能源供应的挑战和机遇（中）
新能源开发利用面面观
□中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
（上接第22期第4、5版）
                                          核      能
　　通过核裂变或聚变产生核能。核裂变主要用于发电，而核聚变除制造氢弹外仍处于实验室研究阶段。近来，
技术先进的国家共同提出一个称之为ITER的核计划，到2050年实现核聚变用于民用，该项目十分复杂也非常昂
贵，预算约100亿欧元。
　　目前，世界有441座裂变核电站，未来几年可能会有所减少，因为在建的26座核电站很难完全替代须退役
的旧反应堆。裂变核能的开发面临许多困难，虽然新型反应堆是安全的，但人们不能忘记契尔诺贝利的事故。即
使在美国核废料的处理也未能得到解决，虽然在Yucca山区建设了巨大的垃圾场，但核废料的辐射将延续数千年，
必需引起人们的关注。此外，核能与武器相关紧密，当前轰轰烈烈的伊朗事件引起核武器扩散，无论是制造核武
器，还是安全维护以及销毁都需要投入大量资金。
　　为满足未来对能源需求的不断增加，需利用核能提供10TW(1TW=1万亿W)电力，即需要1万座1GW(1GW=10亿
W)的核裂变发电装置，也就是说在今后50年内每天要建造1座发电设备。如若这项计划被实现，全球范围内的
铀资源将在10年内耗尽，所需的燃料需进行再加工，增强反应堆技术也要开发，而且要向一些需用此方式满足
能源需求的国家转让。通常燃料再加工需要从放射性材料中分离出钍元素，钍可用于制造原子武器。最近，布什
政府向国会提出将400亿美元作为制定全球核能参与计划(GNEP)的基金，用于研制一种核循环回收工艺。如果该
项目成功，2025年美国及其合作伙伴将向发展中国家提供新鲜的核燃料和小型反应堆，但这些使用国必需承诺不
再建立铀富集装置，并将使用后的核燃料返回供应方进行再加工。届时发展中国家的核能发展将完全依赖国外技
术，政治上也必将受制于人。
                                         太   阳   能
　　地球是一个封闭系统，幸运的是来自太阳的取之不尽的能量流照射到地球的表面，约产生12万TW的电磁辐
射，这个能量远远超过人类的需要。10%的有效太阳能转换系统覆盖地球0.16%的土地，将提供20TW电力，约为
全球消耗的矿物能的2倍，相当于2万座1GW核裂变装置所产生的电能。
　　太阳能有着巨大的潜势，是清洁的、丰富的、经济的能源，但它也是分散的（1700WM-2）和间歇的，必须进
行浓缩和存储才能将其转换成可用的能源形式。应用目前已开发的转换技术，就发电和燃料制备方面来讲太阳能
仍不能与燃料矿物相抗衡。但是，如果考虑矿物燃料的隐性成本则会有不同的结果。
　　科学家认为，未来对太阳能的应用可通过从空间收集能量然后再将微波能量流送回地球。
　　1.光—热转换
　　太阳能的大规模应用是通过太阳热收集器将液体加热，直接用于加热水或房屋取暖。太阳热收集器市场在
2001～2004年间增长了50%。其中欧盟约占13%，2004年约160万m2房屋安装了此设备。太阳热系统使用密度
最高的国家是以色列，每千户居民安装面积达740m2，该国通过法律强制要求建筑物安装太阳能热水器。目前，
世界约4000万户居民的1.1亿m2房屋安装了太阳能热水器，其能量相当于77GW热能。一般家庭中能源主要消
耗在热水、洗涤和烹调，广泛地应用太阳能的热转换是十分有利的。
　　据估算，2004年应用太阳能替代矿物燃料加热水，就减少CO2 排放2500万～3000万t。太阳热转换的一个
重大改进是建设具有集蓄热功能的系统，能够通过相变贮存进行可控制释放。
　　应用镜面聚集辐射的方法，将阳光集中，其热量能通过热机转换成电能，或是用于吸热化学反应，如甲烷转
换和金属的氧化或还原反应。经过一段时期停止后，几年前高温太阳热系统又重新激发人们的兴趣，该系统产品
已在西班牙市场出售，一些发展中国家也有发展计划，研制耐高温和化学腐蚀性的制备材料是今后的主攻方向。
　　2.光—电转换
　　太阳能发电可以通过光电池及其相关元件或高温系统来完成。光电池有很多用途，特别适用于不能通过电网
供电的地方。当前世界有16亿人口用不上电，很大部分贫困地区无力建设电网。在发展中国家，将太阳能电池
建在屋顶上，也可以通过转换器与电网连接，形成电网联集光电池系统。2002～2004年这种系统的使用量增长了
60%，日本有20万m2房屋屋顶、德国15万m2房屋屋顶安装了此系统。
　　通常，光电池的电子和空穴是在半导体上吸收带有能量的光子，释放多余的热能而产生的。由于能量转换效
率受到热力学限制，从原则上讲，此限制可以通过第二代系统（多节太阳能电池）予以克服。
　　第一代光电池是由单晶硅制成，效率为5%～15%，寿命为30年，与电网联结的电力成本为0.20～0.40美元
/kW·h，而矿物燃料电网的价格为0.03美元/kW·h (发达国家峰期价格)，农村电气化电价为0.8美元/kW·h。
太阳能电池在其生命周期中所产的电力价值相当于生产成本的10倍，2004年全球累计安装的光电池容量达到
1.8GW。
　　如果将外部费用考虑在内，太阳能发电成本可与矿物燃料及核能竞争。随着研究工作的不断深入，可望在该
领域产生新的理论、设计、新材料和新技术，以提高电池效率，降低成本。
　　过去10年中，固态光电池以分子有机物系统为基础，已被开发应用于可视屏幕技术，它们的能量转换效率
仍然很低，不到5%，但是有可能构建低成本、质轻、面积大的太阳能电池。高效有机太阳能电池的研制将推动太
阳能转换涂料的开发，用以加强太阳能的捕集和转换。
　　太阳能也可以通过光电化学电池转换为电能，以一种半导体电极为基础，与电解质相联结。TiO2是最稳定的
半导体，因为其能隙高达3.0ev，界波长约410nm，因此不能吸收更多的阳光。为此，可用染色分子吸附在TiO2
沉积纳米粒子的薄膜上，染色分子被阳光激活后发生电子跃迁，产生电荷分离的过程。TiO2价格相对较低，而且
制造工艺简单，因此用染料提高灵敏度的太阳能电池具有良好的发展前景。
　　3.光—化学转换
　　液体燃料因其可以贮存和运输是最好的能源形式。太阳能是间歇式的，可以将其转换为有用的化学燃料。太
阳能发电可以通过电解水产生H2和O2转换成化学燃料，但是十分昂贵。因此，由太阳能直接生产燃料（可以通
过甲醇）较为有利。
　　植物可通过自然光合作用将阳光转换为可加工成矿物燃料的生物质。矿物燃料的生产率要比人们日常的消费
率慢50万倍，光合效率最高约6.7%。从全球看，仅有0.3%的太阳能散入大地，其中的一小部分被贮存于植物。
因此提高自然界的光合效率是非常重要的，要达到此目的，需要在分子基础上来阐释光合作用的全过程。在光合
有机体中，光线通过含有颜料的蛋白质复合物的天线系统（antenna system）进行吸收，将此液化能量转移到反
应中心（RC）蛋白质，通过电子传递过程转换成电化学势能，电荷分离过程的量子效率近乎100%，最后的氧化还
原平衡通过热电子传递被传输出来，并处于催化状态，用于氧化水和生产燃料，如碳水化合物。
　　100年前，意大利化学家Giacomo ciamician提出人工光合作用的可能性，并指出，“植物丰富的地方，光化
学就存留在植物中，通过合理的种植，太阳辐照就可用作工业目的。在沙漠地区不适合任何方式的耕种，但可通
过人工方式将太阳能转为光化学能进而进行应用。在干旱的土地上可以建造没有烟雾和烟囱的工业园区，玻璃管
葱林将超越植物，到处可见玻璃建筑物，在它们里面进行光化学过程，迄今仍是弄不清植物的秘密，但是将会被
工业掌握，使它们能生产比自然界更丰富的能量。”
　　有效生产清洁的太阳能燃料将是现代科学的最重要突破。虽然它将面临许多挑战，但所完成的一些研究成果
令人鼓舞，太阳能燃料生产在经济上和环保方面都具有强大生命力，此种燃料可通过丰富的原料如水和CO2来制
造。水分离出氢分子和氧分子，而CO2被还原为CO和O2。构建人工光合系统进行实际生产太阳能燃料的最佳方
法是仿生自然光合过程的分子和超分子组织。吸入的光线应当进行电荷分离，电荷传递至催化活性点，按氧化还
原当量分别产生氧和氢（或CO2还原），当人工光合作用进行到一定阶段，将不同组份在某工作系统中集成综合。
但是此技术目前尚未掌握，困难在于从水（或CO2还原）生成O2和H2是多电子反应过程，而光线的吸收是单光
子过程，也就是一个电子负荷分离过程，因此，要用催化剂去耦合单光子，使其积累达到燃料生产所需要的氧化
还原当量。有效的催化剂，特别是产生氧的催化剂迄今为止尚未发现，近来关于自然光合作用产生氧的中心结构
的发现将有助于设计有效的人工催化系统。
　　自然和人工混合系统的研究取得成功。例如同一种给予体－接受体的三元组合和ATP合成酶在脂质体中结合
形成一种质子泵。
　　生物质目前已是能源生产的重要资源，特别在发展中国家，小规模工业较多，而过多应用木材燃料会对人们
的健康产生危害。发展生物质能源需要大面积的土地和大量的水。据估计，按照当前的消费水平，欧洲和美国要
替代5%的汽油和柴油将需要现有的20%的可耕种土地。发达国家主要应用固体生物质发电，或是由玉米和谷物制
造乙醇、生物柴油等液体燃料，如巴西以甘蔗为原料制乙醇，美国则以玉米为原料。巴西每年将33%的甘蔗转换
为乙醇，2004年44%的非柴油摩托、机动车辆使用E95乙醇燃料，其余使用25%乙醇和75%汽油的掺混燃料。目
前该国销售的新车50%以上为灵活燃料车，纯乙醇或是乙醇汽油混合燃料均适用。美国的E85和E10乙醇燃料日
益增多，而印度和中国车辆则使用混合生物柴油。欧洲一些国家生产的生物柴油燃料可免税。德国2004年生物
柴油生产增长50%。欧洲的生物柴油计划发展目标是2010年消费量占燃料总消耗量的5.75%。
　　当前生物质能研究的重点有两个方面：一是提高纤维素制糖的转化率用于乙醇生产；二是改进生产合成气的
气化技术。
                                         风      能
　　风能发电有许多优点，包括可以替代传统的燃料，不向大气排放废气也不释放热量，建设周期短、装机容量
变化范围广，技术比较简单。长远来看，风力发电的价格将不断下降，对传统发电技术构成强大的竞争优势。其
不利之处是自然风力不断变化，风场到消费中心的距离以及生态方面的问题。全球风力发电能力达到2～6TW。风
力发电市场集中在西班牙、德国、印度、美国和意大利等少数国家，同时新型大规模市场正在起步，如俄罗斯、
中国和巴西。2004年世界风力透平机数量超过6000台，平均每台功率达1.25MW。据欧洲风能协会预计，10年后
欧洲将安装总功率达7.5万MW的风力透平机，可以满足2亿欧洲人的电力消费。
　　水力发电是一项古老的技术，世界上水力发电设施所占土地面积约30万km2，水力发电站提供的一次能源仅
为世界一次能源总量的3%。建设大型水坝需进行大规模的搬迁，20世纪内发展中国家搬迁人数多达4000～8000
万，而其发生的社会和经济困难难以估计。水库常常淹没许多宝贵的生态系统，从而对社会造成极大的危害。最
近，有研究证明水库是CO2和CH4的主要来源，尽管如此，水力发电有着许多重要的优点，它的运行成本和寿命
可与任何发电模式相媲美；易于捕集潜能满足电力峰值期需要；可供应灌溉和饮用水；对同期发生的破坏性洪涝
灾害有保护作用。地球上可用的水力潜能是很大的，但仅有一小部分可以从经济和环境观点按可持续性方式进行
利用，预计世界待开发的水力发电资源低于0.5TW。目前来看，全球范围内新建大型水力发电站的可能性很小，
但是分散的小型装置所产生的能源供给是不可忽视的，在中国数以千万计的农村家庭用电来自小型水力电站。
　　此外，我们要不断追求能源形式多样化，地热能和海洋能源中的潮汐能、波浪能、温差能、海流能等也应给
予考虑和重视，特别是就地利用。（未完待续）