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替代石油的新能源
来源:北京邮电大学出版 时间:2022-01-04 字体:[ ]

2008年7月11日,国际油价已上升到每桶147美元。有人预言,油价突破每桶200美元就在年底,而在不远的将来可达到每桶400美元。于是,一个老问题出现了:地球上的石油会不会用完?

美国经济学家罗塞尔·罗伯茨的答案是,永远用不完。因为当石油越来越少,价格上升过高时,人们就不会用石油,转而开发和使用廉价的替代品燃料。只要石油价格上升到足够高,一定会有替代品出现,剩下的石油由于开发成本太高,无人开发,石油自然不会用完。

人类可以找到替换石油的能源有很多,如生物燃料、核能、风能、太阳能、水能、潮汐能、氢能等等。那么,哪些是石油的理想替代品?

生物燃料:未成气候已遭阻击

生物燃料是指通过生物资源,如玉米、甘蔗和大豆等生产的燃料,如乙醇(酒精)和生物柴油,可以替代石油能源,是再生能源开发利用的重要方向。生物乙醇是从植物中获取的糖经过发酵得到的,多以淀粉类植物为原料,在美国,普遍以玉米作为原料:在巴西,则是以甘蔗作为原料,木薯作为生物乙醇原料的情形也比较普遍。生物柴油是植物油与醇类(通常是甲醇)进行酯化反应得到的,如油菜籽、向日葵、红花、芥菜、棉籽、棕榈籽、椰子及大豆,还可以牛肉、猪肉或家禽的脂肪,甚至以饭店回收的油脂为原料。

巴西是世界上唯一不使用纯汽油的国家。早在20世纪70年代的石油危机后,巴西就规定在汽油中搀加酒精,比例高达25%。2003年,巴西福特汽车分公司推出了首辆汽油、酒精双燃料汽车,该种车在油箱内设计了“灵活燃料探测程序”,既可单独使用汽油或酒精,也可使用任意比例的汽油和酒精混合燃料。对注入油箱的燃料进行辨别,并将信息传送到汽车发动系统,随后自动点火发动和驱动。

2005年,巴西乙醇价格平均为汽油的53%,使消费者大大节省了开支。巴西2006年双燃料车在新车市场的占有率达到70%。2005年巴西甘蔗能源在全国所产2.186亿吨石油当量能源中占了13.9%。目前,生物能源已成为巴西第三大能源。估计到2010年,正在建设中的100多个甘蔗乙醇蒸馏厂将有一半投产,届时生物能源将超过水能和电能跃升为巴西的第二大能源。

2003年欧盟委员会通过的两项生物燃料指令推动了欧盟发展乙醇燃料和生物柴油生产。2004年欧盟生产了5.26亿升乙醇和22亿升生物柴油。指令要求到2010年车用燃料部分使用可再生燃料要达到5.75%。含有生物乙醇或生物柴油的燃料,可免征燃油税。

美国也不甘人后。2005年年初,布什总统在国情咨文中要求在10年内将美国的石油消耗减少20%。其中一个途径就是用生物燃料等可再生能源,替代汽车所耗15%的石油消费量,同时通过提高燃油使用效率来减少另外5%的石油消耗。20%的节油量,相当于美国目前从中东地区进口石油量的75%。美国希望到2017年前,把乙醇和其他可再生车用燃料的产量提高近5倍,达到每年1324.75亿升,相当于美国2005年乙醇燃料产量的近9倍。

而且,2007年生物柴油的问世也让人们看到了生物燃料替代石油的曙光。巴西石油公司开发出一种在柴油中加入10%植物油的新型混合燃料H—Bio。这种新燃料是在原油提炼过程中往柴油中添加植物油,确保成品燃料中的硫磺含量大幅度降低。因此,H-Bio不仅价格比常规柴油便宜,而且较少污染。

但是,生物燃料的大部分要素还是石油,所以这并非是一种完全的替代,只是一种权宜之计。而生物燃料的另一些缺点是与人争夺粮食和增加温室效应,这也让生物燃料欲罢不能。

世界银行已经明确指出,要把一部休闲旅游车的油箱加满,所需要消耗的谷物,足以供应一个人吃一整年。美国世界观察研究所创办者和前任所长、地球政策研究所现任所长莱斯特·R·布朗的看法相似。用酒精加满一个多功能运动车25加仑油箱所需要的粮食足够一个人吃一年;反过来说,假设这部车每两个星期要加一次油,一年下来所耗费的粮食可以养活26个人。显然,生物燃料不仅无法担当起能源革命的重任,反而可能造成更大的危机。

在此情况下,尽管巴西和美国仍对生物燃料雄心勃勃,但欧盟已经在退缩。

氢燃料:一匹能源黑马?

氢燃料电池可以作为汽车的动力能源。中国上海已经产出了氢燃料汽车,它和一般汽车不同的是,它没有传统的汽油发动机,取代的是分布着密密麻麻电线的氢燃料电池发动机。同时它也没有油箱,替代油箱的是3个氢气罐,它的唯一排放物就是没有污染的水,而且是可以喝的水。

上海开发的氢燃料汽车的功率是50千瓦左右,但速度能够达到每小时150千米,由于加装了锂离子电池和控制系统,其性能已经和汽油车基本相同。

氢燃料的优点在于,它比汽油还安全。对氢罐进行过拖拉实验、坠落实验、枪击实验、爆破实验、火焰实验等,结果表明,氢罐是安全的。而且氢气和汽油燃料泄露并燃烧的对比实验表明,如果漏油,传统汽油车被烧掉,但氢燃料车顶多是尾部有点烧焦,整个车是安全的。

从成本看,氢燃料车的价格不会超过13万元(7万元的轿车加上5万元的发动机)。氢燃料电池汽车行驶100千米只需要20元左右的氢气,相比普通车辆的汽油成本节省60%。因此,如果使用氢燃料电池汽车,是既节能又环保,更经济。

不过,氢燃料车也存在社会成本问题,比如加氢站的成本。现有的国外进口设备(主要是储氢罐、压缩机和加气机)组建的加氢站成本高达1200多万元人民币,但国产化后估计成本将降30%或40%。但即使这样,一个加氢站也得要720万元人民币。而且,要将加氢站的数量和密度增加到和现在汽油加油站一样的程度,会是一个鸡生蛋,蛋生鸡的问题。除非路上有足够量的氢燃料车在跑,否则加氢站无法营运;但除非有足够的加氢站,一般车主不会考虑购买氢燃料车。

最后是标准问题。现在用氢做动力的汽车还上不了路,不是技术不过关,而是因为缺乏相关的标准和政策。例如,上海第一个加氢站建成半年后还没有通过验收,按照目前的规定,加氢站距离100米内不得有重要建筑。而相关专家认为,加氢站和周边重要建筑的距离缩短为50米就可以。

专家认为,在风能、太阳能、核能、煤变油、生物燃料以及其他各种替代能源中,最有希望应该是氢,它才可能成为新的“源头”。美国国家科学院研究报告显示,未来50年内,氢能有望基本上取代汽油。但是,氢取代汽油需要人们观念的转变、相关的管理措施,同时还要给机械、汽车等行业以更新换代的充裕时间。

太阳能:取之不尽但技术高难

太阳能是地球人类取之不尽用之不竭的能源,但是,如何把太阳能转化为人类可利用的电能、热能还存在许多技术上的难题。

仅以便携式供能,例如汽车供能为例,太阳能汽车至今也难以突破高难度技术瓶颈。将太阳光变成电能,是利用太阳能的一条重要途径。早在20世纪50年代就制成了第一个光电池。将光电池装在汽车上,用它将太阳光不断地变成电能,使汽车开动起来。太阳能汽车的心脏部位就是电力系统,它由蓄电池和电能组成。蓄电池组就相当于普通汽车的油箱。一个太阳能汽车使用蓄电池组来储存电能以便在必要时使用。一般情况下,车子在运动时,被转换的太阳光能被直接送到发动机控制系统,但有时提供的能量要大于发动机需求的电力。多余的能量就会被蓄电池储存以备后用。当太阳能不能提供足够的能量来驱动发动机时,蓄电池内的被储存的备用能量就会自动补充。

但是,现在的太阳能光电转换率一般只能达到20%。而美国已研制成光电转换率达35%的高性能太阳能电池,澳大利亚用激光技术制成的太阳能电池,其光电转换率也达24.2%。即使这样,也难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力。其次7~8平方米的太阳能电池板也导致车身过大转动不够灵活,内部空间过于狭小,驾驶不够方便,而且也不够美观。太阳能汽车造价也太高,由于太阳能电池板本身造价昂贵,一辆太阳能电池车的制造成本低则7~8万美元,高则达到上百万美元,难以普及。

澳大利亚2003太阳能汽车比赛上,由荷兰制造的“NunaⅡ”太阳能汽车取得了冠军,它以30小时54分钟的时间跑完了3010千米的路程,创造了太阳能汽车最高时速170千米的新世界记录。2006年江苏新能源博览会上,中国国内首辆太阳能轿车亮相。这辆车可以直接切换电能,行驶速度最高可达每小时88千米。如果加上电能,这辆车晚上能跑220千米,白天可跑290千米。预计,这种太阳能汽车在两年内上市,价格在25万元左右。

但是以太阳能作为完全驱动力的汽车,仍然还处于概念车的阶段,无法实现量产,太阳能汽车真正走进大众生活,还有很多难题需要解决。

当然,太阳能并非只是用来驱动汽车,可以说,它是唯一可以广泛应用的能量,可以为人们提供取暖、炊饮、供热等能源,而且也将会是未来的工业能源。近10年来中国太阳能转换方面最突出的成绩是实现了太阳集热器和热水器技术的产业化。迄今中国已有500多家大中型企业生产平板集热器和真空管热水器,中国的太阳热水器品种主要有真空管型热水器(含热管真空管型)、平板型热水器和闷晒型热水器三大类,市场总保有量达2600万平方米,并以20%年增长率发展。太阳热转换装置的产业化使太阳能技术有可能在建筑节能的领域(热水,采暖,空调)发挥作用。

中国13亿人口,70%生活在农村,太阳能利用尤其适合中国农村。中国有较丰富的太阳能资源,而太阳热转换技术在中国已有20余年的发展历史,在低温热转换技术方面有重要突破。至今在农村已发展了600万亩太阳能温室种植蔬菜,在西北有30万台太阳灶为农户提供炊事能源,已建成750万平方米的被动太阳房,安装了1500万平方米的太阳热水器。太阳能热转换技术在缓解农村能源短缺,保护农村生态环境和提高农民生活质量方面已取得显著成效。同时,这些太阳能转换技术未来对于城市的供暖和炊饮也有潜在的利用价值。

但是,要想广泛利用取之不尽用之不竭的太阳能,人类在技术上还有待突破。

其他可替换能源:路途漫长

人类还有其他可利用的替换石油的能源,如风能、潮汐能等,但是现有的技术、开发资金都非常有限,难以与生物能源、氢能和太阳能相媲美。

美国地球政策研究所所长莱斯特·R·布朗比较看好风能。以美国为例,1991年美国能源部在一份报告中表示,如果能有效地利用德克萨斯州、堪萨斯州和北达科他州的风力资源,那么三个州的风力资源发电量就能满足全美的用电需求。

1991年后,美国研究人员发现,90米高的风力发电设备比过去30米高的风力发电设备能够在低速情况下获得主站|万博体育手机版登录入口且更稳定的电力。新设备产生的电力完全有可能是过去计划总量的3倍。能源部2005年的另一份报告显示,美国还具有丰富的离岸风力资源,因此,今后美国的风力发电不仅有望满足全国供电需求,而且能满足美国全部能源需求。

当然,这只是一种理论上的推测,也许风能比太阳能的利用离人们还遥远得多。

此外,可替换石油的能源中还有另一种被人们忽略了的能源,即可燃冰。据估算,世界上可燃冰总资源量相当于全球已知煤、石油、天然气的2倍,可满足人类千年的能源需求。中国从1999年起对可燃冰进行前瞻性研究,目前已在中国海域内发现大量可燃冰储量,仅在南海北部的可燃冰储量估计相当于中国陆上石油总量的50%左右,在未来10年,中国将投入8亿元进行勘探研究,预计2010~2015年进行试开采,但实现商业开发还有待技术上的突破。


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