未来能源的论文

未来能源

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

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“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