能源技术创新让生活更美好

■文/王国强

能源是可以提供能量的自然资源，是人类生存、生活和社会发展的物质基础。能源开发利用的水平是一个时代、一个国家科技创新、经济发展和社会进步的重要标志。能源变革给人类带来福祉的同时，也给人类带来一些负面影响。历史上的两次石油危机就曾给现代西方经济带来沉重打击，能源消费造成的社会不公、环境污染、极端气候等问题近年来也愈加凸显。回首能源发展的历史，人类文明进程中的机遇与挑战无不与能源开发利用息息相关。

能源结构的转变

能源结构是各类能源在能源总量中的比例关系，造成结构变化的主要原因是技术和经济问题。因此，在一定时期内，一种能源取代另一种能源而形成新的能源体系不仅取决于替代能源对现有主导能源的综合竞争优势，还取决于能源利用设备的重大突破。

煤炭取代柴薪是人类历史上发生的第一次能源结构的转变。柴薪是人类利用的第一种自然能源。约20万年前，原始人类利用雷火、山火来燃烧柴草以获得热能。约5万年前，原始人类从撞击石器产生火星受到启发，发明了“钻木取火”，结束了人类茹毛饮血的原始生活，把人类带进了农业文明，开始了漫长的以柴薪为主要能源的时代。“钻木取火”从利用自然火转变为利用人工火，可视为人类在能源方面最早的一次技术革命。迄今为止，柴薪、秸秆等生物质能源仍然占有重要的地位，约占世界总消费能源的6%。18世纪60年代，英国人瓦特（James Watt）发明了以煤炭为动力源的蒸汽机，催生了以冶金工业和纺织工业为主体的第一次工业革命。蒸汽机在铁路、航运等部门的推广应用，使煤炭工业迅速崛起。19世纪末，人们又发明了以蒸汽机为动力的发电机，带动火电厂的大规模建设，进一步刺激了对煤炭工业的需求。据统计，1860年世界煤炭产量已达1.36亿吨，1900年增加到7.35亿吨，分别占到世界一次能源总量的97.2%和94.5%。因此，19世纪，煤炭已成为资本主义工业化的主要动力资源，世界能源结构进入以煤炭为主要能源的时代。

石油取代煤炭是人类历史上发生的第二次能源结构的转变。19世纪中期，美国等国相继开发了石油能源，出现了石油工业。1872年，德国工程师奥托（Nikolaus August Otto）发明了煤气内燃机。1883年，德国工程师戴姆勒（Gottlieb Daimler）发明了汽油内燃机。1892年，德国工程师狄塞尔（Rudolf Diesel）发明了柴油内燃机。内燃机的发明与应用促进了汽车、轮船、拖拉机、飞机和发电机的诞生，使得石油需求量大大增加。反过来，石油需求也促进了石油勘探利用技术的发展。20世纪20年代，管线焊接技术的发明为石油、天然气远距离输送创造了更好的条件。第二次世界大战结束后，由于中东石油的开发、石油开采冶炼技术的进步及煤炭成本的上升，石油的比较优势更加明显。1920年，世界能源结构中煤炭占87%，到了1959年，煤炭的比重下降到48%，而石油和天然气的比重则从11%上升到50%，超过了煤炭而居首位，世界能源结构开始进入石油和天然气时代。

可再生、多样化新能源取代化石能源或将是人类正在发生的第三次能源结构的转变。20世纪40年代，核能的出现揭开了人类能源发展史上新的一页。50年代，核能开始用于发电。由于世界各国政治、经济及科技水平的不同，核电的发展有着较大的差别，但核电在世界能源结构中占有了一席之地。70年代的两次石油危机，使人们认识到煤炭、石油、天然气等不可再生能源储量有限，而能源需求却日益增长，依靠化石能源无法长期维持高速发展的世界经济，因此，可再生能源成为各国实施可持续

发展战略的重要选择。另外，科学技术的进步，客观上为新能源的开发利用创造了条件。除传统水能外，风能、太阳能、生物质能、浅表地热能等新型可再生能源得到迅速发展，在能源结构中的比例逐年增加。1990年，世界一次能源结构中，石油、煤炭、天然气、可再生能源、核能分别占32%、26%、20%、17%和5%；到2020年，其比重将分别占28%、24%、21%、21%和6%。据预测，到21世纪中叶，可再生能源将超越“化石能源+核能”，有望成为一次能源的主体，化石能源开发利用将更趋高效低碳，世界能源结构将进入多元化、可再生能源为主导的新时期。

化石能源的利用

化石能源主要有煤炭、石油和天然气，都是不可再生能源。化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会的发展，但化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源面临巨大的挑战。

煤炭发现的历史悠久，但成为世界主要能源经历了漫长的岁月。中国是开发利用煤炭最早的国家，3 000多年前就发现了煤炭，陕西宝鸡菇家庄两座西周古墓中出土的煤雕制品达200多件。中国在春秋时期开始用燃煤，西汉开始采煤炼铁，唐朝产煤地附近民间生活已普遍使用煤炭，至宋代已有焦炭炼铁技术。英国和德国直到9世纪和10世纪才相继发现煤炭。12世纪，欧洲才开始有人把煤炭用作家庭生活的燃料。14世纪，英国开始有组织地开发利用煤炭。18世纪，英国相继发明了用焦炭代替木炭炼铁技术和用煤炭冶炼熟铁技术，使煤炭需求量增加。1769年，瓦特对蒸汽机做出重大改进，成为工矿和交通运输部门的主要动力装置，为煤炭应用开辟了广阔的前景。18世纪末，人们开始用蒸汽机排水、通风，使采煤深度和采煤数量有了较快的增加。1815年英国化学家戴维（Humphry Davy）发明了防爆安全灯，1867年瑞典化学家诺贝尔（Alfred Nobel）发明了黄色炸药，大大提高了采煤效率。19世纪末，截煤机的发明与应用使采煤机械化取得了突破性进展。1952年，英国第一台移动式液压支架和滚筒采煤机相继问世。1954年，自移式液压支架装备了世界上第一个机械化采煤工作面，于20世纪60年代开始广泛应用。现代综合采煤工作面采用大功率滚筒采煤机械落煤和装煤，重型可弯曲链板输送机运煤。综合机械化采煤是煤矿现代化的重要标志。煤炭分布广泛、储存量大，开发和利用比较容易，所以仍是当前主要能源。但是，其发热量和燃烧效率较低，输送和使用不便，易造成环境污染和危害健康，使当前许多国家一直致力于研究开发煤的气化、液化和净化技术。

石油和天然气相伴而生，是高质量的化石能源。中国同样是世界上最早发现和利用石油、天然气的国家，东汉时期班固所著《汉书》就有记载。但是，近代石油工业的出现和石油技术的发展却始于19世纪的西方国家。1859年，美国石油钻探家德雷克（Edwin Drake）在宾夕法尼亚州用顿钻开凿了第一口工业油井，拉开了石油工业的序幕。随后，1871年俄罗斯开发巴库油田，1885年印度尼西亚开发泰拉嘎-坦戈尔油田。19世纪后期，内燃机、发电机的发明与应用，两次世界大战军事上的需要，以及石化工业的发展，极大地促进了石油科学、勘探开采技术的迅速发展。1963年，美国首次使用机载红外扫描仪和红外摄影机勘探夏威夷群岛地质构造，寻找石油资源。1964年，第一台地震数字仪问世。20世纪70年代，微电子技术应用于石油工业。到了80年代，油、气勘探中非地震物探法新仪器新方法开始大行其道。

英国是西方最早利用天然气的国家，始于1868年。19世纪后期，美国等开始将天然气应用于工业生产。大规模开发利用天然气，美国是在第二次世界大战之后，欧洲是在1959年荷兰开发煤气田之后。由于天然气具有价廉、无污染、供应安全等优点，已成为世界各国青睐的重要能源。天然气工业开发利用初期，主要用作锅炉燃料和化肥原料。随着科学技术的发展，天然气开始用作汽车的燃料，主要技术措施是在汽车上安装一个耐压钢瓶和把天然气转化成汽油。1985年，新西兰建成了世界上第一座把天然气转化成汽油的工厂，每天可生产汽油1.4万桶，能满足本国所需汽油的1/3。近20年来，各国还致力于开发非常规油气资源，包括煤层气（瓦斯）、油砂矿、油页岩、页岩气、可燃冰等。因为水平钻井、水压裂等技术的进展，到2013年美国页岩气所占比重已近40%。天然气水合物是由水和天然气在中高压和低温条件下混合组成的类冰笼形结晶化合物，因外观像冰遇火即可燃烧，又被称作“可燃冰”。可燃冰在海洋中的分布面积约占海洋总面积的10%，如果开采利用合理，足以满足人类未来千年之需。目前，可燃冰的开采多还停留在探索的模拟实验阶段。

电能的发展

电能又称电力，是二次能源，在现代能源结构中占有独特的位置。火电、水电和核电构成了世界电力的三大支柱。电力比一次能源具有更高的利用效率、适宜远距离输送、能大规模生产、按需任意分配等特点，进入20世纪就取代蒸汽动力占据统治地位。

火力发电在电力工业中占有非常重要的地位，在世界发电能源结构中比例最大。火力发电就是将煤炭、石油、天然气等燃料燃烧产生热能，利用高温高压的蒸汽来推动发电机发电。自18世纪后期至19世纪末，燃煤蒸汽机作为动力机发挥了革命性的影响。随着电力工业的快速发展，发电用蒸汽机因速度低、功率小而被容量大、效率高的汽轮机所代替。1891年，英国工程师帕森斯（Charles Algernon Parsons）研制成功了世界上第一台带有凝汽器功率为100千瓦的汽轮发电机，使蒸汽发电效率大大提高。1959年，世界上第一台超临界压力机组在美国运行，之后在西欧各国以及苏联普遍使用，使火力发电煤耗大幅度下降。在发电机方面，金属材料的选择和制造技术的发展促进了发电机组容量的增加，冷却技术的进步提高了发电机的出力。20世纪三四十年代，冷却技术主要采用空气冷却，50年代后期主要采用氢冷技术。1958年，中国成功试制出首台双水内冷汽轮发电机。随着发电机组容量的增大，火电厂的规模也越来越大，造成了煤、灰、水等环境污染问题。70年代后期，日本、法国、英国、德国和美国开始增加火电中燃油的比重，以减少对环境的污染。80年代，为提高发电效率，世界各国开始采用燃气轮机和汽轮机联合循环发电技术。当前，火力发电在世界发电能源结构中仍占64%左右，而中国火力发电则占到了75%左右。

水电是可再生能源，也是常规能源中最干净的能源。水力发电就是利用水的势能，推动水轮发电机产生电力。由于不产生任何有害污染物，水力发电备受世界各国推崇，有100多年的发展历史。早在3 000多年前，人类就发明了水轮。1849年，美国工程师弗朗西斯（James B.Francis）研制出世界首台向心式水轮机，因其结构简单、运行可靠，成为历来应用最广的混流式水轮机。1878年，法国首次用水轮机驱动直流发电机，组成世界上第一台水轮发电机组，揭开了人类水电开发的历史。1881年，英国建成了世界上第一个25千瓦常规水电站。1886年，美国兴建当时世界上最大的尼亚加拉水电站，开商业水电之先河。进入20世纪，随着工业发展，水电站规模也不断增大，第二次世界大战前后世界大型水电开发达到高峰。1994年，中国兴建了世界上最大的水电站——三峡水电站。随着水能开发的发展，各种类型的水轮机制造技术也不断进步。1933年和1938年，灯泡式和全贯流式水轮分别在德国问世，满足了低水头水能资源的利用。1957年，第一台适应水头较大变化的斜流式水轮机研制成功。目前，世界水轮机组已处于多品种、大容量时代。

核电是利ß用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，核能的和平开发利用揭开了能源发展史的一个新纪元。美国于1942年建成了世界上第一座核反应堆，1945年建成了世界上第一艘核潜艇，并将原子弹应用于战争。1954年，苏联建成世界上第一个试验性核电站——奥布宁斯克核电站，开启了核能和平开发利用的大门。受政治、经济、资源及科技水平的影响，世界各国有着不同的核电发展经历。美国和苏联为抢先发展核武器，建立了扩散厂，生产浓缩铀，因此核电站采用浓缩铀堆型。英国和法国由于缺少足够的铀和生产重水的技术，重点发展天然铀石墨气冷堆，直到20世纪60年代后期才从美国引进技术，实行压水堆核电发展计划。受石油危机的影响，核电在80年代得到迅速推广，成为世界各种能源中增长最快的一种。截至1988年底，世界上26个国家有核反应堆429个，总发电量达17 960亿千瓦时，占世界用电量的17%。其中，美国、法国、苏联、日本、联邦德国的核发电量占该国总发电量的比例分别为19.5%、69.9%、12.6%、23.4%、34.0%。此时，中国的核电工业才刚刚起步。1991年，中国秦山核电站建成发电，实现了中国大陆核电零的突破。截至2015年底，中国投入的商业运行核电机组有30台，约占全国发电量的3.01%，与发达国家仍有较大差距。

新能源的开发

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和氢能等。从技术发展趋势看，太阳能电池、燃料电池、生物质气化液化以及大型风力发电有了更快的发展。

●太阳能

世界上各种可再生能源几乎都直接或间接来自太阳，太阳能是最为重要的基本能源。太阳能最早用于取暖、供热和干燥，而后又应用于冷藏、制氢和抽水等。太阳能作为发电能源是太阳能利用的革命性变化。

1839年，法国科学家贝克雷尔（Edmond Becquerel）发现了光伏效应。1904年，爱因斯坦（Albert Einstein）提出光子假设，解释了光电效应。1954年，美国贝尔实验室的蔡平（Daryl M.Chapin）、皮尔逊（Gerald L.Pearson）、富勒（Calvin S.Fuller）研制出世界上第一批可供实验的转换效率为6%的单晶硅太阳能电池，开创了直接把太阳光能转变成电能的新纪元。20世纪80年代末，全世界5 000多颗飞行器中90%以上都使用太阳能电池供电，西方各国也相继建成了许多以太阳能电池方阵组成的电站。

太阳能热发电是太阳能利用的另一种重要形式，主要有塔式、分散式和太阳池三种类型的太阳能热发电站。20世纪40年代，苏联人首先提出塔式太阳能热发电的构想，并于1950年设计出世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置。1952年，法国建成了第一座塔式太阳能热发电站。分散式太阳能热电站又称太阳田，70年代末美国最早建成一座150千瓦该类型电站。太阳池发电的设想最早在1902年由罗马尼亚的卡列克辛斯基（Alexander von Kalecsinsky）提出，直到1979年以色列在死海建成首座150千瓦太阳池电站后才引起了许多国家的重视。从长远前景来看，太阳能发电是最具潜力的战略替代发电技术，许多国家正在努力探索新的转换方式。

●风能

风能是太阳能的一种转换形式，到达地球的太阳辐射约有2%转换成风能。人类利用风能的历史可追溯至公元前3000年左右，古埃及人首先在尼罗河上利用风能扬起棕叶帆，驭风而行。中国在公元前2100年左右学会利用帆船。1891年，丹麦物理学家拉库尔（Poul la Cour）研制成风轮驱动的直流发电机机组，开创了人类利用风能的新途径。20世纪初，荷兰、丹麦等国风电发展风行一时，五六十年代受水电、火电和电网发展的影响，风力发电逐渐被淘汰。70年代，受石油危机的影响，风力发电再受世界各国重视。八九十年代，美国、墨西哥、丹麦等国一些大型风力发电机组建成投产。风能发电的主要问题是造价，但由于风力发电可以减少污染、储量巨大，各国对风力发电的研究仍方兴未艾。

●生物质能

生物质能是世界上最为丰富的可再生能源之一，在世界能源结构中占有举足轻重的地位。生物质能的开发利用主要有两个方面：一个是绿色植物的生产；另一个是生物质能的气化、液化和固化。

20世纪前后，沼气技术得到世界各国的重视。1881年，意大利首先提出厌氧消化法生产沼气的理论。1895年和1911年，英国相继建成消化槽和厌氧消化厂。随后，许多国家开展了沼气技术的研究。1920年，德国利用污水、污泥生产的沼气驱动汽车。1960年后，随着石油供应的改善和价格下降，沼气发展一度停滞。70年代石油危机后，沼气开发利用再受重视。1988年，仅联邦德国就建有39个工业沼气和80个农业沼气池。发展中国家农村人口的80%～90%的生活能源来源于木柴、农作物和牲畜粪便等生物质能。沼气技术因具有投资少、见效快等优点，在发展中国家得到迅速推广。近年来，燃料乙醇、生物柴油生物质发电等生物质能产业在世界范围内得到了快速的发展。

●海洋能

海洋能是一种来自太阳能及天体与地球相互间作用的能量，理论上足以满足人类目前以及未来的能量需求。潮差、波浪、潮流、洋流、温度差和盐度差是人们常利用的6种形式。

早在11世纪，法国、西班牙和英格兰地区的渔民就利用潮差推动碾磨来磨碎粮食。19世纪末，法国科学家提出兴建潮汐电站的设想。1912年，德国建成世界第一座实验性小型潮汐电站——布苏姆潮汐电站。1966年法国建成了近代最著名的朗斯潮汐电站，至今仍在正常运行，效益良好。到了七八十年代，韩国、日本、挪威也相继建成实验性潮汐电站。进入21世纪，随着石油价格的不断上升，美国、英国、加拿大、丹麦、瑞典、挪威、韩国等国开始积极研究潮汐发电技术。2011年，韩国建成世界上最大的潮汐电站——始华湖潮汐电站。我国的潮汐电站自20世纪50年代中期开始兴建，至80年代初共建有76个潮汐电站。

海水温差发电就是利用表层海水的温度将工质汽化，驱动汽轮机获取动力。1930年，法国首次试验海水温差发电成功。虽然温差能利用的理论比较完善，但在实际应用中维持真空闪蒸室的真空度、防止海水腐蚀、生物腐蚀等问题仍不能很好地解决。

波浪能利用历史久远。早在1799年，法国人吉拉德（Pierre-Simon Girard）和儿子就发明了可以利用波浪能的机械，并申请了专利。但是，直到20世纪70年代石油危机后，波浪能的研究才开始活跃起来。到了80年代，一些波浪能发电装置才开始投入运行。目前，大约有50余种波浪能转换装置处在研发、试用阶段中。全世界对波浪发电重视的主要原因是，波浪能转换装置能为海上石油开采平台、海港及海岸航海设备提供电力。

人类正在走向以可再生能源为主的绿色低碳、可持续能源时代。光伏、光热、风能、水电、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源的开发利用促进了分布式能源技术的发展，为能源结构第三次转型奠定了技术基础。历次能源结构的转变都无法回避成本问题，各国都在实行能源开发与节约并重的政策。节约能源不是少用或限用能源，而是依靠技术的进步充分利用好能源。当前，信息网络、大数据、云计算、先进制造、智能电网、储能与控制、交通与运载等技术创新与变革，促进了能源互联网的兴起，优化了能源系统的各个环节，真正做到了节能减排。