朝鲜为什么不发展煤电(朝鲜为什么不发展煤电业)

新能源技术(二)

急待开发使用的新能源

面对能源危机,世界许多国家在积极制订节能措施,提高能源利用率,降低能源消耗政策的同时,着力新能源的研究与开发。所谓“新能源”,是指目前尚未被人类大规模利用,正有待于进一步研究试验和开发利用的新型能源。近些年来,经各国科学家们从多方面摸索探寻有可能发展成新能源的资源、材料和技术途径日益增多,有些已开始逐步走向实用化。最有发展前途的是:把自然界存在的阳光、地热、风力、水力和有机生物量转变成燃料、热和电力。即把太阳能、地热能、风能、海洋能、核聚变能,以及生物质能、氢能等“可再生能源”的工艺和技术加以开发、改进。另外,还在积极研究试验将“初级能源”转化为“二次能源”的新技术,例如,煤炭的气化和液化、太阳能直接转化为电能、磁流体发电和超导能源等技术。据专家们预测,再生能源的开发技术在未来10-20年内将会有重大突破,到2020年,“可再生能源”占全世界“初级能源”供应的比重,将提高到8%左右。力争在不太长的时期内,将以“初级能源”供应为主的局面逐步过渡到以持久的、多样化的“可再生能源”为主的新型能源结构上来。

当今各国政府都在积极加紧发展“可再生能源”,并已取得相当可观的成就。

一、太阳能开发技术日趋成熟

太阳能既是“一次能源”,又是“可再生能源”。实际上太阳能、风能、水能、海洋温差能、潮夕能、波浪能、生物质能,都是直接或间接来自太阳。地球上的矿物燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能;各种植物通过光合作用转换成化学能也是太阳能在植物里贮存下来的。因此,可以说“万物生长靠太阳”。太阳是一个巨大的久远的无尽能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅是其总辐射能量(约为3.75亿艾瓦)的二十二亿分之一,即约为173拍瓦,其中大部分能量已转变为风、雨、霜、雪等气象现象及被空间反射掉,真正落到地面的能量约为17拍瓦。也就是说,太阳每秒钟照射到地球上的能最约为500万吨煤当量,一年则是170万亿吨煤当量。这样,就是仅剩的这些能量也比目前全世界的能耗量大3.5万倍。

太阳能是一种资源丰富,勿需运输,又不会污染环境的最佳自然能源。太阳能的利用一般分光-热转换和光-电转换两大类。前者为太阳能的热利用,如太阳灶、太阳能热水器等。后者是利用“光电效应”原理将太阳能直接转换成电能,如太阳能电池。

太阳能电池是目前利用太阳能的主要手段。其转换介质材料主要是单晶硅,以及硫化镉、砷化镓、砷化镓-砷化铝镓等,目前单晶硅电池的转换效率已达13-17%,超过了理论极限值(24%)一半以上。据1990年12月25日《人民日报》报道说,有的国家太阳能电池在不聚焦时的直接光电转换效率已达23%。从60年代开始太阳能电池就已应用于人造卫星等空间航行器上,已逐步发展成地面特殊场合的辅助能源,应用范围逐步扩展,并正向大功率应用方向发展。据统计,上世纪90年代全世界有19座100千瓦以上的太阳能发电站,其中13座已建成运转。

虽然单晶硅太阳能电池制造工艺复杂,价格较贵,将要被非晶硅薄膜新材料所替代,但太阳能的利用前景却是可以肯定的。1991年初,德国召开的第六届太阳能利用技术研讨会上,展示了太阳能应用的技术成果和理论研究成果,充分证明太阳能的利用具有投资少、见效快、适应性强等优点,并使人们看到太阳能电池和太阳能发电技术手段已达到日趋成熟的水平,进一步证明这种用之不竭的自然能源有着广阔的开发前景。

太阳能技术比较发达的国家是瑞士联邦,它有一个庞大的利用太阳能发展规划,到2000年时,安装总功率达220兆瓦的太阳能发电装置,这个规划的第一期工程已经完成,许多地区已开始使用太阳能电源供电。

随着相关高技术的发展,太阳能的开发利用将不断得到发展。例如,超导材料进一步扩大实用后,制成大容量太阳能蓄电装置,可以长时间、无损耗地大量贮存太阳能,因而必将使太阳能利用得到更快发展。一些专家认为,如在今后100-200年内,太阳能的利用在技术上取得重大突破的话,它将有可能取代石化能源而成为主要能源。

二、最有争议而最有前途的核能

由于二次大战末期美国使用了绰号为“小男孩”、“胖子”两颗原子弹在日本广岛、长崎造成的灾难和近年来苏联切尔诺贝利、美国三里岛等核电站事故的发生,人们一讲到核能就谈虎色变。因而长期以来“核电”成为举世瞩目的争议问题。尽管70年代初许多发达国家制订的核电发展计划遭到大幅度削减,有些国家也在争论不休中缓慢发展。但是,在传统能源面临枯竭的危机面前和核电技术不断发展的两重胁迫下,核能的技术成就在困惑中傲然成长并受到国际公认。专家们认为,核能的开发、利用是本世纪科技发展的重大成果,是解决人类能源危机的最有希望的手段之一。并认为,未来世界的主要能源将是以核能取代石油。预计到2000年核燃料提供的核能将在一次能源消耗中占左右,到2020年将占20%以上。

经过近40年的发展,核能,特别是核电在各国的电力工业中已占有重要的地位。据西方《原子经济》截至1986年12月底统计,世界上有28个国家和地区已建成运行(397座)和正在建造(135座)的核电站共为532座(堆),当时的核电量已占世界发电总量的10%以上。当时还预计,到1990年底全世界核电站建成总数将增加到537座(堆),再加上在建的还有100余座,总共装机容量达500多吉瓦,占世界发电总量的17%左右(据1991年6月3日美国《时代》周刊报道,“现在全世界有26个国家利用核能源,共438座核发电厂在运转”)。从发展趋势看,今后将有更多国家拥有核电站。据国际原子能机构预测,到1995年时核发电压;占世界总发电量的18%,到21世纪初,有58个国家和地区建造核电站,电站总数达1000座,装机容世达800吉瓦,占世界总发电量的35%左右。

核电还在经济上具有明显的竞争优势。核电站造价要比火电站贵20-50%,但核燃料便宜,反映到发电成本上,就明显低于火电。据美、日、法、德以及印度、南朝鲜等国统计宣布,核电成本比煤电便宜最少为12%,最多为50%,多数为40%左右。

核电在安全和对环境污染方面,也是可靠的、清洁的。三里岛核事故,使周围居民受到核辐射剂量仅为15微希,还不如带1年夜光表所受的剂量大。正常情况下对周围环境的放射性影响更是微乎其微,只有3微希,而每天吸10支烟1年累计所受放射性剂量就有500-1000微希。

许多资源小国或资源不够丰富而大力开发核电的国家,核发电量已占本国发电总量的10-45%以上,最高的是法国,已占本国发电总量的75%。日本在核电方面起步较晚,但发展很快,据1990年日本政府在一份报吿中称,日本现已有39座核电站,发电量已达30吉瓦,核电力占全国能源总消耗量的9%以上,核能提供的电力占26%。日本计划到2010年将增至79座,发电总量约80吉瓦,将占全国能源总消耗量的16.7%,核能提供的电力将达做。

还应特别提到,核能除用来发电外,还可以作为船舶动力、核能供热,核能冶炼钢铁,以及火箭、导弹、宇宙飞船、人造卫星等民用和军事装备的动力能源。尤其是核动力不需要空气助燃,因此可广泛作为地下、水下、空间等缺乏空气环境的特殊动力,成为开发地下,海底和空间资源的理想动力能源。

我国政府十分重视核能技术的发展,在“863”计划中明确提出要发展先进核反应堆技术,包括:快中子增殖堆、高温气冷堆等项目。在上述这些方面“七五”期间已取得显著成就,“八五”计划进一步发展核能技术。

在核电技术方面,目前大多数国家技术比较成熟的是核裂变堆,也就是热中子转换堆技术,即:在核裂变过程中,部分质量变成能量,产生热能使轻水加势,产生蒸气,推动涡轮机发电,1克铀235燃料发生的能量相当于1.8吨石油产生的能量。

这种转换技术效率还不够高,它只能使原铀有1-2%的能量利用起来,从长远看也会使天然铀源面临枯竭。目前,正在使核裂变反应堆向新的方向开发,主要是:用重水代替轻水的新型转换堆,提高燃料效率;用富含钚239的铀238为燃料,使铀的资源可增加近100倍。

更有发展前途的是发展“快中子增殖反应堆”技术。法国是起步最早的国家,其“超凤凰”快堆自1973年投产以来,已安全运行了20多年,1.2吉瓦的商用“超凤凰”验证堆于1984年底投产,1986年又建设“超凤凰”Ⅱ型快堆。

快堆又称热核反应堆,它是可控的核聚变反应技术,它的优点是能量转换效率高,有可能提高到60%。1克氘燃料释放的能量相当于8吨石油,且价格低,只是煤的1%。弱点是还产生一定的放射性废物需要处置。

研制一体化快速反应堆是革新核电技术的新措施。1991年3月6日,美国《基督教科学箴言报》报道,美国阿尔贡国家实验室正在研究这种反应堆。如建造1500座这样的反应堆,可能会使铀矿藏的开采时间延长为2000年,并把废料的危险期减少为200年。

地球上氘、氚资源无限丰富,如将海水中的重氢和超重氢提炼出来氚后,可达45万亿吨之多,足够人类使用100亿-200亿年。核聚变技术的难点在于超高温处理,即2亿摄氏度才能使氘、氚发生聚变反应。美、欧、苏、日等国正在开发实验堆工作。

据国际能源部门统计,目前大约有40多个国家,进行理论研究和技术试验,共建造了200多座核聚变实验装置,还研究了各种受控热核反应发电装置,其中,离子核聚变装置和激光核聚变装置是可能成为最有发展前途的可控热核反应技术的具体应用。我国最大的受控核聚变研究装置“中国环流器1号”已于1984年11月建成启动。日本正计划建造重达4000吨的巨大的环型“JT-60”核聚变实验堆,美国也在研究室温核聚变堆。

总之,核能的开发应用已成为当今世界新能源高技术的重要课题。专家预测,在90年代核聚变将获得突破性进展。它的迅速发展,必将大大有利于能源危机的解决。21世纪初各种核能装置,特别是核电快堆成为世界各主要工业化国家的重要能源,这已成为一种势不可挡的大趋势。

三、没有污染的地热能源

当代工业和生活中所利用的能源,大部分是通过燃烧矿物燃料,这些对环境污染是十分严重的一大公害。而利用的地热能,既可获得能源,又可不污染环境,因而成为当今人们十分关注的新能源开发项目。

所谓“地热”,就是地球内部所蕴藏的热能。利用地热能是人类很久以前就开始的一种古老的技术。例如利用温泉洗澡、取暖、医疗等,但用来发电,还是1904年由意大利人在比萨斜塔下开始的。1970年开始,一批科学家在美国新墨西哥州吉米兹山区开始了一项地热开发计划。到1978年打通了两口3公里左右的地热井,其中一口井往下高压注水,另一口井供提取135摄氏度的地热蒸气,驱动涡轮机发电,获得了每小时5兆瓦功率的热能,可供500户家庭用电。进入80年代以后,又继续作了许多试验工作。苏联地热能蕴藏量和开发工作都居领先地位,早在1967年在堪察加半岛上就建立起一个地热利用发电机站,取得一定成效。

地壳中的地热可分为:可变温度带、常温带和增温带三个不同层次,其温度状况也不相同。常温带以下,地温随深度加深而升高。据推断,地壳底部至地幔上部的温度为1000-1300摄氏度,地核温度在2000-5000摄氏度之间。各地的“地热增温率”均不相同,平均地热梯度约为每公里深度30摄氏度。美国吉米兹山区的芬顿山下约为每公里深度55摄氏度左右,因此在3公里深度处,岩石温度已达185摄氏度左右;4.4公里深处为327摄氏度。一般说,地热转换成电能的效率只有15-20%。

地球表层10公里厚的一层,总贮藏热世就有1.05亿艾焦,相当于9950万亿吨标准当量煤。但人类能开采的地热深度要受技术、资金的限制,一般能打到3-5公里。据计算,在美国,7公里深度以上有数量非常巨大的丰富的地热能,但并不是都需要开采如此之深。按开采到3公里处的地热资源来计算,就相当于2.9万亿吨煤当量。

地热能的利用,可分为地热发电和直接利用两类。据估计,岩石温度在360摄氏度以上的地热约占总地热能的1.4%,其蒸气热能可用来发电;岩石温度在80-180摄氏度之间的中、低温地热能约占总地热能的0.7%,可直接用于工业加工,供暖、洗澡、医疗、水产养殖等各领域。据美国计算,仅这部分热能就相当于目前美国所消耗的热能的4000倍之多。

据国际能源机构统计,截至1983年6月,全世界共有143台地热发电机组在运行,总装机容量为3.319吉瓦,其中美国居首位,占世界总量的38%。据称世界所蕴藏的地热能,相当于全部贮煤热能的1.7亿倍。截至1989年初,全球地热发电能力已提高到5.136吉瓦。到2000年,可达100吉瓦。在全球共有四个大地热带,我国就占两个。经10年普査,到1984年,我国已发现3430处地热点,我国地热资源能量十分丰富,到1982年已直接利用的约达743兆瓦。西藏羊八井地热电站总容量6兆瓦的实验机组已于1983年建成投入运行。

四、高效清洁的无价风能

风能与其它能源相比,具有明显的优势,蕴量大、分布广、可再生、无污染。但也有突出的局限性,能密度低、不稳定、地区差异性大。据估计,世界陆地可开发利用的风能约有10太瓦,为地球可开发利用水能总量的10倍。

风能的利用主要是转化为电能,利用自然风力驱动风力发电机。目前世界上大约有50万部风力发电机在运行,其发电总功率约为1吉瓦,已投入使用的最大风力机,单机功率为4兆瓦。专家预测,今后5年,世界每年风力发电的增长潜力估计为300-400兆瓦。

世界一些国家根据本国情况积极发展风能利用技术。丹麦在生产高效风能发电设备上已取得很大成果,丹麦电力需求的10%将来源于风能。西班牙政府很重视风能利用,在其最南端的塔里法悬崖建造一座欧洲最大的风力发电源。那里的风力能转动直径20米、重约6吨多重的螺旋桨。我国风能也比较丰富,全国每年风力资源总储量约1.6太瓦,近期可开发的约160吉瓦。在内蒙、福建平潭岛等地已开始使用中、小型风力发电装置。

五、急待开发利用的海洋能

占地球表面积71%的海洋蕴藏着极为丰富的能源。海洋能是蕴藏于海水中的可再生能源,包括浪波能、潮汐能、温差能、海流能、盐差能等。这些能源都是具有可再生性和不污染环境等优点,是一项急待开发的具有战略意义的新能源。

海洋能的储量非常丰富,据估算其蕴藏量分别为:波浪能2.5太瓦,潮汐能2.7太瓦,温差能2太瓦,海流能5太瓦,盐差能2.6太瓦。这些在新能源中占有很重要的地位,如能充分开发利用,将是一条崭新的能源出路。

当前,世界一些国家已开始在波浪能、潮汐能开发利用上(主要是用来转变为电能)取得一些效果。波浪能是自然界中存在的巨大能量,巨大的海浪曾把一块13吨重的岩山抛到20米高。据实测,当风速每秒10米时,每一米海岸上受到的波浪能达247千瓦。因此,合理开发利用波浪能具有重大的实用价值。1980年,日本与国际能源组织合作研制的“海明”号波浪发电装置,发电能力已达125千瓦。1985年完成的新发电装置已提高到2兆瓦。日本还准备建造一座200兆瓦的发电装置,用海底电缆向陆地供电。欧共体国家的海岸线上的波浪能开发后将可满足这些国家当前电力需求的65%。英国把波浪发电的研究放在新能源开发的首位,把它称为“第三能源”。

潮汐能的开发利用也已见初效。全球的潮汐能约有2000亿度,目前实际用来发电的只有6亿度。预计到2000年,全世界的潮汐发电站年发电量可达300亿-400亿度。法国在1967年建立了世界上第一座规模较大的朗斯潮汐电站,装机容量为240兆瓦,年发电量为5.44亿度。我国70年代末兴建的浙江、山东两个潮汐电站年发电量分别为1000万度和230万度。英国能源部认为,利用英国的潮汐动力,足以满足英国电力的1/5。因此英国现在很重视潮汐能的开发。

六、尚未引人注目的生物质能

地球上的生物资源极为丰富,是一种无害的能源。据估计,地球每年经光合作用所产生的生物质有1725亿吨,它所拥有的能量,相当于全世界能源总消耗量的10-20倍,但目前利用率很低,只有1-3%之间。全世界约有25亿人依靠生物质能取暖、烹饪和照明,这些人大多数居住在发展中国家的农村地区。1987年,生物质能占世界能源消耗量的14%,相当于12.57亿吨石油,其13%用于发展中国家,这些国家从生物质能中获取35%的能源,约相当于11.88亿吨油。

所谓生物质能,就是可以直接燃烧,也可用生化学和热化学法转换成气体、液体和固体燃料,例如木材、草类、农作物等。目前使用的转换技术主要是生物质厌氧消化生产沼气;生物质发酵制取酒精;生物质热分解气化等。其它一些转换技术正在开发实验阶段,尚未成熟。当前主要困难是转化效率低和生成成本高。

七、优质干净的氢能源

在“二次能源”中,目前应用最广泛的是电能,即“过程性能源”和汽油、柴油等“含能体能源”。电能无法直接贮存,而氢是新的“含能体能源”,氢将成为21世纪的重要二次能源。

氢能的特点:是最轻的气体,发热值高,为汽油的3倍,易燃,易贮存和运输,又是无色、无臭、无味、无毒的理想净化能源,能量转换形式多,更重要的是来源广泛,除空气外,它主要以化合物形态贮存于水中。地球是“二山七水一分田”,水是大量存在的。

因此,用氢能代替碳氢化合物能源,将是一个重要发展趋势。这种新能源经过几十年的努力,通过太阳能制得的氢,将成为普遍使用的一种高级能源,作为优质燃料,可广泛应用于航空、航天器、导弹、火箭、汽车,还可用于代替焦炭进行炼铁,未来20-30年后,将成为许多领域的重要燃料。1990年在联邦德国展出了一种用氢运转的5升BMW7系列汽车。这标志着利用氢能已经有了良好的开端。

八、新颖高效的磁流体发电技术

磁流体发电技术就是用燃料(石油、燃煤、原子核等)加热气体,使之电离成导电流体,使其在磁场中流动时产生感应电动热,从而产生电能,也就是直接发电。这种技术也称为“等离子体发电”。它具有如下优点:一是热效率高,目前火电燃料效率仅为40%左右,而采用磁流体-蒸气联合循环电站的热效率可达60%以上;二是体积小;三是低污染;四是单机容量大;五是发电启停快。

燃煤磁流体发电技术,从1959年美国试验成功后,目前已有17个国家正积极研究,其中13个国家重点研究燃煤磁流体发电技术。这项技术已作为我国“863计划”重点项目,1989年我国与美、苏两国科技界联合确定研究万千瓦级中试电站的技术概念。1990年我国的模拟试验装置运行540小时,获得较大进展。

另外,1986年我国还发展了一种“水煤浆燃烧技术”,就是用70-75%的煤粉和20-30%的水,加入一定数量的添加剂混合而成。是一种先进的低污染的代油液体燃料。对节油、经济、减少环境污染都有重要意义。