1.能源创新与可持续发展

 

      可持续发展是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。我们整个发展进程和经济发展一直以来都是以廉价的、大量的矿物质燃料作为动力。最近的事实证明了该物质结构存在固有的不稳定性。我们目前的能源供应是贫乏的，使用是过度的。幸运的是在能源和技术发展成本的共同作用下，创新能源成为一种可行的方式，并且随之而来的是稳定的、新的就业机会和安全的能源资源。

 

      2.真正创新的需求

 

      为了协调可持续发展和经济增长对环境破坏的威胁，必须有相关的能源政策，必须真正依靠科技创新和技术发展来制定发展战略。因此，我们需要采取一些主要步骤来防止地域政策和价格弱点。我们需要在一个国际联合的框架下扮演一个重要角色，以加强绝对必要的基础性突破，并促进创新的发展。

 

      3.政府干预的必要性

 

      新的技术在最初的时候会比它们所取代的技术成本要高昂，并且在一段时间内并不能提供优质的服务。但其直接的好处是体现在社会而不是体现在市场上。一些技术需要面临被社会接受的问题，而且常常需要付出额外的综合成本来适应现有的能源结构。简单来说，这些新技术既不是市场自然的需求也不能在短期之内带来经济利益。因此，对能源创新进行公共干预是必要和合理的。

 

      4. 未来的风险

 

      2010年，随着经济逐渐好转并走向正常，二氧化碳的排放量已经以年增长3%的比例逐渐增长。如此活跃的废气增长趋势不利于可持续发展，且加速了全球变暖的进程。未来的经济增长如果继续像以前一样，将会不可避免地导致供应的紧张和价格危机。不幸的是，未来社会还将以化石燃料为主导，这样最终将导致环境崩溃。

 

      5.化石燃料和气候

 

      有没有一种方法来调节化石燃料和气候之间的关系？政治家们对此抱有很高的期待。这是一项巨大的工程，因为目前每年产生超过200亿吨二氧化碳。石油和天然气（每个约500Gton）不久将会达到它们的开采极限，这方面在发展中国家体现得特别明显，另外一个原因就是易开采能源的逐渐减少。然而目前有大量便宜且容易开采的煤炭资源，它的储量大约是5000Gton，且可能会扩大到20000Gton。地球还将在较长时间内燃烧煤炭资源，特别是在技术发展缓慢的地方。

 

      6.缺乏必要的变革投资

 

       我们一直在享受着廉价且丰富的能源供应，资源易得性、碳约束的缺乏、以及市场对利益的驱动不仅使得我们对化石燃料产生巨大依赖，同时也降低了我们对于改革和开发新能源技术的兴趣。为了调节可持续发展和经济发展间的关系，避免对环境的威胁，我们需在依靠真正的科学技术的创新和发展的基础上，制定出连贯性的战略选择。能源创新通常周期较长，往往需要数十年才能发展成实质市场，这主要是由于在现有的能源结构中固有的投资规模需求、技术、以及制度惰性的延续性所导致的。

 

      7.创新：成功发展的关键

 

      目前，我们在太阳能、风能、生物能和地热能等方面已取得了巨大进展。今天将对以下其他目前还在探索阶段的新能源作简要介绍：（1）不排放二氧化碳的化石燃料的能源生产，这可作为碳捕获和储存的替代技术，（2）回收已大量产生的二氧化碳，用液体来代替石油：甲醇经济，（3）从笼合物中产生的非常规的天然气资源，（4）远距离超导电，（5）利用钍产生的用之不尽的新型核能。

 

      8.平衡中的新名词：环境衰变

 

      人为的二氧化碳排放与其他排放对地球气候的影响是不能被忽视的，因此我们需要遏制矿石燃料使用的增长，否则，到2050年矿石燃料的使用量将翻倍。有观点认为，人为的二氧化碳排放对地球气候的影响还没有被公众和科学界普遍认识到。公众对CO2和长寿命的核废料生产的认识和关注还没有达到同一级别，钚的寿命是26 KYR，而化石燃料燃烧产生的二氧化碳的平均寿命则达到了约30-35 KYR。

 

      9.二氧化碳在生物圈存在的时间

 

       有观点认为，大气中二氧化碳的平均寿命有上万年，而与此形成鲜明对比的一种目前比较流行的说法是，二氧化碳的平均寿命只有几百年。

 

      10.化石燃料的供应紧张

 

      毫无疑问，全球变暖是一个紧迫的问题，值得备受关注。但本质上，世界范围内没有足够重视大量的脱碳需求。与一些最常使用的化石燃料（如石油、天然气）的需求相比，其重要因素是有限性和寻找其他充足替代能源的紧迫性。这种问题的核心是找到一种石油的替代品，目前我们的经济97%是依赖于石油。

 

      11.未来不可避免的石油危机

 

      人类对石油的消耗无疑是要持续增长的，但是大部分的石油产自政治不稳定的地区以及地理上荒凉的区域。技术的发展将会增加可回收石油的数量。石油将不会耗尽，目前的储备显示石油的供应还可以持续多年。但是，如果需求大于供给，市场的力量将会不可避免地驱动价格的提高，进而在不可估计的经济环境中导致石油危机。如今，许多学者和政治家呼吁在出现“石油峰值”前，找到一个长期的能源解决方案，因为“石油峰值”的出现会导致经济活动的停滞。

 

      12.如何处理化石燃料产生的二氧化碳

 

      必须设计以脱碳为目标的新的方法将石油从页岩、沥青沙、稠油、煤基液里提取出来，以避免产生更多的二氧化碳排放。简单地向地底下注入大量的二氧化碳并不是经济的方法，隔离并不能消除。我们必须在科技发展的帮助下，把从化石燃料里产生大量的二氧化碳完成从“负债”到“资产”的转换。

 

      13.不排放二氧化碳的化石燃料的能源生产

 

      新方法包括：燃烧天然气不产生二氧化碳，用熔盐或金属来进行甲烷分解，对天然气进行比较重整和热解以获得氢气。

 

     14.用液体代替油：甲醇经济

 

      任何一种液体燃料的燃烧都会产生二氧化碳，现在我们的主要研究方向是发展氢气燃料技术，因为氢气燃烧后只会产生水和其他无污染的物质。尽管如此，如果将氢气用作交通运输的燃料，还有一些基本的问题需要解决。在许多人看来可以取代汽油用于运输业的未来能源必须是液态的，并主要包含H2、O2和CO2。

 

      通过利用目前还可获得的矿物燃料资源、天然气资源以及对二氧化碳进行加氢还原来生产甲醇是一种切实可行而且方便的储存能量的方法。从长远来看，对从空气中的二氧化碳进行俘获和回收利用将成为可能。空气与石油和天然气截然不同，地球上每个人都可以轻易获得空气，而空气中的CO2组分属于一类取之不竭、可以循环使用的碳资源。由CO2 制 得的甲醇本身就是一种优秀燃料。甲醇也能很容易经由脱水生成乙烯和丙烯，从而转化为合成烃类及它们的衍生产品，因此甲醇可以解除人类对正在不断减少的石油和天然气（甚至煤）资源的依赖。同时，通过对过量排放的CO2 气体的回收循环利用，我们可以减轻或消除由于人类活动造成全球气候变化（即全球变暖）的一个主要因素。

 

      另外，我们还需要加大天然气的开采力度。通过增加甲烷的使用和消耗，对矿物燃料进行脱碳变得尤为必要。甲烷是一种化石燃料，拥有着最高的脱碳量，其充分燃烧产生的二氧化碳比煤炭低2.5倍，却可获得与煤炭燃烧一样的能量。在另外一种方式中，甲烷转化为氢气和炭黑，这使得我们有希望实现燃烧化石燃料而不产生二氧化碳的梦想。但是我们怎样在未来提高天然气使用量，除天然气的传统供给以外，我们需要重视的是在海洋里有大量的甲烷，它们以海洋氢氧化合物储备的形式存在，我们对此称为笼合物。

 

      目前，液体燃料的储量是非常有限的，所以说解决二氧化碳的问题是我们将来的责任，通过科学技术的发展变废为宝，才是有前景的，当然政府在二氧化碳排放方面的征税政策也将有辅助作用。

 

      15.天然气的新的非常规来源

 

      甲烷水合物是存量丰富的自然形态的笼合物，它是一类独特的化学物质，该类物质的分子形成一个开放的固体晶格。在0摄氏度以下，它的状态保持稳定；在较高的压力下，甲烷笼合物可以在18摄氏度以下保持稳定。一升固态的甲烷笼合物平均状态下可以容纳168升的甲烷气体（在标准温度及压力下）。

 

      天然气产自笼合物这个话题直到近期才完全成为学术问题，因为科学家们意识到既然自然界中甲烷和水无处不在，甲烷水合物将在适合的压力和温度下在任何环境中都大量存在。甲烷笼合物是浅海洋岩石圈的普遍成分，并且它们同时会在深部沉积结构和海底突起中发生。甲烷在天然气水合物中的潜在储量巨大，目前保守估计约有10万亿吨甲烷碳的储量。相比之下，常规天然气和石油的储量大概只有几千亿吨。

 

      此外，甲烷储层位于地表下两千米以内，并且探测到在许多地方都存在大量储层，这对其能够成为主要潜在能源具有重要意义。

 

      16.远距离绿色输电

 

      大多数可再生能源的生产设施都座落于一个较大区域内，并且常常远离人口稠密区。如果不对传输基础设施进行新投入，全球的风能发电、地热发电、太阳能发电等新型发电方式都不可能进行。我们要尽可能地将生产洁净电能的新网络连接到有电力需求的地方。当下可预见的系统是基于大概为750—800千伏的高压直流输电（HVDC）架空线路。目前，距离达到3000公里用高大塔楼支撑的输电线路是可操作的并有待发展。

 

      利用超导体远距离输电是由于超导体没有欧姆电阻，具有电力零损耗的特质。这样主要的损耗将仅存在于低温恒温器的静态热损耗。这并不是什么新的观点，早在1911卡末林-昂内斯就发现了绝对完美的超导性（零电阻率）。1915年他曾建议在伦敦和巴黎间建起首个持久的电流圈。上世纪80年代中期以前，技术性的超导体应用主要是金属铌或者铌合金，如液氦中的NbTi和Nb3Sn。如今NbTi和Nb3Sn已被广泛应用，全球每年由其产生的价值超过30亿美元。1986年，超导领域的巨大突破是诺贝尔奖获得者Bednorz和Muller发现了铜氧化物高温超导体。2001年，Akimitsu等人的研究再次震惊了超导体研究界，他们报告了二元化合物（二硼化镁）在40k时的超导性。二硼化镁还在发展阶段，目前只有在实验室中生产出少量的线缆。

 

      二硼化镁具有其临界温度高、价格便宜、易获取的特点，要达到临界温度可以通过液态氮或氢冷却剂来实现，这将改变超导体对未来世界的影响。除了最近的发现之外，二硼化镁已经显示其作为超导体的足够潜力，这将在未来几年得到符合逻辑的验证。

 

      17.新型核能：钍

 

      尽管铀矿石的储量并未真正探明，但是只要以现在的方法和消耗速度（占据主要能源的6.5%），铀的余量将不比石油和天然气多多少。钍是放射性金属元素，它有化学的用途也有核能的用途。钍是一个巨大但未发现的能量来源，它的数量据估计有120万亿吨。钍元素使用技术的发展是在冷战结束后的五六十年代。但是，钍元素的开发本身也存在一些问题:怎样在运用化学元素制造核能的过程中来进行有效的控制，这个技术需要我们将来进行不断的研究。另外，开发钍元素的能源用途和用它来制造核武器所用的技术是不同的，它很难运用于军事领域，钍元素还可以用于制造精密仪器。钍的储量在中国和印度都是非常充足的，因此开发相关的绿色能源可以使这些国家在将来拥有足够的能源供应。

 

      核能现在最主要的问题是怎样对其进行冷却，我们现在还在使用50年前就研究出的水冷却技术，如果没有控制好，极易产生安全问题，并给使用的国家带来灾难。所以，发展核能是很重要以及必要的，但是核能的发展需要新的技术系统，并提高使用的安全性。现在，中国和世界上其他国家相比较而言发展核能技术起步比较晚，所以需要国家加大开发核能技术的资金和政策投入。

 

      18.创新：成功的关键

 

      这些问题和潜在的威胁对现代科学极为重要，如何解决这些问题，需要我们对此认真对待并最终解决。这些是全球性问题，人类很难处理。但是，如果人类在面临这些危险时能持有共同的政治态度，如果人类能够理解并估算避免灾难的可能性，人类是可以解决这些问题的。世界上，人口数量的增长和科学的发展是没有相关性的，现在还不清楚是否人类要迎接人口质量提高上的挑战或这将取代现在相对缓慢的进化发展模式，此模式可能会在将来变得停滞不前和落后。文明社会中的人力资本是建立社会行为规范的决定性因素，这取决于高等教育程度、人生观以及价值观等……

作者：中国矿业大学宋亚宁

编 辑：一帆