新能源 

    能源始终是经济的食粮。离开能源的人类其生存和发展都是无法想象和绝无可能的。不断文明进化的人类始终在为最终解决能源的问题前赴后继,禁而不舍。

 

  煤炭短缺、拉闸限电、油价飙升……目前,能源短缺已经成为制约世界乃至中国经济发展的瓶颈。有关数据显示,到2020年,中国的能源需求总量仍将达到近25亿吨标准煤,这个数字比2000年高出了90%,而最为悲观的估计,则要高出152%。而届时中国的石油需求量的下限为4.5亿吨,上限为6.1亿吨。而预计届时国内的产量只有1.8亿到2亿吨,这就意味着中国石油对海外资源的依存度至少将达到55%以上,与目前美国58%的对外依存度大体相当……

下面是我收集到的一些关于新能源的想法

1.让砂粒燃烧

由石油、煤、天然气构成的碳燃料正面临枯竭的危险,寻找新的替代燃料将是科学家们追求的目标,所幸的是科学家们正在开发我们脚下的砂粒--硅燃料。如众所知,我们身边极普通的砂子里面有硅的成分。而化学家早已证实,纯净的硅和碳一样能在氧气中燃烧,在地球上,二氧化硅数量又举足轻重,地壳的74%由它们组成而且这种化合物的化学性质稳定,所以不论开发硅燃料有多少困难,都阻挡不住硅燃料巨大经济效益的诱惑(因为化学性质稳定,所以把硅从砂子中分离出来,需耗费很多能量,在技术方面存在困难)。

2.核电站

不仅仅因为核电的威力大,而且提供核能的核燃料也可以说是取之不尽、用之不竭的,因为它主要存在于占地球总面积71%的海洋里。海洋学家测定,每升海水中含有0003毫克的铀。但即使这样少的含量,全世界海水中总的含钢量就有约50亿吨。目前世界上最看好的受控热核聚变技术,即“海水变石油”,被称为“彻底解决世界能源问题的技术”。受控热核聚变的原料是氢的同位素氛和氛,可取自海水。从1升海水中提出的氛和氛进行受控热核聚变反应所产生的能量就相当于300升汽油。海水可以被认为是无尽的,因此,人类将获得无尽的新能源。199710月五日受控热核聚变实验获得了161兆瓦的功率输出,使人们对受控热核聚变能在20402050年商用的预期至少提前了10年,而且有新突破的可能性极大。

而核电站放射性物质泄漏事故,核燃料埋藏处理等终究会给人来带来隐患。最近,由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)因其最终选址问题再次引起了人们的兴趣。这个被称为人造太阳的热核反应堆,不仅因为1.3 万亿日元的巨大投资引起了人们极大的关注,更因为如能在未来50年内开发成功,将在很大程度上改变目前世界能源格局,使人类今后将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源。

来自太阳的灵感,太阳,高悬九天之上,温暖而灿烂。其永恒放射的万丈光焰自古幻为我们祖先崇拜的图腾,大脑中挥之不去的谜团。斗转星移,沧海桑田,直到19世纪末,放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外,而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。

最初,剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿,在用自己创制的摄谱仪从事同位素研究时发现,氦-4质量比组成氦的4 个氢原子质量之和大约小1%左右。1929年,英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼联合撰文,证明氢原子聚变为氦的可能性,并认为太阳那千秋喷薄的光与热皆源自这种轻核聚变反应。随后的研究证实,太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高温和超高压下,这些氢原子核相互作用,发生核聚变,结合成较重的氦原子核,同时释放出巨大的光和热。于是,科学家设想,如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应,那么在地球上同样可以创造出一个个具有不竭能量的人造太阳。

在地球上造太阳并非科学狂人的疯狂之举,而是人类自身生存的必需。200 年之内,石油、煤、天然气资源均面临枯竭的危险。20世纪后半叶,核能利用出现热潮,各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理,都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变,来释放巨大能量的。且不说这种类型的裂变电站引发的核污染噩梦与之创造的能量同样触目惊心,单就其主要原料铀而言,地球的储量也仅够维持数百年之用。

因此,人类不得不再次将索求的目光投向太阳,并将最终解决能源需求的希望寄托于受控核聚变的实现和推广,试图建设利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的热核反应堆。热核聚变所用的重要核燃料是氘。一座100 万千瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304 千克。据测,每1 升海水中含30毫克氘,30毫克氘聚变产生的能量相当于300 升汽油,就是说,“1 升海水约等于300 升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘,足够人类使用60亿年。

更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染,无需担忧失控,不会发生爆炸,是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。其实,人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸,但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难,而驯服核能,使核聚变在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。时至今日,人们越来越清醒地认识到,受控核聚变实现之日方是我们真正摆脱能源危机之时。人造几亿摄氏度高温,早在1938年,人们就发现了核聚变。然而,距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了,受控聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。

如此举步维艰的根本原因,是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得多。都带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥,当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时,它们之间的吸引力才会大于静电斥力,两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。

人类要和平利用核聚变,必须是可以控制的聚变过程。比较切实可行的控制办法是通过控制核聚变燃料的加入度及每一次的加入量,使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此,核聚变装置中的气体密度要很低,只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一,而且对能量的约束也要有足够长的时间。也就是说,我们无法简单模拟太阳中心那样高的等离子体密度和上亿的温度,只有追求比太阳中心更高的温度来解决碰撞几率问题。创造这样苛刻的环境在技术上的难度就可想而知。还有,超高温的等离子体,有强烈地向外扩张的特性,必须有极强的磁场来约束住它们,绝对不让它们与四周容器壁接触,试想,怎样的材料才能装进“太阳”而不自身化为乌有?

20世纪下半叶,聚变能的研究取得了重大的进展,而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先,并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。制成能装“太阳”的容器这个能将几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质———人造太阳,置入其中的托卡马克究竟身为何物?

托卡马克(TOKAMAK )在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合,即环流磁真空室的缩写。曾因成功解释切伦科夫辐射现象获1958年诺贝尔物理学奖的苏联著名物理学家塔姆,早在20世纪50年代初,就提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

他认为,把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合,可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发,前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初,他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈,利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时,用变压器放电,使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室,还改进了线圈的工艺,增加了匝数,改进了磁场位形,最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。具有奇特旋转磁场位形的托卡马克的出现,使受控核聚变研究取得了重大的进展。自20世纪70年代起,世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美、欧、日、苏建造了四个大型托卡马克,中国科学院物理所继第一台小型托卡马克CT-61975年投入运行后,19846 月,又建成了中国环流1 号(HL-1)。200212月,中国环流器2 A ,在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。目前,全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究,运行的托卡马克装置至少有几十个。

毋庸讳言,ITER计划还处于筹备与起步阶段,遥望太阳腾空之处依旧是层叠群山。但是,迎接挑战是人类进步的重要原动力。我们有理由相信,不远的将来,世界各国的聚变精英定会不负使命,在托卡马克之中变出个太阳给你看。

3.太阳能前言新经济

据计算,太阳每秒钟发出的能量就相当于13X 1016吨标准煤燃烧时所放出的热量。太阳发送到地球上的能量是相当大的,但只占它向外辐射的22亿分之一。地球每天接收的太阳能,相当于全球一年所消耗的总能量的200倍。由于科技还未解决利用太阳能的高成本问题,大部分太阳能还不能为我们所利用,但是随着新经济时代高科技的发展,人类利用太阳能的步伐会大大加快。这无穷无尽的太阳能,它不仅给了我们绿色植物,给了我们煤炭、石油和地球上的生命,而且未来将成为人类解决能源危机的重要途径。

太阳能具有其他能源所不及的优点:第一,太阳能的能量与人类需要的能量相比较,几乎可以看作是无穷无尽的能源。第二,太阳能作为一次能源直接利用,或者转换成二次能源再利用,没有煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣,没有任何污染,被人们称作“干净能源”。第三,太阳能的分布比其他能源较为均匀,它只随着地球的纬度和天气变化而有强弱之别,可以利用的地球范围比较宽广。第四,太阳能可以根据具体条件和需要分层次进行利用,目前浅层次的利用已相当普及,中层次的利用也有许多成熟的技术,今后主要向高层次利用发展。

由于太阳能有如此众多的优点,因此,人们越来越重视太阳能的利用,并大力研究开发。

太阳能的利用已经扩展到工农业生产、科学研究、国防建设和人们日常生活的各个方面:从人造卫星、宇宙飞船上用的太阳能电池,到方便、清洁的太阳能聚光灶;从不烧油的太阳能飞机,到各种轻便的太阳能热水器;从太阳能汽车、汽艇,到精巧别致的新型建筑材料——太阳能瓦的正式投产;从集热性能好的太阳能热管,到冬暖夏凉的太阳能房;从利用太阳能分解水制氢,到太阳能消毒器、制冰机的使用;从费用低廉、没有污染的太阳能电站,到行驶自如的太阳能自行车;从熔炼高纯度合金的太阳能高温炉,到设计新颖、倍受欢迎的太阳能收音机,等等。

约翰·托夫勒对21世纪太阳能产业化充满了信心。这种被托夫勒称之谓“光能源产业”的产业将在以下几个方面得到较大发展。

①太阳能热利用系统将得到大发展。随着低成本、高效率集热器、蓄热器技术的进步,企业、工厂用太阳热系统也将增多,因而在太阳热利用领域大有可为。

③太阳能发电装置将得到大发展。太阳能发电装置的长处是显而易见的:它无需燃料,因而不产生公害;没有可动部分,因而不产生噪音,维修方便;太阳能电池单元容易大量生产等。

③在21世纪,太阳能发电将由于以下两种新技术的发展而得到强有力的推动:一是远距离超导输电系统的发展,将可能使人们早已提出的在沙漠地区铺设大面积太阳能电池板,用超导输电线将其产生的电力送往四面八方的设想变为现实。二是宇宙太阳能发电技术的发展,将可能使输出功率达数以万千瓦伏计的太空太阳能发电站变成现实。

此外,太阳能发电机也正在试制,由汽车缸顶部石英玻璃吸引阳光,转化为热能推动汽车前进,估计到21世纪初也能变为现实。利用太阳能淡化海水,也是太阳能利用的一个重要方面。

因此,开发太阳能是大有可为的。

 

 

4.绿色能源;新经济能源的新希望

现代科技的发展,使人们获得了充分利用生物能源的新技术。人们正在从树上提取石油,从植物绿叶中提取酒精,利用微生物制造出氢气。

生物能指的是生物质能源。树木、农作物、陆地和水中的野生动植物体及某些有机废料,都属于生物质。所谓生物质能就是通过绿色植物的光合作用将太阳辐射的能量以一种生物质形式固定下来的能源。生物质能源同煤、石油、天然气等化石能源一样,都是源于太阳能,是太阳能的一种形式。不同的是,化石燃料里的能源量是亿万年前的生物质储存起来的太阳能,而生物质能源则是当代植物通过光合作用固定起来的太阳能。这些以葡萄糖、淀粉等物质形式存在于植物内部的能量,经过生物技术的加工,就能够转变成甲醇、乙醇、甲烷、氢气等燃料。因不含硫和其他杂质,燃烧时不产生a2O2等有害气体,所以这些生物燃料有“绿色能源”之称。

据估算,目前地球上绿色植物储存的总能量,大约相当于8X 101‘吨标准煤,比目前地壳内已知可供开采的煤炭总储量还多11倍。最重要的是,生物质能源与矿物质能源不同,它是可以再生的能源。生物学家指出,地球上的绿色植物,一年当中大约能固定3X102‘焦耳的太阳能,几乎等于目前人类一年消耗的能量的10倍。也就是说,绿色植物在二年中的“新生”能量,就可以供人类使用好几年。

深埋在地下的石油是大自然对人类的馈赠,但它的储量是很有限的,总有一天它会枯竭。人类能不能自己“生产”出石油来呢?人类的智慧是无穷无尽的,科学技术的发展能把许多梦想变为现实。

用工程微藻生产柴油。工程微藻是指用转基因技术构建的特殊微藻。美国国家可更新能源实验室将一种称为ACC的基因导入微藻细胞中,构建成了一种属于硅藻类的工程微藻。在实验室培养条件下;这种工程微藻的脂质含量达到60%以上,在室外生产条件下,其脂质含量也达到了40%以上。而一般天然微藻中的脂质含量只有5%一20%。美国的这家实验室今后还准备将修饰的ACC基因导入微藻中,以使其脂质含量进一步提高。这种富含脂质的工程微藻可用以生产生物柴油。

由此可见,用工程微藻生产柴油不仅有经济意义,而且还有环保意义。

奇妙的“石油树”。石油是碳氢化合物——烃类的“大杂烩”。一般绿色植物通过光合作用只能生成碳水化合物——糖类,可是有些植物却能生产出许多类似石油的碳氢化合物,所以得到“石油树”的美称。

飞机、汽车都要用汽油开动。现在石油短缺,资源有限,各国都在努力寻找汽油的代用品。首先被人们物色到的对象是酒精。酒精用作汽车燃料有一些明显的优点:抗爆性能好,不再添加防爆剂;可以使用较高的空气燃料比,燃烧完全,热能利用率高;排出有毒有害气体少,可大大减轻环境污染。

因为酒精是一种生物质能源,可以从生物质中提取出来,所以我们可以用无限生产的酒精代替有限的汽油。

由绿藻制取酒精。绿藻是一种能进行光合作用的低等绿色植物。小球藻就是绿藻的一种。绿藻能吸引太阳光中的能量,将二氧化碳转换为碳水化合物存储于体内,能为制取酒精提供丰富原料源,有巨大的开发潜力。由于绿藻生长快、产量高,所以用它制取酒精大有前途。

利用细菌生产酒精。菌类中有一种运动发酵单胞菌,这种菌虽是原核生物,但它的功能与酒精酵母一样,其中的酶能将糖类转化为酒精,而且能将含25%一40%木糖的生物质发酵制成乙醇,而后者仅能转化为葡萄糖。正是由于这点差异,用运动发酵单胞菌来制取酒精能使生产成本降低扣%。

利用工程微生物制取酒精。利用工程微生物是提高酒精生产能力的有效途径。工程微生物是利用基因移植技术构建的有特殊功能的微生物,它也称为转基因微生物。用这一方法生产酒精,不仅酒精纯度可达100%,而且生产效率也比酵母发酵法高出30%。美国佛罗里达大学构建的工程克氏杆菌,在将废纸转化为酒精时,产量达到了理论极限值的80%。

在寻找的新能源中,氢也是一种理想的能源。无论是气态。液态还是固态,它的密度都很小,用作气体燃料,可以大大减轻火箭、飞机、汽车、火车的重量,大大提高有效载荷量。

科学家研究发现,有两类微生物能直接产出氢气;一类是化能异养菌,一类是光合自养菌。产氢的化能异养菌已知有30多种,它们能通过发酵作用,将糖类、醉类、有机酸等有机物转化成氢气。有些化能异养菌的产氢能力很强,比如有一种酷酸芽抱杆菌,发酵丘克葡萄糖能产出025升氢气。光合自养菌比化能异养菌本领更大,它们不需要消耗有机营养物,而能依靠太阳光的能量,把简单的无机物合成有机物以满足自身的需要,同时放出氢气。太阳光取用不尽,无视物到处都有,所以利用光合自养菌生产氢气大有可为。

总之,利用现代科学技术手段开发蕴藏丰富的生物质能,是新能源开发的一个重要方向。人类的生存与发展迫切需要一个洁净的环境,人类迫切需要绿色能源。可以预计,随着科技的发展。社会的进步,在21世纪知识经济时代,绿色能源——生物质能技术将得到进一步发展,生物质能将得到更广泛的应用。

 

 

5.燃料电池显身手

当今能以工业规模生产的电力有火电、水电、核电三种。而被誉为第四种电力的燃料电池发电,因其发电效率高、无污染,在环境保护和经济发展并重的今天,这一技术在世界上颇受重视。在美国、日本等发达国家,燃料电池发电正以日新月异的势头快步进入以工业规模发电的行列。

燃料电池是一种化学电池,它利用物质发生化学反应时释放的能量,直接将其变换为电能。由于燃料电池的工作物质主要是可燃性气体——氢,因而它被称为燃料电池。

燃料电池之所以受欢迎,是因为它与其他发电方式相比有独特的优点。

①效率高。燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程,因而没有中间环节的能量损失。

②机动灵活。燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组,再将电池组集合起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产,所以燃料电池电站的建设成本低,建造周期短。另外,由于燃料电池重量轻、体积小、功率高,移动起来比较容易,所以它特别适合在海岛上或边远地区建造发电站,或建造分散型电站。

③燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢,但它可用的燃料有煤气、甲醇、液化石油气等各种碳氢化合物。根据实际情况,因地制宜地使用不同的燃料,或将不同的燃料进行组合使用,可以达到就地取材、节省资源的目的。

④无污染。燃料电池的生成物主要是水,基本上不排放有害气体,所以它是一种非常清洁的能源。另外,燃料电池是静止发电,本身无机械传动装置,只是在控制系统等辅助装置中有运动部件,因而它工作时振动很小,噪音很低。这种无噪音污染的发电系统可以直接安装在大楼内部。

现在燃料电池的发展速度非常之快。到2010年,全世界燃料电池的总装机容量将达到60000兆瓦。燃料电池作为一种新型能源,现在造价还比较高,寿命还不够长,功率还比较小。但是,随着有关研究工作的深入,这些问题将会得到解决。许多科学家认为,在对世纪知识经济时代,燃料电池在能源领域里将占举足轻重的地位,因此,掌握第四代发电技术,研制和发展燃料电池具有跨世纪的意义。

   

以上大部分转载于《聚焦新经济》

    虽然众所周知石油将很快耗尽,但大部分人士,包括美国政府在内,却都没有把更大的注意力放在寻找和研发新的环保替代能源上,而是放在了如何处心积虑地去猎取地球剩下的已然不多的石油上面。这无疑是最大的短视行为!虽然这些新能源目前还不能广泛地应用,但在石油的统治即将终结的年代,这些技术代表的是新经济时代的萌芽。希望能为国家有关部门提供一点借鉴,也愿以此文抛砖引玉引起相关部门重视、研究……