未来能源的论文

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人类未来能源的研究与发展
摘　要:对人类社会经济快速发展,能源资源大规模开发所带来的能源短缺和环境问题,以及人类
研发未来新型洁净能源的紧迫性和发展的希望,作了简要分析。
关键词:未来能源;能源短缺;环境压力
0　引言
人类社会经济快速发展,以化石能源(煤炭、石
油、天然气)为主的能源资源大规模开发,资源储量
日益减少和生态环境日趋恶化,使人类对未来能源
的短缺和生态环境恶化忧虑重重。目前,随着科学
技术发展对开发新能源科学研究愈来愈深入,世界
各国科学家研究开发和发现的“可燃冰”、“太空(宇
宙)太阳能发电”、“热核聚变发电”的新型清洁能源
使我们看到了20~50 a战略性解决人类社会经济
发展中能源短缺和生存环境恶化问题的希望之光。
1　研发未来新型洁净能源的紧迫性
能源资源是现代社会发展最重要的基础资源之
一。能源工业发展既关系到社会经济的可持续发
展,又关系到人类生存环境的优劣。世界能源供给
以化石能源(不可再生能源)为主。化石能源的主
力则是煤炭和石油,故有“煤炭是工业食粮”,石油
是工业血液”之称。然而,当前人类社会经济的可
持续发展却面临两大压力,即能源短缺和环境问题。
1. 1　能源短缺的压力
世界煤炭、石油、天然气基础储量静态可供开采
的年限为煤炭162 a、石油40 a、天然气65 a;中国煤
炭、石油、天然气基础储量静态可供开采的年限为煤
炭80 a、石油15 a、天然气30 a。所以,能源安全已
成为全球关注的重大问题,研发新的洁续能源已成
为世界各国十分紧迫的战略性任务。
1. 2　环境的压力
环境压力日趋严重已威胁到人类生存的安全问
题。当前,从世界到中国能源消费结构依然是以化
石燃料为主,可再生能源为辅的能源结构格局,世界
能源消费结构总量中化石能源占88% (煤炭28.
6%、石油35. 6%、天然气25. 6% ),非化石能源和再
生能源仅占12%;中国能源消费结构总量中化石能
源消费占98. 2% (煤炭69. 4%、石油20. 46%、天然
气3% ),非化石能源和可再生能源(水电、风电、核
电、生物质能)占7. 2%。以化石能源为主的能源消
费结构造成了严重的温室效应和环境污染。所以,
世界各国都在积极优化能源生产结构和消费结构。
加速发展利用水能、风能、海洋能、核能、生物质能,
减缓环境压力的同时都在投入大量的资金和人力着
重研发新型洁净能源。
2　未来新型清洁能源之希望
新的洁净能源应具备三个条件:①能够替代目
前的化石燃料成为未来的主要能源;②资源储量能
够满足人类社会经济可持续发展的需要;③不会对
人类生存环境安全造成威胁。世界各国目前投入巨
资着力研究开发的新型清洁能源有“可燃冰”、“太
空(宇宙)太阳能发电”、“热核聚变发电”等。
2. 1　可燃冰研发开采
可燃冰即甲烷(CH4)的水合物,是甲烷在高压
低温条件下形成的水合物,是一种白色冰状的结晶
体。甲烷在摄氏温度0°、压力在2. 65MPa;温度在
摄氏10°、压力在7. 87MPa皆可形成可燃冰。是近
20 a来在深海底和冻土层发现的一种燃烧值很高,
贮量巨大的新型洁净能源。其1 m3可燃冰相当于
0. 164 t石油、0. 32 t标煤、164 m3的天然气。全球
总资源量相当于全球已探明(已知)煤炭、石油、天
然气总储量的2倍,可满足人类1 000 a能源需求。
所以,世界各国都在积极研究开发。2000年,日本
在完成为期5 a投资6 400万美元可燃冰专项计划
后又启动了2001年可燃冰项目。美国1969年实施
可燃冰调查, 1998年把可燃冰作为国家发展战略列
入国家长远计划,计划2015年实施商业性开发。印
度1995年制定了全国天然气水合物研究计划,投资
5 600万美元进行可燃冰开发研究。我国对可燃冰
的开发研究起步晚进展快,在可燃冰的地震识别技
术、地球化学探测技术、资源综合评价技术和保真取
样技术等方面取得了显著的进展,研制的“深水浅
孔可燃冰保真取样器”处于国际领先地位。初步勘
察预测我国南海北部陆坡“可燃冰”远景资源量可
达上百亿t油当量。2008年8月在我国南海北部成
功的钻获了可燃冰实物样品,从而成为继美国、日
本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到可燃
冰实物样品的国家。标志着我国可燃冰调查研究水
平步入世界先进行列。可燃冰的开发利用虽然在开
采、储存和运输中存在着诸多的技术难题需要研究
解决,但一些发达国家预测到2015年可燃冰可实现
商业性的开发。
2. 2　太空(宇宙)太阳能发电
在宇宙空间建立太阳能发电站比在地面上利用
太阳能发电具有很大优势。①太空太阳光强度比地
面大5~10倍,发电效率高;②太空无昼夜之分,全
天24 h采集太阳能不受天气影响;③无污染无废弃
物。世界上许多国家诸如美国、日本、德国都把建立
太空太阳能发电站作为能源战略问题,投入巨资进
行研发。美国计划在10 a内试验宇宙太阳能发电,
1 a内采集的太阳能相当于地球已探明的常规能源
储量总和。其系统用两组相距50 km的特殊反光镜
和太阳能电池板等组成。位于地面约3. 6万km高
的静止的地球轨道上。反光镜可将太阳光集中到中
央电池板上生成电力,转换成微波传输到地面直径
500 m以上的接收装置。再通过专用的传输电线输
送到用户或转换成炭燃料供用户使用。系统的最大
输出功率达到1 000万kW。相当于10个100万
kW的核电站,项目总投资达87亿美元。美国科学
家预测,到2025年美国有可能在太空建立100座太
阳能发电站。届时可满足美国全国30%的电力需
求。日本科学家计划用20 a时间实现太空太阳能
发电,日本激光技术综合研究所2007年利用太阳光
生成可传输电能的最高能力可达180W的激光束。
北海道科学家2008年2月试验以微波形式传输电
能, 2020年把太阳发电卫星发射到地球静止轨道
上,建成实验性太空太阳能发电站(SPS2000),采用
微波和激光两种传输方式把电能传输到地面接收系
统。电能达到100万kW(相当于一座大型核电站
的发电量)。预计2050年接受试验进入规模运行。
美国休士顿科学家预测2050年全球人类取电
量20万亿kW。月球从太阳获得太阳能可转换发
电能力高达13 000万亿kW。他们研究在月球东西
部边缘设置20~40个太阳能发电系统,经微波传输
到地面接收站送往用户。
2. 3　核聚变能发电的研发
“核聚变能”即氢的同位素氘(氢的同位素之
一,符号D2,质量2,排序88)和氚(氢的同位素之
一,符号D2,质量2,排序67)在高温条件下(摄氏1
亿℃)发生热核聚变,产生较重的原子核,释放出能
量。热核聚变具有清洁和易采集的特点。每一升水
中含氘30 mg。聚变反映产生的能力相当于300 l
汽油的热能。地球上仅海水中含有45万亿t的氘,
足够人类使用上百亿年,是未来解决人类能源短缺
和生存环境问题最重要的途径之一。世界各国都非
常重视这一问题的研究,国际间建立了国际热核反
应堆计划(简称国际热核计划)。欧盟、美国、俄罗
斯、日本、中国、韩国和印度都参加了总投资100亿
美元在法国建立受控热核聚变实验室,旨在建立世
界上第一个受控热核聚变实验反应堆,规模与未来
实用核聚变反应堆相仿,用于解决建设核聚变电站
的关键技术问题,预计35~50 a建成核聚变发电
站。我国高度重视热核聚变试验的重大科研项目,
投入2亿元人民币支持中科院离子体物理研究所进
行核聚变装置试验研究;投入45亿元(人民币)参
与国际热核计划。我国已自主研制成目前世界上等
离子体运行时间最长的核聚变试验装置“EAST”,处
于该领域研究的先进行列。
3　着眼未来立足当前
人类依靠科学技术创新开发(上转第100页
(下接第104页)
“可燃冰”、“太空太阳能发电”、“热核聚变发电”,
在未来20~50 a解决人类担忧的能源短缺和生存
环境的恶化问题不是幻想、是建立在科技创新、科学
实验基础之上的。我们应该对未来新型洁净能源的
开发利用充满信心。
“可燃冰开发利用”、“太空太阳能发电”、“热核
聚变发电”,从理论研究、科学实验到实际的应用还
有诸多的关键性的技术问题,需要较长时间的研究
解决。因此当前我们在积极研发新型洁净能源的同
时,既要优化能源生产和消费结构,加快发展水能、
风能、核能、海洋能和生物质能等再生清洁能源,减
少化石能源对环境的影响,又要转变经济的增长方
式,搞好节能减排工作,提高能源的利用效率和减少
对生态环境的影响,实现节约发展、清洁发展。

能源种类繁多，而且经过人类不断的开发与研究，更多新型能源已经开始能够满足人类需求。根据不同的划分方式，能源也可分为不同的类型。 　　1、按来源分为3类：地球本身蕴藏的能量 通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。 　　①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。除直接辐射外，并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 　　②地球本身蕴藏的能量。如原子核能、地热能等。 　　③地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000度。可见，地球上的地热资源贮量也很大。 　　2、按能源的基本形态分类，有一次能源和二次能源。前者即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。后者指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、油页岩等）。根据产生的方式可分为一次能源（天然能源）和二次能源（人工能源）。一次能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，一次能源包括可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源，其中包括水、石油和天然气在内的三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。 　　 　　3、按能源性质分，有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）和非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。人类利用自己体力以外的能源是从用火开始的，最早的燃料是木材，以后用各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气、泥炭等。现正研究利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。当前化石燃料消耗量很大，但地球上这些燃料的储量有限。未来铀和钍将提供世界所需的大部分能量。一旦控制核聚变的技术问题得到解决，人类实际上将获得无尽的能源。 　　4、根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。 　　5、根据能源使用的类型又可分为常规能源和新型能源。常规能源包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。新型能源是相对于常规能源而言的，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及用于核能发电的核燃料等能源。由于新能源的能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用;但新能源大多数是再生能源。资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。 　　6、人们通常按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类。世界能源委员会推荐的能源类型分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源。已被人类认识的上述能源，在一定条件下可以转换为人们所需的某种形式的能量。比如薪柴和煤炭，把它们加热到一定温度，它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能。我们可以用热来取暖、做饭或制冷，也可以用热来产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，使热能变成机械能；也可以用汽轮机带动发电机，使机械能变成电能；如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户，它又可以转换成机械能、光能或热能。 　　7、商品能源和非商品能源 凡进入能源市场作为商品销售的如煤、石油、天然气和电等均为商品能源。国际上的统计数字均限于商品能源。非商品能源主要指薪柴和农作物残余（秸秆等）。1975年，世界上的非商品能源约为0.6太瓦年，相当于6亿吨标准煤。据估计，中国1979年的非商品能源约合2.9亿吨标准煤。 　　8、再生能源和非再生能源 人们对一次能源又进一步加以分类。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。核聚变的能比核裂变的能可高出 5～10倍，核聚变最合适的燃料重氢（氘）又大量地存在于海水中，可谓“取之不尽，用之不竭”。核能是未来能源系统的支柱之一。 　　随着全球各国经济发展对能源需求的日益增加，现在许多发达国家都更加重视对可再生能源、环保能源以及新型能源的开发与研究；同时我们也相信随着人类科学技术的不断进步，专家们会不断开发研究出更多新能源来替代现有能源，以满足全球经济发展与人类生存对能源的高度需求，而且我们能够预计地球上还有很多尚未被人类发现的新能源正等待我们去探寻与研究。

常规能源和新能源其中，已被人类广泛利用并在人类生活和生产中起过重要作用的能源，称为常规能源，通常是指煤炭、石油、天然气、水能等四种。而新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源，相对于常规能源而言，在不同的历史时期和科技水平情况下，新能源有不同的内容。当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气等

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