能源技術創新讓生活更美好

■文/王國強

能源是可以提供能量的自然資源，是人類生存、生活和社會發展的物質基礎。能源開發利用的水平是一個時代、一個國家科技創新、經濟發展和社會進步的重要標志。能源變革給人類帶來福祉的同時，也給人類帶來一些負面影響。歷史上的兩次石油危機就曾給現代西方經濟帶來沉重打擊，能源消費造成的社會不公、環境污染、極端氣候等問題近年來也愈加凸顯。回首能源發展的歷史，人類文明進程中的機遇與挑戰無不與能源開發利用息息相關。

能源結構的轉變

能源結構是各類能源在能源總量中的比例關系，造成結構變化的主要原因是技術和經濟問題。因此，在一定時期內，一種能源取代另一種能源而形成新的能源體系不僅取決于替代能源對現有主導能源的綜合競爭優勢，還取決于能源利用設備的重大突破。

煤炭取代柴薪是人類歷史上發生的第一次能源結構的轉變。柴薪是人類利用的第一種自然能源。約20萬年前，原始人類利用雷火、山火來燃燒柴草以獲得熱能。約5萬年前，原始人類從撞擊石器產生火星受到啟發，發明了“鉆木取火”，結束了人類茹毛飲血的原始生活，把人類帶進了農業文明，開始了漫長的以柴薪為主要能源的時代。“鉆木取火”從利用自然火轉變為利用人工火，可視為人類在能源方面最早的一次技術革命。迄今為止，柴薪、秸稈等生物質能源仍然占有重要的地位，約占世界總消費能源的6%。18世紀60年代，英國人瓦特（James Watt）發明了以煤炭為動力源的蒸汽機，催生了以冶金工業和紡織工業為主體的第一次工業革命。蒸汽機在鐵路、航運等部門的推廣應用，使煤炭工業迅速崛起。19世紀末，人們又發明了以蒸汽機為動力的發電機，帶動火電廠的大規模建設，進一步刺激了對煤炭工業的需求。據統計，1860年世界煤炭產量已達1.36億噸，1900年增加到7.35億噸，分別占到世界一次能源總量的97.2%和94.5%。因此，19世紀，煤炭已成為資本主義工業化的主要動力資源，世界能源結構進入以煤炭為主要能源的時代。

石油取代煤炭是人類歷史上發生的第二次能源結構的轉變。19世紀中期，美國等國相繼開發了石油能源，出現了石油工業。1872年，德國工程師奧托（Nikolaus August Otto）發明了煤氣內燃機。1883年，德國工程師戴姆勒（Gottlieb Daimler）發明了汽油內燃機。1892年，德國工程師狄塞爾（Rudolf Diesel）發明了柴油內燃機。內燃機的發明與應用促進了汽車、輪船、拖拉機、飛機和發電機的誕生，使得石油需求量大大增加。反過來，石油需求也促進了石油勘探利用技術的發展。20世紀20年代，管線焊接技術的發明為石油、天然氣遠距離輸送創造了更好的條件。第二次世界大戰結束后，由于中東石油的開發、石油開采冶煉技術的進步及煤炭成本的上升，石油的比較優勢更加明顯。1920年，世界能源結構中煤炭占87%，到了1959年，煤炭的比重下降到48%，而石油和天然氣的比重則從11%上升到50%，超過了煤炭而居首位，世界能源結構開始進入石油和天然氣時代。

可再生、多樣化新能源取代化石能源或將是人類正在發生的第三次能源結構的轉變。20世紀40年代，核能的出現揭開了人類能源發展史上新的一頁。50年代，核能開始用于發電。由于世界各國政治、經濟及科技水平的不同，核電的發展有著較大的差別，但核電在世界能源結構中占有了一席之地。70年代的兩次石油危機，使人們認識到煤炭、石油、天然氣等不可再生能源儲量有限，而能源需求卻日益增長，依靠化石能源無法長期維持高速發展的世界經濟，因此，可再生能源成為各國實施可持續

發展戰略的重要選擇。另外，科學技術的進步，客觀上為新能源的開發利用創造了條件。除傳統水能外，風能、太陽能、生物質能、淺表地熱能等新型可再生能源得到迅速發展，在能源結構中的比例逐年增加。1990年，世界一次能源結構中，石油、煤炭、天然氣、可再生能源、核能分別占32%、26%、20%、17%和5%；到2020年，其比重將分別占28%、24%、21%、21%和6%。據預測，到21世紀中葉，可再生能源將超越“化石能源+核能”，有望成為一次能源的主體，化石能源開發利用將更趨高效低碳，世界能源結構將進入多元化、可再生能源為主導的新時期。

化石能源的利用

化石能源主要有煤炭、石油和天然氣，都是不可再生能源。化石能源支撐了19世紀到20世紀近200年來人類文明的進步和經濟社會的發展，但化石能源的不可再生性和人類對其的巨大消耗，使化石能源面臨巨大的挑戰。

煤炭發現的歷史悠久，但成為世界主要能源經歷了漫長的歲月。中國是開發利用煤炭最早的國家，3 000多年前就發現了煤炭，陜西寶雞菇家莊兩座西周古墓中出土的煤雕制品達200多件。中國在春秋時期開始用燃煤，西漢開始采煤煉鐵，唐朝產煤地附近民間生活已普遍使用煤炭，至宋代已有焦炭煉鐵技術。英國和德國直到9世紀和10世紀才相繼發現煤炭。12世紀，歐洲才開始有人把煤炭用作家庭生活的燃料。14世紀，英國開始有組織地開發利用煤炭。18世紀，英國相繼發明了用焦炭代替木炭煉鐵技術和用煤炭冶煉熟鐵技術，使煤炭需求量增加。1769年，瓦特對蒸汽機做出重大改進，成為工礦和交通運輸部門的主要動力裝置，為煤炭應用開辟了廣闊的前景。18世紀末，人們開始用蒸汽機排水、通風，使采煤深度和采煤數量有了較快的增加。1815年英國化學家戴維（Humphry Davy）發明了防爆安全燈，1867年瑞典化學家諾貝爾（Alfred Nobel）發明了黃色炸藥，大大提高了采煤效率。19世紀末，截煤機的發明與應用使采煤機械化取得了突破性進展。1952年，英國第一臺移動式液壓支架和滾筒采煤機相繼問世。1954年，自移式液壓支架裝備了世界上第一個機械化采煤工作面，于20世紀60年代開始廣泛應用。現代綜合采煤工作面采用大功率滾筒采煤機械落煤和裝煤，重型可彎曲鏈板輸送機運煤。綜合機械化采煤是煤礦現代化的重要標志。煤炭分布廣泛、儲存量大，開發和利用比較容易，所以仍是當前主要能源。但是，其發熱量和燃燒效率較低，輸送和使用不便，易造成環境污染和危害健康，使當前許多國家一直致力于研究開發煤的氣化、液化和凈化技術。

石油和天然氣相伴而生，是高質量的化石能源。中國同樣是世界上最早發現和利用石油、天然氣的國家，東漢時期班固所著《漢書》就有記載。但是，近代石油工業的出現和石油技術的發展卻始于19世紀的西方國家。1859年，美國石油鉆探家德雷克（Edwin Drake）在賓夕法尼亞州用頓鉆開鑿了第一口工業油井，拉開了石油工業的序幕。隨后，1871年俄羅斯開發巴庫油田，1885年印度尼西亞開發泰拉嘎-坦戈爾油田。19世紀后期，內燃機、發電機的發明與應用，兩次世界大戰軍事上的需要，以及石化工業的發展，極大地促進了石油科學、勘探開采技術的迅速發展。1963年，美國首次使用機載紅外掃描儀和紅外攝影機勘探夏威夷群島地質構造，尋找石油資源。1964年，第一臺地震數字儀問世。20世紀70年代，微電子技術應用于石油工業。到了80年代，油、氣勘探中非地震物探法新儀器新方法開始大行其道。

英國是西方最早利用天然氣的國家，始于1868年。19世紀后期，美國等開始將天然氣應用于工業生產。大規模開發利用天然氣，美國是在第二次世界大戰之后，歐洲是在1959年荷蘭開發煤氣田之后。由于天然氣具有價廉、無污染、供應安全等優點，已成為世界各國青睞的重要能源。天然氣工業開發利用初期，主要用作鍋爐燃料和化肥原料。隨著科學技術的發展，天然氣開始用作汽車的燃料，主要技術措施是在汽車上安裝一個耐壓鋼瓶和把天然氣轉化成汽油。1985年，新西蘭建成了世界上第一座把天然氣轉化成汽油的工廠，每天可生產汽油1.4萬桶，能滿足本國所需汽油的1/3。近20年來，各國還致力于開發非常規油氣資源，包括煤層氣（瓦斯）、油砂礦、油頁巖、頁巖氣、可燃冰等。因為水平鉆井、水壓裂等技術的進展，到2013年美國頁巖氣所占比重已近40%。天然氣水合物是由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合組成的類冰籠形結晶化合物，因外觀像冰遇火即可燃燒，又被稱作“可燃冰”。可燃冰在海洋中的分布面積約占海洋總面積的10%，如果開采利用合理，足以滿足人類未來千年之需。目前，可燃冰的開采多還停留在探索的模擬實驗階段。

電能的發展

電能又稱電力，是二次能源，在現代能源結構中占有獨特的位置。火電、水電和核電構成了世界電力的三大支柱。電力比一次能源具有更高的利用效率、適宜遠距離輸送、能大規模生產、按需任意分配等特點，進入20世紀就取代蒸汽動力占據統治地位。

火力發電在電力工業中占有非常重要的地位，在世界發電能源結構中比例最大。火力發電就是將煤炭、石油、天然氣等燃料燃燒產生熱能，利用高溫高壓的蒸汽來推動發電機發電。自18世紀后期至19世紀末，燃煤蒸汽機作為動力機發揮了革命性的影響。隨著電力工業的快速發展，發電用蒸汽機因速度低、功率小而被容量大、效率高的汽輪機所代替。1891年，英國工程師帕森斯（Charles Algernon Parsons）研制成功了世界上第一臺帶有凝汽器功率為100千瓦的汽輪發電機，使蒸汽發電效率大大提高。1959年，世界上第一臺超臨界壓力機組在美國運行，之后在西歐各國以及蘇聯普遍使用，使火力發電煤耗大幅度下降。在發電機方面，金屬材料的選擇和制造技術的發展促進了發電機組容量的增加，冷卻技術的進步提高了發電機的出力。20世紀三四十年代，冷卻技術主要采用空氣冷卻，50年代后期主要采用氫冷技術。1958年，中國成功試制出首臺雙水內冷汽輪發電機。隨著發電機組容量的增大，火電廠的規模也越來越大，造成了煤、灰、水等環境污染問題。70年代后期，日本、法國、英國、德國和美國開始增加火電中燃油的比重，以減少對環境的污染。80年代，為提高發電效率，世界各國開始采用燃氣輪機和汽輪機聯合循環發電技術。當前，火力發電在世界發電能源結構中仍占64%左右，而中國火力發電則占到了75%左右。

水電是可再生能源，也是常規能源中最干凈的能源。水力發電就是利用水的勢能，推動水輪發電機產生電力。由于不產生任何有害污染物，水力發電備受世界各國推崇，有100多年的發展歷史。早在3 000多年前，人類就發明了水輪。1849年，美國工程師弗朗西斯（James B.Francis）研制出世界首臺向心式水輪機，因其結構簡單、運行可靠，成為歷來應用最廣的混流式水輪機。1878年，法國首次用水輪機驅動直流發電機，組成世界上第一臺水輪發電機組，揭開了人類水電開發的歷史。1881年，英國建成了世界上第一個25千瓦常規水電站。1886年，美國興建當時世界上最大的尼亞加拉水電站，開商業水電之先河。進入20世紀，隨著工業發展，水電站規模也不斷增大，第二次世界大戰前后世界大型水電開發達到高峰。1994年，中國興建了世界上最大的水電站——三峽水電站。隨著水能開發的發展，各種類型的水輪機制造技術也不斷進步。1933年和1938年，燈泡式和全貫流式水輪分別在德國問世，滿足了低水頭水能資源的利用。1957年，第一臺適應水頭較大變化的斜流式水輪機研制成功。目前，世界水輪機組已處于多品種、大容量時代。

核電是利?用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電，核能的和平開發利用揭開了能源發展史的一個新紀元。美國于1942年建成了世界上第一座核反應堆，1945年建成了世界上第一艘核潛艇，并將原子彈應用于戰爭。1954年，蘇聯建成世界上第一個試驗性核電站——奧布寧斯克核電站，開啟了核能和平開發利用的大門。受政治、經濟、資源及科技水平的影響，世界各國有著不同的核電發展經歷。美國和蘇聯為搶先發展核武器，建立了擴散廠，生產濃縮鈾，因此核電站采用濃縮鈾堆型。英國和法國由于缺少足夠的鈾和生產重水的技術，重點發展天然鈾石墨氣冷堆，直到20世紀60年代后期才從美國引進技術，實行壓水堆核電發展計劃。受石油危機的影響，核電在80年代得到迅速推廣，成為世界各種能源中增長最快的一種。截至1988年底，世界上26個國家有核反應堆429個，總發電量達17 960億千瓦時，占世界用電量的17%。其中，美國、法國、蘇聯、日本、聯邦德國的核發電量占該國總發電量的比例分別為19.5%、69.9%、12.6%、23.4%、34.0%。此時，中國的核電工業才剛剛起步。1991年，中國秦山核電站建成發電，實現了中國大陸核電零的突破。截至2015年底，中國投入的商業運行核電機組有30臺，約占全國發電量的3.01%，與發達國家仍有較大差距。

新能源的開發

新能源一般是指在新技術基礎上加以開發利用的可再生能源，包括太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能和氫能等。從技術發展趨勢看，太陽能電池、燃料電池、生物質氣化液化以及大型風力發電有了更快的發展。

●太陽能

世界上各種可再生能源幾乎都直接或間接來自太陽，太陽能是最為重要的基本能源。太陽能最早用于取暖、供熱和干燥，而后又應用于冷藏、制氫和抽水等。太陽能作為發電能源是太陽能利用的革命性變化。

1839年，法國科學家貝克雷爾（Edmond Becquerel）發現了光伏效應。1904年，愛因斯坦（Albert Einstein）提出光子假設，解釋了光電效應。1954年，美國貝爾實驗室的蔡平（Daryl M.Chapin）、皮爾遜（Gerald L.Pearson）、富勒（Calvin S.Fuller）研制出世界上第一批可供實驗的轉換效率為6%的單晶硅太陽能電池，開創了直接把太陽光能轉變成電能的新紀元。20世紀80年代末，全世界5 000多顆飛行器中90%以上都使用太陽能電池供電，西方各國也相繼建成了許多以太陽能電池方陣組成的電站。

太陽能熱發電是太陽能利用的另一種重要形式，主要有塔式、分散式和太陽池三種類型的太陽能熱發電站。20世紀40年代，蘇聯人首先提出塔式太陽能熱發電的構想，并于1950年設計出世界上第一座塔式太陽能熱發電站的小型實驗裝置。1952年，法國建成了第一座塔式太陽能熱發電站。分散式太陽能熱電站又稱太陽田，70年代末美國最早建成一座150千瓦該類型電站。太陽池發電的設想最早在1902年由羅馬尼亞的卡列克辛斯基（Alexander von Kalecsinsky）提出，直到1979年以色列在死海建成首座150千瓦太陽池電站后才引起了許多國家的重視。從長遠前景來看，太陽能發電是最具潛力的戰略替代發電技術，許多國家正在努力探索新的轉換方式。

●風能

風能是太陽能的一種轉換形式，到達地球的太陽輻射約有2%轉換成風能。人類利用風能的歷史可追溯至公元前3000年左右，古埃及人首先在尼羅河上利用風能揚起棕葉帆，馭風而行。中國在公元前2100年左右學會利用帆船。1891年，丹麥物理學家拉庫爾（Poul la Cour）研制成風輪驅動的直流發電機機組，開創了人類利用風能的新途徑。20世紀初，荷蘭、丹麥等國風電發展風行一時，五六十年代受水電、火電和電網發展的影響，風力發電逐漸被淘汰。70年代，受石油危機的影響，風力發電再受世界各國重視。八九十年代，美國、墨西哥、丹麥等國一些大型風力發電機組建成投產。風能發電的主要問題是造價，但由于風力發電可以減少污染、儲量巨大，各國對風力發電的研究仍方興未艾。

●生物質能

生物質能是世界上最為豐富的可再生能源之一，在世界能源結構中占有舉足輕重的地位。生物質能的開發利用主要有兩個方面：一個是綠色植物的生產；另一個是生物質能的氣化、液化和固化。

20世紀前后，沼氣技術得到世界各國的重視。1881年，意大利首先提出厭氧消化法生產沼氣的理論。1895年和1911年，英國相繼建成消化槽和厭氧消化廠。隨后，許多國家開展了沼氣技術的研究。1920年，德國利用污水、污泥生產的沼氣驅動汽車。1960年后，隨著石油供應的改善和價格下降，沼氣發展一度停滯。70年代石油危機后，沼氣開發利用再受重視。1988年，僅聯邦德國就建有39個工業沼氣和80個農業沼氣池。發展中國家農村人口的80%～90%的生活能源來源于木柴、農作物和牲畜糞便等生物質能。沼氣技術因具有投資少、見效快等優點，在發展中國家得到迅速推廣。近年來，燃料乙醇、生物柴油生物質發電等生物質能產業在世界范圍內得到了快速的發展。

●海洋能

海洋能是一種來自太陽能及天體與地球相互間作用的能量，理論上足以滿足人類目前以及未來的能量需求。潮差、波浪、潮流、洋流、溫度差和鹽度差是人們常利用的6種形式。

早在11世紀，法國、西班牙和英格蘭地區的漁民就利用潮差推動碾磨來磨碎糧食。19世紀末，法國科學家提出興建潮汐電站的設想。1912年，德國建成世界第一座實驗性小型潮汐電站——布蘇姆潮汐電站。1966年法國建成了近代最著名的朗斯潮汐電站，至今仍在正常運行，效益良好。到了七八十年代，韓國、日本、挪威也相繼建成實驗性潮汐電站。進入21世紀，隨著石油價格的不斷上升，美國、英國、加拿大、丹麥、瑞典、挪威、韓國等國開始積極研究潮汐發電技術。2011年，韓國建成世界上最大的潮汐電站——始華湖潮汐電站。我國的潮汐電站自20世紀50年代中期開始興建，至80年代初共建有76個潮汐電站。

海水溫差發電就是利用表層海水的溫度將工質汽化，驅動汽輪機獲取動力。1930年，法國首次試驗海水溫差發電成功。雖然溫差能利用的理論比較完善，但在實際應用中維持真空閃蒸室的真空度、防止海水腐蝕、生物腐蝕等問題仍不能很好地解決。

波浪能利用歷史久遠。早在1799年，法國人吉拉德（Pierre-Simon Girard）和兒子就發明了可以利用波浪能的機械，并申請了專利。但是，直到20世紀70年代石油危機后，波浪能的研究才開始活躍起來。到了80年代，一些波浪能發電裝置才開始投入運行。目前，大約有50余種波浪能轉換裝置處在研發、試用階段中。全世界對波浪發電重視的主要原因是，波浪能轉換裝置能為海上石油開采平臺、海港及海岸航海設備提供電力。

人類正在走向以可再生能源為主的綠色低碳、可持續能源時代。光伏、光熱、風能、水電、生物質能、地熱能、海洋能等可再生能源的開發利用促進了分布式能源技術的發展，為能源結構第三次轉型奠定了技術基礎。歷次能源結構的轉變都無法回避成本問題，各國都在實行能源開發與節約并重的政策。節約能源不是少用或限用能源，而是依靠技術的進步充分利用好能源。當前，信息網絡、大數據、云計算、先進制造、智能電網、儲能與控制、交通與運載等技術創新與變革，促進了能源互聯網的興起，優化了能源系統的各個環節，真正做到了節能減排。