本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
石油——效率最低的能源
作者：Scott McNally
太阳能因其效率低下而经常受到批评——只有大约10%照射到普通商用太阳能电池板的阳光会被转化为电能。生物燃料也面临类似的批评，太阳能转化为生物燃料的效率低于约2%。* 但是，这些效率与其他能源（如石油）相比如何呢？ 结果表明——太阳能和生物燃料的表现相当不错。
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首先考虑一下；我们实际上有三种主要的能源：核能、地热能和太阳能**。太阳能是风能、生物质能、化石燃料，甚至水力发电的原始能源。太阳在地球表面产生温度梯度，从而产生风。生物质光合作用由太阳光子驱动，有时生物质会落到地面，被掩埋，并被“煮”成熟化石燃料。水力发电站利用水的势能，但水必须以某种方式“上山”。 这发生在太阳通过蒸发将水提升，然后以雨的形式释放出来时。
这些“能源”——风能、生物质能和水能——并非真正的能源；它们实际上只是输送或转换太阳能的不同方式。 在比较这些类型的能源时，思考每种类型如何有效地将太阳能转化为有用的能源形式非常有用。 对于风能、水能和太阳能而言，可用的能源形式通常是电力；对于生物质能和石油，我们得到某种液态燃料，可用于驱动汽车或发电。 为了简单起见，我们将说所有这些能源最终都以电力的形式存在。
现在我们知道太阳能电池板的转换效率约为 10%，生物质太阳能的转换效率约为 2%。 事实证明，这已经相当不错了。
让我们看看化石燃料，特别是石油。 现在，化石燃料非常棒。 它们能量密度很高，并使社会能够完成一些惊人的事情。 如果您将化石燃料视为一种能源，它们是高效的。 但是，化石燃料实际上是一种次级能源，当您考虑传统化石燃料的自然形成方式时，太阳能转换效率低得惊人。
有多低？ 让我们看看石油是如何形成的，以及每个步骤的效率。
首先，你需要阳光来种植植物，但光合作用的效率只有约 1.7%。
只有大约 2% 生长的生物质真正被保存下来，并最终进入地球深处。
大约 74% 的固存生物质转化为石油。
只有大约 2.8% 的石油被捕获。
只有大约 25% 的被捕获石油是人类实际可以开采的。
大约 90% 的开采石油用于产品，因为大约 10% 必须作为燃料（通常是天然气）来运行开采和提炼过程。
最后，内燃机的效率只有约 20%。
因此，如果您将所有这些加起来，化石燃料将太阳光转化为能量的效率约为 0.000003%。 换句话说：如果您想从太阳能电池板获得一瓦特的能量，您需要大约 10 瓦特的阳光。 如果您想从生物质能获得一瓦特的能量，您需要大约 50 瓦特的阳光。 如果您想从石油获得一瓦特的能量，您需要超过三百万瓦特的阳光。
化石燃料的实际数字是每瓦特化石燃料能量需要 3.15 X 10^6 瓦特的阳光。 对于数学爱好者来说，这接近 π 百万瓦特的阳光。
我们也可以从所需的土地面积来考虑这个问题。 如果你想让你的房子（大约 4 千瓦）运行一年，你需要大约 35,000 千瓦时的电力。 如果你想从太阳能中获得这些能量，你需要大约 10 英亩的太阳能电池板。 要从生物燃料中获得相同的能量，你需要大约 50 英亩的农田。 但是，要从化石燃料中获得相同数量的能量，你需要阳光照射在康涅狄格州大小的一片土地上，整整一年，仅仅为了一个家庭。
这意味着，如果美国所有的土地都用于通过持续的可持续化石燃料生产（利用太阳和自然转化过程）来生产能源，那么整个美国只能为大约 600 个家庭供电。 但不幸的是，对于这 600 个家庭来说，他们必须等待数百万年才能获得能源。
幸运的是，我们目前不必依赖地球的自然化石燃料形成过程。 我们地壳中储存着大量的石油，如果石油耗尽，我们还有比地球自然方式更有效的方法，利用生物质制造合成化石燃料。 所以石油现在很棒，但事实证明，从长远来看，太阳能和生物质能效率更高。
*但应该注意到生物燃料的优势——收集器可以自行组装。 你不必建造任何东西，你基本上只需在地上撒一颗种子，你的太阳能收集器就会凭空长出来。 对于太阳能电池板，你必须实际建造和运输收集器，这很麻烦。
**可能有一个微小的例外，那就是潮汐能，它是由太阳和月球的引力驱动的。
作者注：本文的灵感来自斯坦福大学 Adam Brandt 博士讲授的《可再生能源过程基础》课程。 他进行此项计算的灵感来自 Jeffery Duke 博士的出版物《燃烧埋藏的阳光：人类对古代太阳能的消耗》。
关于作者
Scott McNally 是一位能源工程师，在过去一年中，他一直在华盛顿特区从事国家能源政策问题研究。 他曾担任能源部 ARPA-E 项目的 ORISE 研究员，以及白宫环境质量委员会的能源和气候研究员。 此前，Scott 曾担任壳牌石油公司的项目工程师和瓦莱罗公司的环境工程师。 Scott 拥有德克萨斯大学奥斯汀分校的化学工程学士学位，目前正在斯坦福大学攻读能源资源工程硕士学位。 Scott 受 Plugged In 的 Melissa C. Lott 邀请成为客座博主。 您可以通过电子邮件 scottmcnally at gmail dot com 联系 Scott。
图片来源
1. 太阳能电池板照片，由 Andreas Demmelbauer 拍摄，并根据此知识共享许可使用