第二章　能源領域研究前沿及創新技術

第一節　能源領域的研究前沿

一、可燃冰利用研究

1．可燃冰概況

可燃冰是一種新能源物質——天然氣水合物的俗稱，因為他外表長得像冰，而且還可以燃燒，因此就叫作可燃冰。由于可燃冰中甲烷含量占比很高，可高達99%，所以可燃冰亦可被稱為甲烷水合物。可燃冰示意圖如圖2-1所示。

可燃冰是一種清潔能源，它燃燒所造成的污染，遠遠小于煤、石油等傳統能源。且可燃冰儲量豐富，甚至足以滿足人類未來近千年的能源消耗。因此，可燃冰有可能代替傳統能源從而得到廣泛開發和利用。

2．可燃冰的形成過程

可燃冰的形成過程可概括為幾個步驟。首先，一些海底微生物在消化浮游生物的過程中，產生并釋放出一些有機物，由于海底的壓強比較大，導致這些有機物和海洋中的水分互相結合，形成了水合物。經過長時間的地殼運動和地質演變之后，這種化合物埋藏在比較深的地底，最終形成了可燃冰。

其次，可燃冰的形成過程中，必須滿足以下三個必要條件：第一，所處環境的溫度不宜過高，過高的溫度會導致可燃冰的分解；第二，壓力要足夠高，但是也不能太高，當甲烷等形成可燃冰的氣體在零度時，30個大氣壓及以上就可以形成可燃冰；第三，形成地需要有氣源，即需要有類似天然氣這類的氣體儲存的地方。

由于在陸地上只有極少數永久凍土層的地區，例如青藏高原、西伯利亞地區，才能同時滿足上述三個條件，而海洋中，位于海平面下300～500m處的沉積物中即可形成適合可燃冰形成并使其維持穩定狀態的低溫高壓條件。因此，可燃冰分布的陸海比例為1∶100。不過，并不是所有擁有天然氣以及高壓強的地方都會擁有可燃冰，因為形成可燃冰的主要因素是低溫，所以一般在凍土帶的地方可燃冰含量較多。

3．可燃冰的資源

我國的東海、南海以及青藏高原三個地方的地下土層中，擁有大量的天然氣，并且海底壓力以及凍土層都能提供合適的條件，使其釋放的甲烷等氣體與水結合形成可燃冰。因此，在我國的東海、南海以及青藏高原都發現可燃冰。在我國可燃冰資源十分豐富，據粗略估計，僅南海北部陸坡的可燃冰資源就達到186億噸油當量，相當于南海深水勘探已探明油氣儲量的6倍，達到我國陸上石油資源總量的50%。

可燃冰使用前景廣闊，但同時也存在風險。據估算，全球海底可燃冰的甲烷總量大約是地球大氣中甲烷總量的3000倍，如果開采不慎導致甲烷氣體的大量泄漏，將可能引發強烈的溫室效應。如何安全、經濟地開采可燃冰，并且從中分離出甲烷氣體，依然是目前各國研究和利用可燃冰的核心難題。

4．可燃冰開采技術研究

（1）熱激發開采法

熱激發開采法，是通過改變溫度來進行開采的方法。顧名思義，即采用直接加熱的方式對天然氣水合物層進行開采，通過直接加熱使天然氣水合物層的溫度超過平衡溫度，可燃冰的平衡狀態被打破，進而將分離為水和天然氣，再對其中的天然氣部分進行收集。經過多年發展，熱激發開采法的加熱方式被不斷進行改進。經歷了漫長的發展歷程后，目前實現了循環注熱，使得作用方式相對較快。但是這種方法熱利用效率低且不能大范圍加熱只能進行局部加熱，尚未找到有效的解決方案，因此還不能成規模運用于實際生產當中。

（2）減壓開采法

減壓開采法中通過降低壓力來破壞可燃冰的平衡狀態，使水和天然氣分離，進而達到開采的目的。現階段降低壓力的方法主要有兩種：其一，降低鉆井工程中的泥漿密度進而完成減壓目的；其二，通過抽離水合物層下方的游離氣中其他不相關流體，以此達到降低整體環境壓力的作用。減壓開采法由于操作過程相對簡單，因此成本較低，相比于其他已知方法，更適合大面積開采，在眾多傳統方案中更具有前景。尤其適用于存在游離氣層的天然氣水合物的開采。但是，它對可燃冰開采地的環境有著特殊嚴格的要求。因為可燃冰所處環境要求低溫高壓，所以只有當可燃冰開采地的溫度位于平衡點附近時，才可以將減壓開采法納入考慮之內。

（3）化學試劑注入開采法

化學試劑注入開采法中，破壞可燃冰平衡狀態，促使其分解的方法是通過注入某些特定的化學試劑，常見的如二氧化碳、乙醇、乙二醇等。這種方法的優點在于，初級階段的能量損耗較小。但是其缺點也很多，首先用于分離可燃冰的化學試劑的生產費用比較高；其次，在長時間的開采過程中，極有可能由于操作不當導致化學試劑泄露，進而造成嚴峻的環境問題。由于缺點明顯，對于這種方法目前研究相對較少。但是其能源初始消耗較少，未來如果能開發出相對廉價且環境溫和型的化學試劑，也會有廣闊發展前景。

二、氫能源利用研究

1．氫能源概況

氫能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其他能源制取的，而不像煤、石油、天然氣可以直接開采，目前氫能幾乎完全依靠化石燃料制取得到，如果能回收利用工程廢氫，每年大約可以回收到大約1億立方米，這個數字相當可觀。

2．氫能的特點

氫能是公認的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。目前我國已在氫能領域取得了多方面的進展，在不久的將來有望成為氫能技術和應用領先的國家之一，也被國際公認為最有可能率先實現氫燃料電池和氫能汽車產業化的國家。

當今世界開發新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然氣、煤、石油氣均屬不可再生資源，地球上存量有限，而人類生存又時刻離不開能源，所以必須尋找新的能源。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源、能源將會枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是這樣一種在常規能源危機的出現和開發新的二次能源的同時，人們期待的新的二次能源。氫位于元素周期表之首，原子序數為1，其單質在常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下為液態。

3．氫能的開發與利用

自從1965年美國開始研制液氫發動機以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發動機。美國的航天飛機已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、長征3號也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機車或一般汽車的研制也十分活躍。氫動力汽車靠氫燃料、氫動力燃料電池運行也是溝通電力系統和氫能體系的重要手段。

世界各國正在研究如何能大量而廉價地生產氫。利用太陽能來分解水是一個主要研究方向，在光的作用下將水分解成氫氣和氧氣，關鍵在于找到一種合適的催化劑。隨著對太陽能研究和利用的發展，人們已開始利用陽光分解水來制取氫氣。在水中放入催化劑，在陽光照射下，催化劑便能激發光化學反應，把水分解成氫和氧。例如，二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的催化劑。

一旦有更有效的催化劑問世，水中取“火”，即制氫就成為可能，到那時，人們只要在汽車、飛機等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽光照射下，水便能不斷地分解出氫，成為發動機的能源。

科學家們還發現，一些微生物也能在陽光作用下制取氫。人們利用在光合作用下可以制取氫的微生物，通過氫化酶誘發電子，把水里的氫離子生成氫氣。蘇聯的科學家們已在湖沼里發現了這樣的微生物，他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里，然后將微生物產生出來的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質，除了能放出氫氣外，還可以用于制藥和生產維生素，以及用作牧畜和家禽的飼料。人們正在設法培養能高效產氫的這類微生物，以適應開發利用新能源的需要。

引人注意的是，許多原始的低等生物在新陳代謝的過程中也可放出氫氣。例如，許多細菌可在一定條件下放出氫。日本已找到一種叫作紅鞭毛桿菌的細菌，就是制氫的能手。在玻璃器皿內，以淀粉作為原料，摻入其他營養素制成的培養液就可培養出這種細菌，這時，在玻璃器皿內便會產生氫氣。這種細菌制氫的效能頗高，每消耗5mL的淀粉營養液，就可產生25mL的氫氣。

美國宇航部門準備把一種光合細菌——紅螺菌帶到太空中去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。這種細菌的生長與繁殖很快，而且培養方法簡單易行，既可在農副產品廢水廢渣中培養，也可在乳制品加工廠的廢水中培育。

對于制取氫氣，有人提出了一個大膽的設想：建造一些電解水制取氫氣的專用核電站。譬如，建造一些人工海島，把核電站建在這些海島上，電解用水和冷卻用水均取自海水。制取的氫和氧，用鋪設在水下的通氣管道輸入陸地，以便供人們隨時使用。

三、節能新技術研究

1．開發節能建筑

全世界每年消耗的能源有36%用于室內取暖和降溫，因此節能建筑是解決能源緊缺問題最好的方法之一。建筑節能的關鍵是使用絕熱保溫材料，讓現代建筑像原始人住的山洞那樣冬暖夏涼，夏天外面的熱浪不會涌進建筑內，冬天屋子里熱氣不會散發到建筑外。從墻面上來說，可以在建筑物表面噴涂提高密封性的聚氨酯“保溫層”，防止熱量通過墻上肉眼看不到的孔隙進行擴散。門窗是熱量交換的重點部位，門窗的密閉技術越來越重要，各種各樣的節能玻璃也在開發之中。使用能反射陽光的屋頂可以減少建筑物的吸熱量，從而降低制冷過程中的能耗。在建筑物上栽種一些綠色植物，也可以減少熱量的對流。而通過“捕光裝置”把陽光引入室內，則能減少大量的照明費用。

2．選用節能燈

全世界20%的電能消耗在照明上，相當于每天要燒掉60萬噸煤。而這些電能中有40%都是使用老式的白熾燈所消耗的。白熾燈所消耗的電能大部分都被浪費在發熱上，真正用于照明的部分卻非常少。在照明程度相同的情況下，節能熒光燈不僅比白熾燈省電75%～80%，而且使用壽命也達到后者的10倍。如果把所有舊白熾燈泡都換掉，那么全世界每年能節省的電相當于650座中型發電站的發電量，而且還能將釋放到大氣層中的二氧化碳減少7億噸。

3．使用節能電器

全世界20%以上的二氧化碳排放量是居民用電造成的，而居民用電大多用于各種家用電器。除了節能燈泡外，選用其他節能電器也是可行的。

根據國際能源機構的一項研究，如果消費者都選擇最節能的電器，那么全世界的居民用電量將減少43%。20世紀80年代以來，家電制造商已經將冰箱和其他大型家用電器的能效提高了70%左右，但在這方面仍有改進空間。近幾年來，已有超過60個國家通過了綠色環保商標法，以便消費者更明智地選擇節能電器。這種做法確實達到了顯著的效果。自歐盟在1994年要求制造商根據耗電量對家電進行分類后，A等級的高能效電器市場份額從原來幾乎為零上升到了今天的80%。

4．充分利用地熱

熱水器、取暖器和空調等電器的能效其實很差，這些熱交換器消耗的能量中只有一部分真正用來調節溫度。熱泵可改變這一狀況，它幾乎不消耗傳統能源。熱泵是一種把熱量從低溫端送向高溫端的專用設備，是節能的新裝置。它由蒸發器、空氣壓縮機、冷凝器等組成，利用少量的工作能源，以吸收和壓縮的方式，把一特定環境中低溫而分散的熱聚集起來，使之成為有用的熱能。熱泵抽取最多的是地熱。與地面相比，地下洞穴冬暖夏涼，這就是地熱的貢獻，因此可以利用地熱來節能。地熱是一種沒有地域限制的能源，世界上任何地區的人都可以利用這種能源。

通過從地下吸取熱量，熱泵能夠起到為房屋或其供水系統提供熱量的作用。在夏天，熱泵還可以抽取地下的冷氣為房屋制冷。瑞典大多數新建的居民房屋已經使用上了地源熱泵，而美國前總統布什在得克薩斯州的農場也安裝了一個熱泵來進行加熱和制冷。在瑞典，民用住宅安裝熱泵一般在6～9年獲得收益回報，而大型商業建筑則只需一兩年時間。日本在過去兩年共安裝了大約100萬個熱泵提供淋浴與盆浴用熱水。

5．駕駛節能汽車

全世界1/4的能源用于交通運輸，其中包括2/3的原油。最近，一些國家正在推行油電混合動力車等環保汽車。在汽油消耗量相同的情況下，環保汽車的行駛里程可比傳統汽車多出20%。

和全以汽油做動力的汽車相比，柴油車的里程數則最多能增加40%。和以前那種不停冒煙而且很難發動的老式柴油車相比，現在的渦輪增壓直接噴射柴油車干凈且高效，而且如今在美國加油站都可以加無硫柴油了。如果到2023年，柴油車能夠取代美國1/3的私家車，美國一天就能節約150萬桶汽油，相當于現在每天從沙特阿拉伯進口的數量。現在已經有公司研發下一代節能汽車——柴電混合動力車。

6．改造工廠能耗設備

全世界約有1/3的能源被工業部門所消耗，工業部門的節能潛力很大。從20世紀80年代以來，日本的一些鋼鐵制造商一直在這方面處于領先地位。他們將鋼爐產生的熱量用來發動渦輪，從而產生電能，可以節約超過70%的能源。

在德國路德維希港，著名的化工企業巴斯夫公司經營著200多個連鎖化工廠，其中一個化工廠產生的熱量，被用來為下一個化工廠制造電能。這種熱能和電能的循環利用就為巴斯夫公司每年節約近兩億歐元。與此同時，該公司的二氧化碳排放量也減少了幾乎一半。