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解开新能源的迷思
——你所不知的清洁能源10个真相（上）
本篇文章来源于 科技网|
2010年08月03日 来源： 科技日报 作者： 张梦然

生物乙醇：你方唱罢我登场
　　尽管多年来都是可再生能源的宠儿，但现在，玉米乙醇已经失宠，纤维素乙醇日渐露出其生物燃料明星的姿态。然而，纤维素制乙醇，真的有传说中那么完美吗？
　　环保规定是促进乙醇燃料的关键杠杆。在美国，自2005年能源政策法案颁布，规定到2012年美国每年汽油消费的5%要来自乙醇这样的再生燃料，并给予一定补贴，使得乙醇开始红得发紫。在世界各地，由于将可食用作物转化为燃料的技术是现成的，包括玉米在内的作物成为制造生物燃料最简单可行的原料。一时间，玉米短缺，价格上涨，险些与民争食。种种弊端也随之展现，用在种植、收获、运输和提炼玉米上的能源，远远超过玉米能提炼出的能源，众多的报告从多个角度对美国生产的玉米乙醇进行过研究，结论都是效率不如汽油。玉米乙醇显然并不是人们所期望的、对环境安全具有积极影响的能源形式。
　　任何一种能源都有可能被更新、更好或更廉价的新能源所取代。在玉米乙醇没能兑现它所承诺的良好效率之时，纤维素乙醇作为接替者成功上位。
　　纤维素乙醇的前景似乎要好得多：首先，纤维素在自然界广泛存在，美国就有大片土地可供柳枝稷生长，通过纤维素所获的乙醇非常洁净，可以和汽油一样有效驱动汽车行驶；其次，纤维素生产乙醇靠的是秸秆、草皮和树皮，这些纤维素人类并不能食用，不会威胁人类的食物供应；最后，以非粮原料或农业废弃物为原料转化，无疑比从玉米或甘蔗中提炼乙醇更合算且十分环保。大多数此类作物能够在不适用作农田的边际土地上快速生长，还有一些能在被废水或者重金属污染的土壤中生长并净化土壤，如生长周期较短的灌木柳树。
　　不过，这名生物乙醇界的新贵，还必须克服相当大的环境与财政方面的挑战。尽管其可存在于广袤的自然界中，但若想达到工业数量级的要求，得有极其庞大且源源不断的纤维素供应，边际土地显然不够用，还是会有大量土地“献身”给乙醇燃料事业，此其一。
　　而（原料）供应密度低的问题同样很棘手。得克萨斯大学的化学工程师泰德·帕赛克举例称：“譬如说在植被稀少的海湾地区，几乎需要一块大于所有加利福尼亚州农田面积总和的柳枝稷树林。”此其二。
　　而且，由于纤维素的质地坚韧且多纤维，其需要重型酶参与分解，才能将植物中的纤维素分解成可发酵糖，并进一步转化为乙醇。这一过程是目前的关键技术，其耗用掉很多能量，且尽管多种催化酶一直在进行优化，但成本仍然奇高。
　　针对这份过高的投入，去年发表在《生物资源技术》杂志的报告称，纤维素乙醇暂时还不是汽油的对手，除非原油价格每桶达到90美元。
　　靠碎树枝来取代石油的想法只怕是一厢情愿，但只盼当“90美元”这一天到来之时，纤维素乙醇能略施身手，而这正是今天不断进行研究的价值所在。

　　风能：但求好风凭借力
　　在多数人眼中，风能只是辅助能源，用它来发出的电并不很靠得住。因为要看天的脸色行事，发电能力的多寡取决于自然界，倏忽其来，倏忽其去，不可预测。
　　在地球的表面，由于各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，就是人类可加以利用的风。大量空气流动所产生的动能很可观，具体某处风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦。
　　如此巨大数字当然要让它更加靠得住。现在，能源规划人员已在制定策略，力求让风力发电变得更加稳定，使人们知道真正使用上风电其实离我们并没那么遥远。
　　风忽起忽散，能量亦忽涨忽落，想把这种间歇性加以平衡，研究人员认为最好的办法是将不同区域用计算机网格技术加以连接。据全球绿色建筑环境咨询公司的执行合伙人乔治·凡霍森称，他们建立了一个监测系统，可观察风在不同区域的状态，再利用数据、计算机模型、实用程序，将某一地区的多余风电分流到匮乏地区，就像对待常规电流与水流那样。
　　这并非异想天开，而是得到科学支持的一项战略性行动。斯坦福大学最近的研究发现，当许多风电场通过网格连接在一起时，产生的电力中约有三分之一的部分，可以作为提供24小时电力的可靠来源。而剩下的“不可靠”风力同样大有用途，例如可为电动车充电或制造氢运输燃料之用。
　　特拉华大学在今年春季发表的研究报告认为，一个连接着东海岸线风力发电机的近海区域网格系统，其可提供相对稳定的电力输出达5年以上，且这期间电力并不会呈现渐渐变弱的趋势。研究人员表示，美国东部风暴非常具有代表性的沿海岸线移动，如果能连接上海上风力发电场，整套系统的功率会更加稳定。
　　若是由此将如意算盘全部打在风能的身上，恐怕有点期望过高。因为即便是最“聪明”的网格系统还是有其局限性。据最乐观的预测估计，在2030年前，风能可为我们的星球提供30%的电力，核能、水能、太阳能则是另一部分必要的补充能源。
　　但在另一方面，风能发电所用涡轮机技术也正在迅猛发展，目前最新型的涡轮机，已能生产出低于每千瓦时5美分的无污染电力。显而易见，将风电束之高阁而对越来越少的非可持续能源孜孜以求，实在不是明智之举。
　　（未完待续）

解开新能源的迷思
——你所不知的清洁能源10个真相（中）
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2010年08月10日 来源： 科技日报 作者： 张梦然
　新视野

海藻燃料：尚需时日成好梦
　　或许在所有的第二代生物燃料——草、树和海藻中，海藻是最被寄予厚望的。
　　在清洁能源的教科书里，藻类被描述成生长环境要求简单，只要有海水辅以阳光就能生长，甚至可存活于废水和污水中，不与人争粮，不与粮争地。从效率来看，它长势飞速，从生长到产油只需要两周左右时间，相比第一代生物燃料作物所需的几个月，十分划算；其产油量也算可观，理论上说，如种植2000万至4000万英亩的藻类，它们产生的生物原油总量可以达到目前美国原油进口数量；另据美国从1976年起启动的微藻能源研究项目数据，海洋微藻等藻类能大量吸收碳，养殖过程中减排产油一举两得。
　　然而海藻燃料真的像看上去那么“美”吗？
　　深入实验显示了一些会“泼人冷水”的资料。首先，那种最适于做生物燃料的海藻，乃特殊族群，并不是随处皆可茁壮成长。藻类燃料的研究人员已经耗费了数十年时间尝试在露天池塘养殖这种生物体，但很快水质就被其他当地藻类污染，特殊培养的藻类很快被灭绝。
　　另外，封闭生物反应器也使海藻燃料面临重重困难。美国国家可再生能源实验室的生化工程师约翰·西恩，曾为一个现已停止的海藻燃料项目工作过，他表示，封闭生物反应器使资金成本大幅增加，且这类反应器需按比扩大，否则无法满足所有藻类所需的太阳能量，会出现低于生产标准的燃料。他认为海藻燃料的成熟，还需要很多项测试、技术调整以及将昂贵的基础设施到位。
　　而据美国《纽约时报》报道，美科技公司争相研发转基因超级藻获取新燃料，引起了部分科学家的担忧，因为转基因藻通常要把其他生物的基因复制粘贴到藻类的基因内，恐对环境造成不好的影响。美国能源部可再生能源事务负责人亦表示，海藻炼油项目，都必须接受环境评估。
　　海藻燃料不会被轻易放弃，国际航空运输协会在经过了多年的研究评估，才确定了可用于航空运输业的生物燃料中包括藻类。6月8日，“新一代钻石DA42”飞机也在柏林首航成功，这次飞行中烧的不是航空煤油，而正是由海藻制成的生物燃料。只不过，尽管目前从生产技术来看是完全可以实现的，但由于成本制约，商业化生产还不可行，藻类们多长时间能迈过实验规模，走上大规模商业化，很难回答。看来，海藻燃料想迎来它的霸主时代，恐怕还得费一番气力。

　　潮汐发电：潮起汐落看不尽
　　海水江水每天两次的涨落，早为潮，晚为汐。好多人认为，潮汐能比风能更不靠谱，其不可预测性与开发成本的落差，将导致其成为失败的产物，这种看法未免太过消极。
　　利用潮汐能发电与普通水利发电原理类似。通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。某种角度来看，潮差会在一日内经常变化，月循环的半个月内变化可相差两倍，无特殊调节措施时，出力有波动和间歇性；而潮汐电站的建设位置必须选择有利的海岸地形；涨落潮时完全相反的水流方向和长期水下发电的特点，要求了水轮机的技术与耗材。这些都造成投入的价格不菲。
　　但是，若因此就对潮汐发电灰心丧气可早了点。人们已经看到，潮汐能蕴藏量极大，可以说只要太阳、月球、地球还在转，它几乎取之不尽；也不需开采运输，洁净而无污染，也因此虽然存在一次投资大的问题，但运营成本相对较低；另外建造潮汐电站不需改田迁人、不需筑高水坝，前者对于人多地少、农田非常宝贵的沿海地区来说拥有绝对的吸引力，而后者使得即便发生地震等自然灾害，水坝严重受损，也不至于对下游城市、农田、居民等带来严重灾害。
　　早在1967年，世界第一座具有商业实用价值的潮汐电站已经建成，数十年来该行业技术的进步，可能远超你的想象。现在，这个名为郎斯的电站仍在法国圣马洛湾郎斯河口兢兢业业，该河口最大潮差13.4米，平均潮差8米，郎斯电站的机房中安装有24台双向涡轮发电机，能操作两个方向的水流，涨潮、落潮都能发电，装机容量已达240兆瓦，发电量已并入国家电网。
　　而在纽约市东海岸的水下，安装的一组涡轮机起初无法承受水的近恒力，轮片与集线器都折断了。但在几次技术革新与尝试后，这组设备在2008年的测试中连续运行超过9000个小时，为两处终端用户交付了每小时70兆瓦的电力。
　　2010年的夏天，“自然电流能源服务计划”启动，项目计划安装的两处涡轮机将为新泽西的游船码头提供电力。而“全球绿色建筑”的研究人员凡·霍森称：“我们考虑的是整个海洋朝同一方向运动所产生的能量，绝对强大的能量会让潮汐发电集万众所瞩目。”

解开新能源的迷思
——你所不知的清洁能源10个真相（下）

本报记者 张梦然 综合外电

新视野
　　深部地热：敢问地震谁之过
　　在凡尔纳的小说《地心游记》中，地热被描述成“地面之下岩床中燃烧的能量”。这种能量的来源，一般被认为，是由于地球物质中所含的放射性元素衰变产生的热量。
　　早在1981年8月，在肯尼亚首都内罗毕召开了联合国新能源会议，会议报告就指出，全球地热能的潜在资源约相当于当时全球能源消耗总量的45万倍，地下热能的总量约为煤全部燃烧所放出热量的1.7亿倍。随后仅是1990年底公布的数字，世界地热资源开发利用于发电的总装机容量就为588万千瓦，地热水的中低温直接利用约相当于1137万千瓦；到2007年，美国能源部在一份地热能开发报告中指出，地热能资源理论上可提供的能量可达全美年能源消费总量的6万倍，仅西得克萨斯州废弃油井产生的热水当中就储藏着5000兆瓦，倡议者坚信它能让美国加速摆脱对石化能源的依赖。
　　然而，就是这样一个庞大的热库，一个蕴藏着巨大热能的可再生能源，却因为与地震扯上了千丝万缕的关系，而被称为“一半是天使，一半是魔鬼”，“魔性”颇受人怀疑。
　　2006年12月8日，瑞士莱茵河畔的名城巴塞尔一座钻井在开采地热的实验中引发了里氏3.4级地震，破坏其实并不严重，但当地居民恐慌不已，项目被迫流产，许多瑞士政府和地震学家一致认定地热项目就是地震的背后元凶；而据《纽约时报》2009年一则消息称，位于美国加利福尼亚州北部、离旧金山市以北约2小时车程的地方，一项钻井深度将达3200米、利用地热产生的高温蒸汽发电的工程遭到当地居民的抗议，居民担心该工程会引发地震，毕竟在20世纪，旧金山已经历了1906年和1989年两次大地震。
　　地热，与地震灾害真的有必然联系吗？
　　先来看地热所呈现的形式和温度高低，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。这些类型地热能除了用于发电之外，更为大量地直接用于采暖、制冷、医疗洗浴、各种形式的工农业用热，以及水产养殖等。
　　源于地质自身具有的一套发生、发展和衰亡过程，地热只有在一定地质条件下才具有勘探开发价值，绝对不是只要往深处打钻，到处都“喷”地热。因此作为一个资源，它也和其他矿产资源一样，有数量丰疏和品位高下的问题，因此就全球来看，地热资源的分布是不平衡的。深部地热的开发，因可广泛钻研，状况还相对好一点。而开发深部地热时的钻井、采水采汽，虽不能说对地质没有一点影响，但和地震尤其是大地震所需要的能量是数量级的差别，没得可比。
　　据谷歌的一项预测报告称，到2030年，地热有望解决全美15%的电力供应。尽管设计方案还不是尽善尽美，但“你以为地热的技术会逐渐消亡吗”，瑞士巴塞尔事件的分析人员多梅尼科·第尼说，“绝对不会！”
　　页岩油：如何独撑一片天
　　页岩油（shale oil）年岁不小，但启用之路步履蹒跚。    
　　页岩油制取轻质油品，是人造石油制取合格液体燃料的方法中成本最低的一种，但20世纪70年代的石油危机中，页岩油并没有得到特别关注，随后又受到国际原油价格低迷的影响。不过，在今时今日，美国各级政府、企业对该产业的发展寄予了厚望。2005年，美国国会通过了发展非常规能源的《2005能源政策法》，明确了页岩油作为战略资源的地位，并命令能源部协调和促进页岩油资源的商业性开发。而支持启用“页岩油”的人们指出，美国页岩油资源极其丰富，在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州，被锁在页岩之中的油存量达上万亿桶以上。这意味着将足以满足目前美国整个世纪的石油需求。
　　但无论在过去还是现在，页岩油的开采伴随的是巨大的生态代价。
　　这是一种人造石油，由沉积岩——油页岩干馏时有机质受热分解生成的一种褐色、有特殊刺激气味的粘稠状液体产物。类似天然石油，但含有较多的烯烃组分，并且还含有氧、氮、硫等非烃类组分。对于这种化石来讲，无论是提炼页岩油还是发电，干馏技术和燃烧锅炉的工艺都直接影响着使用效果，不成熟的开采技术亦是页岩油一路走得磕磕绊绊的原因。
　　而在开采时，首先会有地下水处理问题需要处理。有数据显示开采1立方米页岩油，一般需要抽出25立方米的地下水，采矿水极大地增加了地表水、地下水中硫酸盐的含量。在有些国家，油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。
　　其次，页岩油干馏炼油过程中，有废气、废水和页岩灰渣等三废会出现，尤以灰渣污染最为严重。大量的灰渣占地面积大，如不回收利用的话则不仅会造成空气污染，其中金属元素和微量元素还会渗入地下水体，危害人们生产生活。 
　　最后一个弊病则是开采页岩油占地较多，且一旦开垦就无法完全修复。美国能源部的工程师奥莱因卡·奥古苏拉表示这会给开采地区带来很多干扰。更为困扰的是，“采矿及加工页岩也需要大量水，每天生产250万桶页岩油将需要1.05亿至3.15亿加仑的水，”奥古苏拉称，“这使页岩油断送了它在炎热国家的发展。”而就美国而言，于页岩中提取石油在技术上是完全可行的，但从天然资源的角度来衡量，永远也不值得。 
　　太阳能：盗取火种为君留
　　于奥林匹斯山上，提坦神以茴香枝盗取火种，为造福人类首问太阳要能源。而今，利用太阳光辐射能量来发电的设备已遍地开花，人类古老的梦想用现代科技演绎着。
　　但不是所有人都会愿意尝试这个“古老的梦想”。比如给自己的房子安上太阳能电池板？许多人第一个反应就是：“太贵了！”它节省的钱恐怕永远填不上安装时的花费。
　　然而根据加州太阳能电力公司提供的数据，在一个基本住宅建筑的光伏组件上，投资回收期大约8年至12年。其根据电池组的数量、日光强度、光伏技术的进步还会不断缩短投资期。凯罗斯研究所化学工程师伯尔·齐默尔曼曾将新技术投入过市场，他说：“最新型的薄膜电池，投资回收期的最短时间是不到一年。”
　　出人意料的结果或许源于人们对某些细节的普遍误解。首先以技术原理来讲，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但其已高达1730亿兆瓦，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。
　　而美国加州南部的太阳能热电厂（SEGS）自1990年建成后就一直独占太阳能热电厂的榜首，SEGS由分布在莫哈维沙漠里相互独立的9个子电厂组成，总装机容量为354兆瓦。而后的光源太阳能公司（Brightsource），已签了2个大项目：即从2009年到2017年建立14座太阳能电厂，总装机容量达2600兆瓦
　　从某个角度讲，几乎所有人类已使用的能源，都来自于太阳，包括化石燃料、生物质能、潮汐能等等，也就是广义上的太阳能。狭义上，这一概念是专指利用太阳能发电，所谓光伏，是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。
　　太阳能是一种干净的可再生的新能源，是未来占据世界能源消费最主要席位的最有力候选者——取代了部分常规能源，而且能成为世界能源供应的主体。
　　据资料显示，预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。
　　有优势、有重视，就是市场良性循环的希望。齐默尔曼表示：“更便宜的原材料让前期成本持续下挫，而在投资回收期伊始，就能收获相当一部分经济效益。”
　　“照此推断，假使太阳能电池的平均寿命30年，那么它寿命里一半以上的电力都是免费的，”齐默尔曼说，“随着时光流逝，你会发现太阳能电池是绝对让你赚钱的。” 
　　总结：能源危机困住谁
　　美国国家点火装置(NIF)，世界上最大的激光聚变机器，2009年5月29日在美国利弗莫尔劳伦斯国家实验室举行落成典礼。它能产生类似恒星内核的热与力，使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力，而在物理和军事用处外，其一并肩负着人们的清洁能源之梦——200万焦耳的紫外线激光能量聚焦于小小的氢燃料球，欲在人类有史以来首次于实验室里面取得核聚变能源，这是以前想都不敢想的事。
　　没有哪项技术能一直成为屏障。迈上新能源时代，主要路障不再是技术，而是政治和行政障碍。
　　《大众机械》以美国能源趋势为例，指出其未来前景图上是一片加大生产的“好光景”。无疑，更多的采矿和钻井可以适度增加总供给，但最近的事故已显示，人类与环境如同身处峭壁悬崖。清洁、可再生能源的承诺，需要时间和资金的投入来付诸实现。
　　美国能源信息管理局的报告显示，根据现行政策，到2035年能源总消费量将提高14个百分点。但也并非绝对如此，麦肯锡2009年发表的报告称，节能措施如得到有效且普遍部署，则有望在2020年将能源消耗降低23%。更重要的是，这些措施将节省1.2万亿美元，远超过5200亿美元的投资。而温室气体排放亦会随之减少。
　　例如，美国能源部计划到2025年削减29%的照明能源消耗，以此节省1250亿美元；炼油厂、轧钢厂利用废热发电，将废气转换为电能，则可额外多得到100千兆瓦的电，并减少4亿公吨的二氧化碳排放。
　　上世纪70年代，节能的意思，指的就是关灯。现在，手中有更漂亮的技术，可以把同样一件事做得更好。美《大众时代》指出，现在美国单位经济产出的能耗比30年前减少了47%，这在很大程度上取决于技术进步。但遗憾的是，由于供应方缺乏效率，生产出来的大量能源都在传输途中无谓的浪费。人们对此无能为力，但对自己的所作所为却不应感到一片苍白，在随手之间，节约能源其实非常简单，就像关灯。
　　有专家提出了“负瓦特”概念，就是减少瓦特。因为最便宜、最清洁的能源莫过于没有制造出来的能源。节能意味着更主动、实际、有效的应对能源危机方案。
　　原来，能源节约，就是最便宜的新能源。

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