人類未來能源的希望之光

高新民

人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以化石能源（煤炭、石油、天然氣）為主的能源資源大規(guī)模開發(fā)，資源儲(chǔ)量日益減少和生態(tài)環(huán)境日趨惡化，人類對(duì)未來能源的短缺和生態(tài)環(huán)境惡化憂慮重重，無可厚非。然而，目前，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)開發(fā)新能源科學(xué)研究愈來愈深入，世界各國(guó)科學(xué)家近來紛紛研究開發(fā)和發(fā)現(xiàn)的“可燃冰”、“太空（宇宙）太陽(yáng)能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”等新型清潔能源，使我們看到了20到50年戰(zhàn)略性解決人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能源短缺和生存環(huán)境惡化問題的希望之光。

研發(fā)未來新型潔凈能源的緊迫性

能源資源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)資源之一。故有“煤炭是工業(yè)糧食，石油是工業(yè)血液”之稱。能源工業(yè)發(fā)展既關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，又關(guān)系到人類生存環(huán)境的優(yōu)劣。

當(dāng)前人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨兩大壓力，一是能源短缺的壓力。世界能源供給以化石能源為主即不可再生能源。世界煤炭、石油、天然氣基礎(chǔ)儲(chǔ)量靜態(tài)可供開采的年限為煤炭162年、石油40年、天然氣65年；中國(guó)煤炭、石油、天然氣基礎(chǔ)儲(chǔ)量靜態(tài)可供開采的年限為煤炭80多年、石油15年、天然氣30年。所以，能源安全已成為全球關(guān)注的重大問題，研發(fā)新的潔續(xù)能源已成為世界各國(guó)十分緊迫的戰(zhàn)略性任務(wù)。二是環(huán)境壓力日趨嚴(yán)重，已威脅到人類生存的安全問題。

當(dāng)前，從世界到中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)依然是以化石燃料為主可再生能源為輔并存的能源結(jié)構(gòu)格局，世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)總量中化石能源占88%（煤炭28.6%、石油35.6%、天然氣25.6%），非化石能源和再生能源僅占12%；中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)總量中化石能源消費(fèi)占98.2%（煤炭69.4%、石油20.46%、天然氣3%），非化石能源和可再生能源（水電、風(fēng)電、核電、生物質(zhì)能）占7.2%。以化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。所以，世界各國(guó)都在積極優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)。加速發(fā)展利用水能、風(fēng)能、海洋能、核能、生物質(zhì)能，減緩環(huán)境壓力的同時(shí)都在投入大量的資金和人力著重研發(fā)新型潔凈能源。

未來新型清潔能源之希望

新的潔凈能源應(yīng)具備三個(gè)條件。一是能夠替代目前的化石燃料成為未來的主要能源；二是資源儲(chǔ)量能夠滿足人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要；三是不會(huì)對(duì)人類生存環(huán)境造成安全威脅。世界各國(guó)目前投入巨資著力研究開發(fā)的新型清潔能源有三種，即“可燃冰”、“太空（宇宙）太陽(yáng)能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”。

（一）可燃冰研發(fā)開采

可燃冰即甲烷（CH4）的水合物，是甲烷在高壓低溫條件下形成的水合物，是一種白色冰狀的結(jié)晶體。甲烷在攝氏溫度0°、壓力在2.65MPa和在攝氏溫度10°、壓力在7.87MPa皆可形成可燃冰。是近20年來在深海底和凍土層發(fā)現(xiàn)的一種燃燒值很高，貯量巨大的新型潔凈能源。其1m3可燃冰相當(dāng)于0.164t石油、0.32t標(biāo)煤、164m3的天然氣。全球總資源量相當(dāng)于全球已探明（已知）煤炭、石油、天然氣總儲(chǔ)量的2倍，可滿足人類1000年能源需求。所以，世界各國(guó)都在積極研究開發(fā)。2000年，日本在完成為期5年投資6400萬美元可燃冰專項(xiàng)計(jì)劃后又啟動(dòng)了2001年可燃冰項(xiàng)目。美國(guó)1969年實(shí)施可燃冰調(diào)查，1998年把可燃冰作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，列入國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。計(jì)劃2015年實(shí)施商業(yè)性開發(fā)。印度1995年制定了全國(guó)天然氣水合物研究計(jì)劃，投資5600萬美元進(jìn)行可燃冰開發(fā)研究。我國(guó)對(duì)可燃冰的開發(fā)研究起步晚進(jìn)展快，在可燃冰的地震識(shí)別技術(shù)、地球化學(xué)探測(cè)技術(shù)、資源綜合評(píng)價(jià)技術(shù)和保真取樣技術(shù)等方面取得了顯著的進(jìn)展，研制的“深水淺孔可燃冰保真取樣器”處于國(guó)際領(lǐng)先地位。初步勘察預(yù)測(cè)我國(guó)南海北部陸坡“可燃冰”遠(yuǎn)景資源量可達(dá)上百億頓油當(dāng)量。2008年8月在我國(guó)南海北部成功地鉆獲了可燃冰實(shí)物樣品，從而成為繼美國(guó)、日本、印度之后第四個(gè)通過國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到可燃冰實(shí)物樣品的國(guó)家。標(biāo)志著我國(guó)可燃冰調(diào)查研究水平步入世界先進(jìn)行列?？扇急拈_發(fā)利用雖然在開采、儲(chǔ)存和運(yùn)輸中存在著諸多的技術(shù)難題需要研究解決，但一些發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)測(cè)到2015年可燃冰可實(shí)現(xiàn)商業(yè)性的開發(fā)。

（二）太空（宇宙）太陽(yáng)能發(fā)電

在宇宙空間建立太陽(yáng)能發(fā)電站比在地面上利用太陽(yáng)能發(fā)電具有很大優(yōu)勢(shì)。一、太空太陽(yáng)光強(qiáng)度比地面大5～10倍，發(fā)電效率高。二、太空無晝夜之分，全天24小時(shí)采集太陽(yáng)能不受天氣影響。三、不污染，無廢棄物。所以世界上許多國(guó)家諸如美國(guó)、日本、德國(guó)都把建立太空太陽(yáng)能發(fā)電站作為能源戰(zhàn)略問題，投入巨資進(jìn)行研發(fā)。美國(guó)計(jì)劃在10年內(nèi)試驗(yàn)宇宙太陽(yáng)能發(fā)電，一年內(nèi)采集的太陽(yáng)能相當(dāng)于地球已探明的常規(guī)能源儲(chǔ)量總和。其系統(tǒng)用兩組相距50km的特殊反光鏡和太陽(yáng)能電池板等組成。位于地面約3.6萬km高的靜止的地球軌道上。反光鏡可將太陽(yáng)光集中到中央電池板上生成電力，轉(zhuǎn)換成微波傳輸?shù)降孛嬷睆?00m以上的接收裝置。再通過專用的傳輸電線輸送到用戶（或轉(zhuǎn)換成炭燃料供用戶使用）。系統(tǒng)的最大輸出功率達(dá)到1000萬kw。相當(dāng)于10個(gè)100萬kw的核電站，項(xiàng)目總投資達(dá)87億美元。美國(guó)科學(xué)家預(yù)測(cè)，到2025年美國(guó)有可能在太空建立100座太陽(yáng)能發(fā)電站。屆時(shí)可滿足美國(guó)全國(guó)30%的電力需求。日本科學(xué)家計(jì)劃用20年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)太空太陽(yáng)能發(fā)電，日本激光技術(shù)綜合研究所2007年利用太陽(yáng)光生成可傳輸電能的最高能力可達(dá)180瓦的激光束。北海道科學(xué)家2008年2月試驗(yàn)以微波形式傳輸電能，2020年把太陽(yáng)發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到地球靜止軌道上，建成實(shí)驗(yàn)性太空太陽(yáng)能發(fā)電站（SPS2000），采用微波和激光兩種傳輸方式把電能傳輸?shù)降孛娼邮障到y(tǒng)。電能達(dá)到100萬kw（相當(dāng)于一座大型核電站的發(fā)電量）。預(yù)計(jì)2050年接受試驗(yàn)進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。

美國(guó)休士頓科學(xué)家預(yù)測(cè)2050年全球人類取電量20萬億kw。月球從太陽(yáng)獲得太陽(yáng)能可轉(zhuǎn)換發(fā)電能力高達(dá)13000萬億kw。他們研究在月球東西部邊緣設(shè)置20～40個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)微波傳輸?shù)降孛娼邮照舅屯脩簟?/p>

（三）核聚變能發(fā)電的研發(fā)

“核聚變能”即氫的同位素氘（氫的同位素之一，符號(hào)D2，質(zhì)量2，排序88）和氚（氫的同位素之一，符號(hào)D2，質(zhì)量2，排序67）在高溫條件下（1億℃）發(fā)生熱核聚變，產(chǎn)生較重的原子核，釋放出能量。熱核聚變具有清潔和易采集的特點(diǎn)。每一升水中含氘30mg。聚變反映產(chǎn)生的能力相當(dāng)于300升汽油的熱能。地球上僅海水中含有45萬億噸的氘，足夠人類使用上百億年，是未來解決人類能源短缺和生存環(huán)境問題最重要的途徑之一。世界各國(guó)都非常重視這一問題的研究，國(guó)際間建立了國(guó)際熱核反應(yīng)堆計(jì)劃（簡(jiǎn)稱國(guó)際熱核計(jì)劃）。歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、中國(guó)、韓國(guó)和印度都參加了總投資一百億美元在法國(guó)建立受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)室，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，規(guī)模與未來實(shí)用核聚變反應(yīng)堆相仿，用于解決建設(shè)核聚變電站的關(guān)鍵技術(shù)問題，預(yù)計(jì)35～50年建成核聚變發(fā)電站。我國(guó)高度重視熱核聚變?cè)囼?yàn)的重大科研項(xiàng)目，投入2億元（人民幣）支持中科院離子體物理研究所進(jìn)行核聚變裝置試驗(yàn)研究；投入45億元（人民幣）參與國(guó)際熱核計(jì)劃。我國(guó)已自主研制成目前世界上等離子體運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的核聚變?cè)囼?yàn)裝置“EAST”，處于該領(lǐng)域研究的先進(jìn)行列。

節(jié)能減排更為迫切

人類依靠科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)“可燃冰”、“太空太陽(yáng)能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”，在未來20～50年解決人類擔(dān)憂的能源短缺和生存環(huán)境的惡化問題不是幻想，是建立在科技創(chuàng)新、科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。我們應(yīng)該對(duì)未來新型潔凈能源的開發(fā)利用充滿信心。

當(dāng)然，我們也清醒地明白，“可燃冰開發(fā)利用”、“太空太陽(yáng)能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”，從理論研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)到實(shí)際的應(yīng)用還有諸多的關(guān)鍵性的技術(shù)問題，需要較長(zhǎng)時(shí)間的研究解決。

因此當(dāng)前我們?cè)诜e極研發(fā)新型潔凈能源的同時(shí)，既要優(yōu)化能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，加快發(fā)展水能、風(fēng)能、核能、海洋能和生物質(zhì)能等再生清潔能源，減少化石能源對(duì)環(huán)境的影響。又要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)方式，搞好節(jié)能減排工作，提高能源的利用效率和減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

(作者系陜西省決策咨詢委員會(huì)委員、陜西省煤炭學(xué)會(huì)理事長(zhǎng))