Cynojha能源淺談

1、七夕，古今詩人慣詠星月與悲情。吾生雖晚，世態(tài)炎涼卻已看透矣。情也成空，且作“揮手袖底風”罷。是夜，窗外風雨如晦，吾獨坐陋室，聽一曲塵緣，合成詩韻一首，覺放諸古今，亦獨有風韻也。乃書于紙上。畢而臥。凄然入夢。乙酉年七月初七。-嘯之記。 人類生存和發(fā)展的三要素 物質(zhì)、能量與信息。 因此，能源的發(fā)展史直接影響人類的發(fā)展史。 我們?nèi)祟惿媾c發(fā)展中最具有決定性意義的要素是三個：¾¾ 物質(zhì)、能量和信息。 組成我們的世界是物質(zhì)；人類生存活動決定于對信息的認知和反應；而維持生命，從事發(fā)展的活動又地要通過消耗能量來進行。 一切能量來自能源，人類離不開能源。能源是人類生存、生活與發(fā)展的主要基礎

2、。能源科學與技術，能源利用的發(fā)展在人類社會進步中一直扮演著及其重要的角色。 能源發(fā)展的里程碑 可以這么說，每一次能源利用的里程碑式發(fā)展，都伴隨著人類生存與社會進步的巨大飛躍。幾千年來，在人類的能源利用史上，大致經(jīng)歷了這樣四個里程碑式的發(fā)展階段：原始社會火的使用，先祖?zhèn)冊诨鸬恼找掠瓉砹宋拿魃鐣氖锕猓?8世紀蒸汽機的發(fā)明與利用，大大提高了生產(chǎn)力，導致了歐洲的工業(yè)革命；19世紀電能的使用，極大地促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，改變了人類生活的面貌；20世紀以核能為代表的新能源的利用，使人類進入原子的微觀世界，開始利用原子內(nèi)部的能量。 未來對能源的要求 有足夠滿足人類生存和發(fā)展所需要的儲量，并且不會造成影響

3、人類生存的環(huán)境污染問題。 未來對能源的需求 未來的人類社會依然要依賴于能源，依賴于能源的可持續(xù)發(fā)展。因此，我們須現(xiàn)在就很清楚地了解地球上的能源結構和儲量，發(fā)展必須開發(fā)的能源利用技術，才能使人類的生存得于永久維持。 而我們賴于生存的能源是取之不盡用之不完的嗎？回答是：不是，也是。事實上，進入21世紀后，人類目前技術可開發(fā)的能源資源已將面臨嚴重不足的危機，當今煤、石油和天然氣等礦石燃料資源日益枯竭，甚至不能維持幾十年。因此，必須尋找可持續(xù)的替代能源。而近半世紀的核能和平利用，已使核能已成為新能源家屬中迄今為止能替代有限礦石燃料的唯一現(xiàn)實的大規(guī)模能源。而且，未來如能實現(xiàn)核能的徹底利用，人類的能源將是

4、無窮的。 除了物質(zhì)、能量和信息三大因素外，人類對安全的要求也越來越重要了。安全包括社會安全、健康安全和環(huán)境安全等。它們同能源的關系也是非常密切的?，F(xiàn)在利用的能源已造成了大量的環(huán)境污染問題，嚴重影響了人類的生存。因此，未來對能源的要求將不僅是儲量充足，而且還必須是清潔的能源。相對其它化石能源而言，核能的和平利用已充分證明了核能是清潔的能源之一。 u 能源的定義與源頭 究竟什么是“能源”呢？科學技術百科全書是這樣說的：“能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源”；大英百科全書說：“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類用適當?shù)霓D換手段便可讓它為自己提供所需的能量”。可見，能源是呈多

5、種形式的、可以相互轉換的能量的源泉。簡而言之，能源是自然界中能為人類提供能量的物質(zhì)資源。 能源的源頭 來自地球以外天體的能源（如太陽能）、地球本身蘊藏的能源（如地熱、核能）、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能源（如潮汐）。 而能源是產(chǎn)生能量的源頭。 人們通常按形態(tài)與應用方式對能源進行分類。一般分為：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水能、電能、太陽能、生物質(zhì)能、風能、核能、海洋能和地熱能。其中，前三類統(tǒng)稱化石燃料或化石能源。已被人類認識的這些能源，在一定條件下可以轉換為人們所需的各種形式的能量。比如薪柴和煤炭，加熱到一定溫度，能和氧氣化合并放出大量熱能，可以直接用來取暖，也可用來產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機，再

6、帶動發(fā)電機，使熱能變成機械能，再變成電能。把電送到工廠、機關和住戶，又可以轉換成機械能、光能或熱能。 在我們生活的地球上，能源形形色色?？偲饋碚f有三個初始來源。 太陽能 地球 來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉換來的。 地球本身蘊藏的能量 通常指與地球內(nèi)部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。 與地球內(nèi)部的熱能

7、有關的能源，我們稱之為地熱能。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地熱的表現(xiàn)。地球可分為地殼、地幔和地核三層，它是一個大熱庫。地殼就是地球表面的一層，一般厚度為幾公里至70公里不等。地殼下面是地幔，它大部分是熔融狀的巖漿，厚度為2900公里?；鹕奖l(fā)一般是這部分巖漿噴出。地球內(nèi)部為地核，地核中心溫度為2000度?？梢?，地球上的地熱資源貯量也很大。 與原子核反應有關的能源正是本書要介紹的核能。原子核的結構發(fā)生變化時能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡稱核能，俗稱原子能。它則來自于地殼中儲存的鈾、钚等發(fā)生裂變反應時的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發(fā)生聚變反應時的核聚變能資源。這些物質(zhì)在發(fā)生原子

8、核反應時釋放出能量。目前核能最大的用途是發(fā)電。此外，還可以用作其它類型的動力源、熱源等。 來自星球引力的能量 指由于地球與月球、太陽等天體相互作用的形成的能源。地球、月亮、太陽之間有規(guī)律的運動，造成相對位置周期性的變化，它們之間的引力隨之變化使海水漲落而形成潮汐能。與上述二類能源相比，潮汐能的數(shù)量很小。全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億噸，而實際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約可折合為6000萬噸煤。 u 能源結構與儲量 地球上有哪些能量資源可供我們使用？它們還能維持多久？我們該怎么辦？ 能源的種類 一次能源：煤炭、石油、核能等自然界天然能量資源； 二次能源：汽油、電力、蒸汽等人工制造的能量

9、資源， 一次能源和二次能源 能源按其生成方式，分為天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）兩大類。天然能源是指自然界中以天然形式存在并沒有經(jīng)過加工或轉換的能量資源，如煤炭、石油、天然氣、核燃料、風能、水能、太陽能、地熱能、海洋能、潮汐能等；人工能源則是指由一次能源直接或間接轉換成其他種類和形式的能量資源，如煤氣、汽油、煤油、柴油、電力、蒸汽、熱水、氫氣、激光等。 常規(guī)能源和新能源 其中，已被人類廣泛利用并在人類生活和生產(chǎn)中起過重要作用的能源，稱為常規(guī)能源，通常是指煤炭、石油、天然氣、水能等四種。而新近才被人類開發(fā)利用、有待于進一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對于常規(guī)能源而言，在不同的歷史

10、時期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當今社會，新能源通常指核能、太陽能、風能、地熱能、氫氣等。 煤的時代 能源結構的變遷 歷史上，伴隨著新的化石資源的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模開采與應用，世界的能源消費結構經(jīng)歷了數(shù)次變革。18世紀的以煤炭替代柴薪，到19世紀中葉煤炭已經(jīng)逐漸占主導地位。20世紀20年代，隨著石油資源的發(fā)現(xiàn)與石油工業(yè)的發(fā)展，世界能源結構發(fā)生了第二次轉變，即從煤炭轉向石油與天然氣，到20世紀60年代，石油與天然氣已逐漸稱為主導能源，動搖了煤炭的主宰地位。但是，20世紀70年代以來兩次石油危機的爆發(fā)，開始動搖了石油在能源中的支配地位。以此同時，大部分化學能源的儲量日益減少，并伴隨著許多環(huán)境污

11、染問題。 而人類對能源的需求卻在與日俱增。例如主要能源形式 地球能源的儲量估計 煤炭：200年 石油、天然氣：50年 核能：無窮多 之一的電力消耗逐年增加。根據(jù)統(tǒng)計，人口若每30年增加一倍，電力的需求量每八年就要增加一倍。 于是，20世紀末，能源結構開始經(jīng)歷第三次轉變，即從以石油為中心的能源系統(tǒng)開始向以煤、核能和其它再生能源等多元化的能源結構轉變。特別是隨著時間的推移，核能的比例將不斷增長，并將逐步替代石油和天然氣而成為主要的大規(guī)模能源之一。 化學能的儲存量 煤炭、石油、天然氣還有多少年可以讓人類開采利用？據(jù)世界能源會議統(tǒng)計，世界已探明可采煤炭儲量共計15980億噸，預計還可開采200年。探明

12、可采石油儲量共計1211億噸，預計還可開采3040年。探明可采天然氣儲量共計119萬億立方米，預計還可開采60年。必須指出的是，煤炭、石油等直接燃燒用來生產(chǎn)電能與熱能實在太可惜了，且不說可能帶來的環(huán)境污染，它們還是很好的化工原料呢！ 水能及新能源的潛力 那么水能呢？我們知道，水力是可以長期開發(fā)利用的。但是，在那些大面積缺水、水力資源不豐富的國家和地區(qū)怎么辦？再說，水能還有個季節(jié)性的問題。這些都使水能無法成為世界能源結構中唯一的主力軍。新能源中，太陽能雖然用之不竭，但代價太高，并且就目前的技術發(fā)展情況來看，在一代人的時間里不可能迅速發(fā)展和廣泛使用。其它新能源也是如此。其它一些能源與水能相似，它們

13、的規(guī)模受到環(huán)境、季節(jié)、地理位置等條件的限制，如風能、潮汐能、地熱能等等。 易裂變核素 易發(fā)生裂變的原子只有鈾-235（U235）、钚-239（Pu239）、鈾-233（U233）三種。而天然存在的易裂變元素只有鈾-235，钚-239可由鈾-238生成，鈾-233可由釷-232（Th232）生成。 易聚變核反應 氘（D2）-氚（D3）反應。氘和氚都是氫原子的同位素。氘天然存在，而氚極少，必須由人工生成（如由鋰制造）。 核能-無窮的能源 核能分為裂變能和聚變能兩種。目前人類能正在用于和平利用的只有裂變能。可控聚變能利用技術正在攻克。 天然鈾的成份 天然鈾中占99.3%為難裂變的鈾-238，僅有0.

14、714%為易裂變的鈾-235。鈾-238可通過吸收一個中子變成易裂變的钚-239。 作為發(fā)展核裂變能的主要原料之一的鈾，世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。如果利用得好，可用24002800年。 聚變反應主要來源于氘-氚的核反應，氘來可大量自海水，氚可來自鋰。因此聚變?nèi)剂现饕请弯嚕Ｋ须暮繛?.03克升，據(jù)估計地球上的海水量約為138億億米3，所以世界上氘的儲量約40億萬噸；地球上的鋰儲量雖比氘少得多，也有2000多億噸，用它來制造氚，足夠滿足人類對聚變能的需求。這些聚變?nèi)剂纤尫诺哪芰勘热澜绗F(xiàn)有能源總量放出的能量大千萬倍。按目前世界能源消費的水平，地球上可供原子

15、核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。如果人類實現(xiàn)了氘-氚的可控核聚變，核燃料就可謂“取之不盡，用之不竭了”，人類就將從根本上解決能源問題，這正是當前核科學家們孜孜以求的所以。聚變能源不僅豐富，而且安全、清潔。聚變產(chǎn)生的放射性比裂變小的多。 專家們預測，核能在未來將成為人類取之不盡的持久能源。 1.2 變臟的地球與干凈的核電 本節(jié)要點：回答的問題以下問題：現(xiàn)有的能源還能維持多久？能源利用可以不污染環(huán)境嗎？核能真是可持續(xù)能源嗎？ u 能源的可持續(xù)發(fā)展 必須尋找一些既能保證有長期足夠的供應量又不會造成環(huán)境污染的能源。 而目前人類面臨的問題正是：能源資源枯竭；環(huán)境污染嚴重。 能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)

16、展 能源危機 目前世界上常規(guī)能源的儲量有的只能維持半個世紀（如石油），最多的也能維持一、二百年（如煤）人類生存的需求。 今天，幾乎所有的工業(yè)化國家都面臨著兩個關系到可持續(xù)發(fā)展的緊密相連的挑戰(zhàn)：保證令人滿意的長期能源供應和減少人類活動帶給環(huán)境的影響。能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為關系到人類未來生存與文明延續(xù)的一個重要問題。 能源供應危機 今天的世界人口已經(jīng)突破60億，比上個世紀末期增加了2倍多，而能源消費據(jù)統(tǒng)計卻增加了16倍多。無論多少人談論“節(jié)約”和“利用太陽能”或“打更多的油井或氣井”或者“發(fā)現(xiàn)更多更大的煤田”，能源的供應卻始終跟不上人類對能源的需求。當前世界能源消費以化石資源為主，其中中

17、國等少數(shù)國家是以煤炭為主，其它國家大部分則是以石油與天然氣為主。按目前的消耗量，專家預測石油、天然氣最多只能維持不到半個世紀，煤炭也只能維持一二百年。所以不管是哪一種常規(guī)能源結構，人類面臨的能源危機都日趨嚴重。 濃煙滾滾的火電廠 能源對環(huán)境的污染 另一方面，特別是利用化石能源的過程也直接影響地球的環(huán)境，使大氣和水資源遭受嚴重污染。大氣中主要的五種污染物是：氮氧化物（如NO與NO2）、二氧化硫（SO2）、各種懸浮顆粒物、一氧化碳（CO） 大氣污染的主要源頭 目前世界上最嚴重的大氣污染來自化石能源燃燒造成的大氣中二氧化碳量的增加。帶來的主要后果是：酸雨、溫室效應和臭氧層破壞。 和碳氫化合物（如CH

18、4、C2H6、C2H4等）。其來源主要有三個方面： 煤、石油等化石燃料的燃燒； 汽車排放的廢氣； 工業(yè)生產(chǎn)（如各種化工廠、煉焦廠等）產(chǎn)生的廢氣。而其中燃燒化石燃料的火力發(fā)電廠是最大的固定污染源。 1. 多元化 世界能源結構先后經(jīng)歷了以薪柴為主、以煤為主和以石油為主的時代，現(xiàn)在正在向以天然氣為主轉變，同時，水能、核能、風能、太陽能也正得到更廣泛的利用?？沙掷m(xù)發(fā)展、環(huán)境保護、能源供應成本和可供應能源的結構變化決定了全球能源多樣化發(fā)展的格局。天然氣消費量將穩(wěn)步增加，在某些地區(qū)，燃氣電站有取代燃煤電站的趨勢。未來，在發(fā)展常規(guī)能源的同時，新能源和可再生能源將受到重視。在歐盟2010年可再生能源發(fā)展規(guī)劃中

19、，風電要達到4000萬千瓦，水電要達到1.05億千瓦。2003年初英國政府公布的能源白皮書確定了新能源戰(zhàn)略，到2010年，英國的可再生能源發(fā)電量占英國發(fā)電總量的比例要從目前的3%提高到10%，到2020年達到20%。 2. 清潔化 隨著世界能源新技術的進步及環(huán)保標準的日益嚴格，未來世界能源將進一步向清潔化的方向發(fā)展，不僅能源的生產(chǎn)過程要實現(xiàn)清潔化，而且能源工業(yè)要不斷生產(chǎn)出更多、更好的清潔能源，清潔能源在能源總消費中的比例也將逐步增大。在世界消費能源結構中，煤炭所占的比例將由目前的26.47%下降到2025年的21.72%，而天然氣將由目前的23.94%上升到2025年的28.40%，石油的比例

20、將維持在37.60%37.90%的水平。同時，過去被認為是“臟”能源的煤炭和傳統(tǒng)能源薪柴、秸桿、糞便的利用將向清潔化方面發(fā)展，潔凈煤技術（如煤液化技術、煤氣化技術、煤脫硫脫塵技術）、沼氣技術、生物柴油技術等等將取得突破并得到廣泛應用。一些國家，如法國、奧地利、比利時、荷蘭等國家已經(jīng)關閉其國內(nèi)的所有煤礦而發(fā)展核電，它們認為核電就是高效、清潔的能源，能夠解決溫室氣體的排放問題。 3. 高效化 世界能源加工和消費的效率差別較大，能源利用效率提高的潛力巨大。隨著世界能源新技術的進步，未來世界能源利用效率將日趨提高，能源強度將逐步降低。例如，以1997年美元不變價計，1990年世界的能源強度為0.3541噸油當量/千美元，2001年已降低到0.3121噸油當量/千美元，預計2010年為0.2759噸油當量/千美元，2025年為0.2375噸油當量/千美元。 但是，世界各地區(qū)能源強度差異較大，例如，2001年世界發(fā)達國家的能源強度僅為0.2109噸油當量/千美元，20012025年發(fā)展中國家的能源強度預計是發(fā)達國家的2.33.2倍，可見世界的節(jié)能潛力巨大。 4. 全球化 5. 市場化 由于市場化是實現(xiàn)國際能源資源優(yōu)化配置和利用的最佳手段，故隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，特別是世界