第二章　能源领域研究前沿及创新技术

第一节　能源领域的研究前沿

一、可燃冰利用研究

1．可燃冰概况

可燃冰是一种新能源物质——天然气水合物的俗称，因为他外表长得像冰，而且还可以燃烧，因此就叫作可燃冰。由于可燃冰中甲烷含量占比很高，可高达99%，所以可燃冰亦可被称为甲烷水合物。可燃冰示意图如图2-1所示。

可燃冰是一种清洁能源，它燃烧所造成的污染，远远小于煤、石油等传统能源。且可燃冰储量丰富，甚至足以满足人类未来近千年的能源消耗。因此，可燃冰有可能代替传统能源从而得到广泛开发和利用。

2．可燃冰的形成过程

可燃冰的形成过程可概括为几个步骤。首先，一些海底微生物在消化浮游生物的过程中，产生并释放出一些有机物，由于海底的压强比较大，导致这些有机物和海洋中的水分互相结合，形成了水合物。经过长时间的地壳运动和地质演变之后，这种化合物埋藏在比较深的地底，最终形成了可燃冰。

其次，可燃冰的形成过程中，必须满足以下三个必要条件：第一，所处环境的温度不宜过高，过高的温度会导致可燃冰的分解；第二，压力要足够高，但是也不能太高，当甲烷等形成可燃冰的气体在零度时，30个大气压及以上就可以形成可燃冰；第三，形成地需要有气源，即需要有类似天然气这类的气体储存的地方。

由于在陆地上只有极少数永久冻土层的地区，例如青藏高原、西伯利亚地区，才能同时满足上述三个条件，而海洋中，位于海平面下300～500m处的沉积物中即可形成适合可燃冰形成并使其维持稳定状态的低温高压条件。因此，可燃冰分布的陆海比例为1∶100。不过，并不是所有拥有天然气以及高压强的地方都会拥有可燃冰，因为形成可燃冰的主要因素是低温，所以一般在冻土带的地方可燃冰含量较多。

3．可燃冰的资源

我国的东海、南海以及青藏高原三个地方的地下土层中，拥有大量的天然气，并且海底压力以及冻土层都能提供合适的条件，使其释放的甲烷等气体与水结合形成可燃冰。因此，在我国的东海、南海以及青藏高原都发现可燃冰。在我国可燃冰资源十分丰富，据粗略估计，仅南海北部陆坡的可燃冰资源就达到186亿吨油当量，相当于南海深水勘探已探明油气储量的6倍，达到我国陆上石油资源总量的50%。

可燃冰使用前景广阔，但同时也存在风险。据估算，全球海底可燃冰的甲烷总量大约是地球大气中甲烷总量的3000倍，如果开采不慎导致甲烷气体的大量泄漏，将可能引发强烈的温室效应。如何安全、经济地开采可燃冰，并且从中分离出甲烷气体，依然是目前各国研究和利用可燃冰的核心难题。

4．可燃冰开采技术研究

（1）热激发开采法

热激发开采法，是通过改变温度来进行开采的方法。顾名思义，即采用直接加热的方式对天然气水合物层进行开采，通过直接加热使天然气水合物层的温度超过平衡温度，可燃冰的平衡状态被打破，进而将分离为水和天然气，再对其中的天然气部分进行收集。经过多年发展，热激发开采法的加热方式被不断进行改进。经历了漫长的发展历程后，目前实现了循环注热，使得作用方式相对较快。但是这种方法热利用效率低且不能大范围加热只能进行局部加热，尚未找到有效的解决方案，因此还不能成规模运用于实际生产当中。

（2）减压开采法

减压开采法中通过降低压力来破坏可燃冰的平衡状态，使水和天然气分离，进而达到开采的目的。现阶段降低压力的方法主要有两种：其一，降低钻井工程中的泥浆密度进而完成减压目的；其二，通过抽离水合物层下方的游离气中其他不相关流体，以此达到降低整体环境压力的作用。减压开采法由于操作过程相对简单，因此成本较低，相比于其他已知方法，更适合大面积开采，在众多传统方案中更具有前景。尤其适用于存在游离气层的天然气水合物的开采。但是，它对可燃冰开采地的环境有着特殊严格的要求。因为可燃冰所处环境要求低温高压，所以只有当可燃冰开采地的温度位于平衡点附近时，才可以将减压开采法纳入考虑之内。

（3）化学试剂注入开采法

化学试剂注入开采法中，破坏可燃冰平衡状态，促使其分解的方法是通过注入某些特定的化学试剂，常见的如二氧化碳、乙醇、乙二醇等。这种方法的优点在于，初级阶段的能量损耗较小。但是其缺点也很多，首先用于分离可燃冰的化学试剂的生产费用比较高；其次，在长时间的开采过程中，极有可能由于操作不当导致化学试剂泄露，进而造成严峻的环境问题。由于缺点明显，对于这种方法目前研究相对较少。但是其能源初始消耗较少，未来如果能开发出相对廉价且环境温和型的化学试剂，也会有广阔发展前景。

二、氢能源利用研究

1．氢能源概况

氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其他能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采，目前氢能几乎完全依靠化石燃料制取得到，如果能回收利用工程废氢，每年大约可以回收到大约1亿立方米，这个数字相当可观。

2．氢能的特点

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤、石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将会枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，其单质在常温常压下为气态，在超低温高压下为液态。

3．氢能的开发与利用

自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、长征3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢动力汽车靠氢燃料、氢动力燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。

世界各国正在研究如何能大量而廉价地生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。随着对太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的催化剂。

一旦有更有效的催化剂问世，水中取“火”，即制氢就成为可能，到那时，人们只要在汽车、飞机等油箱中装满水，再加入光水解催化剂，那么，在阳光照射下，水便能不断地分解出氢，成为发动机的能源。

科学家们还发现，一些微生物也能在阳光作用下制取氢。人们利用在光合作用下可以制取氢的微生物，通过氢化酶诱发电子，把水里的氢离子生成氢气。苏联的科学家们已在湖沼里发现了这样的微生物，他们把这种微生物放在适合它生存的特殊器皿里，然后将微生物产生出来的氢气收集在氢气瓶里。这种微生物含有大量的蛋白质，除了能放出氢气外，还可以用于制药和生产维生素，以及用作牧畜和家禽的饲料。人们正在设法培养能高效产氢的这类微生物，以适应开发利用新能源的需要。

引人注意的是，许多原始的低等生物在新陈代谢的过程中也可放出氢气。例如，许多细菌可在一定条件下放出氢。日本已找到一种叫作红鞭毛杆菌的细菌，就是制氢的能手。在玻璃器皿内，以淀粉作为原料，掺入其他营养素制成的培养液就可培养出这种细菌，这时，在玻璃器皿内便会产生氢气。这种细菌制氢的效能颇高，每消耗5mL的淀粉营养液，就可产生25mL的氢气。

美国宇航部门准备把一种光合细菌——红螺菌带到太空中去，用它放出的氢气作为能源供航天器使用。这种细菌的生长与繁殖很快，而且培养方法简单易行，既可在农副产品废水废渣中培养，也可在乳制品加工厂的废水中培育。

对于制取氢气，有人提出了一个大胆的设想：建造一些电解水制取氢气的专用核电站。譬如，建造一些人工海岛，把核电站建在这些海岛上，电解用水和冷却用水均取自海水。制取的氢和氧，用铺设在水下的通气管道输入陆地，以便供人们随时使用。

三、节能新技术研究

1．开发节能建筑

全世界每年消耗的能源有36%用于室内取暖和降温，因此节能建筑是解决能源紧缺问题最好的方法之一。建筑节能的关键是使用绝热保温材料，让现代建筑像原始人住的山洞那样冬暖夏凉，夏天外面的热浪不会涌进建筑内，冬天屋子里热气不会散发到建筑外。从墙面上来说，可以在建筑物表面喷涂提高密封性的聚氨酯“保温层”，防止热量通过墙上肉眼看不到的孔隙进行扩散。门窗是热量交换的重点部位，门窗的密闭技术越来越重要，各种各样的节能玻璃也在开发之中。使用能反射阳光的屋顶可以减少建筑物的吸热量，从而降低制冷过程中的能耗。在建筑物上栽种一些绿色植物，也可以减少热量的对流。而通过“捕光装置”把阳光引入室内，则能减少大量的照明费用。

2．选用节能灯

全世界20%的电能消耗在照明上，相当于每天要烧掉60万吨煤。而这些电能中有40%都是使用老式的白炽灯所消耗的。白炽灯所消耗的电能大部分都被浪费在发热上，真正用于照明的部分却非常少。在照明程度相同的情况下，节能荧光灯不仅比白炽灯省电75%～80%，而且使用寿命也达到后者的10倍。如果把所有旧白炽灯泡都换掉，那么全世界每年能节省的电相当于650座中型发电站的发电量，而且还能将释放到大气层中的二氧化碳减少7亿吨。

3．使用节能电器

全世界20%以上的二氧化碳排放量是居民用电造成的，而居民用电大多用于各种家用电器。除了节能灯泡外，选用其他节能电器也是可行的。

根据国际能源机构的一项研究，如果消费者都选择最节能的电器，那么全世界的居民用电量将减少43%。20世纪80年代以来，家电制造商已经将冰箱和其他大型家用电器的能效提高了70%左右，但在这方面仍有改进空间。近几年来，已有超过60个国家通过了绿色环保商标法，以便消费者更明智地选择节能电器。这种做法确实达到了显著的效果。自欧盟在1994年要求制造商根据耗电量对家电进行分类后，A等级的高能效电器市场份额从原来几乎为零上升到了今天的80%。

4．充分利用地热

热水器、取暖器和空调等电器的能效其实很差，这些热交换器消耗的能量中只有一部分真正用来调节温度。热泵可改变这一状况，它几乎不消耗传统能源。热泵是一种把热量从低温端送向高温端的专用设备，是节能的新装置。它由蒸发器、空气压缩机、冷凝器等组成，利用少量的工作能源，以吸收和压缩的方式，把一特定环境中低温而分散的热聚集起来，使之成为有用的热能。热泵抽取最多的是地热。与地面相比，地下洞穴冬暖夏凉，这就是地热的贡献，因此可以利用地热来节能。地热是一种没有地域限制的能源，世界上任何地区的人都可以利用这种能源。

通过从地下吸取热量，热泵能够起到为房屋或其供水系统提供热量的作用。在夏天，热泵还可以抽取地下的冷气为房屋制冷。瑞典大多数新建的居民房屋已经使用上了地源热泵，而美国前总统布什在得克萨斯州的农场也安装了一个热泵来进行加热和制冷。在瑞典，民用住宅安装热泵一般在6～9年获得收益回报，而大型商业建筑则只需一两年时间。日本在过去两年共安装了大约100万个热泵提供淋浴与盆浴用热水。

5．驾驶节能汽车

全世界1/4的能源用于交通运输，其中包括2/3的原油。最近，一些国家正在推行油电混合动力车等环保汽车。在汽油消耗量相同的情况下，环保汽车的行驶里程可比传统汽车多出20%。

和全以汽油做动力的汽车相比，柴油车的里程数则最多能增加40%。和以前那种不停冒烟而且很难发动的老式柴油车相比，现在的涡轮增压直接喷射柴油车干净且高效，而且如今在美国加油站都可以加无硫柴油了。如果到2023年，柴油车能够取代美国1/3的私家车，美国一天就能节约150万桶汽油，相当于现在每天从沙特阿拉伯进口的数量。现在已经有公司研发下一代节能汽车——柴电混合动力车。

6．改造工厂能耗设备

全世界约有1/3的能源被工业部门所消耗，工业部门的节能潜力很大。从20世纪80年代以来，日本的一些钢铁制造商一直在这方面处于领先地位。他们将钢炉产生的热量用来发动涡轮，从而产生电能，可以节约超过70%的能源。

在德国路德维希港，著名的化工企业巴斯夫公司经营着200多个连锁化工厂，其中一个化工厂产生的热量，被用来为下一个化工厂制造电能。这种热能和电能的循环利用就为巴斯夫公司每年节约近两亿欧元。与此同时，该公司的二氧化碳排放量也减少了几乎一半。