新能源技術（二）
急待開發使用的新能源
面對能源危機，世界許多國家在積極制訂節能措施，提高能源利用率，降低能源消耗政策的同時，著力新能源的研究與開發。所謂“新能源”，是指目前尚未被人類大規模利用，正有待於進一步研究試驗和開發利用的新型能源。近些年來，經各國科學家們從多方面摸索探尋有可能發展成新能源的資源、材料和技術途徑日益增多，有些已開始逐步走向實用化。最有發展前途的是：把自然界存在的陽光、地熱、風力、水力和有機生物量轉變成燃料、熱和電力。即把太陽能、地熱能、風能、海洋能、核聚變能，以及生物質能、氫能等“可再生能源”的工藝和技術加以開發、改進。另外，還在積極研究試驗將“初級能源”轉化為“二次能源”的新技術，例如，煤炭的氣化和液化、太陽能直接轉化為電能、磁流體發電和超導能源等技術。據專家們預測，再生能源的開發技術在未來10-20年內將會有重大突破，到2020年，“可再生能源”佔全世界“初級能源”供應的比重，將提高到8%左右。力爭在不太長的時期內，將以“初級能源”供應為主的局面逐步過渡到以持久的、多樣化的“可再生能源”為主的新型能源結構上來。
當今各國政府都在積極加緊發展“可再生能源”，並已取得相當可觀的成就。
一、太陽能開發技術日趨成熟
太陽能既是“一次能源”，又是“可再生能源”。實際上太陽能、風能、水能、海洋溫差能、潮夕能、波浪能、生物質能，都是直接或間接來自太陽。地球上的礦物燃料從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能；各種植物通過光合作用轉換成化學能也是太陽能在植物裡貯存下來的。因此，可以說“萬物生長靠太陽”。太陽是一個巨大的久遠的無盡能源。儘管太陽輻射到地球大氣層的能量僅是其總輻射能量（約為3.75億艾瓦）的二十二億分之一，即約為173拍瓦，其中大部分能量已轉變為風、雨、霜、雪等氣象現象及被空間反射掉，真正落到地面的能量約為17拍瓦。也就是說，太陽每秒鐘照射到地球上的能最約為500萬噸煤當量，一年則是170萬億噸煤當量。這樣，就是僅剩的這些能量也比目前全世界的能耗量大3.5萬倍。
太陽能是一種資源豐富，勿需運輸，又不會汙染環境的最佳自然能源。太陽能的利用一般分光-熱轉換和光-電轉換兩大類。前者為太陽能的熱利用，如太陽灶、太陽能熱水器等。後者是利用“光電效應”原理將太陽能直接轉換成電能，如太陽能電池。
太陽能電池是目前利用太陽能的主要手段。其轉換介質材料主要是單晶硅，以及硫化鎘、砷化鎵、砷化鎵-砷化鋁鎵等，目前單晶硅電池的轉換效率已達13-17%，超過了理論極限值（24%）一半以上。據1990年12月25日《人民日報》報道說，有的國家太陽能電池在不聚焦時的直接光電轉換效率已達23%。從60年代開始太陽能電池就已應用於人造衛星等空間航行器上，已逐步發展成地面特殊場合的輔助能源，應用範圍逐步擴展，並正向大功率應用方向發展。據統計，上世紀90年代全世界有19座100千瓦以上的太陽能發電站，其中13座已建成運轉。
雖然單晶硅太陽能電池製造工藝複雜，價格較貴，將要被非晶硅薄膜新材料所替代，但太陽能的利用前景卻是可以肯定的。1991年初，德國召開的第六屆太陽能利用技術研討會上，展示了太陽能應用的技術成果和理論研究成果，充分證明太陽能的利用具有投資少、見效快、適應性強等優點，並使人們看到太陽能電池和太陽能發電技術手段已達到日趨成熟的水平，進一步證明這種用之不竭的自然能源有著廣闊的開發前景。
太陽能技術比較發達的國家是瑞士聯邦，它有一個龐大的利用太陽能發展規劃，到2000年時，安裝總功率達220兆瓦的太陽能發電裝置，這個規劃的第一期工程已經完成，許多地區已開始使用太陽能電源供電。
隨著相關高技術的發展，太陽能的開發利用將不斷得到發展。例如，超導材料進一步擴大實用後，製成大容量太陽能蓄電裝置，可以長時間、無損耗地大量貯存太陽能，因而必將使太陽能利用得到更快發展。一些專家認為，如在今後100-200年內，太陽能的利用在技術上取得重大突破的話，它將有可能取代石化能源而成為主要能源。
二、最有爭議而最有前途的核能
由於二次大戰末期美國使用了綽號為“小男孩”、“胖子”兩顆原子彈在日本廣島、長崎造成的災難和近年來蘇聯切爾諾貝利、美國三里島等核電站事故的發生，人們一講到核能就談虎色變。因而長期以來“核電”成為舉世矚目的爭議問題。儘管70年代初許多發達國家制訂的核電發展計劃遭到大幅度削減，有些國家也在爭論不休中緩慢發展。但是，在傳統能源面臨枯竭的危機面前和核電技術不斷髮展的兩重脅迫下，核能的技術成就在困惑中傲然成長並受到國際公認。專家們認為，核能的開發、利用是本世紀科技發展的重大成果，是解決人類能源危機的最有希望的手段之一。並認為，未來世界的主要能源將是以核能取代石油。預計到2000年核燃料提供的核能將在一次能源消耗中佔左右，到2020年將佔20%以上。
經過近40年的發展，核能，特別是核電在各國的電力工業中已佔有重要的地位。據西方《原子經濟》截至1986年12月底統計，世界上有28個國家和地區已建成運行（397座）和正在建造（135座）的核電站共為532座（堆），當時的核電量已佔世界發電總量的10%以上。當時還預計，到1990年底全世界核電站建成總數將增加到537座（堆），再加上在建的還有100餘座，總共裝機容量達500多吉瓦，佔世界發電總量的17%左右（據1991年6月3日美國《時代》週刊報道，“現在全世界有26個國家利用核能源，共438座核發電廠在運轉”）。從發展趨勢看，今後將有更多國家擁有核電站。據國際原子能機構預測，到1995年時核發電壓；佔世界總髮電量的18%，到21世紀初，有58個國家和地區建造核電站，電站總數達1000座，裝機容世達800吉瓦，佔世界總髮電量的35%左右。
核電還在經濟上具有明顯的競爭優勢。核電站造價要比火電站貴20-50%，但核燃料便宜，反映到發電成本上，就明顯低於火電。據美、日、法、德以及印度、南朝鮮等國統計宣佈，核電成本比煤電便宜最少為12%，最多為50%，多數為40%左右。
核電在安全和對環境汙染方面，也是可靠的、清潔的。三里島核事故，使周圍居民受到核輻射劑量僅為15微希，還不如帶1年夜光錶所受的劑量大。正常情況下對周圍環境的放射性影響更是微乎其微，只有3微希，而每天吸10支菸1年累計所受放射性劑量就有500-1000微希。
許多資源小國或資源不夠豐富而大力開發核電的國家，核發電量已佔本國發電總量的10-45%以上，最高的是法國，已佔本國發電總量的75%。日本在核電方面起步較晚，但發展很快，據1990年日本政府在一份報吿中稱，日本現已有39座核電站，發電量已達30吉瓦，核電力佔全國能源總消耗量的9%以上，核能提供的電力佔26%。日本計劃到2010年將增至79座，發電總量約80吉瓦，將佔全國能源總消耗量的16.7%，核能提供的電力將達做。
還應特別提到，核能除用來發電外，還可以作為船舶動力、核能供熱，核能冶煉鋼鐵，以及火箭、導彈、宇宙飛船、人造衛星等民用和軍事裝備的動力能源。尤其是核動力不需要空氣助燃，因此可廣泛作為地下、水下、空間等缺乏空氣環境的特殊動力，成為開發地下，海底和空間資源的理想動力能源。
我國政府十分重視核能技術的發展，在“863”計劃中明確提出要發展先進核反應堆技術，包括：快中子增殖堆、高溫氣冷堆等項目。在上述這些方面“七五”期間已取得顯著成就，“八五”計劃進一步發展核能技術。
在核電技術方面，目前大多數國家技術比較成熟的是核裂變堆，也就是熱中子轉換堆技術，即：在核裂變過程中，部分質量變成能量，產生熱能使輕水加勢，產生蒸氣，推動渦輪機發電，1克鈾235燃料發生的能量相當於1.8噸石油產生的能量。
這種轉換技術效率還不夠高，它只能使原鈾有1-2%的能量利用起來，從長遠看也會使天然鈾源面臨枯竭。目前，正在使核裂變反應堆向新的方向開發，主要是：用重水代替輕水的新型轉換堆，提高燃料效率；用富含鈈239的鈾238為燃料，使鈾的資源可增加近100倍。
更有發展前途的是發展“快中子增殖反應堆”技術。法國是起步最早的國家，其“超鳳凰”快堆自1973年投產以來，已安全運行了20多年，1.2吉瓦的商用“超鳳凰”驗證堆於1984年底投產，1986年又建設“超鳳凰”Ⅱ型快堆。
快堆又稱熱核反應堆，它是可控的核聚變反應技術，它的優點是能量轉換效率高，有可能提高到60%。1克氘燃料釋放的能量相當於8噸石油，且價格低，只是煤的1%。弱點是還產生一定的放射性廢物需要處置。
研製一體化快速反應堆是革新核電技術的新措施。1991年3月6日，美國《基督教科學箴言報》報道，美國阿爾貢國家實驗室正在研究這種反應堆。如建造1500座這樣的反應堆，可能會使鈾礦藏的開採時間延長為2000年，並把廢料的危險期減少為200年。
地球上氘、氚資源無限豐富，如將海水中的重氫和超重氫提煉出來氚後，可達45萬億噸之多，足夠人類使用100億-200億年。核聚變技術的難點在於超高溫處理，即2億攝氏度才能使氘、氚發生聚變反應。美、歐、蘇、日等國正在開發實驗堆工作。
據國際能源部門統計，目前大約有40多個國家，進行理論研究和技術試驗，共建造了200多座核聚變實驗裝置，還研究了各種受控熱核反應發電裝置，其中，離子核聚變裝置和激光核聚變裝置是可能成為最有發展前途的可控熱核反應技術的具體應用。我國最大的受控核聚變研究裝置“中國環流器1號”已於1984年11月建成啟動。日本正計劃建造重達4000噸的巨大的環型“JT-60”核聚變實驗堆，美國也在研究室溫核聚變堆。
總之，核能的開發應用已成為當今世界新能源高技術的重要課題。專家預測，在90年代核聚變將獲得突破性進展。它的迅速發展，必將大大有利於能源危機的解決。21世紀初各種核能裝置，特別是核電快堆成為世界各主要工業化國家的重要能源，這已成為一種勢不可擋的大趨勢。
三、沒有汙染的地熱能源
當代工業和生活中所利用的能源，大部分是通過燃燒礦物燃料，這些對環境汙染是十分嚴重的一大公害。而利用的地熱能，既可獲得能源，又可不汙染環境，因而成為當今人們十分關注的新能源開發項目。
所謂“地熱”，就是地球內部所蘊藏的熱能。利用地熱能是人類很久以前就開始的一種古老的技術。例如利用溫泉洗澡、取暖、醫療等，但用來發電，還是1904年由意大利人在比薩斜塔下開始的。1970年開始，一批科學家在美國新墨西哥州吉米茲山區開始了一項地熱開發計劃。到1978年打通了兩口3公里左右的地熱井，其中一口井往下高壓注水，另一口井供提取135攝氏度的地熱蒸氣，驅動渦輪機發電，獲得了每小時5兆瓦功率的熱能，可供500戶家庭用電。進入80年代以後，又繼續作了許多試驗工作。蘇聯地熱能蘊藏量和開發工作都居領先地位，早在1967年在堪察加半島上就建立起一個地熱利用發電機站，取得一定成效。
地殼中的地熱可分為：可變溫度帶、常溫帶和增溫帶三個不同層次，其溫度狀況也不相同。常溫帶以下，地溫隨深度加深而升高。據推斷，地殼底部至地幔上部的溫度為1000-1300攝氏度，地核溫度在2000-5000攝氏度之間。各地的“地熱增溫率”均不相同，平均地熱梯度約為每公里深度30攝氏度。美國吉米茲山區的芬頓山下約為每公里深度55攝氏度左右，因此在3公里深度處，岩石溫度已達185攝氏度左右；4.4公里深處為327攝氏度。一般說，地熱轉換成電能的效率只有15-20%。
地球表層10公里厚的一層，總貯藏熱世就有1.05億艾焦，相當於9950萬億噸標準當量煤。但人類能開採的地熱深度要受技術、資金的限制，一般能打到3-5公里。據計算，在美國，7公里深度以上有數量非常巨大的豐富的地熱能，但並不是都需要開採如此之深。按開採到3公里處的地熱資源來計算，就相當於2.9萬億噸煤當量。
地熱能的利用，可分為地熱發電和直接利用兩類。據估計，岩石溫度在360攝氏度以上的地熱約佔總地熱能的1.4%，其蒸氣熱能可用來發電；岩石溫度在80-180攝氏度之間的中、低溫地熱能約佔總地熱能的0.7%，可直接用於工業加工，供暖、洗澡、醫療、水產養殖等各領域。據美國計算，僅這部分熱能就相當於目前美國所消耗的熱能的4000倍之多。
據國際能源機構統計，截至1983年6月，全世界共有143臺地熱發電機組在運行，總裝機容量為3.319吉瓦，其中美國居首位，佔世界總量的38%。據稱世界所蘊藏的地熱能，相當於全部貯煤熱能的1.7億倍。截至1989年初，全球地熱發電能力已提高到5.136吉瓦。到2000年，可達100吉瓦。在全球共有四個大地熱帶，我國就佔兩個。經10年普査，到1984年，我國已發現3430處地熱點，我國地熱資源能量十分豐富，到1982年已直接利用的約達743兆瓦。西藏羊八井地熱電站總容量6兆瓦的實驗機組已於1983年建成投入運行。
四、高效清潔的無價風能
風能與其它能源相比，具有明顯的優勢，蘊量大、分佈廣、可再生、無汙染。但也有突出的侷限性，能密度低、不穩定、地區差異性大。據估計，世界陸地可開發利用的風能約有10太瓦，為地球可開發利用水能總量的10倍。
風能的利用主要是轉化為電能，利用自然風力驅動風力發電機。目前世界上大約有50萬部風力發電機在運行，其發電總功率約為1吉瓦，已投入使用的最大風力機，單機功率為4兆瓦。專家預測，今後5年，世界每年風力發電的增長潛力估計為300-400兆瓦。
世界一些國家根據本國情況積極發展風能利用技術。丹麥在生產高效風能發電設備上已取得很大成果，丹麥電力需求的10%將來源於風能。西班牙政府很重視風能利用，在其最南端的塔裡法懸崖建造一座歐洲最大的風力發電源。那裡的風力能轉動直徑20米、重約6噸多重的螺旋槳。我國風能也比較豐富，全國每年風力資源總儲量約1.6太瓦，近期可開發的約160吉瓦。在內蒙、福建平潭島等地已開始使用中、小型風力發電裝置。
五、急待開發利用的海洋能
佔地球表面積71%的海洋蘊藏著極為豐富的能源。海洋能是蘊藏於海水中的可再生能源，包括浪波能、潮汐能、溫差能、海流能、鹽差能等。這些能源都是具有可再生性和不汙染環境等優點，是一項急待開發的具有戰略意義的新能源。
海洋能的儲量非常豐富，據估算其蘊藏量分別為：波浪能2.5太瓦，潮汐能2.7太瓦，溫差能2太瓦，海流能5太瓦，鹽差能2.6太瓦。這些在新能源中佔有很重要的地位，如能充分開發利用，將是一條嶄新的能源出路。
當前，世界一些國家已開始在波浪能、潮汐能開發利用上（主要是用來轉變為電能）取得一些效果。波浪能是自然界中存在的巨大能量，巨大的海浪曾把一塊13噸重的巖山拋到20米高。據實測，當風速每秒10米時，每一米海岸上受到的波浪能達247千瓦。因此，合理開發利用波浪能具有重大的實用價值。1980年，日本與國際能源組織合作研製的“海明”號波浪發電裝置，發電能力已達125千瓦。1985年完成的新發電裝置已提高到2兆瓦。日本還準備建造一座200兆瓦的發電裝置，用海底電纜向陸地供電。歐共體國家的海岸線上的波浪能開發後將可滿足這些國家當前電力需求的65%。英國把波浪發電的研究放在新能源開發的首位，把它稱為“第三能源”。
潮汐能的開發利用也已見初效。全球的潮汐能約有2000億度，目前實際用來發電的只有6億度。預計到2000年，全世界的潮汐發電站年發電量可達300億-400億度。法國在1967年建立了世界上第一座規模較大的朗斯潮汐電站，裝機容量為240兆瓦，年發電量為5.44億度。我國70年代末興建的浙江、山東兩個潮汐電站年發電量分別為1000萬度和230萬度。英國能源部認為，利用英國的潮汐動力，足以滿足英國電力的1/5。因此英國現在很重視潮汐能的開發。
六、尚未引人注目的生物質能
地球上的生物資源極為豐富，是一種無害的能源。據估計，地球每年經光合作用所產生的生物質有1725億噸，它所擁有的能量，相當於全世界能源總消耗量的10-20倍，但目前利用率很低，只有1-3%之間。全世界約有25億人依靠生物質能取暖、烹飪和照明，這些人大多數居住在發展中國家的農村地區。1987年，生物質能佔世界能源消耗量的14%，相當於12.57億噸石油，其13%用於發展中國家，這些國家從生物質能中獲取35%的能源，約相當於11.88億噸油。
所謂生物質能，就是可以直接燃燒，也可用生化學和熱化學法轉換成氣體、液體和固體燃料，例如木材、草類、農作物等。目前使用的轉換技術主要是生物質厭氧消化生產沼氣；生物質發酵製取酒精；生物質熱分解氣化等。其它一些轉換技術正在開發實驗階段，尚未成熟。當前主要困難是轉化效率低和生成成本高。
七、優質乾淨的氫能源
在“二次能源”中，目前應用最廣泛的是電能，即“過程性能源”和汽油、柴油等“含能體能源”。電能無法直接貯存，而氫是新的“含能體能源”，氫將成為21世紀的重要二次能源。
氫能的特點：是最輕的氣體，發熱值高，為汽油的3倍，易燃，易貯存和運輸，又是無色、無臭、無味、無毒的理想淨化能源，能量轉換形式多，更重要的是來源廣泛，除空氣外，它主要以化合物形態貯存於水中。地球是“二山七水一分田”，水是大量存在的。
因此，用氫能代替碳氫化合物能源，將是一個重要發展趨勢。這種新能源經過幾十年的努力，通過太陽能製得的氫，將成為普遍使用的一種高級能源，作為優質燃料，可廣泛應用於航空、航天器、導彈、火箭、汽車，還可用於代替焦炭進行鍊鐵，未來20-30年後，將成為許多領域的重要燃料。1990年在聯邦德國展出了一種用氫運轉的5升BMW7系列汽車。這標誌著利用氫能已經有了良好的開端。
八、新穎高效的磁流體發電技術
磁流體發電技術就是用燃料（石油、燃煤、原子核等）加熱氣體，使之電離成導電流體，使其在磁場中流動時產生感應電動熱，從而產生電能，也就是直接發電。這種技術也稱為“等離子體發電”。它具有如下優點：一是熱效率高，目前火電燃料效率僅為40%左右，而採用磁流體-蒸氣聯合循環電站的熱效率可達60%以上；二是體積小；三是低汙染；四是單機容量大；五是發電啟停快。
燃煤磁流體發電技術，從1959年美國試驗成功後，目前已有17個國家正積極研究，其中13個國家重點研究燃煤磁流體發電技術。這項技術已作為我國“863計劃”重點項目，1989年我國與美、蘇兩國科技界聯合確定研究萬千瓦級中試電站的技術概念。1990年我國的模擬試驗裝置運行540小時，獲得較大進展。
另外，1986年我國還發展了一種“水煤漿燃燒技術”，就是用70-75%的煤粉和20-30%的水，加入一定數量的添加劑混合而成。是一種先進的低汙染的代油液體燃料。對節油、經濟、減少環境汙染都有重要意義。
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