利用新能源解決能源危機(jī)與環(huán)境污染的幾點思考

利用新能源解決能源危機(jī)與環(huán)境污染的幾點思考能源問題已成為世界性的重大技術(shù)難題，時至今日，我國能源結(jié)構(gòu)還相對落后。對于傳統(tǒng)常規(guī)能源還有很大依賴，一直爭議不斷的化石能源仍屬于支柱產(chǎn)業(yè)，能源利用率較低，還存在許多不合理利用和浪費現(xiàn)象，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)境造成了大量而無法彌補(bǔ)的損失。當(dāng)然這與我國的基本國情有關(guān)，但我們有責(zé)任有義務(wù)做得更好。展望世界，能源已成為世界各國注意之焦點：海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、利比克戰(zhàn)爭等大規(guī)模沖突事件背后都有能源方面的考量。現(xiàn)在的國際政治也不斷強(qiáng)化著“得能源者得天下”的理念。物質(zhì)、精神、文化、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事等人類生活的方方面面因能源而更加深刻而尖銳的交織在一起。能源，已成為世界的中心。它深刻地影響著人類世界的過去、當(dāng)下與未來，是人類社會變革與發(fā)展的一大核心驅(qū)動力。世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的方向不盡相同，但各國都認(rèn)識到了擺脫對終將枯竭且對全球生態(tài)平衡造成巨大破壞的化石能源的依賴的重要性。新能源，即可再生能源因其之無可比擬之優(yōu)勢被各國放在了發(fā)展的最前列。本文正是我在這種時代背景下對于新能源科學(xué)思考的結(jié)果。因為新能源科學(xué)學(xué)術(shù)體系十分龐大，分支學(xué)科與應(yīng)用方向十分多，且各方向的發(fā)展情況也十分復(fù)雜，又因為此文并不致力于對新能源學(xué)科體系進(jìn)行全面而系統(tǒng)的梳理，在此就只對各主要的發(fā)展方向進(jìn)行簡單的描述：一、核能方向（一）核裂變在英國2008年通過的《氣候變化法案》中，規(guī)定了能源發(fā)展的長期目標(biāo)：到2050年，英國的溫室氣體排放量需在1990年的基礎(chǔ)上減少80%。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，英國正在進(jìn)行一場巨大的能源重組計劃，即：將傳統(tǒng)發(fā)電廠退役，同時啟動包括核能在內(nèi)的新能源發(fā)電項目。英國能源研究合作組織（ERP）、國家核實驗室（NNL）、英國工程與自然研究理事會（EPSRC）、核退役管理局（NDA）和能源技術(shù)研究所（ETI）組成的項目聯(lián)盟發(fā)布了《英國核裂變能技術(shù)路線圖：初步報告》。報告指出，英國必須制定一項明確具體的核能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，同時假設(shè)：英國若要在2050年之前擁有安全、低碳的能源結(jié)構(gòu)，核電必將發(fā)揮更大作用。（二）核聚變核聚變能也有很大的利用價值，但是人類目前對其的最有效利用方式仍停留于熱核武器階段，尚無法達(dá)到可控水平。當(dāng)世實現(xiàn)可控核聚變的設(shè)想主要是磁約束和慣性約束。磁約束裝置托卡馬克（Tokamak）是目前最有希望實現(xiàn)這一設(shè)想的裝置。若人類真能實現(xiàn)可控核聚變，那么將不會再有能源危機(jī)。二、風(fēng)能方向一系列促進(jìn)再生能源的政策法規(guī)的頒布實施，幫助德國成為全球風(fēng)能利用最成功的國家。從1991年制定第一部促進(jìn)可再生能源利用的《電力輸送法》開始，德國政府先后出臺了多部相關(guān)法律法規(guī)，并多次對部分法律進(jìn)行修訂和完善，為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)I造了有利的外部條件?？萍歼M(jìn)步是德國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)獲得長足發(fā)展的保證。德國政府從1994年開始，把科技政策支持的重點集中在大力發(fā)展風(fēng)電技術(shù)上，每年的投入近1億歐元，有效推進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和風(fēng)電行業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。三、水能方向中國小水電取得了令人驕傲的成績，這一點勿庸置疑。但同時我國在大型水利工程建設(shè)方面也取得了舉世矚目的成績。最典型的例子就是三峽水利工程的實施。放眼世界，經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的美國的水資源問題的成功解決，也主要是依靠水壩建設(shè)。美國已經(jīng)建有大小壩*****多座，大都建于上世紀(jì)30年代至80年代，其中壩高15m至30m之間的壩有6975座，30m以上的大壩有1749座。水庫總庫容約為*****億m3,為世界之最。美國水壩按主要功能劃分，為供水或灌溉的大壩1890座，防洪的大壩1873座，旅游、娛樂目的大壩870座，以發(fā)電為主的大壩629座。四、生物質(zhì)能歐洲生物質(zhì)能利用技術(shù)是上世紀(jì)七十年代以來，為了應(yīng)對石油危機(jī)逐步發(fā)展起來的。目前，生物質(zhì)能利用技術(shù)已成為最受歐盟國家重視的可再生能源技術(shù)。在各國支持可再生能源發(fā)展的政策推動下，生物質(zhì)能利用技術(shù)發(fā)展很快，生物質(zhì)能在能源中比例迅速提高，特別是生物質(zhì)顆粒機(jī)成型技術(shù)和直燃發(fā)電技術(shù)應(yīng)用已非常廣泛。五、海洋能作為國外技術(shù)進(jìn)步標(biāo)志的法國朗斯潮汐發(fā)電站，1968年建成，裝有24臺具有能正反向發(fā)電的燈泡式發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑為5.35米，單機(jī)容量1萬千瓦，年發(fā)電量達(dá)5.4億千瓦時。1984年建成的加拿大安納波利斯潮汐電站，裝有1臺容量為世界最大的2萬千瓦單向水輪機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑為7.6米，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)在水輪機(jī)葉片外緣，采用了新型的密封技術(shù)，冷卻快，效率高。六、太陽能目前，在歐美等發(fā)達(dá)國家，一些公用事業(yè)公司通過大型中心光電場以增加他們的電能，而另一些電力公司則通過建立靠近用戶的小型光電場達(dá)到這個目的。有的光電陣列集電板布置在毗鄰建筑的地方，有的布置在屋頂上，或者干脆整個結(jié)合到建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。在這種情況下，建筑光電一體式系統(tǒng)就應(yīng)運而生，簡稱為BIPV。這種BIPV光電設(shè)備可以充當(dāng)建筑的屋頂、外壁板、幕墻、玻璃窗或者雨篷等特殊元件。七、地?zé)崮鼙鶏u開發(fā)利用得最好。該國早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個地?zé)峁嵯到y(tǒng)，現(xiàn)今這一供熱系統(tǒng)已發(fā)展得非常完善，每小時可從地下抽取7740t80℃的熱水，供全市11萬居民使用。由于沒有高聳的煙囪，冰島首都已被譽為“世界上最清潔無煙的城市”。此外利用地都給工廠供熱，如用作干燥谷物和食品的熱源，用作硅藻土生產(chǎn)、木材、造紙、制革、紡織、釀酒、制糖等生產(chǎn)過程的熱源也是大有前途的。八、氫能20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運用于發(fā)電和汽車。德國已經(jīng)大量應(yīng)用。綜上所述，世界新能源科學(xué)主要就有這八個發(fā)展方向，每個方向都有其特點、優(yōu)勢、劣勢、困難與美好前景。我個人認(rèn)為若單一能源欲成為人類替代能源需要滿足這幾點共性要求：①清潔;②可再生；③高效益而符合生態(tài)經(jīng)濟(jì)的理念；④對其之大力開發(fā)不會對現(xiàn)在的生態(tài)環(huán)境造成巨大影響；⑤其潛力或稱儲存總量可以滿足全球總?cè)丝诘男枨?；下面筆者從五個共性要求來對以上八個方向進(jìn)行考量：核能中的裂變能是目前應(yīng)用較廣的能源，其技術(shù)難題業(yè)已突破，但核裂變之原料（主要是鈾和钚）儲量較小，并不可再生，終會枯竭。且其產(chǎn)生的放射性廢料會對環(huán)境造成巨大而持久的危害。其安全性同樣令人擔(dān)憂，切爾諾貝利和福島之鑒未遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為不是權(quán)宜之計。而聚變之開發(fā)則令人期待。風(fēng)能、海洋能、太陽能都有總量大而分布分散、難于富集之特點。風(fēng)能儲量很大，滿足第五條，但其是不穩(wěn)定且無變化規(guī)律的能源，而且其大規(guī)模開發(fā)會激化現(xiàn)有的土地緊張的矛盾，但其對偏遠(yuǎn)地區(qū)和海島地區(qū)的供能問題仍有巨大作用。海洋能并非只指潮汐能，其還包括海水鹽差能、海水溫差能、波浪能等。其具有不穩(wěn)定但有規(guī)律的特點。其之開發(fā)水平還很低，技術(shù)尚不成熟，但法國和日本已有成功之例。太陽能的發(fā)展水平很高已經(jīng)得到普及，但其占世界能源比重仍不高。光凰混合系統(tǒng)也具有一定的應(yīng)用價值和前景。水能的發(fā)展水平也很高，三峽大壩就是一個例證，但其或許會對上下游水域的生態(tài)帶來嚴(yán)重影響。然而因其穩(wěn)定而高效的特性，其仍不失為一個解決能源危機(jī)的良策。地?zé)崮軆α恳埠艽?。但近來有專家表示如果大量開發(fā)地?zé)崮軙斐傻刭|(zhì)環(huán)境劇烈改變，地基沉降、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等后果。生物質(zhì)能利用是歐盟的支柱產(chǎn)業(yè)，但其之過度開發(fā)如風(fēng)能一樣，都會造成土地危機(jī)，無法真正取代化石能源。氫能清潔而環(huán)保但其之劣勢也是明顯的：電解制取工藝造價過高，難于液化儲存運輸困難。這兩點劣勢直接限制了氫能的大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用。所有的研究方向雖然都存在這樣或那樣的困難，都有這樣或那樣的問題。但筆者認(rèn)為，從來沒有人限制過人類能源問題只能由一種能源解決來作為新時代的化石替代能源。這個世界是多元統(tǒng)一的，萬事萬物殊途同歸，一切都是順勢而為，因地制宜。水邊用水能，海島用海能，高原之上有太陽與地?zé)?，平原之間有生物與核能。那么多的發(fā)展方向正是針對不同情況、不同地點、不同類問題給出不同的“解題方案”與模板?；蛟S現(xiàn)在無法找到一種可以“罷黜百家”的完美能源，但多元統(tǒng)一、因地制宜、集合各種能源而形成的“靈活混合能源”難道不是完美能源嗎？多元組合的分地區(qū)分地域的靈活操作難道不能解決能源問題嗎？由此而得，人類能源問題可能不是一法而成之的，也許多能源混合才是真正