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秦伟:认识并利用好能源这把“双刃剑”
2012-01-09 中国科学报 秦伟

  纵观历史长河,人类文明的进步与能源的利用和发展息息相关。在人类出现之前,动物们所用的能源都是不自觉或者是被动的,例如通过晒晒太阳获得温暖,支持他们生命的延续。

  后来,人类由猿类进化而来。随着跟自然界不断的斗争,人类也渐渐向前发展,发现“火”带来美味的食物,也带来良好的环境。这时,人类开始了对“火”的控制和使用,“钻木取火”就是一个印证。

  再进一步发展,人就可以自觉地、主动地使用一些能源。在以能源为支撑的基础上,人类的生活条件得到了极大的改善,生活水平也得以进一步提高。能源似乎带来了人类文明的跨越式发展。

  然而,上述这些能源仍直接取之于自然。

  在一些描写人类古代生活的武侠小说中提到,有一片会燃烧的黑色物质。实际上,这就是最初被人发现的石油或者煤炭,但客观的、科学的认识仍很缺乏。

  当人的智力水平不断提高,从而主动去发现和认识矿物质能源的时候,工业文明应运而生。18世纪,蒸汽机车、动力机械被发明。这证明人类已经在尝试改变能源形式。无疑,人类进入了高级的文明时代。

  现在,人们能做的远不只是利用自然为我们提供的能源,还不断发现新能源,甚至,一些废弃物也被变成了能源。人类进入了“后工业时代”。

  到目前为止,被人类利用和发现的能源种类已经非常多。一方面,有来自于地球外部天体的能源——太阳能。我们现在所说的生物质能,还有包括石油、天然气、煤炭等在内的化石资源,水能、风能、波浪能、海流能等,都是直接或者是间接来自于太阳能。

  另一方面的能量,就来自于地球本身,主要是地热能和核能。地球这个大的能源载体,随着地核、地幔、地壳不同的状态,孕育着不同的能量形式。而核元素则来自于地球,也可以说是一种矿产资源。

  对于这些不同种类能源的利用,在不同的文明发展时期显示出较大区别。

  1875年前,在人类农业经济时代,能源利用以生物质为主,如秸秆利用。19世纪后,工业进程加快,煤和石油的使用量逐渐增加。

  如果以时间为横轴,能源消耗为纵轴制作一张图,我们可以看到在1950年时,能源消耗出现一次飞跃式增长。这意味着工业化进程在1950年猛然加速。

  进入20世纪以后,能源消耗的大幅度增长则主要表现在煤和石油上。近30年来,天然气的消耗量也逐渐增大。

  技术的发展,带来了一种新的能源形式——可再生能源。新能源与可再生能源备受世界的关注,发展速度很快。未来几十年,以风能和太阳能为主的可再生能源可能会快速的增加。

  同时,核聚变也受到了科学家的青睐。每升海水中氘的含量是0.03克,如果发生核聚变,则可产生相当于300升汽油燃烧释放的能量。这个数据正好解释了我们为什么寄希望于核聚变反应。

  2001年,国际热核聚变实验堆(ITER)计划设计完成。2006年,我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。

  人们期望通过核聚变为人类提供可持续发展的能量。但是,到目前为止,它的价格与技术水平都远未达到应用要求,预计2050年可实现应用。无论如何,2050年之前,能源利用仍然以煤炭和石油为主。

  能源之于人类文明,如同人的生长需要水和粮食。在促进人类文明发展的同时,也为提高人们的生活水平提供保障,是国家经济发展和人类文明进步的基本约束条件。

  然而,能源也是一把双刃剑,能源的利用会带来一些负面的影响。

  对中国而言,能源资源量便是问题之一。在全世界所探明石油储量中,我国仅占十分之一,天然气也不到二十分之一。

  能源结构中,化石能源是一种有限资源,石油、煤和天然气都存在开采年限。基于有机理论预测,石油的开采年限是40年,煤为200年,天然气则为60年。

  但是,地质结构学家并不认同这个观点,因为如果按照无机理论去推算的话,化石能源应该无穷无尽。目前,这两种理论尚在争论,有机理论占上风。

  对此,我认为开采年限只能作为能源工作的参考。由于技术水平的提高和理论的创新,新的化石能源将不断被发现。

  同时,由于技术水平所限,使得我们的工业能源利用效率非常低。我国是典型的耗能大户,钢铁、水泥,包括太阳能产业所带来的耗电量远高于世界的平均水平。

  能源利用对环境带来的冲击也是人类无法回避的问题。首当其冲的便是温室效应。当然,这也是有争论的,在不同分支学科的研究中,研究者考虑的时间尺度不一样。有的以20年为时间尺度,就可以看出地球温度的变化好像是在不断攀升。但是,如果把这个尺度放大到万年,我们看到,地球本身存在温度升降的规律。

  不过,在小尺度的研究中,温室效应带来地球表面温度升高的结论已经得到公认。在南北极地区,冰盖面积不断缩小已经成为不争的事实。

  号称世界第三极的青藏高原对气候的变化非常敏感。40年来,青藏高原的冰川大幅减少,按照联合国政府委员会发布的报告,如果以现在的速度,80%的冰川将在未来30年消失。在亚洲,许多大江大河发源于青藏高原,被誉为“亚洲的水塔”。它如果消失了,不难想象将对人类的发展带来怎样的影响。

  气候变暖对我国带来的危害,则主要在以下几个方面:植被发生变化而导致沙尘暴,草原荒漠化严重,海平面的上升也会对一些临海地区造成威胁,生态系统遭到破坏。

  研究发现,这些不利影响主要来自化石能源。清洁、高效地利用能源,把负面影响降至最小,是人类追求的共同目标。

  目前,全世界都在倡导低碳或者无碳的能源发展方向。由于化石能源主要是含碳的,因此,目标的实现还得靠技术的发展,提高转化率,把本来是污染的负产物变成能够利用的资源。

  首先,清洁生产和高技术利用是实现低碳、提高化石能源转化率的关键环节。

  二氧化碳捕捉(CCS)技术是一项热门的研究,就是要解决碳资源使用对环境影响的问题,尽最大的努力变废为宝。

  这项技术有两方面的核心要求。一方面,从物质上讲,讲求组分分级利用,使用更加精细化、分级转化,这就是在化学领域里一直讲的“原子经济性利用”;另一方面,从能量上讲,讲求温度对口、梯级利用,简单地说,就是要求不同品质的能量用到它该用的地方。

  比如,过去粗放式的火力发电厂中,通过燃煤转化成高压蒸汽推动汽轮机发电。这些发电厂里有很多凉水塔,对冷却水进行循环使用。发电厂利用了高温蒸汽来推动发电,而温度低的蒸汽却直接浪费了。

  经过改进的发电厂,利用高温蒸汽来发电,低温蒸汽可以用不同的技术发电,而到了100摄氏度以下的蒸汽就用于集中供热、供暖。通过这种方式,能源使用效率可最大化。

  发展新能源则是解决问题的另一途径,全球可再生能源的资源量非常丰富。我国于2006年颁发了《可再生能源法》,通过法律的形式来支持和保障可再生能源的发展。

  2008年起,我国多种可再生能源的开发利用在全球名列前茅。比如,水电居世界第一,风电居世界第四。虽然核电相对少,但有一个共识,在目前阶段要支撑中国经济的发展,发展核电恐怕是必须选择的道路。

  此外,新能源多样化也是解决能源负面影响的办法之一。比如,通过氢气、甲醇或天然气进行发电用于汽车燃料电池。存在于冻土层、海洋中的天然气水合物贮存量巨大,我国也有庞大储量。然而,天然气水合物的开采手段还不具备。

  变废为宝的城市垃圾也是宝贵的新能源。进行分类是第一步,可燃物用于发电,有机物用于肥料,不可燃的固体物进行加工后用于建筑材料,垃圾综合处理使这些废物成为资源,综合解决能源问题。

  能源问题非常复杂,它不仅仅是一个技术、经济和政治问题,更为重要的是,它是一个理念问题、价值观的问题。只有认识到能源这把“双刃剑”存在的利弊,我们才能更好的利用它实现可持续发展。

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