試析能源利用發展趨勢

【摘要】 ? ?能源在我們的身邊無處不在，大到太陽的核聚變小到一根火柴的燃燒都是能源。我們的社會都是靠著源源不斷的能源供給才得以發展至今。核能以及核物理方面技術的發展不及關系到一個國家的能源安全甚至可以上升到國家安全的層面。從1954年前蘇聯的第一座核電站建成至今，全球已有438座核電站，總發電容量為353千兆瓦，占全世界發電量的16%，累計運行時間已經超過1萬堆年（1個堆年相當于核電站中的一個反應堆運行一年）。而且還在不斷增加。這些都是其它新能源無法比擬的。

【關鍵字】 ? ?能源技術 ? ?核能 ? ?未來

能源在我們的身邊無處不在，大到太陽的核聚變小到一根火柴的燃燒都是能源。我們的社會就是靠著源源不斷的能源供給才得以發展至今，可問題是：能源是有限的，如何才能在有限的能源的基礎上做到最高效的利用，這才是如今各國所面臨的能源問題。這里僅從目前世界使用較為廣泛的幾種新型能源即太陽能、風能、生物質（木質生物質和非木質生物質）能與氫能、地熱能、核能展開試論。

一、太陽能

太陽能是指太陽的熱輻射能，其主要利用方式是通過太陽能光伏電池將其轉化并儲存為電能并加以利用。

太陽能光伏電池主要由兩層或兩層以上半導體材料組成，最主要的元素是硅元素，每當硅暴露在光線下時，其會產生自由電荷。自由電荷借由金屬接觸，從而產生直流電。但是由于單塊光伏電池的發電量較小，所以常常將多塊電池連接、封裝，從而形成太陽能光伏面板。光伏面板是光伏發電系統的主要組成部件，通常將幾塊光伏面板連在一起，近而可以生產出預期的電量，模塊化結構是其的重要優勢之一。

雖然太陽能可以說是無污染的清潔能源，但不可否認其制造成本還是在利用過程中所要面臨的問題。盡管光伏發電設備已經達到了批量生產的規模，并且制造成本較低，但是公共規模的光伏發電設備，其成本仍高于化石燃料和其他可再生能源（Tidball等人2010）大型光伏發電項目的成本一般為每瓦2.50-4美元（Barbose等人，2011），而電能的平均成本為每千瓦時為0.17美元。住宅光伏發電系統的成本會略高（沒有政府的激勵措），在美國大概為每瓦5美元，而在德國則為每瓦4美元（Barbose等人，2011）[1]。除去制造成本，還有其占地面積往往都是十分廣闊并且還要有充足的日照時長和光照強度。這些不可控因素都影響了太陽能發電在全球范圍內的廣泛使用，尤其是在一些國土面積較小的國家。

綜上所述，我認為太陽能雖然很有潛力但是在未來短期之內并不會成為各國能源技術的主流。

二、風能

風能的利用主要是通過將地表大量空氣流動所產生的動能轉化為電能。像我們在電視中常常看見的類似于風車的裝置就是風力發電機。

風能的儲量非常豐富，僅僅是全球陸地風電總潛能就大約占到了目前全球總發電量的三分之二，而且海上的風能潛力則更高。

雖然風能的潛力以及其成本很低的可再生能源十分吸引人，但是我們不能只考慮它帶來的益處，風能只有在合適的風能和電網條件中才能與其他能源競爭（煤炭、石油和核能）。

目前在那些風電系統非常發達的國家，仍然有很多游說集團正在力圖阻止在陸地上建立更多的風電系統。這事實上確實存在一些問題;最嚴重的是視覺效果和聲問題。風電場的占地面積非常大，不可能進行遮擋大型風電場的可視距離很遠。眾多反對團體通常認為“風電確實很好，但就是不能安裝在我的后院 ”。葉片旋轉聲又是最為嚴重的聲問題，尤其是在風力發電機的安裝期間，還存在一些臨時的噪聲、塵土和其他干擾等問題。

從風力發電角度來看，風電發展可能會減少鳥類的棲息地繁殖和捕食區域，此外雖然鳥類碰撞風力發電機葉片等問題不像建筑物或車輛那樣發生的致命碰撞，但這類問題確實存在，只有風電場位于鳥類遷徙線路上時才會出現鳥類碰撞問題，因此應當避開這些區域。

最后，風力發電機在某些情況下會產生電子干擾，影響電視信號傳輸和訊通過在中繼站安全距離之外選址等簡單的補救措施可以緩解電子干擾問題。[2]

綜上所述，我認為風電在未來短期之內還有很多有待解決的問題，所以其并不會成為主流。

三、生物質能與氫能

生物質能利用技術主要是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體，即一切有生命的可以生長的有機物質來制取其它形式的能源。目前比較高效且前沿的就是利用生物質來制取氫能。

生物質熱解是指將生物質燃料在0.1～0.5MP并隔絕空氣的情況下加熱到600-800K將生物質轉化成為液體油，固體以及氣體（H2，CO，CO2及CH4，等）產物，生物質氣化制是利用生物質制氫最簡潔，最經濟的手段之一，它是通過部分氧化的形式，在800～900℃的溫下，將生物質在氣化爐中進行氣化熱解，得到富含氫的可燃氣體并進行凈化處理而獲得產品氣，生物質超臨界水熱法制氫利用水在臨界點（374℃，22.1MPa）附近的特殊性質，可實現生物質的完全氣化，并將水中的部分釋放出來，產物中氫氣的體積分數可以達到50%，并且不生成焦油，焦炭等雜質，對于含水量的濕生物質可直接氣化，無需高能耗的干燥過程化學重整制氫是則以氧化還原反應原理為基礎，以生物質為燃料、CaO為CO2載體，在兩個反應器之間循環交替制取氫氣[3]。

氫氣能的主要用途是作為內燃機的燃料，燃燒使得氣體膨脹帶動活塞做功。氫氣還可被用來和氧氣結合用作火箭推進器的燃料。近期的氫燃料電池技術為氫氣能的利用提供了一種全新的途徑，由于氫氣與氧氣燃燒后的產物為水，從理論上來講此過程并不會產生CO2還有其它有害的化學物質。所以氫燃料電池被廣泛認為是零污染的清潔能源，其作為燃料的需求呈逐漸上升的趨勢，隨著市場需求的不斷擴大與發展，其蘊藏著巨大的潛力。據有關報道，世界范圍內氫氣每年大約有5000萬噸的交易量，并且其還保持每年近10%的增長率。

氫能作為一種理想的替代能源，可以替代許多種目前使用十分廣泛的化石能源（煤、石油、天然氣等），并能有效應用于內燃機和噴射發動機等機器。氫的規模制備和儲存運輸是氫能應用的所要面臨的關鍵問題。目前，氫燃料電池技術非常規或特殊的氫氣儲存系統得到了廣泛關注，一些支持氫氣應用的新技術和新裝備也應運而生。但是就目前的狀況來看，雖然氫氣能的前景十分光明，但是其發展道路上的問題仍然不容小覷。

其所面臨的最大問題就是安全保障。眾所周知，氫氣是一種十分易燃易爆的氣體，在空氣中如果混入氫氣體積達到總體積的4%～74.2%時，一旦遇到火源就會發生爆炸。尤其是在夏季高溫的環境之中，儲存和運輸氫氣更是難上加難。雖然目前我國目前已經實現的氫氣的低氣溫儲存和運輸，并榮獲科技部2017年度中國科學十大進展。但是這樣的成本還是十分高，不如化石燃料更加經濟實惠。

生物質能的利用同樣面臨很大的問題。用生物質來制取其它形式的能源首先需要的就是大面積的土地，這同樣對于土地面積較小的國家來說是很大的負擔。同時生物質的轉化是一個漫長的過程如果在不借助大型設備的情況下其通常都需要數周甚至更長的時間。雖然利用大型設備會大大縮短轉化時間，但是這樣會使得成本大大提高。想要把成本賺回來，那又將是一個漫長的過程，此過程中還要承擔相應的設備維修、人工費等額外費用。

綜上所述，我認為通過生物質能來轉化其它能源并加以利用的方式在未來短期之內并不會成為我們社會的主流。

四、地熱能

地熱能是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內部的熔巖，并通過熱能的形式存在。對于地熱能的利用主要是地熱供暖、地熱發電等。在此以地熱發電來展開。

地熱發電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發電技術，其基本原理和火力發電類似，都是利用蒸汽的熱能推動汽輪發電機組發電，地熱發電實際上就是把地下的熱能轉變為機械能，然后再將機械能轉變為電能的能量轉變過程，與傳統火力發電不同，地熱發電不需要消耗燃，沒有龐大的鍋爐設備，沒有灰渣和煙氣對環境的污染，是比較清潔的能源，針對可利用溫度不同的地熱資源，地熱發電可分為地熱蒸汽發電，地下熱水發電，全流地熱發電和地下熱巖發電四種方式[4]。

地熱能雖然在開鑿地熱井并且安裝相應的設備之后就可以直接利用，而且成本也會非常之低相比于其它的能源利用，但是在建設的過程中還有很多問題忽視，一下從四個方面進行闡述。

第一，不同地熱井的熱水溫度是變化的，九十多度，八十多度，七十多度甚至是五六十度都有用來供暖的，不像是我們常規鍋爐供暖那樣，熱水95℃出，70℃回。因此，地熱供暖不能簡單地模仿常規鍋爐供暖的方式，而是根據不同的地熱井另行設計。

第二，地熱水從地下抽出經供暖系統利用后隨即排放，它并不能像鍋爐供暖回水那樣再返回鍋爐。因此，為了達到最大經濟效益的最大化，就要充分利用地熱水的熱能，供排水溫度要盡量降低以此來提高地熱利用率。

第三，由于開鑿地熱井的費用十分昂貴，所以為了充分利用地熱能，應將地熱水提供的熱負荷作為基本負荷，以此滿足初寒期和末寒期的負荷要求。對于嚴寒期熱負荷不足的部分，可以在地熱系統中配置相應的調峰熱源（如鍋爐、熱泵等），專門在嚴寒期啟動調峰，以此來補充負荷的不足問題，這樣就可以使得鍋爐調峰的時間較短，耗煤較少，而地熱井所帶的負荷卻可以大大增加，達到充分利用地熱能的目的。但是如何選取調峰熱源？調峰負荷與基本負荷的比例多少最為合適？這些也是地熱供暖不同于鍋爐供暖之處。

第四，地熱水一般都具有不同程度的腐蝕性，如果是直接進入供暖系統會腐蝕系統的金屬管道或散熱設備，這樣會大大縮短系統的使用壽命，因此需要采用配有鈦板的換熱器的間接供暖系統或采用防腐耐熱的非金屬設施。所以建設不同地熱井時要根據地熱水的水質來采取相應的材料。

地熱的利用還要面對環境污染的問題，先介紹幾種主要污染形式。

熱污染，在地熱開發利用過程中，必然會向周圍大氣和水體排放大量的熱量，使水體和空氣的溫度上升，影響環境和生物的生長和生存，破壞水體生態平衡。如果將溫度較高的地熱尾水排放到下水道等排污管道，還可能會造成細菌等各種微生物的大量繁殖，所以相關環保部門規定地熱排水的水溫不得高于35℃。

空氣污染，在地熱資源的開發利用過程中，熱流體中所包含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中，其中濃度較高，危害較大的有硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）等，同時還有不凝氣體少量地熱流體中含有氨（NH3）的成分，它也會對人體和某些動植物造成潛在的危害。

綜上所述，地熱系統的開采和利用，如果管理不善，或不注意水污染防治，對于地下水及周圍環境將存在著潛在的嚴重危害，所以我認為地熱能也不會成為未來短期之內的能源主流。

五、核能

核能發電的能量來自核反應堆中可裂變材料 （ 核燃料 ） 進行裂變反 應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾 -235、钚 -239、鈾 -233 等重元素在 中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應中， 可裂變物的原子核吸收一個中子后發生裂變并放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自持地進行，則這種反應稱為鏈式裂變反應。實現鏈式反應是核能發電的前提。[5]

提到核能，人們通常會想到一些非常嚴重的核事故，其中最具有代表性的相比就是上世紀八十年代的切爾諾貝利事故還有2011年的日本福島縣的福島第一核電站事故。這兩起事件都被國際事件分級表評為第七級事件的特大事故。所以在很多人的心中并不看好核能。但是我認為核能還是會在未來占據能源的主流。

核電站的占地面積相較于前面所提到的幾種能源利用廠來說可謂是十分袖珍，一般來說一座核電站占地在兩三千畝左右，而且隨著科技的進步，核電站的大小也在不斷地小型化。雖然核電站的選址比較特殊，一般都選在沿海地區并且離大城市相對較遠的地方。但這也是為了安全考慮，如果不幸發生了核泄漏，那么沿海的區位優勢會使得對也本國的污染降到最低。不像切爾諾貝利事故一樣，有 4000多平方公里的土地被荒廢，這對于一個國土面積十分有限的國家來說可謂是滅頂之災。而且就目前的核事故調查結果來說，其發生的主要原因并不是設備因素，主要是人為操作不當或者是自然因素（如地震、海嘯等）所造成的。所以總的來說，核電站的安全系數還是很高的。

以發電的效率來說，核電站也是遙遙領先于其它能源。太陽能發電還要考慮到夜間以及光照不足的時候;風力發電還要受約于無風或者是風力太微弱以至于還帶不動發電機的情況;生物質能和地熱能還要受制于生物質以及地熱水資源枯竭的困境。反觀核電站就不受此限制，例如對于一座 100 萬千瓦壓水堆核電站來說，每年大約需要補充 40 噸燃料，其中只消耗約 1.5 噸鈾- 235，其余的尚可收回。而對一座 100 萬千瓦燒煤的發電廠，每年致少消耗 2120000 噸標準煤，平均每天要有艘萬噸輪，或三列 40 節車廂的火車運煤到發電廠。運輸負擔之沉重是可想而知的。所以核電站燃料的用量和運輸于其它能源的相比是微不足道的。

記得有一部紀錄片名叫《走進比爾》。它是從各個方面對微軟創始人比爾蓋茨進行采訪。此紀錄片一共有三集，其中有一集專門介紹了比爾蓋茨以及其團隊對于能源技術方面的研究，并且在這一集中用了相當大的篇幅來介紹他們團隊對于新型核電站的研究。比爾的團隊本來已經和中國核電集團簽約要在我國建設這種新型核電站，但是最終由于美方認為此舉有泄漏技術的原因而最終石沉大海。

就目前的核電站而言，其主要應用的技術是核裂變。核裂變會產生很多的核廢料，它們對于環境的污染是十分嚴重，但是現在還有無數的核科學家正在為了更加清潔的核技術而不斷努力，那就是核聚變技術。從理論上講核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不會產生高輻射的核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本可以做到不污染環境。而且核裂變與核聚變技術還在一定程度上可以應用于軍事方面，這樣對于國家安全也是很大程度上的提升。

對于核技術的研究，也不僅僅用于發電與軍事方面。同時也可以應用于宇宙的探索。比方說通過研究原子核的內部結構可以幫助人們對宇宙中的反物質、暗物質等進一步了解。

綜上所述，在未來的能源技術發展方面我認為核能的發展潛力是其它能源在短期之內無法比擬的。核能以及核物理方面技術的發展不及關系到一個國家的能源安全甚至可以上升到國家安全的層面。從1954年前蘇聯的第一座核電站建成至今，全球已有438座核電站，總發電容量為353千兆瓦，占全世界發電量的16%，累計運行時間已經超過1萬堆年（1個堆年相當于核電站中的一個反應堆運行一年）。而且還在不斷增加。這些都是其它新能源難以在未來短期之內多達到的。

參考文獻

[1] 索特里斯A·卡魯赫羅.太陽能能源工程工藝與系統[M].北京：中國三峽出版社，2018. 496.

[2] 索特里斯A·卡魯赫羅.太陽能能源工程工藝與系統[M].北京：中國三峽出版社，2018. 785-786.

[3] 袁振宏等.生物質能利用原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2016.330.

[4] 唐志偉等.地熱能利用技術[M].北京：化學工業出版社，2017.236.

[5] 核能發電基本原理[J].中國三峽，2009，01：81.

王正旭（2001.1- ?） 性別：男 ?民族：漢族 ?籍貫：江蘇省徐州市 ? 學位：本科生 研究方向：能源 ?學歷在讀：華東理工大學能源與動力工程專業二年級在讀本科生