人类能源发展之路综述

人类能源的过去、现状及前景摘要：能源是向自然界提供能量转化的物质，是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。纵观人类文明进程，人类利用能源的历史，同样也是人类认识和征服自然的历史。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问，也是我国社会经济发展的重要问题。所以，对人类能源利用历史的过去加以深入考察，对能源利用现状进行分析，从而对人类能源的未来前景作出正确的判断和展望。纵观人类文明进程，我们对人类能源的利用历史加以考察，便可发现，随着社会生产力和科技水平的发展，人类利用能源的历史经历了五个阶段：第一阶段：火的发现和利用。第二阶段：畜力、风力、水力等自然动力的利用。第三阶段：化石燃料的开发利用。第四阶段：电力的发现、开发及利用。第五阶段：原子核能的发现、开发及利用。在能源的利用历史上，其划时代的革命性转折有三个。第一个转折是煤炭取代了木材成为了人类社会中的主要能源。第二次转折中，石油取代了煤炭而占据了人类能源的主导地位。第三个转折是目前正在发生的向多能源结构的过渡，而现在这个转折正在进行中。一、人类利用能源的发展史从普罗米修斯盗火到燧人氏钻木取火无论是在古希腊神话的普罗米修斯盗火的传奇中，还是在早期人类对火的发现的过程中。火的发现和利用无疑都是人类文化演化的转折点。在普罗米修斯的神话中，他盗取了太阳神阿波罗的火种送予人类，为人类驱赶了黑暗和寒冷，给他们带来光明和温暖。而在早期人类社会中，对火的使用对人类文化演化有非同寻常的重要意义。火的使用令人类烹煮食物，并从加热过的食物中摄取蛋白质和碳水化合物。火又提供温暖，使人类在寒冷的夜间以及寒冷的气候中活动。火提供了天然光源外的另一选择，也给予人类抵御外来食肉动物的入侵的能力。人类从发现火到利用火，这中间是有个过程的。最初，我们的祖先对自然界因雷电或者其他原因引发的熊熊燃烧的火是无知的，甚至可以说是恐惧的。但当我们的祖先从野火燃烧过的地方捡到并食用了被火烧过的野兽、野菜和野果等，他们发现了这样的食物不仅容易咀嚼、口感更好，而且不容易导致生病。于是我们的祖先渐渐地敢于接近火了。同时，他们也发现了火发出的光亮和产生的热能可以帮助他们抵御寒冷，防范野兽的侵袭。最初我们的祖先将自然火用火把点燃之后带回居住的洞穴，居住在附近的人再到这里借火，这样的火称为火种。人们取回火种之后要细心照料，以防火种熄灭或者造成火灾。但当时人们对火的利用还处于比较被动的状态，因为一旦火种熄灭，人们可能就要到很远的地方去借火或者找火。但是这样相当不方便，于是人类根据自身的试着去造火，在不断尝试的过程之中，人类逐渐掌握了用石块敲击、摩擦取火的方法，后来人类发现了一旦在木材上以较快的速度钻孔时，会有火花产生的现象，从而进一步发明了钻木取火的方法。中国古代有燧人氏钻木取火。其实燧人氏未必确有其人，只是由于这种方法的发明，给人类利用火带来了极大的方便，人类为了纪念这一伟大创举，于是便创造了燧人氏钻木取火的传说。总之，火的发现和利用是人类第一次支配了一种自然力量，从刀耕火种的原始农业的出现，到烧制陶器、冶炼铜器等都离不开火的发现和利用。火的发现和利用对人类生产力和社会的进步起到了极大的作用。历史悠久而具有无限前景的水能、风能利用从能量的角度来看，流动的水和空气都能做功，具有机械能。大自然中的流动的水和拂过的风是取之不尽用之不竭的天然能源，并且人类在很早以前就开始利用水能和风能来满足人类对能源的需求。人类利用水能的历史相当的悠久，而我们中国也是世界上最早利用水能的国家之一。早在1900多年前，智慧的中国古代人民就发明了木制的水轮，让流水冲击水轮转动，从而将流动的水的机械能转化成水轮的动能，进一步带动其他的装置，完成汲水、磨粉、碾谷、灌溉、排涝等等工作。我国宋代的科学家宋应星的著作《天工开物》中，就详细地记载了古代人民对水能的利用。至于风能的利用，那就更早了。在蒸汽机发明之前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、农田灌溉、排水磨面等。最早的利用方式是“风帆行舟”，埃及被认为是可能是最早利用风能的国家，几千年之前，古埃及人的风帆船就在尼罗河上航行。我国也是最早使用帆船和风车的国家之一，唐代的诗仙李白诗云：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”，可见唐代时风帆船广泛地应用于江河航行。至于风帆船最辉煌的时期则要数中国的明代，明朝时三宝太监郑和七下西洋，远扬国威，成熟的风帆船制造技术功不可没。明朝以后，风车在中国得到了广泛的利用，宋应星的《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，这就是对风车比较完整的一个描述。16世纪的时候，荷兰人利用风车排水，与海争地，在低洼的海滩地上发展，逐渐成为一个经济相当发达的国家。当今的荷兰人将风车视为国宝，而在北欧国家保留的那些荷兰式的风车已成为了人类利用风能的历史见证。在蒸汽机出现之前，水力机械和风力机械都是重要的动力机械，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，曾经被广泛使用的风力、水力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等原因，逐渐失去主流地位。但是，水能、风能作为大自然中取之不尽、储量充沛的可持续能源，在一度被冷落之后却又焕发了新的生机。19世纪末，丹麦人首先研发了风力发电机，建成了世界上第一座风力发电站。风力发电站在解决无电农牧区人民的用电问题方面起到了非常重要的作用，特别是在20世纪70年代之后，利用风力更进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同地区中建立了许多的风力发电站。至于利用水能的水力发电站更是遍布全世界各个蕴藏丰富水资源的地区，为人类提供着大量的清洁、可持续能源。可以预见的是，水能、风能作为作为储量极其丰富、清洁无污染的自然能源，必将会有进一步的发展，成为多能源结构的一个重要组成部分。从远古的生命到现代的化石燃料化石燃料也称为矿石燃料，其包括的天然资源为煤炭、石油以及天然气等。这些资源都是埋藏在地下和海洋下的不能再生的燃料资源。煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后，含氧量减少而形成的。煤中有机质是复杂的高分子有机化合物。石油是水中堆积的微生物残骸，在高压的作用下形成的碳氢化合物。瓦特在1776年制造出第一台有使用价值的蒸汽机，以后又经过了一系列的重大改进，使之成为了“万能的原动机”，同时他也开创了人类利用能源的新时代，这也标志工业革命的开始，此后人类对煤炭的需求突飞猛进，煤炭突然之间就成为了人类能源的支柱。内燃机的发明，其意义不下于瓦特对蒸汽机的改良，它造就了20世纪的石油世纪，使石油变成了极其重要的战略资源，打开了石油的“潘多拉魔盒”。化石燃料已经成为了现代社会生活中不可或缺的一部分。然而随之而来的对环境的影响也是我们人类不可以忽视的。人类在发现了化石燃料之后，需要加以开采并且进行加工，才能使之被人类利用。而开采过程中对环境影响最典型的就是煤炭的开采。据不完全统计，迄今为止平均每开采一万吨煤炭会造成农田0.2公顷，在开采的同时还会对地下水造成污染，除此之外，开采时所释放的甲烷等气体以及粉尘在相当的程度上破坏了空气环境。在化石燃料的利用过程中，化石燃料中的碳转变成二氧化碳进入大气，使大气中的二氧化碳浓度增大，造成了所谓的温室效应。而温室效应作为当代环境的一个重大问题，随之而来的是全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、生物种类的灭绝等等环境问题，同时由于化石燃料的大量使用，产生的硫氧化物和氮氧化物，经过复杂的化学反应，形成了硫酸或者硝酸，进一步形成了酸雨，腐蚀建筑物、危害农田，对环境也造成了很大的影响。由于这些原因，人类应该学会减少化石燃料的使用，而开发太阳能、电能、水能、风能等可持续、无污染的环保能源势在必行，能源危机的缓解和解决也理所应当从这方面去着手。改变人类生活的万能电力电能作为一种二次能源，便于从多种途径获得，如水力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电及其他各种新能源发电等，同时又便于转换为其他能量形式以满足社会生产和生活的种种需要，如电动力、电热、电化学能、电光源等。与其他能源相比，电能在生产、传送、使用中更易于调控。这一系列优点，使电能成为最理想的二次能源，格外受到人们关注。电能的开发及其广泛应用成为继蒸汽机的发明之后，近代史上第二次技术革命的核心内容。20世纪出现的大电力系统构成工业社会传输能量的大动脉；以电磁为载体的信息与控制系统则组成了现代社会的神经网络。各种新兴电工的开发、应用，丰富了现代材料科学的内容。物质世界统一性的认识、近代物理学的诞生以及系统控制论的发展等，都直接或间接地受到电工发展的影响。同时，各相邻学科的成就也不断促进电工向更高的层次发展。因此，电工发展水平是衡量社会现代化程度的重要标志，是推动社会生产和科学技术发展，促进社会文明的有力杠杆。自19世纪80年代开始应用电能以后，几乎所有社会生产的技术部门以及人民生活，都逐步转移到这一崭新的技术基础上，极大地推动了社会生产力的发展，改变了人类的社会生活方式，使20世纪以“电世纪”载入史册。电能照明给人类的便捷和好处最显著，它消除了黑夜对人类生活和生产劳动的限制，大大延长了人类用于创造财富的劳动时间，改善了劳动条件，丰富了人们的生活。这同时为电能的应用奠定了最广泛的社会基础，成为推动电能生产的强大动力。电传动是范围最广、形式最多的电能应用领域，电动机作为最重要的动力源，从根本上改变了19世纪以蒸汽动力为基础的初级工业化的面貌。电热、电化学、电物理的发展，开辟了一个又一个新的工业部门和科研领域。总之，电的应用不仅影响到物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类生活的各个层面。电气化已在某种程度上成为现代化的同义语，同时它也已成为衡量我们人类社会物质文明发展水平的重要标志。爱因斯坦与原子核能的利用原子核能指的是原子核发生变化时释放的能量。如重核裂变和轻核聚变时所释放的巨大能量。1905年，伟大的物理学家爱因斯坦提出一个令人难以置信的理论：物质的质量和能量可以互相转化，即质量可以转化成能量，能量可以转化成质量。他指出，任何具有质量的物体，都贮存着看不见的内能，而且这个由质量贮存起来的能量大到令人难以想象的程度。如果用数学形式表达质量与能量的关系的话，某个物体贮存的能量等于该物体的质量乘以光速的平方。写成公式就是：E=mc2。获得原子能的理论准备虽然是在欧洲完成的，但在技术上获得和利用原子能确实在美国首先实现的。30年代法西斯主义猖獗，战争阴云密布。法西斯实施的种族主义和文化专制政策迫使许多欧洲科学家、特别是欧洲犹太人科学家流亡国外。其中，爱因斯坦于1933年举家前往美国。核能利用就是利用铀、钚、钍等核燃料在核反应堆中核裂变所释放出的热能，将水加热成高温高压蒸汽以驱动汽轮发电机组发电的一种发电方式。用核能发电的电厂就叫做核电站。除了核武器的威慑作用以外，发电是核能的最常见的用途。二、有希望的未来能源未来石油天然气的替代能源——可燃冰可燃冰又称天然气水合物，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。可燃冰中甲烷含量占80%〜99.9%,燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍，而且燃烧后不产生任何残渣，避免了最让人们头疼的污染问题。科学家们如获至宝，把可燃冰称作“属于未来的能源”。可燃冰这种宝贝可是来之不易，它的诞生至少要满足三个条件：第一是温度不能太高，如果温度高于20C,它就会“烟消云散”，所以，海底的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，海底越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲烷。所以，可燃冰在世界各大洋中均有分布。中国东海、南海都有相当数量分布。页岩气革命页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，成分以甲烷为主，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气藏具有自生自储特点，页岩既是烃源岩，又是储层,不受构造控制，无圈闭、无清晰的气水界面。页岩气埋藏深度范围大,埋深从200米到深于3000米。大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，具有开采寿命长和生产周期长的优点。全球页岩气资源非常丰富。据预测,世界页岩气资源量为456万亿立方米，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区。与常规天然气相当,页岩气的资源潜力可能大于常规天然气。世界上对页岩气资源的研究和勘探开发最早始于美国。依靠成熟的开发生产技术以及完善的管网设施，美国的页岩气成本仅仅略高于常规气，这使得美国成为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家。数据显示,2010年美国页岩气产量已经超过了1000亿立方米。在过去的5年里，美国页岩气产量增长超过20倍——从2006年仅为其天然气总产量的1%,到2010年增长至美国天然气总产量的20%。有关专家指出，依靠页岩气的开发利用，在未来的10年里，美国不仅可以一改天然气大举进口的局面，实现全面的自给自足,还有望成为液化天然气出口国。页岩气的开发，特别是美国页岩气产量的急剧增加，使这个大多数人还十分陌生的能源话题成为热门。悄然降临的“页岩气革命”开始对全球天然气供需关系变化和价格走势产生重大影响,并引起天然气生产和消费大国关注。页岩气的开发利用，成为低碳经济战略发展机遇的推动力,成为世界能源发生结构性调整的催化剂。