人類未來能源的希望之光

高新民

人類社會經(jīng)濟快速發(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)，資源儲量日益減少和生態(tài)環(huán)境日趨惡化，人類對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，隨著科學技術(shù)發(fā)展對開發(fā)新能源科學研究愈來愈深入，世界各國科學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)略性解決人類社會經(jīng)濟發(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)系到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，又關(guān)系到人類生存環(huán)境的優(yōu)劣。

當前人類社會經(jīng)濟發(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；中國煤炭、石油、天然氣基礎(chǔ)儲量靜態(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十分緊迫的戰(zhàn)略性任務(wù)。二是環(huán)境壓力日趨嚴重，已威脅到人類生存的安全問題。

當前，從世界到中國能源消費結(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%；中國能源消費結(jié)構(gòu)總量中化石能源消費占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、風電、核電、生物質(zhì)能）占7.2%。以化石能源為主的能源消費結(jié)構(gòu)造成了嚴重的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。所以，世界各國都在積極優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費結(jié)構(gòu)。加速發(fā)展利用水能、風能、海洋能、核能、生物質(zhì)能，減緩環(huán)境壓力的同時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；二是資源儲量能夠滿足人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要；三是不會對人類生存環(huán)境造成安全威脅。世界各國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可燃冰相當于0.164t石油、0.32t標煤、164m3的天然氣。全球總資源量相當于全球已探明（已知）煤炭、石油、天然氣總儲量的2倍，可滿足人類1000年能源需求。所以，世界各國都在積極研究開發(fā)。2000年，日本在完成為期5年投資6400萬美元可燃冰專項計劃后又啟動了2001年可燃冰項目。美國1969年實施可燃冰調(diào)查，1998年把可燃冰作為國家發(fā)展戰(zhàn)略，列入國家長遠計劃。計劃2015年實施商業(yè)性開發(fā)。印度1995年制定了全國天然氣水合物研究計劃，投資5600萬美元進行可燃冰開發(fā)研究。我國對可燃冰的開發(fā)研究起步晚進展快，在可燃冰的地震識別技術(shù)、地球化學探測技術(shù)、資源綜合評價技術(shù)和保真取樣技術(shù)等方面取得了顯著的進展，研制的“深水淺孔可燃冰保真取樣器”處于國際領(lǐng)先地位。初步勘察預測我國南海北部陸坡“可燃冰”遠景資源量可達上百億頓油當量。2008年8月在我國南海北部成功地鉆獲了可燃冰實物樣品，從而成為繼美國、日本、印度之后第四個通過國家級研發(fā)計劃采到可燃冰實物樣品的國家。標志著我國可燃冰調(diào)查研究水平步入世界先進行列。可燃冰的開發(fā)利用雖然在開采、儲存和運輸中存在著諸多的技術(shù)難題需要研究解決，但一些發(fā)達國家預測到2015年可燃冰可實現(xiàn)商業(yè)性的開發(fā)。

（二）太空（宇宙）太陽能發(fā)電

在宇宙空間建立太陽能發(fā)電站比在地面上利用太陽能發(fā)電具有很大優(yōu)勢。一、太空太陽光強度比地面大5～10倍，發(fā)電效率高。二、太空無晝夜之分，全天24小時采集太陽能不受天氣影響。三、不污染，無廢棄物。所以世界上許多國家諸如美國、日本、德國都把建立太空太陽能發(fā)電站作為能源戰(zhàn)略問題，投入巨資進行研發(fā)。美國計劃在10年內(nèi)試驗宇宙太陽能發(fā)電，一年內(nèi)采集的太陽能相當于地球已探明的常規(guī)能源儲量總和。其系統(tǒng)用兩組相距50km的特殊反光鏡和太陽能電池板等組成。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)的最大輸出功率達到1000萬kw。相當于10個100萬kw的核電站，項目總投資達87億美元。美國科學家預測，到2025年美國有可能在太空建立100座太陽能發(fā)電站。屆時可滿足美國全國30%的電力需求。日本科學家計劃用20年的時間實現(xiàn)太空太陽能發(fā)電，日本激光技術(shù)綜合研究所2007年利用太陽光生成可傳輸電能的最高能力可達180瓦的激光束。北海道科學家2008年2月試驗以微波形式傳輸電能，2020年把太陽發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到地球靜止軌道上，建成實驗性太空太陽能發(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)。電能達到100萬kw（相當于一座大型核電站的發(fā)電量）。預計2050年接受試驗進入規(guī)模運行。

美國休士頓科學家預測2050年全球人類取電量20萬億kw。月球從太陽獲得太陽能可轉(zhuǎn)換發(fā)電能力高達13000萬億kw。他們研究在月球東西部邊緣設(shè)置20～40個太陽能發(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D2，質(zhì)量2，排序88）和氚（氫的同位素之一，符號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。每一升水中含氘30mg。聚變反映產(chǎn)生的能力相當于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。世界各國都非常重視這一問題的研究，國際間建立了國際熱核反應(yīng)堆計劃（簡稱國際熱核計劃）。歐盟、美國、俄羅斯、日本、中國、韓國和印度都參加了總投資一百億美元在法國建立受控熱核聚變實驗室，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應(yīng)堆，規(guī)模與未來實用核聚變反應(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，預計35～50年建成核聚變發(fā)電站。我國高度重視熱核聚變試驗的重大科研項目，投入2億元（人民幣）支持中科院離子體物理研究所進行核聚變裝置試驗研究；投入45億元（人民幣）參與國際熱核計劃。我國已自主研制成目前世界上等離子體運行時間最長的核聚變試驗裝置“EAST”，處于該領(lǐng)域研究的先進行列。

節(jié)能減排更為迫切

人類依靠科學技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)“可燃冰”、“太空太陽能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”，在未來20～50年解決人類擔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、科學實驗基礎(chǔ)之上的。我們應(yīng)該對未來新型潔凈能源的開發(fā)利用充滿信心。

當然，我們也清醒地明白，“可燃冰開發(fā)利用”、“太空太陽能發(fā)電”、“熱核聚變發(fā)電”，從理論研究、科學實驗到實際的應(yīng)用還有諸多的關(guān)鍵性的技術(shù)問題，需要較長時間的研究解決。

因此當前我們在積極研發(fā)新型潔凈能源的同時，既要優(yōu)化能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)，加快發(fā)展水能、風能、核能、海洋能和生物質(zhì)能等再生清潔能源，減少化石能源對環(huán)境的影響。又要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟的增長方式，搞好節(jié)能減排工作，提高能源的利用效率和減少對生態(tài)環(huán)境的影響。

(作者系陜西省決策咨詢委員會委員、陜西省煤炭學會理事長)