河内分分
河内分分

让梦想从这里开始

因为有了梦想,我们才能拥有奋斗的目标,而这些目标凝结成希望的萌芽,在汗水与泪水浇灌下,绽放成功之花。

你的位置:河内分分 > 产品中心 > 这些支撑人类生活的能源,你都知道吗?

这些支撑人类生活的能源,你都知道吗?

发布日期:2022-04-19 10:59    点击次数:88

万物想要生存,都离不开能量。植物吸收太阳能,将其转化为化学能储存起来,维持生命。而动物则通过食用其它的动植物,获取化学能,维持生命运转。但对于人类而言,在生存的基础上,更多了“生活”的需求。休闲娱乐,交通运输,工业生产……所有的这些,都离不开“能源”。

能源,为人类创造了多姿多彩的生活。人类文明的进步,某种程度上,也是由能源所推动的。

火,是人类最先掌握的一种能量形式,最早可以追溯到数百万年前。

通过火释放的热量,人类可以加热食物,烧制器具,驱寒取暖以及进行夜晚的照明。

食物加热后,杀菌消毒,风味鲜美,更容易吸收,大大增加了人类的身体素质,促进了人类大脑的发育。而新材料、新器具的发明,驱赶野兽的作用,夜晚时间的利用,则大大提高了人类生存几率和有效时间,加快了文明发展的进程。

图1 火的使用,使人类文明发展迈上了一个新的台阶。

图2、3 建造砖窑、陶瓷窑等,可以用火将泥土烧制成各种工具和建筑材料。

图4 冶金技术的发明,让人类先后进入青铜和铁器时代。

木材、木炭

人类学会了用火,而木材,则是人类最先使用的能源。由于木材含有水等杂质,难以充分燃烧,火焰温度低、烟气大。由木材隔绝空气加热制成的木炭,则可以解决这一问题。

图5、6 在隔绝空气的条件下对木材进行高温处理,可以制作木炭。木炭的燃烧比木材更稳定,烟少、温度也更高。

木材作为主要的能源,一直持续到工业革命前后。随着城市的不断扩张,和工业生产的不断发展,木材的弊病开始逐渐显现:森林生长缓慢,无法供给人类的日常需求。人类迫切需要一种全新的能源,来解决这一问题。

图7 在工业革命前,一座城市的能源需求,至少需要50-150倍面积的森林来支撑。

煤,是人类较早发现并使用的能源之一。1973年,在我国辽宁省沈阳市北陵附近的新石器时代的新乐遗址下,就发现了不少用煤制作的器物,说明在六七千年前,我国就已经发现并使用煤炭。这也是世界上用煤最早的确凿证据。煤作为燃料用于冶金等用途,在我国最早可以追溯至西汉。但是,煤作为一种主要能源,真正登上历史舞台,则从第一次工业革命开始。

图8 乌黑油亮的煤块,曾经是、现在也依旧是人类主要的能源,推动了工业革命的发展。

煤开始大规模使用,始于18世纪初的英国。人们乐于使用它,并不是因为它好用,而是因为英国的森林越烧越少,几乎消耗殆尽,造成木炭价格的大幅提高。因此大家只好退而求其次,选择烧煤。一时间,煤烟滚滚,英国首都伦敦,也成了著名的“雾都”。

图9、10 由于煤炭中含有各种杂质,以及难以充分燃烧,使其散发出浓重的黑烟,对空气造成了恶劣的影响。英国伦敦曾在第一次工业革命期间变成了雾都,根源就在此。

英国的煤含硫量高,烧起来浓烟滚滚,十分呛人。用于炼铁,硫进入钢铁,也会使其变脆。至于其它行业如食品、酿酒业的生产,则更不可能使用煤。直到有人模仿木炭的生产,把煤在无氧下加热生成焦炭,并发明了焦炭鼓风高炉,才解决了这一问题。

图11 直到今天,焦炭依然是冶铁的主要燃料。

图12 煤矿区内,运煤车将煤运往各地。

图13 淮南长壁煤矿,采煤机正在煤层上采煤。

随着煤的不断开采,浅层煤挖空,煤矿也不断向地下发展。越挖越深,一直挖到了地下水面。起初,人们只能雇佣工人来搬水,效率很低。1712年,托马斯·纽科门(Thomas Newcomen)发明了蒸汽水泵用于抽水,解决了这一问题。1776年,詹姆斯·瓦特(James Watt)设计了一个冷凝装置,大大提高了蒸汽机的效率。后来又有人设计了高压蒸汽机,使得蒸汽机效率进一步提高。而为了运输开采出来的煤,一个叫亨廷顿·比尔蒙特(Huntington Beaumont)的人于1604年发明了用铁轨铺成的马车轨道,方便马车运煤。后来,理查德·特里维西克(Richard Trevithick)把一台瓦特蒸汽机安装在了车头上,火车就顺利成章的诞生了。

图14 由煤炭驱动的蒸汽火车,使得长距离、大承载量的运输成为现实,大大加快人类文明的进程。

自两百多年前的工业革命起,直到今天,煤仍是支撑我们生活的重要能源之一。截至2021年底,我国的电力主要以煤电为主,火力发电量为57702.7亿千瓦时,占总发电量的71.13%。

石油、天然气

石油的兴起,最早和照明的需求有关。木材和煤炭烧起来也会发光,但同时会产生多余的热量和烟气。古人更喜欢用的是油灯,油灯多用动物脂肪制成,其中尤以鲸油最受人们欢迎。18-19世纪期间,捕鲸业高度发达,平均每年都有超过5万头鲸被捕杀,导致鲸的数量大幅下降,几近灭绝。一位名叫亚伯拉罕·盖斯纳的加拿大发明家发明了从沥青中提取煤油的技术,才使得鲸免遭灭绝。同时,也带动了石油产业的快速崛起。

图15 煤油提炼技术的发明,使得石油的开采利用登上了历史舞台。

图16 夕阳下的油田,抽油机(俗称磕头机)正在运作,把“工业血液”从地下抽出。

早期的石油开采,主要以煤油生产为主,其它的成分大都当作废物处理掉了。后来,一个名叫约翰·洛克菲勒(John Rockefeller)的商人学会了如何把各种长度的碳链从石油中分离出来,并制成各类化工制品,石油化工行业诞生了。再后来,人类又发明了利用石油合成塑料和人造纤维的方法,新材料的发明更给人类生活带来了天翻地覆的变化。十九世纪末期,德国人发明了轻型内燃机,使用汽油作为燃料;1903年,亨利·福特成立了福特汽车公司,开发了全世界第一款面向普通民众的廉价汽车Model T,燃油汽车遂成为主流,一直持续至今。

图17 石油中分解出的不同碳链长度的物质及其用途。

图18 炼油厂,油田开采的原油,在这里经过一系列加工,生产为汽油、柴油、煤油、润滑油、沥青、乙烯等各种产品。

图19 亨利·福特生产了世界上第一辆面向普通民众的Model T汽车,从此开启了家用燃油汽车的时代。

汽油、柴油的能量密度高,平均每千克汽油含有44MJ(百万焦耳)的能量,是最优质燃煤的1.5倍。而截至目前,电池的最高能量密度也才刚刚突破200Wh/kg(1Wh=3600焦耳,即电池的能量密度约合72万焦耳/千克)。因此,直到今天,石油仍占据着交通行业以及工业生产的大半,远洋航运、航空航天、军工国防、工业生产,都离不开石油。因此,石油也被誉为“工业血液”、“黑色黄金”。过去数十年,大国之间的利益竞争,也多围绕着这一能源展开。

近年来,随着石油需求量的不断增加,以及浅层油气资源不断开采殆尽,人们开始向深海、深地进发,进行海上石油钻井平台的建设、开采页岩油气、可燃冰等非常规油气能源。同时,作为石油“副产物”的天然气,具有质量轻、易传输的特点。而且,天然气排碳量小,作为实现双碳目标的过渡能源,也有着广泛的应用。

图20、21 位于海南南海的天然气钻井平台。落日熔熔,广阔海面上的平台,向自然彰显着人类的智慧。

图22 2017年,我国南海首次海域可燃冰试采成功,表明我国可燃冰开采达到世界领先水平。可燃冰,是天然气与水在高压低温下形成的一种物质。(图片来源:CNN)

比起木材、煤炭、石油等看得见摸得着的能源,电,更像是一个隐秘的精灵。严格来讲,电并不是一种能源,而是能量的一种存在形式。人类无法从自然界中直接获取电能,而需要通过一些技术手段,把其他形式的能量转化为电能。

电池,是生产电能的第一个尝试,它把储存于特定材料中的化学能转化为电能,但效率较低,难以大规模应用。1831年,英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象,证明了电能和动能可以在磁场中相互转换。发电机和电动机,就基于这一原理工作。

图23 法拉第(Faraday)发现了电磁感应现象,为电力的发展提供了理论基础。

1880年,托马斯·爱迪生发明了白炽灯,发光效率更高,使用也更安全。1882年,他分别在伦敦和纽约建成了世界上第一、第二座火力发电站,铺设了电网,使得电灯走进了千家万户。此后,爱迪生相继发明了电唱机、录音机等一系列电器产品,带领人类进入了一个全新的时代。

图24 托马斯·爱迪生(Thomas Edison)发明了电灯,用电力给人类照亮了一条前进的路。

电力发展至今已过去一百多年,可以很确定的说,现在几乎没有人能够离开电。电网已经渗透到了每一座城市的每一个角落,成为伴随人类生活的“忠实伴侣”。大多数的能源,都要转化成电能的形式来被人类利用。为了降低二氧化碳排放,取代燃油汽车,近些年,新能源汽车产业蓬勃发展,将电力使用推向了一个新的高潮。

图25 四通八达的电网,是人类构建的“能源高速公路”。支撑起人类的日常生活。

图26 滇藏线云南境内的西电东送线路,西部地区生产的电力,穿山越岭,输送到东部沿海城市,点亮万家灯火。

图27 一辆新能源汽车正在充电。近年来,随着气候变暖的加剧、双碳目标的提出,新能源汽车成为未来发展的一个方向。

光能、风能、水能、地热能

随着世界人口的不断增多,科技水平的不断发展,能源需求也随之剧增。随着人们的不断开采和利用,化石能源也面临着枯竭的挑战。目前人类能源消耗总量当中尚有80%以上来自煤、石油、天然气等化石能源。而根据现在的使用状况,石油已探明储量只够人类再用53年,天然气是48.8年,煤炭也只有139年。同时,化石能源使用造成的环境污染、气候变暖等问题也逐渐显现,威胁着人类的生存。因此,寻找并发展可持续能源,成为人类必须要完成的任务。

太阳能是环保人士最为看好的新能源。太阳是地球生命的能量源头,无论是我们日常吃的食物,还是使用的化石能源,本质上都是固定在化学物质中的太阳能。在世界上的任何地方,太阳总会东升西落。爱因斯坦发现的光电效应,为太阳能发电提供了理论基础。上世纪50年代,第一块太阳能板在美国贝尔实验室研制成功,但发展至今,其光电转化效率依然是一个有待攻克的难题,平均只有20%左右。

图28 爱因斯坦提出了光具有量子性,解释了光电效应,为光伏发电埋下了伏笔。1921年,他因这项成果获得诺贝尔物理学奖,这也是他获得的唯一的诺奖。

尽管光伏发电效率低,但对于国土广阔的国家,尤其是中国来说,仍具有相当大的发展潜力。我国的西北沙漠戈壁面积广阔,光照强烈,是发展光伏产业的绝佳地区。

图29、30 2018年12月28日,中国首个百兆瓦级熔盐塔式光热电站在甘肃敦煌并网投运。大片的光伏电板,蔚为大观。

图31 位于青海格尔木的光伏产业园区,大片的太阳能发电板,如同一片海洋。

此外,由于需要定时清洗发电板,同时,发电板遮挡了阳光,有助于土壤保持水分,一种新型的产业协作形式——光伏农业应运而生。

图32、33 在光伏电板的遮蔽下,牧草丰美,牛羊更肥。

光伏电板固然优势很多,但占地面积大,可能会对生态造成影响。与之相比,风力发电占地更少,对动物栖息、迁徙的影响也更小,因此也备受青睐。尤其在我国的东部沿海地区,风力资源丰富,能源需求也大,建设海上风电场,是一个不错的选择。

图34 位于我国东部沿海某处的海上风力发电项目。

水往低处流,是一个亘古不变的规律。而水吸热蒸发,则可以再回到高处,从而维持大江大河,奔腾不息。人类建设水电站的历史可以追溯到1878年的英国,那时电力的应用还处在萌芽的状态。而如今,我国已相继建成了一系列大型水利工程,其中尤以三峡为最。

图35 三峡大坝,是世界上最大的水电站。

同时,我国的地热能开发,也值得关注。我国温泉众多,尤其在我国南部以及青藏高原地区分布最为广泛。通过开发来自地下的滚滚热流,不仅可以代替煤炭用于供暖、洗浴等,还可以用于发电。即使没有地下热泉,仅仅利用地下的热量,即“干热岩”,也可以实现相同的效果。目前,这方面的研究工作,正在持续进行中。

图36 地下深度越深,温度越高,平均每下降1000米,温度提高25℃。向地下注入冷水,抽回热水,经过换热站提取热量,可用于供暖、洗浴、发电等用途。

无论是太阳能、风能、还是水力、地热,都或多或少的受到时间和地域的限制。电力有一个特点,就是必须即发即用。因此,这些新能源的发电方式,常常面临用电时没电可用,用电少时发出的电,又被很可惜的浪费掉了。而想要解决这一问题,就必须依赖于储能技术的进步。

氢能

氢能,是目前最有前景的储能方式之一。其制备简单,只需要电解水,就可以制出纯净的氢气,有效的解决了各类新能源发电的时空分布不协调的问题。氢气燃烧后没有任何副产物,只产生水,是名符其实的清洁能源。而且,相比于电池,氢气在低温环境下的表现更好,质量更轻,能量密度也更大。

但在目前,氢气储能面临着众多挑战。一方面,氢气易燃易爆,对于储存有着很高的要求。国内常见的35兆帕储氢罐重达100多公斤,却只能存储5公斤的氢气。另一方面,氢燃料电池生产工艺十分复杂,技术难度大,成本高,造成了氢能发展的滞后。

图37 日本丰田汽车公司于2015年推出的燃料汽车上的储氢罐,罐壁十分厚重。

(图片来源:https://www.autoevolution.com/news/toyota-fcv-hydrogen-tanks-are-bulletproof-74977.html)

然而,尽管氢能的起步晚,技术难度大,但仍是未来极有前景一个方向。我国是全球第一大产氢国,产量约占全球的一半。很多储氢相关的技术,也处于世界一流水平。随着双碳目标的提出,二氧化碳减排成为必然,而氢能正是最理想的能源。在未来,氢气不仅可以用于燃料电池、氢能汽车等,更在航空航天、远洋航运等多个产业有广阔的前景。

图38 2020年1月16日,东京燃气公司与日本氢站网络有限责任公司共同建设的“Toyuso”加氢站正式投入运营。

(图片来源:https://auto. hindustantimes. com/ auto/ news/ forget-electric-power-green-hydrogen-may-fuel-vehicles-in-the-years-ahead-41588999347875.html)

图39 2018年,全球第一艘以氢气推动的游艇“能源监察者号”(Energy Observer)正式启用。

(图片来源:https://esdw.eu/events/energy-observer-ship-in-helsinki/)

核能

如果有一种能源,可以作为人类能源的终极形式的话,那一定是核能。核能是自然界能量密度最大的能源形式,1克铀-235裂变后释放出的能量相当于2.7吨标准煤。然而,能量越大,危险也越大。提起核能,大多数人的联想,恐怕都会是核武器以及历史上的几次核电站事故。

图40 1986年4月26日,苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸事故,事故造成数千人患上辐射病,十几万人被迫离开家园。

人类的很多进步,往往都是建立在惨痛的经验教训上的。核裂变核电站发展至今已逾七十年,安全性已经比一开始提升了成百上千倍,且往往在建设中趋于保守,使其具有较高的安全性。随着环境污染、空气变暖等问题越来越严重,诸多曾经反对核电的环保主义者也开始转变态度。

图41 高耸的核电站冷却塔。现在,随着核能的不断发展,大众对核能利用的接受度越来越高。

比起核裂变,核聚变则是核能利用的终极目标。核裂变使用的铀-235,储量有限,而核聚变的材料则几乎遍地都是。然而,核聚变要远比核裂变发电难以控制的多。从第一颗原子弹的爆炸到第一座核裂变电站的诞生,只用了五年的时间。而第一颗氢弹在1951年爆炸,一直到今天,人们依然没有掌握控制核聚变反应的方法。

核聚变反应需要极高的温度和压力,科学家们经过几十年的探索,设计出了一种名为“托卡马克”(Tokamak)的装置,通过一圈圈的环形线圈,利用磁性来约束发生聚变反应的等离子体,以营造核聚变反应所需要的条件。想要实现核聚变发电,必须要使得输出的能量大于输入的能量,而这两者的比值被称为“聚变能增益系数”,用Q表示。只有Q>1,才能实现发电,Q>5,才具有商业价值。在过去七八十年的探索中,Q值已经从不到0.0001增加到了1左右,成就显著。

图42 托卡马克(Tokamak)装置概念图

理论上讲,托卡马克(Tokamak)装置做的越大,Q值就越大。实现这一目标,需要全世界科学家的通力合作。2007年,中印日韩美俄以及欧盟七个成员发表了一份联合宣言,决定在法国南部的卡达拉舍(Cadarache)建造一个世界最大的国际热核聚变实验堆(ITER),用于研究核聚变发电的可能性。这一项目是继国际空间站之后科学界规模最大的一次国际合作,项目预算由一开始的100亿美元一路飙升到目前的250亿美元。项目计划2025年放电,2035年实现核聚变。由此可以看出,实现能源的可持续发展,是全世界所面对的共同任务和挑战。

图43 国际热核聚变实验堆(ITER)的托卡马克装置正在建设中。

此外,我国也建设了相关的实验设备,取得了光辉成就:2021年12月30日,中国科学院在合肥建造的“东方超环”EAST核聚变反应堆,创造了7000万℃1056秒的高温等离子体放电时长的世界记录。

图44 位于中国合肥的“东方超环”(EAST)核聚变反应堆,也是用于探究核聚变反应的大科学装置。

(图片来源:https://tekhdecoded.com/chinas-artificial-sun-sets-new-world-record-of-120-million-degrees-c-getting-closer-to-nuclear-fusion/)

结语

人类的文明发展,几乎总是伴随着能源的革命。而人类生活水平的提高,也与能源消耗成正比。人类从未停止过对能源效率和能量密度的追求,也从未停止过对美好生活的向往。利用能源,我们可以在有限的土地上种植更多的粮食、蔬菜,实现更高效的交通,拥有更便捷的生活方式,更丰富的娱乐。如今的时代,一个普普通通的人一天的能源消耗,可能已是原始人几世都难以企及的。

思考一下,如果没有能源,你的生活会怎样?

而随着科技的不断发展,“5G”、“人工智能”、“物联网”、“区块链”等新概念的提出与实现,对能源也提出了更高的要求。以比特币为例,其2021年的总耗电量达2000亿千瓦时,如果把这一行业比作一个国家,其耗电量可以位居全球第25位。每交易一次,就会消耗大约2300千瓦时的电力,足够一个三口之家一年的使用。这也是我国之所以禁采比特币的原因之一。

图45 人工智能的代表“Alpha Go”,其功率高达100万瓦,而与其对战的人脑仅为20瓦左右。未来生活的能源消耗,可见一斑。

(图片来源:https://www.thestandard.com.hk/section-news/fc/1/170880/Modest-steps-spark-keen-interest-in-AI)

过去,人类在实现能源自由的道路上迈出了坚实的一步又一步。但是,在我们歌颂人类的智慧和伟大成就的同时,也一定不要骄傲自满,不要忘记了我们所拥有的一切的来源——我们的地球母亲。我们只有充分的珍惜她,呵护她,才能长久的享有生活的幸福与快乐。

(注:未经标注的图片,均来自于图虫创意。)

参考资料

袁越.未来的能源[J].三联生活周刊第1175期,2022

袁越.人类能源简史[J].三联生活周刊第1175期,2022

袁越.可再生能源的未来[J].三联生活周刊第1175期,2022

袁越.电氢之战[J].三联生活周刊第1175期,2022

袁越.核能,人类的终极能源[J].三联生活周刊第1175期,2022

美编:王皖豫

校对:李玉钤、赵娜