新能源技術
能源危機呼喚開發新能源
能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎。而且，能源的每次重大突破，都引起生產、社會的變革。千百年來，人類一直利用煤、石油、天然氣等作為主要能源，世界能源組織把它們稱之為“初級能源”。而電力隻是上述這些能源轉化而來的“二次能源”。直至20世紀40年代以前，人們一直認為維係社會生產和經濟生活的地上和地下能源是“取之不盡，用之不竭”的寶藏。然而，隨著近幾十年來的科技和生產的發展以及人們生活水準的不斷提高，各種能源消耗急劇上升。據國際能源機構1994年4月11日發表的一份年度報告預測，從現在起到2010年，世界能源需求有“不可避免的”大幅度增長。預測報告估計，如果至2010年全世界國內生產總值比1991年增長70%，那麼2010年的世界能源消費將比1991年增加48%。目前，經合發組織(OECD)的24個國家對石油的需求主要依靠進口，到2010年，這些國家進口石油的比例將達到70%。對經合發組織以外的世界其他地區，國際能源機構的報告預計，今後16年內，經濟增長率每年平均5.3%，能源消費則每年平均增長4%以上，其中對石油的需求每年將增加3.8%左右。在天然氣方麵，預計經合發組織國家的需求每年平均增長2.1%，世界其他地區平均每年增長5.6%。同一時期內，全世界的煤消費量將每年平均增長2.1%左右。根據這種增長速度，國際能源專家預測，地球上所蘊藏的可供開采利用的煤和石油，分別將在100年和29～46年以內耗盡。世界上已查明的667000億立方米的天然氣按儲采比也隻能維持35年。若不開發新能源而長此下去，到21世紀初，能源的供需矛盾必將進一步激化，成為阻滯生產發展和社會進步的一個最嚴重的製約因素。
1.開發新能源勢在必行
麵對能源危機，世界許多國家除製定一些節能措施和提高能源利用率、降低能耗的政策外，都寄托於利用高新技術來開發新能源。同時，也重視用高新技術改造傳統能源工業。在開發新能源資源方麵，專家們認為一種最有發展前途的是把自然界存在的太陽能、地熱能、風能、海洋能、核聚變能，以及生物質能、氫能等“可再生能源”的工藝和技術加以開發，使其轉為電力和熱能，同時可投入一定財力和人力，積極研究將不同的“初級能源”轉化為“二次能源”的新技術。如煤炭的氣化和液化、太陽能直接轉化為電能、磁流體發電和超導能源的研究開發等。
當今在“可再生能源”的研究開發中，太陽能開發技術日趨成熟。第一種為太陽能的熱利用，如太陽灶、太陽能熱水器等。第二種是利用光電效應將太陽能直接轉換成太陽能電池，它是目前利用太陽能的主要手段。隨著轉換效率的提高，其應用範圍已從人造衛星等航行器逐步擴大到作為地麵特殊場合的輔助能源。若將來能利用超導材料製成大容量太陽能蓄電裝置，就可長時間、無損耗地大量貯存太陽能，從而使太陽能的利用得到更快的發展。第三種是光化學電池。它是利用光照射半導體和電解液的界麵，使光和物質相互作用發生化學反應後，在電解液中產生電流，並使水電離直接產生氫的電池。
核能的開發已成為解決能源危機的有效手段之一。據1991年6月3日美國《時代》周刊報道：“全世界有26個國家利用核能源，共438座核發電廠在運轉。”一些能源資源不足的國家，核電已占本國發電總量的10～45%以上。其中，法國核電占全國發電總量的75%。核能除發電外，還可用作船舶動力、核能供熱、核能冶煉以及火箭、導彈、空間飛行器的動力能源。核能成為開發地下、海底和空間資源的理想動力。在核電技術方麵，由於在核裂變堆中目前采用的是比較成熟的熱中子轉換堆技術，其轉換效率太低，因此，正在研究用富含鈈239的鈾238作燃料，用重水代替輕水的新型轉換堆，以及發展更有前途的“快中子增殖反應堆”技術等。對利用氘、氚作燃料的核聚變技術，一些國家正在爭先恐後作理論研究和技術試驗。如在21世紀中能突破這一技術難關，僅將從海水中的重氫和超重氫提煉出來的氚作為聚變堆的燃料，即足夠人類使用100～200億年。
從20世紀70年代初開始，各國還看重將氫用於發電、家用燃料、機動車和飛行器的能源。氫的熱值是汽油的2.8倍，生產氫的原料是水，其燃燒產物也是水，無汙染。氫作為燃料可直接用於導彈等飛行器和機動車等；氫和氧通過電化反應可製成氫燃料電池，其能量轉換效率可高達80%以上。日本1995年建成1萬千瓦燃料電池試驗廠。日本、美國、奧地利等國還正在試製燃料電池電動車。從長遠看，氫和太陽能組成複合型能源係統將有著廣闊的前景。
我國現代化建設的前景，在很大程度上取決於能源的充分供應和有效利用。但我國能源業正麵臨嚴峻的挑戰：首先是人均能源資源相對不足。現有能源探明儲量僅為世界平均值的一半，東部經濟發展較快地區，則隻有大約1/3的能源儲量。在我國商品能源消耗中，煤占70%以上。這種以煤為主的能源結構，導致運輸緊張、環境汙染和能源利用效率低。其次，我國的工業化還遠未完成，為使經濟增長有較快的速度，在今後相當長的時期內，仍需采取傳統的方式大力發展采礦、冶金、化工、建材以及交通運輸等大量消耗能源的行業，這樣，在人均能耗很低的情況下，單位產值能耗是世界上最高的國家之一。專家們預測，到21世紀初，我國能源需求將達17～20億噸標準煤，而按目前能源工業的發展速度，最多隻能達到14億噸標準煤。這種能源結構不合理，需求又快速增長所造成的能源缺口，已成為製約我國經濟發展中突出的瓶頸。因此，在“863計劃”中，新能源的開發利用理所當然地被列為七個領域之一。重點選定燃煤磁流體發電和先進核反應堆研究兩個主題。前者通過研究開發燃煤磁流體發電技術，試圖較大幅度提高燃煤的熱能轉化效率，充分利用我國豐產的中等煤和高硫煤來發電，節省優質煤以及減少由燃煤帶來的汙染問題。後者將麵向21世紀的核能發電，嚐試通過預先研究和充分論證，從快中子增殖堆、高溫氣冷堆以及裂變—聚變堆3種堆型中，尋求有利於我國核能發展的新堆型，以滿足21世紀對核能發電的需求。
2.與文明同步的能源革命
人類文明的每一步，都和能源的利用息息相關。人類進化發展的過程，是一部不斷向自然界索取能源的曆史。
柴薪是人類第一代主體能源。人類發現用火之後，首先用樹枝、雜草等作為燃料，用於燃燒煮食和取暖，用草飼養牲畜，靠人力、畜力並利用一些簡單機械作動力，從事手工生產和交通運輸活動。從遠古時代直至中世紀，在車馬的低吟聲中，人類渡過了悠長的農業文明時代。
18世紀西歐產業革命開創的工業文明，逐步擴大了煤炭的利用。蒸汽機的發明，使煤炭一躍成為第二代主體能源。以煤炭為燃料的蒸汽機的應用，使紡織、冶金、采礦、機械加工等工業獲得迅速發展。同時，蒸汽機車、輪船的出現，使交通運輸業得到巨大進步。19世紀以來，電磁感應現象的發現，使得以蒸汽輪機為動力的發電機出現，煤炭作為一次能源被轉換成更加便於輸送和利用的二次能源——電能。
公元前250年，中國人首先發現石油是一種可燃的液體。1854年，美國賓夕法尼亞州打出了世界上第一口油井，石油工業由此發端。19世紀末，人們發明了以汽油和柴油為燃料的奧托內燃機和狄塞爾內燃機。1908年，福特研製成功了世界上第一輛汽車。此後，汽車、飛機、柴油機輪船、內燃機車、石油發電等，將人類飛速推進到現代文明時代。到20世紀60年代，全球石油的消費量超過煤炭，成為第三代主體能源。
隨著全球人口的急劇膨脹，人類的能源消費大幅度增長。眾所周知，煤炭、石油均為礦物能源，是古生物在地下曆經數億年沉積變遷而形成的，其儲量極為有限，而且不可再生。按照現在的能源消耗，世界上的石油、天然氣和煤等生物化石能源將在幾十年至200年內逐漸耗盡。另外，大量礦物能源的燃燒，是造成大氣汙染、“酸雨”和“溫室效應”等的罪魁禍首。
20世紀60年代以來，能源革命的呼聲日漸高漲。能源革命的目的，是以新能源(如核能)和可再生能源(包括水電能、生物質能、太陽能、風能、地熱能、海洋能和氫能等)逐步代替礦物能源。
(1)核能
被譽為“新能源的巨人”，是一種清潔安全的能源。核能分兩種：一種是重核(如鈾核)裂變能，另一種是輕核(如氘核)聚變能。現行的核電站，采用的是重核裂變原理；輕核聚變能則是一種潛力無窮、潔淨高效的能源，它將成為未來理想的“長壽”能源。
(2)水電能
水力是大自然饋贈的取之不盡、用之不竭的可再生潔淨能源。世界各國都優先開發水電能，作為電力的重要來源。全球水能資源，其總功率大約為38億～50億千瓦，若全部用來發電，每年可達33萬億～44萬億千瓦·時。目前世界上最大的水電站，是巴西和巴拉圭共同興建的伊泰普水電站，總發電能力1260萬千瓦；正在建設中的中國三峽水電站，將於2009年完工，總發電能力1820萬千瓦，將成為未來世界上最大的水電站。
(3)生物質能
生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式。它直接或間接來源於植物的光合作用，柴薪燃燒便是生物質能利用的一種最普通的形式。除柴薪直接燃燒外，生物質能的利用還包括沼氣生產、酒精製取、木製石油、生物質能發電等形式。
(4)太陽能
太陽不斷向地球輻射著能量，人類利用太陽能主要有三個途徑：光熱轉換、光電轉換和光化轉換。據估計，21世紀中葉，僅屋頂太陽能電池就可為全世界提供近25%的電量。太陽能是一種無汙染、來源最為豐富、最具使用潛力的能源。
(5)風能
被譽為世界上最便宜的能源。風是由太陽熱輻射引起的大氣流動，從太陽傳到地球的能量中，約有2%的能量轉變為風能。風能利用的形式包括：風力發電、風帆助航、風車提水、風力致熱采暖等，以風力發電為主。
(6)地熱能
地球內部的放射性元素不斷地進行著熱核反應，具有非常高的溫度。地熱能便是由這種“大地熱流”所產生的能量。地熱能主要包括兩種：地下蒸汽或地熱水產生的熱能、地下幹熱岩體的熱能。地熱能的利用主要有兩種：地熱發電和地熱水的直接利用。
(7)海洋能
海洋約占地球表麵的71%，彙集了97%的水量，蘊藏著豐富的能源，全世界海洋能的可再生量超過760億千瓦。海洋能主要包括潮汐能、波浪能、海水溫差能、洋流能和鹽度差能等。
(8)氫能
氫大量蘊藏於海洋之中，若將海洋中的氫提煉出來，其產生的能量，約是地球上礦物燃料能的9000倍。氫能具有燃燒熱值高、清潔無汙染、儲量豐富和適用範圍廣等優點，是21世紀最有前途的能源之一。
能源新技術
1.生物能開發：釋放生命的潛能
現代科技的發展，使人們獲得了充分利用生物能源的新技術。人們正在從樹上提取石油，從植物莖葉中提取酒精，利用微生物製造氫氣。我們一直在呼喊：“沒有能源!”其實，能源就在我們身邊，隻是缺乏高新技術手段對其開發和利用。
(1)充滿希望的綠色能源
生物能指的是生物質能源。樹木、農作物、陸地和水中的野生動植物體及某些有機廢料，都屬於生物質。所謂生物質能就是通過綠色植物的光合作用將太陽輻射的能量以一種生物質形式固定下來的能源。
生物包括植物、動物和微生物。動物和大多數微生物都靠植物為生，除了少數微生物外。地球上隻有綠色植物才是真正的“建設者”。綠色植物以二氧化碳和水這類簡單的無機物質做原料，合成各種複雜的有機物，不僅滿足自身的需要，同時也為其他生物所享用。這個過程必須在有光照的條件下才能進行，叫作光合作用。綠色植物光合作用的過程，是它們成長壯大的過程，也是它們吸收、儲存太陽能的過程。這就是說，生物質能源同煤、石油、天然氣等化石能源一樣，都是源於太陽能，是太陽能的一種形式。不同的是，化石燃料裏的能源量是億萬年前的生物質儲存起來的太陽能，而生物質能源則是當代植物通過光合作用固定起來的太陽能。這些以葡萄糖、澱粉等物質形式存在於植物內部的能量，經過生物技術的加工，就能夠轉變成甲醇、乙醇、甲烷、氫氣等燃料。因不含硫和其他雜質，燃燒時不產生SO2、CO2等有害氣體，所以這些生物燃料有“綠色能源”之稱。
(2)人類自己“生產”石油
深埋在地下的石油是自然對人類的饋贈，但它的儲量是很有限的，總有一天它會枯竭。人類能不能自己“生產”出石油來呢?人類的智慧是無窮無盡的，科學技術的發展能把許多夢想變為現實。
用工程微藻生產柴油。工程微藻是指用轉基因技術構建的特殊微藻。美國國家可更新能源實驗室將一種稱為ACC的基因導入微藻細胞中，構建成了一種屬於矽藻類的工程微藻。在實驗室培養條件下，這種工程微藻的脂質含量達到60%以上，在室外生產條件下，其脂質含量也達到了40%以上。而一般天然微藻中的脂質含量隻有5%～20%。美國的這家實驗室今後還準備將修飾的ACC基因導入微藻中，以使其脂質含量進一步提高。這種富含脂質的工程微藻可用以生產生物柴油。用這種工程微藻生產柴油具有如下一些優點：
①微藻生長力強，生長速度快，特別是微藻可在海水中培養，因而可擴大培養麵積，大量生產。
②用工程微藻生產柴油與用陸生植物生產相比，單位麵積產量高30倍。有人估計，每英畝(1英畝=4046.86米2)工程微藻每年可生產40～100桶［1桶(美)=158.987分米3］柴油。
③用工程微藻生產的柴油中不含硫，燃燒時不排放有毒有害氣體。柴油還可被微生物降解。
由此可見，用工程微藻生產柴油不僅有經濟意義，而且還有環保意義。
還有一種是奇妙的“石油樹”。顧名思義，“石油樹”應該是一種能夠生產石油的樹。有這樣的樹嗎?石油是碳氫化合物——烴類的“大雜燴”。一般綠色植物通過光合作用隻能生成碳水化合物——糖類，可是有些植物卻能生產出許多類似石油的碳氫化合物，所以得到“石油樹”的美稱。
第一個發現“石油樹”這種新植物的人是美國科學家艾迪遜。艾迪遜在研究橡膠樹的時候，發現好幾種植物能生產含碳氫化合物的可燃液體。由於當時石油來源充足，價格又便宜，所以沒有引起多少人的注意。諾貝爾獎獲得者美國化學家卡爾文首先把這個設想付諸實施。他領導的研究小組從世界各地搜集了3000多種植物，經過幾年的係統篩選，發現有12種植物中含有類似石油的碳氫化合物，其中最有前途的是綠玉樹、美國香槐和三角大戟。綠玉樹是一種肉質木本植物，枝幹中含有大量的白色乳汁，100千克綠玉樹莖就可提取到8千克左右的石油物質。美國香槐又叫續隨子，是高約1米的小灌木，經過人工栽培，每公頃美國香槐人工林有可能產油50桶以上。三角大戟是大戟屬植物裏最有希望的“石油樹”。它是一種矮灌木，用刀子將樹皮劃破，流出的乳汁稍經處理就可以製成類似石油的燃料。
巴西科學家曾同卡爾文教授一起，在亞馬遜大森林中發現了一種能夠生產柴油的苦配巴樹，在樹幹上劃個小口，2個小時就可以流出一二十升金黃色的油狀液，成分接近柴油，不經加工即可直接用於汽車發動機。菲律賓對椰子樹進行研究，發現椰子樹也能產油，“椰子柴油”可用作船艦和各種車輛的燃料。澳大利亞的林場工人已經開辟了8700多公頃的石油林場；他們主要培育植株矮小、含油率高的多株桉，並且建立了專門的桉油加工廠。我國林業科學工作者在1981年發現一種叫做油楠的樹。這種生長於海南島熱帶森林中的蘇木亞科油楠屬喬木，與苦配巴樹相似，也能生產“柴油”，對此，我國已經製定了保護和發展計劃。