供了全球5%的能源（10%的電力）和美國8%的能源（20%的電力），但該行業正在衰落。1989年，全球有420個運行中的反應堆，到2002年才增長到438個的峰值；到2016年，有402個運行中的反應堆。目前在建的反應堆約有58座，其中36%在中國，26%在俄羅斯和印度。但有些新反應堆和其他反應堆，包括美國的四個，都受到成本超支和融資困難的困擾。正在建造美國四個新反應堆的西屋公司（Westinghouse）於2017年破產，這給美國未來的新核電增添了又一層陰云。全行業的問題，如反應堆老化，福島核事故後的安全問題、退役問題以及永久性廢物管理的不確定性，都將阻礙核電的任何實質性增長。此外，CCS也沒有實現預期目標。一些示範項目並沒有表明它是一種經濟可行的能從化石燃料中隔離碳排放的方法。
（11）能源政策
《巴黎協定》是影響向清潔能源轉型的重要國際政策指令。全球氣溫比工業化前水平最大上升2℃，到2100年實現零碳排放的目標雄心勃勃，但具體的國家承諾遠遠達不到這一雄心壯志。國家、州和地方各級政府的公共政策對於繼續推進減排和清潔能源投資是必要的。包括歐洲國家、中國和印度在內的主要碳排放國已經為可再生能源和能源效率設定了積極的目標。在美國聯邦一級，國會對主要的清潔能源和氣候變化目標一直保持沉默，但奧巴馬政府采取了強有力的行政行動，包括《清潔空氣法》規定的新的和現有的發電廠排放、車輛效率標準、家電能效和公共土地上的煤炭開發。2017年，特朗普總統發布了行政命令，要求重新審查，並可能取消或減少其中的許多政策。2017年6月，特朗普宣布他打算讓美國退出《巴黎協定》。這些命令以及他對來自化石燃料行業的內閣和機構官員的任命（他們對發展清潔能源和緩解氣候變化的必要性持懷疑態度），可能會阻礙美國的可持續能源和氣候保護的進程。這一切讓我們拭目以待。與此同時，盡管聯邦政策發生了變化，但許多州、城市、機構和私營公司仍在推進清潔能源的發展。各州可能會通過其公用事業監管、建築法規和清潔能源激勵措施在向可持續能源過渡過程中發揮重要作用。國家監管機構確定了分布式能源中必要的公用事業角色，包括需求側效率、互聯和凈計量、可再生投資組合標準和公益基金。美國擁有模範能源政策的州包括加利福尼亞州、馬薩諸塞州和紐約州。地方政府影響土地使用、建築法規執行、交通和住房。擁有模範能源計劃的美國城市包括俄勒岡州的波特蘭、西雅圖、奧斯汀和波士頓。110多家私營公司（包括通用汽車、蘋果、谷歌、沃爾瑪）承諾100%使用可再生電力。可持續能源運動正在發展壯大。

第一部分能源模式和發展趨勢
第1章能源危機和利用模式2
1.1我們的能源困境3
1.2歷史的觀點：能源與文明4
1.3全球能源供應和消費6
1.4美國的能源供應和消費14
1.5本章總結21

第2章能源與可持續性23
2.1可持續能源標準24
2.2化石燃料的資源限制25
2.3化石燃料的環境限制35
2.4核能：曾經的偉大希望，現在正在衰落43
2.5向清潔能源的過渡正在發生：能效和可再生能源45
2.6本章總結52

第3章能源未來54
3.1不斷變化的能源系統的複雜性55
3.2未來規劃和展望56
3.3官方對能源未來的展望：美國EIA和IEA展望63
3.4未來能源情景：不同的假設、不同的路徑、不同的未來69
3.5可能的能源未來：可持續能源路線圖73
3.6能源市場力量和投資情景80
3.7本章總結84

第二部分能源的基本原理
第4章能源科學的基本原理88
4.1簡介88
4.2能源科學基礎89
4.3機械能93
4.4熱能96
4.5電能100
4.6化學能104
4.7太陽能108
4.8核能114
4.9本章總結118

第5章能量分析與生命周期評估120
5.1生命周期思想和可持續性分析的原則121
5.2能量分析122
5.3能源審計、能源數據監測、能源控制和管理129
5.4能源系統經濟分析133
5.5能源和材料系統的環境分析143
5.6本章總結152

第三部分建築與能源
第6章建築物的能源效率154
6.1住宅和商業建築155
6.2場地能源和一次能源156
6.3熱損失計算簡介157
6.4窗戶的熱損失163
6.5墻體、天花板和地面的熱損失167
6.6滲透作用熱損失171
6.7總體熱損失系數176
6.8供暖規模制定178
6.9年均供暖費用179
6.10提高能效的影響182
6.11供暖、通風和空調系統184
6.12熱泵188
6.13本章總結192

第7章接近凈零能耗：建築物太陽能應用193
7.1太陽能資源193
7.2節能建築設計策略199
7.3制冷負荷202
7.4被動式太陽能供暖210
7.5生活用水加熱系統217
7.6接近凈零能耗的太陽能房屋224
7.7本章總結225

第8章全建築凈零能耗226
8.1綠色建築和綠色社區的發展226
8.2全建築能源技術：電氣設備和照明設備230
8.3建築物能源效益準則：面向全建築能耗241
8.4全建築生命周期：建築中的隱含能源245
8.5綠色建築評估249
8.6零能耗建築256
8.7面向全社區能源257
8.8本章總結258

第四部分可持續電力
第9章集中式電力系統260
9.1簡介260
9.2電磁：電力的技術基礎261
9.3實現現代電能應用：愛迪生、威斯汀豪斯和英薩爾261
9.4電力基礎設施263
9.5電能的產生269
9.6傳統發電廠的經濟效益276
9.7本章總結282

第10章分布式能源284
10.1以分布式能源進行電網平衡284
10.2另一種挑戰：“鴨型曲線”286
10.3需求側管理（DSM）288
10.4需求響應項目291
10.5能源儲存之一：蓄熱295
10.6能源儲存之二：儲電298
10.7分布式發電（DG）302
10.8本章總結308

第11章光伏系統310
11.1光伏的歷史310
11.2晶體硅太陽能電池311
11.3光伏製造316
11.4從單元到模塊再到陣列最終到系統317
11.5太陽能性能評估319
11.6光伏系統的經濟性323
11.7離網光伏系統329
11.8本章總結331

第12章大規模可再生能源333
12.1分布式太陽能333
12.2公用事業規模的可再生能源系統融資336
12.3風力發電338
12.4集中式太陽能（CSP）系統347
12.5本章總結350

第五部分可持續交通和土地利用
第13章交通能源與高效交通工具354
13.1交通中的能源使用356
13.2交通運輸車輛能效362
13.3汽車排放和燃料標準：主要的三級減排，2017—2025年368
13.4新興車輛技術：行業變革者？371
13.5車輛技術：未來燃料消耗減少和製造成本383
13.6本章總結391

第14章替代燃料、生物燃料和生物質能393
14.1替代運輸燃料394
14.2生物質燃料的前景和潛力401
14.3生物乙醇燃料406
14.4生物柴油和可再生柴油413
14.5其他生物質能和新興生物技術416
14.6天然氣和氫氣作為運輸燃料419
14.7本章總結420

第15章全社區能源、交通和土地利用422
15.1社區交通422
15.2共享、電動、自主交通：城市客運新時代430
15.3可持續交通、宜居社區和土地利用436
15.4交通以外：土地利用、城市熱島和太陽能接入445
15.5社區能源和氣候行動規劃448
15.6本章總結451

第六部分能源政策與規劃
第16章可持續能源的市場轉型454
16.1市場轉型的基本因素454
16.2技術經濟解決方案456
16.3政策解決方案461
16.4社會解決方案469
16.5本章總結473

第17章能源政策474
17.1國際能源政策展望474
17.2聯邦能源政策493
17.3聯邦能源政策的總結和前景512

第18章美國各州和社區的能源政策和規劃516
18.1州能源政策517
18.2社區能源規劃與政策539
18.3本章總結556

參考文獻558

中英文詞匯對照表580