能源战略走向：氢能替代石油，能源家族不断壮大

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：⑤氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等。能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。其中，石油和天然气是当今世界中一次能源的三大支柱，构成了全球能源家族结构的基本框架。另外，一次能源小家族中也列入了像太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能。光从人口增长的数字来看，能源消费的增加将是惊人的。地球的能源已经无法提供近116亿人口的能源需求。

21世纪人类的能量高消费导致了严重的环境问题，威胁着后代的生存，清洁能的研究开发成为人类的紧急课题。氢在元素大家族中排名第一，是最轻量的元素氢与氧构成了人类的离不开的水。

氢能是指以氢为转换媒介的能量。氢由水的电分解或者热分解而得到，氢的储藏、输送可以采用高压气体氢和金属氢化物等三种方式。根据需要，氢能可以通过燃烧转变为热能，或者用内燃机转变为机械能，或者用燃料电池转变为电能，各种转变方式均可高效率地进行。更广义而言，氢能还包括氢的同位素氘与氘核聚变反应引起的能量。

氢作为二次能量被受到注目的原因有：①氢的原料是丰富的水，氢用种种一次能量制出故没有资源的限制。②氢的燃烧生成物是水，不污染环境。③与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环。④与电力储藏困难骓相反，氢能储藏很容易。⑤氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等。⑥氢能可由燃料电池直接用来发电。⑦氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可广泛用于电池等。⑧氢可广泛用作化工等的原料。

氢能的实用化，尚待解决以下几技术难题：①大量地且低成本地制造氢的技术开发②安全地储藏、运送氢的技术开发。③高效率地转换氢能的技术开发。④将氢能用于社会各行各业的技术开发。

能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。只要能为人类利用以获得有用能量的各种来源都可以加入到能源家族中来。能源家族从不同的角度可以划分不同的的成员，从其产生的方式以及是否可再利用的角度可分为一次能源和二次能源，可再生能源和不可再生能源；根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染能源和清洁型能源；根据使用的财政部又可分为常规能源和新型能源。

一次能源中有可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源。其中，石油和天然气是当今世界中一次能源的三大支柱，构成了全球能源家族结构的基本框架。另外，一次能源小家族中也列入了像太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能。

二次能源中包括电力、煤气、汽没、柴油、焦炭、洁净煤、激光、和沼气等等。

污染型能源包括像煤炭、石油等，清洁型能源包括像水力、电力，太阳能，风能和核能等。

常规能源包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源，新型能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及勇于核能发电的核燃料等。

一提起核反应堆，人们也许会联想到原子弹和切乐诺贝利核电站事故。其实与其他事物一样，人决定性因素，人们既可以把核反应堆完全用于和平事业，又可以完全避免切尔诺贝利电站事故。

核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。(www.chuimin.cn)

根据用途，核反应堆可以分为以下几种类型①将中子束用于实验或利用中子束的核反应，包括研究堆、材料实验等。②生产放射性同位素的核反应堆。③生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆。④提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如多目的堆。⑤为发电而发生热量的核反应，称为发电堆。⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆，称为推进堆。

另外，核反应堆根据燃料类型分为天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆；根据中子能量分为快中子堆和热中子堆；根据冷却剂（载热剂）材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆；根据慢化剂（减速剂）分为石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆；根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆；根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆；根据运行方式分为脉冲堆和稳态堆，等等。核反应堆概念上可有900多种设计，但现实上非常有限。

首先，让我们回顾一下世界能源消费的发展状况。19世纪20世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大。初期主要以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油以及天然气的开采与消费开始大幅度的增加，并以每年2亿吨的速度持续增长。虽然经历了20世纪70年代两次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝毫减少的趋势。对此，世界能源结构不得不进行相应变化，核能、水力、地热等其他形式的能源逐渐被开发和利用。特别是在第二次世界大战中开始被军事所利用的原子核武器副产品的核能发电得到了和平利用之后，其规模不断得到发展。很多国家现已进入了原子能时代。在日本，发电的40%靠核能来解决。那么，当今世界的能源消费状况又是怎样的呢？以1994年为例，世界能源的总消费量以石油换算为79亿8000万吨，其中石油占39.3%、煤炭占28.8%、天然气占21.6%，这样化石燃料的消费量占3%。日本作为世界主要工业国家之一，每年能源的消费量约占世界总量的6.5%，其中化石燃料占82.4%。尽管在新能源开发方面正在进行努力，包括水力发电，比例也仅占5%，前景不容乐观。

最后，让我们来预测一下今后的能源消费。现在地球人口约60亿，到21世纪中叶，预计将达到100亿人。光从人口增长的数字来看，能源消费的增加将是惊人的。另外，目前的能源消费结构上，仍存在着很大的南北差异，即工业发达国家使用量为总能源的3/4，人均消费量经消费美国最高，为世界平均水平的5倍以上。我国的人均消费量还相当低，还不到1/10的国家还有很多。因此，今后的能源消费必须考虑生活提高的对比，能源不足的情形是可以想像的。地球上的能源终将是有限的，如同只伐树而不植树，森林也会变成荒原一样，如此大量的消费，世界的能源资源也将会枯竭。现在世界能源消费以石油换算约为80亿吨/年，按40亿人计算，平均消费量为2吨/人·年。以这种消费速度，到2040年，首先石油将出现枯竭；到2060年，核能及天然气也将终结。地球的能源已经无法提供近116亿人口的能源需求。而随着世界人口的不断增加，能源紧缺的时期将会提前来。因此，21世纪新能源的开发与利用，已不再是一个将来的话题，而是关系人类子孙后代命运，刻不容缓的一件大事。

几十年后的汽车会是什么样子呢？现在全世界约有5.5亿辆以上的汽车在公路上行驶。随着汽车的普及，石油资源的枯竭，环境污染及地球大气的温暖化等危及人类生存的问题日益严重。为了减轻上述问题，在20世纪60年代以来，人们发明了各种低公害节能汽车，如电动汽车、甲醇汽车，天然气汽车。现在，这些新型汽车已经开出了展览厅，走向了实用阶段，正在各先进国家日益普及。

电动汽车是通过高能蓄电池中的直流电转换成交流电，驱动永久磁石式电机旋转从而带动汽车行驶。由于没有汽油发动机的燃烧、膨胀、排气等过程，电动汽车不像普通汽车那样排放含有铅。硫、氮的氧化物等有害气体，同时噪声约为同等动力的普通汽车的1/4。由于提供电动汽车所需电力的发电厂的排放废气容易得到有效的控制，且发电厂的能源的有效转换率比普通汽车高得多，因此电动汽车的单位行走距离所排放的污染物质比普通汽车小得多，同时节省能量。是一种非常有前途的低公害节能汽车。

甲醇汽车是另一种新型的低公害节能汽车，它是以酒精类的甲醇作为燃料的汽车。甲醇汽车的最高时速，马力等性能和普通汽车差不多，但排出废气中的铅，氮的氧化物也减少一半，并且基本不冒黑烟。燃料用的甲醇来源很广，可以从天燃气、劣质煤，油砂，木屑等凡是能产生一氧化碳和氢气的物质中提炼出来。而且，甲醇生产有工艺简单，设备少，运输方便等特点。

现在，日本政府正以减轻税金，提供一次性补助等方法来促进低公害车的普及。从1998年开始，美国加里佛尼亚州已要求汽车贩卖店有贩卖一定比例电动汽车的义务。同时，各汽车公司也正设法开发新产品，降低低公害车的成本，增加充电设备及燃料供应网点等，为大规模普及低公害节能汽车作准备。低公害节能汽车已日渐成为21世纪的关键词。有人预测，在21世纪初期，低公害节能汽车将成为年轻人的时髦品。

核能的释放通常有两种形式，一种是重核的裂变，即一个重原子核（如铀、钚），分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量；另一种是轻核的聚变，即两个轻原子核（如氢的同位素氘），聚合成为一个较重的核，从而释放出巨大的能量。理论和实践都证明，轻核聚变比重核聚变释放出的能量要大得多。

利用重核裂变，人们已经制造出了原子弹，若通过反应堆对其加以人工控制，就可实现原子能发电。利用轻核聚变原理，人们已经制造出比原子弹杀伤力更大的氢弹，氢弹是无控制爆炸性核聚变。要实现核聚变能的和平利用，即核聚变发电，必须对核聚变实行人工控制，使核聚变反应按照人们的需要有序地进行，这就是受控核聚变。

能源战略走向：氢能替代石油，能源家族不断壮大

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