能量转换效率正在下降

一直以来最著名的统计图表也许是1869年法国土木工程师查尔斯•约瑟夫•米纳德（Charles Joseph Minard）发布的数据统计示意图。他使用了一系列代表了总人数的细色带绘制了行军图，追踪了拿破仑军队入侵俄罗斯并于1812年到1813年撤退的情况。

42.2万名将士向东进发，入侵俄罗斯，其中10万抵达莫斯科，1万穿过涅曼河向西，朝普鲁士进发。正是在普鲁士，这支大军团损失了97.6%的起始军力。英国土木工程师学会（ICE）的一个委员会在1897—1898年蒸汽机热效率报告中也采用了类似的图形表达技术。

该图展示了Louisville-Leavitt蒸汽泵的运行情况，图中绘出了蒸汽机的锅炉炉篦燃烧煤时，每分钟产生193 708千焦（18.36万英制热单位）热量，实际到达发动机的热量为每分钟149 976千焦。

最终的有效功（制动马力）则为每分钟26 788千焦，总效率仅为13.8%。很快，这种表示法就被命名为了桑基图，以该委员会的名誉主席马修•亨利•菲尼亚斯•里亚尔•桑基（Matthew Henry Phineas Ri-all Sankey）的名字命名。

桑基图最著名的应用之一是追踪美国全国能量流动，从左侧的所有一次能源投入开始，包括化石燃料和生物燃料，还有水力、核能、风力、太阳能和地热能能源产生的电力。右边是实际的能源服务，包括工业用热、动能和化学能、住宅及商业供热和制冷，以及所有的交通方式。

美国有一组1950年、1960年和1970年的相关绘图，之后从1978年到2019年，每年都有相应绘图；通过劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的两个网站就可以下载这些绘图。最近的2019年桑基图显示，美国的有用能源（能源服务）合计占总一次能源投入的32.6%，该表现远远不如1950年，1950年的总平均值为50.8%！

有两种实际情况可以解释这种倒退。首先，交通运输在能源预算中占据了更大的份额。从20世纪70年代以来，汽车发动机的平均效率一直在提高；飞机方面，每载客公里的效率更是有了显著的提高。

不过，汽车持有率的升高、更重的车辆、更频繁的航班飞行以及每人每年更远的旅行距离，都能够解释为什么交通运输部门的最终能源使用占比更高（2019年占比37%，1950年占比30%），以及为什么过去70年来其效率从26%略微下降到了21%。

第二个实际情况是，住宅和商业能源使用的平均能量转换效率在下降，从约70%下降到了65%，更有效的供热带来的能量结余更多地被大量的空调使用所消耗。空调用电大多数来自化石燃料发电厂，其固有的能量转换损耗非常大。

2019年，美国燃煤发电厂的平均效率只有约32%，而目前主流的燃气发电站的平均效率为44%。在工业部门，平均能量转换效率的下降更明显，从70%下降到了49%，这很大程度上是由该部门持续的电气化（电气化取代了从前的直接燃料使用）和用电集中的制造业的扩张造成的。改善相关设计和提高单个能量转换器的效率是普遍矛盾的。

即便特定性能有所改善，总体性能也会下降。美国现在浪费的能源比以往加起来的都多。一次能源总投入中，约有2/3都直接用于了让全球变暖，而没有首先做任何有效功，只有1/3投入提供了所需的能源服务，而1950年，这一比例为五五分。这又是一个倒退式发展的例子。

作者：Vaclav Smil

编辑：jq