試析能源利用發(fā)展趨勢

【摘要】 ? ?能源在我們的身邊無處不在，大到太陽的核聚變小到一根火柴的燃燒都是能源。我們的社會(huì)都是靠著源源不斷的能源供給才得以發(fā)展至今。核能以及核物理方面技術(shù)的發(fā)展不及關(guān)系到一個(gè)國家的能源安全甚至可以上升到國家安全的層面。從1954年前蘇聯(lián)的第一座核電站建成至今，全球已有438座核電站，總發(fā)電容量為353千兆瓦，占全世界發(fā)電量的16%，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過1萬堆年（1個(gè)堆年相當(dāng)于核電站中的一個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行一年）。而且還在不斷增加。這些都是其它新能源無法比擬的。

【關(guān)鍵字】 ? ?能源技術(shù) ? ?核能 ? ?未來

能源在我們的身邊無處不在，大到太陽的核聚變小到一根火柴的燃燒都是能源。我們的社會(huì)就是靠著源源不斷的能源供給才得以發(fā)展至今，可問題是：能源是有限的，如何才能在有限的能源的基礎(chǔ)上做到最高效的利用，這才是如今各國所面臨的能源問題。這里僅從目前世界使用較為廣泛的幾種新型能源即太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)（木質(zhì)生物質(zhì)和非木質(zhì)生物質(zhì)）能與氫能、地?zé)崮?、核能展開試論。

一、太陽能

太陽能是指太陽的熱輻射能，其主要利用方式是通過太陽能光伏電池將其轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為電能并加以利用。

太陽能光伏電池主要由兩層或兩層以上半導(dǎo)體材料組成，最主要的元素是硅元素，每當(dāng)硅暴露在光線下時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生自由電荷。自由電荷借由金屬接觸，從而產(chǎn)生直流電。但是由于單塊光伏電池的發(fā)電量較小，所以常常將多塊電池連接、封裝，從而形成太陽能光伏面板。光伏面板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部件，通常將幾塊光伏面板連在一起，近而可以生產(chǎn)出預(yù)期的電量，模塊化結(jié)構(gòu)是其的重要優(yōu)勢之一。

雖然太陽能可以說是無污染的清潔能源，但不可否認(rèn)其制造成本還是在利用過程中所要面臨的問題。盡管光伏發(fā)電設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了批量生產(chǎn)的規(guī)模，并且制造成本較低，但是公共規(guī)模的光伏發(fā)電設(shè)備，其成本仍高于化石燃料和其他可再生能源（Tidball等人2010）大型光伏發(fā)電項(xiàng)目的成本一般為每瓦2.50-4美元（Barbose等人，2011），而電能的平均成本為每千瓦時(shí)為0.17美元。住宅光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本會(huì)略高（沒有政府的激勵(lì)措），在美國大概為每瓦5美元，而在德國則為每瓦4美元（Barbose等人，2011）[1]。除去制造成本，還有其占地面積往往都是十分廣闊并且還要有充足的日照時(shí)長和光照強(qiáng)度。這些不可控因素都影響了太陽能發(fā)電在全球范圍內(nèi)的廣泛使用，尤其是在一些國土面積較小的國家。

綜上所述，我認(rèn)為太陽能雖然很有潛力但是在未來短期之內(nèi)并不會(huì)成為各國能源技術(shù)的主流。

二、風(fēng)能

風(fēng)能的利用主要是通過將地表大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。像我們在電視中常?？匆姷念愃朴陲L(fēng)車的裝置就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

風(fēng)能的儲(chǔ)量非常豐富，僅僅是全球陸地風(fēng)電總潛能就大約占到了目前全球總發(fā)電量的三分之二，而且海上的風(fēng)能潛力則更高。

雖然風(fēng)能的潛力以及其成本很低的可再生能源十分吸引人，但是我們不能只考慮它帶來的益處，風(fēng)能只有在合適的風(fēng)能和電網(wǎng)條件中才能與其他能源競爭（煤炭、石油和核能）。

目前在那些風(fēng)電系統(tǒng)非常發(fā)達(dá)的國家，仍然有很多游說集團(tuán)正在力圖阻止在陸地上建立更多的風(fēng)電系統(tǒng)。這事實(shí)上確實(shí)存在一些問題;最嚴(yán)重的是視覺效果和聲問題。風(fēng)電場的占地面積非常大，不可能進(jìn)行遮擋大型風(fēng)電場的可視距離很遠(yuǎn)。眾多反對團(tuán)體通常認(rèn)為“風(fēng)電確實(shí)很好，但就是不能安裝在我的后院 ”。葉片旋轉(zhuǎn)聲又是最為嚴(yán)重的聲問題，尤其是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝期間，還存在一些臨時(shí)的噪聲、塵土和其他干擾等問題。

從風(fēng)力發(fā)電角度來看，風(fēng)電發(fā)展可能會(huì)減少鳥類的棲息地繁殖和捕食區(qū)域，此外雖然鳥類碰撞風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等問題不像建筑物或車輛那樣發(fā)生的致命碰撞，但這類問題確實(shí)存在，只有風(fēng)電場位于鳥類遷徙線路上時(shí)才會(huì)出現(xiàn)鳥類碰撞問題，因此應(yīng)當(dāng)避開這些區(qū)域。

最后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在某些情況下會(huì)產(chǎn)生電子干擾，影響電視信號(hào)傳輸和訊通過在中繼站安全距離之外選址等簡單的補(bǔ)救措施可以緩解電子干擾問題。[2]

綜上所述，我認(rèn)為風(fēng)電在未來短期之內(nèi)還有很多有待解決的問題，所以其并不會(huì)成為主流。

三、生物質(zhì)能與氫能

生物質(zhì)能利用技術(shù)主要是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)來制取其它形式的能源。目前比較高效且前沿的就是利用生物質(zhì)來制取氫能。

生物質(zhì)熱解是指將生物質(zhì)燃料在0.1～0.5MP并隔絕空氣的情況下加熱到600-800K將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為液體油，固體以及氣體（H2，CO，CO2及CH4，等）產(chǎn)物，生物質(zhì)氣化制是利用生物質(zhì)制氫最簡潔，最經(jīng)濟(jì)的手段之一，它是通過部分氧化的形式，在800～900℃的溫下，將生物質(zhì)在氣化爐中進(jìn)行氣化熱解，得到富含氫的可燃?xì)怏w并進(jìn)行凈化處理而獲得產(chǎn)品氣，生物質(zhì)超臨界水熱法制氫利用水在臨界點(diǎn)（374℃，22.1MPa）附近的特殊性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的完全氣化，并將水中的部分釋放出來，產(chǎn)物中氫氣的體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到50%，并且不生成焦油，焦炭等雜質(zhì)，對于含水量的濕生物質(zhì)可直接氣化，無需高能耗的干燥過程化學(xué)重整制氫是則以氧化還原反應(yīng)原理為基礎(chǔ)，以生物質(zhì)為燃料、CaO為CO2載體，在兩個(gè)反應(yīng)器之間循環(huán)交替制取氫氣[3]。

氫氣能的主要用途是作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，燃燒使得氣體膨脹帶動(dòng)活塞做功。氫氣還可被用來和氧氣結(jié)合用作火箭推進(jìn)器的燃料。近期的氫燃料電池技術(shù)為氫氣能的利用提供了一種全新的途徑，由于氫氣與氧氣燃燒后的產(chǎn)物為水，從理論上來講此過程并不會(huì)產(chǎn)生CO2還有其它有害的化學(xué)物質(zhì)。所以氫燃料電池被廣泛認(rèn)為是零污染的清潔能源，其作為燃料的需求呈逐漸上升的趨勢，隨著市場需求的不斷擴(kuò)大與發(fā)展，其蘊(yùn)藏著巨大的潛力。據(jù)有關(guān)報(bào)道，世界范圍內(nèi)氫氣每年大約有5000萬噸的交易量，并且其還保持每年近10%的增長率。

氫能作為一種理想的替代能源，可以替代許多種目前使用十分廣泛的化石能源（煤、石油、天然氣等），并能有效應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)和噴射發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)器。氫的規(guī)模制備和儲(chǔ)存運(yùn)輸是氫能應(yīng)用的所要面臨的關(guān)鍵問題。目前，氫燃料電池技術(shù)非常規(guī)或特殊的氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注，一些支持氫氣應(yīng)用的新技術(shù)和新裝備也應(yīng)運(yùn)而生。但是就目前的狀況來看，雖然氫氣能的前景十分光明，但是其發(fā)展道路上的問題仍然不容小覷。

其所面臨的最大問題就是安全保障。眾所周知，氫氣是一種十分易燃易爆的氣體，在空氣中如果混入氫氣體積達(dá)到總體積的4%～74.2%時(shí)，一旦遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸。尤其是在夏季高溫的環(huán)境之中，儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣更是難上加難。雖然目前我國目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的氫氣的低氣溫儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并榮獲科技部2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。但是這樣的成本還是十分高，不如化石燃料更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

生物質(zhì)能的利用同樣面臨很大的問題。用生物質(zhì)來制取其它形式的能源首先需要的就是大面積的土地，這同樣對于土地面積較小的國家來說是很大的負(fù)擔(dān)。同時(shí)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是一個(gè)漫長的過程如果在不借助大型設(shè)備的情況下其通常都需要數(shù)周甚至更長的時(shí)間。雖然利用大型設(shè)備會(huì)大大縮短轉(zhuǎn)化時(shí)間，但是這樣會(huì)使得成本大大提高。想要把成本賺回來，那又將是一個(gè)漫長的過程，此過程中還要承擔(dān)相應(yīng)的設(shè)備維修、人工費(fèi)等額外費(fèi)用。

綜上所述，我認(rèn)為通過生物質(zhì)能來轉(zhuǎn)化其它能源并加以利用的方式在未來短期之內(nèi)并不會(huì)成為我們社會(huì)的主流。

四、地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苁怯傻貧こ槿〉奶烊粺崮?，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并通過熱能的形式存在。對于地?zé)崮艿睦弥饕堑責(zé)峁┡?、地?zé)岚l(fā)電等。在此以地?zé)岚l(fā)電來展開。

地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動(dòng)力源的一種新型發(fā)電技術(shù)，其基本原理和火力發(fā)電類似，都是利用蒸汽的熱能推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，地?zé)岚l(fā)電實(shí)際上就是把地下的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)變過程，與傳統(tǒng)火力發(fā)電不同，地?zé)岚l(fā)電不需要消耗燃，沒有龐大的鍋爐設(shè)備，沒有灰渣和煙氣對環(huán)境的污染，是比較清潔的能源，針對可利用溫度不同的地?zé)豳Y源，地?zé)岚l(fā)電可分為地?zé)嵴羝l(fā)電，地下熱水發(fā)電，全流地?zé)岚l(fā)電和地下熱巖發(fā)電四種方式[4]。

地?zé)崮茈m然在開鑿地?zé)峋⑶野惭b相應(yīng)的設(shè)備之后就可以直接利用，而且成本也會(huì)非常之低相比于其它的能源利用，但是在建設(shè)的過程中還有很多問題忽視，一下從四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

第一，不同地?zé)峋臒崴疁囟仁亲兓?，九十多度，八十多度，七十多度甚至是五六十度都有用來供暖的，不像是我們常?guī)鍋爐供暖那樣，熱水95℃出，70℃回。因此，地?zé)峁┡荒芎唵蔚啬７鲁Ｒ?guī)鍋爐供暖的方式，而是根據(jù)不同的地?zé)峋硇性O(shè)計(jì)。

第二，地?zé)崴畯牡叵鲁槌鼋?jīng)供暖系統(tǒng)利用后隨即排放，它并不能像鍋爐供暖回水那樣再返回鍋爐。因此，為了達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益的最大化，就要充分利用地?zé)崴臒崮?，供排水溫度要盡量降低以此來提高地?zé)崂寐省?/p>

第三，由于開鑿地?zé)峋馁M(fèi)用十分昂貴，所以為了充分利用地?zé)崮埽瑧?yīng)將地?zé)崴峁┑臒嶝?fù)荷作為基本負(fù)荷，以此滿足初寒期和末寒期的負(fù)荷要求。對于嚴(yán)寒期熱負(fù)荷不足的部分，可以在地?zé)嵯到y(tǒng)中配置相應(yīng)的調(diào)峰熱源（如鍋爐、熱泵等），專門在嚴(yán)寒期啟動(dòng)調(diào)峰，以此來補(bǔ)充負(fù)荷的不足問題，這樣就可以使得鍋爐調(diào)峰的時(shí)間較短，耗煤較少，而地?zé)峋鶐У呢?fù)荷卻可以大大增加，達(dá)到充分利用地?zé)崮艿哪康摹５侨绾芜x取調(diào)峰熱源？調(diào)峰負(fù)荷與基本負(fù)荷的比例多少最為合適？這些也是地?zé)峁┡煌阱仩t供暖之處。

第四，地?zé)崴话愣季哂胁煌潭鹊母g性，如果是直接進(jìn)入供暖系統(tǒng)會(huì)腐蝕系統(tǒng)的金屬管道或散熱設(shè)備，這樣會(huì)大大縮短系統(tǒng)的使用壽命，因此需要采用配有鈦板的換熱器的間接供暖系統(tǒng)或采用防腐耐熱的非金屬設(shè)施。所以建設(shè)不同地?zé)峋畷r(shí)要根據(jù)地?zé)崴乃|(zhì)來采取相應(yīng)的材料。

地?zé)岬睦眠€要面對環(huán)境污染的問題，先介紹幾種主要污染形式。

熱污染，在地?zé)衢_發(fā)利用過程中，必然會(huì)向周圍大氣和水體排放大量的熱量，使水體和空氣的溫度上升，影響環(huán)境和生物的生長和生存，破壞水體生態(tài)平衡。如果將溫度較高的地?zé)嵛菜欧诺较滤赖扰盼酃艿?，還可能會(huì)造成細(xì)菌等各種微生物的大量繁殖，所以相關(guān)環(huán)保部門規(guī)定地?zé)崤潘乃疁夭坏酶哂?5℃。

空氣污染，在地?zé)豳Y源的開發(fā)利用過程中，熱流體中所包含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中，其中濃度較高，危害較大的有硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）等，同時(shí)還有不凝氣體少量地?zé)崃黧w中含有氨（NH3）的成分，它也會(huì)對人體和某些動(dòng)植物造成潛在的危害。

綜上所述，地?zé)嵯到y(tǒng)的開采和利用，如果管理不善，或不注意水污染防治，對于地下水及周圍環(huán)境將存在著潛在的嚴(yán)重危害，所以我認(rèn)為地?zé)崮芤膊粫?huì)成為未來短期之內(nèi)的能源主流。

五、核能

核能發(fā)電的能量來自核反應(yīng)堆中可裂變材料 （ 核燃料 ） 進(jìn)行裂變反 應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾 -235、钚 -239、鈾 -233 等重元素在 中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過程。反應(yīng)中， 可裂變物的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變并放出兩三個(gè)中子。若這些中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂變，使裂變自持地進(jìn)行，則這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。[5]

提到核能，人們通常會(huì)想到一些非常嚴(yán)重的核事故，其中最具有代表性的相比就是上世紀(jì)八十年代的切爾諾貝利事故還有2011年的日本福島縣的福島第一核電站事故。這兩起事件都被國際事件分級表評為第七級事件的特大事故。所以在很多人的心中并不看好核能。但是我認(rèn)為核能還是會(huì)在未來占據(jù)能源的主流。

核電站的占地面積相較于前面所提到的幾種能源利用廠來說可謂是十分袖珍，一般來說一座核電站占地在兩三千畝左右，而且隨著科技的進(jìn)步，核電站的大小也在不斷地小型化。雖然核電站的選址比較特殊，一般都選在沿海地區(qū)并且離大城市相對較遠(yuǎn)的地方。但這也是為了安全考慮，如果不幸發(fā)生了核泄漏，那么沿海的區(qū)位優(yōu)勢會(huì)使得對也本國的污染降到最低。不像切爾諾貝利事故一樣，有 4000多平方公里的土地被荒廢，這對于一個(gè)國土面積十分有限的國家來說可謂是滅頂之災(zāi)。而且就目前的核事故調(diào)查結(jié)果來說，其發(fā)生的主要原因并不是設(shè)備因素，主要是人為操作不當(dāng)或者是自然因素（如地震、海嘯等）所造成的。所以總的來說，核電站的安全系數(shù)還是很高的。

以發(fā)電的效率來說，核電站也是遙遙領(lǐng)先于其它能源。太陽能發(fā)電還要考慮到夜間以及光照不足的時(shí)候;風(fēng)力發(fā)電還要受約于無風(fēng)或者是風(fēng)力太微弱以至于還帶不動(dòng)發(fā)電機(jī)的情況;生物質(zhì)能和地?zé)崮苓€要受制于生物質(zhì)以及地?zé)崴Y源枯竭的困境。反觀核電站就不受此限制，例如對于一座 100 萬千瓦壓水堆核電站來說，每年大約需要補(bǔ)充 40 噸燃料，其中只消耗約 1.5 噸鈾- 235，其余的尚可收回。而對一座 100 萬千瓦燒煤的發(fā)電廠，每年致少消耗 2120000 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，平均每天要有艘萬噸輪，或三列 40 節(jié)車廂的火車運(yùn)煤到發(fā)電廠。運(yùn)輸負(fù)擔(dān)之沉重是可想而知的。所以核電站燃料的用量和運(yùn)輸于其它能源的相比是微不足道的。

記得有一部紀(jì)錄片名叫《走進(jìn)比爾》。它是從各個(gè)方面對微軟創(chuàng)始人比爾蓋茨進(jìn)行采訪。此紀(jì)錄片一共有三集，其中有一集專門介紹了比爾蓋茨以及其團(tuán)隊(duì)對于能源技術(shù)方面的研究，并且在這一集中用了相當(dāng)大的篇幅來介紹他們團(tuán)隊(duì)對于新型核電站的研究。比爾的團(tuán)隊(duì)本來已經(jīng)和中國核電集團(tuán)簽約要在我國建設(shè)這種新型核電站，但是最終由于美方認(rèn)為此舉有泄漏技術(shù)的原因而最終石沉大海。

就目前的核電站而言，其主要應(yīng)用的技術(shù)是核裂變。核裂變會(huì)產(chǎn)生很多的核廢料，它們對于環(huán)境的污染是十分嚴(yán)重，但是現(xiàn)在還有無數(shù)的核科學(xué)家正在為了更加清潔的核技術(shù)而不斷努力，那就是核聚變技術(shù)。從理論上講核聚變不會(huì)產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不會(huì)產(chǎn)生高輻射的核廢料，當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本可以做到不污染環(huán)境。而且核裂變與核聚變技術(shù)還在一定程度上可以應(yīng)用于軍事方面，這樣對于國家安全也是很大程度上的提升。

對于核技術(shù)的研究，也不僅僅用于發(fā)電與軍事方面。同時(shí)也可以應(yīng)用于宇宙的探索。比方說通過研究原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以幫助人們對宇宙中的反物質(zhì)、暗物質(zhì)等進(jìn)一步了解。

綜上所述，在未來的能源技術(shù)發(fā)展方面我認(rèn)為核能的發(fā)展?jié)摿κ瞧渌茉丛诙唐谥畠?nèi)無法比擬的。核能以及核物理方面技術(shù)的發(fā)展不及關(guān)系到一個(gè)國家的能源安全甚至可以上升到國家安全的層面。從1954年前蘇聯(lián)的第一座核電站建成至今，全球已有438座核電站，總發(fā)電容量為353千兆瓦，占全世界發(fā)電量的16%，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過1萬堆年（1個(gè)堆年相當(dāng)于核電站中的一個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行一年）。而且還在不斷增加。這些都是其它新能源難以在未來短期之內(nèi)多達(dá)到的。

參考文獻(xiàn)

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[2] 索特里斯A·卡魯赫羅.太陽能能源工程工藝與系統(tǒng)[M].北京：中國三峽出版社，2018. 785-786.

[3] 袁振宏等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.330.

[4] 唐志偉等.地?zé)崮芾眉夹g(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.236.

[5] 核能發(fā)電基本原理[J].中國三峽，2009，01：81.

王正旭（2001.1- ?） 性別：男 ?民族：漢族 ?籍貫：江蘇省徐州市 ? 學(xué)位：本科生 研究方向：能源 ?學(xué)歷在讀：華東理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)二年級在讀本科生