无穷自然力

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  在我们生活的地球上,有很多人类无法控制的自然力量。飓风摧毁了人们的居住空间,让我们学会了驾驭风的力量发电,海浪颠覆了船只,让我们懂得了海浪蕴藏着巨大的能量;而壮观眩目的火山爆发,让我们看到了地球内部的熔岩温度是何等炽热有力。
  在化石燃料造成地球生态环境恶化的今天,我们能不能把这些令人恐惧、又难以把握的自然力量,转化为清洁的能源?
  
  海洋发展能源
  
  水有非常安静、平稳的特性,但更有巨浪滔天、肆虐狂暴的威力,令人难以征服。
  其实,人类想利用海水中的能量已经想了200年,却无能为力,因为海浪中的能量高度分散而且不稳定。根据1981年联合国教科文组织出版的数据统计,蕴藏在全球海岸线附近、技术上允许利用的海洋能量,是当时世界电站总装机容量的两倍。可是,看得到的能源,不等于能够获取。
  在海洋能源中,只有潮汐可以预测。潮汐在地球与月球的双重引力作用下,每天带来两次有规律的海水涨落。1966年在法国建立的朗斯电站,至今仍是世界最大的潮汐发电站,它的蓄水库面积达17平方公里,涨潮时开闸蓄水,落潮时关闸,让水流带动涡轮电机发电,发电量240兆瓦。
  奥尔堡大学的海洋工程系,是一个研究海洋能源技术中心。这里的费加德教授对海洋新能源的发展很有信心。
  他认为,海洋能源产生的电力,应该能供应欧盟50%的电力需求。它比烧煤要贵,或许也比风力发电贵,但在成本上,比太阳能发电要便宜得多。目前海浪发电的成本相对偏高,但风力发电在30年前不也是成本很高吗?
  奥尔堡大学实验室能提供各种模拟的海洋环境,每年有很多充满激情的发明人,带着创意图,或是抱着自家做的小模型来这里寻求专业技术帮助,进行可行性研究实验。
  这里有不同规格的造浪水箱,用来测试不同水流的流体结构产生的能效。目前,共有10个不同的海浪发电项目在进行之中,由团队合作制作小比例的模型,是获得可行性研究的第一步。
  2004年,一位有20多年海底声纳及管道工程经验的水下工程师,拿着海浪发电的新模型来到这里。
  在奥尔堡大学的实验室模拟水箱里,他们建造了一个1:40的模型,为测试各种数据,进行了1000多次模拟试验,仅为研究、设计“浮足”的形状,就花了一年时间。
  2006年4月,一个1:10的“海浪之星”发电装置,终于站立在丹麦西海岸的尼赛姆布兰宁海浪上。它有40个半球型的浮足,每个直径1米,在海浪的起伏推动下,以连杆带动汽缸的往复运动产生电能,并输入电网。
  当风力加大到每秒11米,浪高接近1米时,浮足开始剧烈起伏,整个桥身也开始晃动,如果风浪继续加大,会如何呢?
  工程师介绍:我们监测海浪的高度,当浪太大的时候,控制系统就会自动进入风暴防御状态。到今天为止,它已经在海上持续运行2年多了,去年冬天,它经受了12次大风暴的考验,没有发生任何损坏。
  他所说的“风暴防御状态”,是指系统自动将40个浮足全部提起,离开水面的状态。为了演示这项功能,他用手控方式,将40个浮足慢慢抬高,完全脱离海面波浪翻动的影响。这一状态,完全由电脑自动启动,并不需要人值守。
  真正1比1的发电站,将比目前的装置大10倍,每个浮足的直径达到10米。
  
  地热开发能源
  
  与海洋能源相比,让人类更恐惧的是来自地球内部的一种自然力量,由地下熔岩运动所造成的地震和火山爆发造成了无数灾难。但是,这种难以控制的力量怎样才能为人类所利用呢?
  冰岛,这个靠近北极圈的寒冷岛国,气候恶劣、人烟稀少。
  70%以上的绿色能源利用率,使冰岛成为“世界上最干净的国家”。在首都雷克雅未克,你找不到一根烟囱,11万居民的供暖和热水,全都来自地热能源。
  地球由地壳、地幔、地核三个层次构成,虽然地球内部的温度高达7000度,但是80公里~100公里的深处,温度已经下降到650℃~1200℃。只有当运动的熔岩涌到离地面1000米~5000米的地壳部位,或地下水通过断裂带的深循环,热力才能够被输送到较接近地面的地方,形成温泉。而含矽矿物质产生的氧化反应,造成了温泉湖“蓝湖”的独特色彩。
  冰岛处在活跃的大西洋中脊带北端,地层的纵向断裂带贯穿全岛,地下熔岩往往沿着这一断裂带冲出地表,造成火山爆发。
  因此,在冰岛发掘地热资源,相当于在“地狱之门”建造天堂,开发利用地下的热能并不容易。直到第二次世界大战前,冰岛还完全依靠进口的煤炭提供能源,昂贵而且污染严重。直到1945年,第一个地热供暖系统才在首都建成。而今天,冰岛已经建成800多个地热井,拥有世界最大的地热发电厂。地热电力以非常低廉的价格,与水力发电一起,使冰岛的可再生能源成为世界最便宜的电力来源。
  在地热资源的开发过程中,如何保护自然环境,也是一大课题。冰岛的廉价地热资源吸引了高能耗的制铝工业,引起了环保组织抗议,对地热的大量开发不能破坏自然环境。
  因此,要利用地热资源,又要减少地热开发对环境的负面影响,避免地下水源的枯竭,该如何取得平衡?
  丹麦并没有丰富的地热资源,但在小城提斯特,1984年开采了全国唯一一个地热井,今天仍在使用。它从地下1240米的沙滤层获得44℃的热水,提升到地面后,再用热泵加温,送到2000户居民家中供暖。虽然这个温度无法发电,但是,它为用户提供了全丹麦收费最低的供暖服务。25年来,它提取的地下热水一直保持恒定的温度和水量,不像有些地热井,开采后会出现衰减和枯竭现象。
  原来,沙滤层中的热水由地下压力推升到一半时,再由水泵继续提升到地面,经过机房进行热交换后,热水进入供暖系统,低温水又通过另一个管道注入地下的沙滤层,再被加热。采用这种地热用水的回灌方式,保证了地热能源的永续开采。
  令人欣慰的是,世界的地热开发正在形成热潮,2005年全球地热发电已经相当于9座核电站的容量,其中中国的地热开发总量为世界第一。
  北京奥运场馆就采用了地热技术节省能源。
  纵观全球,国际社会形成了可持续发展的重要共识。各种可再生能源的开发已经上升为各国的国家战略。风能为丹麦提供了20%电力;太阳能的全球发电规模2008年达到了3000兆瓦,预计到2012年将增长5倍。
  但是,所有的努力都不能改变一个严酷的事实,那就是:抗拒绿色能源的最后一个堡垒,交通运输行业。从飞机、轮船到成千上万的汽车,都无法停止“喝油”,而且耗油量只增不减。
  
  秸秆创造能源
  
  丹麦的一座工厂用丹麦和瑞典屠宰厂产生的油脂下水做原料,生产出“脂肪柴油”。自从疯牛病发生,欧洲禁止将屠宰厂的猪、牛下水当作动物饲料,因此,它们被送到这座工厂。首先,将脂肪从动物下水中 分离出来,获得黄色的油脂液,然后经过复杂的化学处理,就获得了优质的生物柴油。每年由这里生产的生物燃料有5500万升,相当于丹麦柴油消耗量的2%~3%。
  2008年,瑞典销售的生物柴油汽车超过了10万辆。但是,生物燃料主要由植物油生产。据联合国粮农组织公布的报告称,2007年~2008年度,美国共用8500万吨玉米生产了4000万吨燃料乙醇,用植物油料生产了800万吨生物柴油,消耗了1亿吨粮食。生物燃料的生产,消耗了欧盟65%的油菜籽、东盟35%的棕榈油。
  让我们算一笔细账:1英亩农田所产玉米只能提炼875加仑燃料乙醇,一辆北美普通的家用吉普加满一箱油只能开几天,却需耗用200公斤玉米,相当于非洲穷国一个成年男子全年的口粮。所以,生物燃料加剧了世界粮食危机和饥饿人口的增加,是一个不争的事实。中国政府已经规定,只有粮库中无法食用的陈化粮,才能用于生产生物燃料。那么,可再生能源替代汽油之路走到这一步,是否已经走进了死胡同?
  1978年。丹麦农民在田间焚烧秸秆。30年后的2008年,中国江苏同样发生了大面积秸秆焚烧事件。当晚,南京、镇江等城市被烟雾笼罩,高速公路被部分关闭,空气中过高的可吸入颗粒,造成了许多市民身体不适。
  一方面是秸秆大量焚烧,一方面是粮食生产乙醇汽油带来危机,那末,让“秸秆变油”,能否成为现实呢?
  用秸秆生产的乙醇汽油,实际就是一种酒精类的燃料。人类用葡萄酿制葡萄酒、用大米和其它淀粉作物制造烧酒,已经有2000多年的历史。但是要大规模使用秸秆制造酒精,却从没有人获得过成功。
  在丹麦生物技术研究所,一位科学家在30多年前就开始了这项研究,他长久地专注于研究奶牛的胃,如何产生特定的酵母菌,通过什么机制来消化干草,但是他的研究很快就停顿了。
  据科学家介绍:当时油价非常低,因此没人对利用麦秸制作生物乙醇或生物柴油感兴趣。20世纪70年代初,第一次石油危机爆发时,有人对生物柴油技术产生了兴趣,但是之后油价又再度下跌,这个领域的研究又再次停止。
  用秸秆制造生物乙醇,还是有一定难度的。
  秸秆的生物构造和粮食淀粉,及含糖量高的作物是不一样的。秸秆中主要成份是木质素和纤维素,用纳米级电子显微镜可以发现,木质素的颗粒被纤维素紧紧包裹起来,要有效获取木质素来制造乙醇,就必须攻破纤维素的保护。攻破纤维素障碍的方法很多,而克里斯坦森教授发明的“因比康”处理技术,采用的是一种“干蒸法”。
  因比康项目经理尼尔斯-亨里克森介绍:生产第二代生物乙醇的关键,是对秸秆进行预处理,将糖份从秸秆中分离出来,再用糖制造乙醇。制造乙醇的第一步,是用少量的水把秸秆打湿,然后用于蒸法进行预处理。在摄氏200度气温和15个气压的环境下,不添加任何化学物质,只用干蒸法,就获得了这些物质。接着就进入酶处理阶段。
  液状的发酵物送入蒸馏塔提炼后,就产生乙醇酒精了。余下的物质经过固化物分离后,含有碳5的糖浆可以成为优良的奶牛饲料,而固体物质可以送去电厂焚烧发电,也可以返回流程再次进行预处理,进一步产生乙醇原料。
  运用这项技术,每一吨秸秆可以产生150公斤乙醇汽油,以及140公斤饲料,和94公斤的木质素发电燃料。在卡伦堡,一座年处理20万吨秸秆的生物乙醇工厂已经破土动工。
  但是,这个生物乙醇厂是丹麦的唯一一家,不会再有第二家了。
  尼尔斯·亨里克森说,因比康技术不适合丹麦,因为丹麦的秸秆价格太高,他们的理想是向中国发展,因为中国的生物质原料数量巨大。他到中国访问时了解到,中网每年有6亿吨秸秆。
  为节省秸秆长途运输的成本,丹麦研发机构准备设计、制造可以拆装的移动式工厂,由若干个集装箱装运到农村各地,就地组合成秸秆加工厂,生产乙醇燃料。
  无论什么样的化石燃料,在燃烧时都会排出二氧化碳,因此高度依赖石油的时代终究是不可持续的。更重要的是,石油驱动的船舶不仅产生了世界2%的二氧化碳,而且还在排出更多有害物质。
  挪威船级社研究员托马斯-特隆斯塔德说,航运不仅排放二氧化碳,还排放二氧化氮和二氧化硫,这些物质对自然界和人类都是有害的。这也是为什么我们开始用燃料电池来作为石油的替代燃料,更新传统的船舶动力。
  世界上第一艘使用燃料电池的船已经下水行驶,并且获得了成功。虽然它在目前阶段仍然使用天然气作为燃料电池的介质,但是这项试验的最终目标,是使用氢气来取代天然气,作为燃料电池的动力。这样,引擎最后的排出物就变成了水,水可以继续分解成氢和氧,整个过程不发生任何碳排放。
  但是,目前氢能源的运用障碍重重。日本丰田公司曾经预言,燃料电池汽车进入市场最早也要到2030年。因为,首先是氢气的制取成本过于昂贵,其次,氢气储存和携带使用的安全问题还没有解决。
  所有的创新都不能避免风险、失败和漫长的等待。新的清洁能源,也注定要由探索者们经历多年的努力,寻找突破难题的方案。
  所有这些新的科技探索,从氢燃料电池到二氧化碳注入地下储存,都存在大量的风险和挑战。
  目前,整个世界的石油生产已经达到或是接近峰值,在波斯湾和北海,油田的产出都发生了衰减。挪威大陆架的海上油田,也南北海一步步向北面的挪威海,甚至极北地带的巴伦支海发展。但是,总有一天,地球所能承载的资源消耗会达到极限。
  
  风力转化能源
  
  腓特烈港是丹麦最北端的一个海滨小城,曾在一年内突然遭遇了7000人失业、造船厂全部倒闭的惨痛境况。造船定单纷纷转向了韩国和中国。
  船坞变得空空荡荡,码头成了废钢烂铁的堆放场。
  造船业和旅游业,这两大经济支撑先后倒下,迫使小城的人们开始思考,我们还剩下了什么?只有一大批失业的船舶工程技术人员。
  这个城市经过沉重的反思和争论,确定将环保和新能源产业,列为未来发展方向,而从造船厂失业的大量工程技术人员,成为发展新能源产业的宝贵人才。
  如今年轻一代接受的综合技能培训,从机床、电焊、电路设计和软件编程,都围绕节能与环保技术进行实际操练,而培养解决实际问题的能力最为重要。
  海洋工程学校学生马修·安德森说,像他这样工作几年后返回学校深造的“能源管理专业”学生,还没等到毕业,就全部被企业“抢”走了。因为今日的腓特烈港,已经成为新能源科技的产业基地,失业率降低到2.3%。市政府还制定了目标,要在2015年,使这个城市变成世界上第一座“无油之城”,100%使用绿色能源。
  腓特烈港还作出非常之举,在海上建设6座超大功率的风力发电机,每个达到20兆瓦。这些风机将在世界上首次使用一种“空心基座”技术,节省数千万克朗的成本。
  奥尔堡大学教授拉斯·易卜生介绍:5年前刚开始时,人们不相信这种基座能够站得稳固,一直在测量它是否移动。现在证明,这个基座连1毫米都没有移动,稳稳扎在海底。
  像一只“倒扣”的铁杯子,通过底部的洞抽出空气,它就被负压拉动下沉,稳稳插下海底,这就是基本原理。工程教授们在基座底部加装了多个液压管,一边抽气一边注水,在水压与空气负压共同作用下,基座就能够在平衡状态下插入海底了。而且30年寿命期之后,只要再次向基座中注入空气,整个基座就可以轻松“拔”出海底,不在大海中留下任何痕迹。
  四座实验性的风机,在荒废的船坞边上一字排开,代表了传统工业时代的终结和新希望的升起。
  要实现理想,还有很长的路要走,但是局势已容不得我们继续犹疑和等待,因为地球上的化石燃料资源正在走向枯竭。最近中科院院士师昌绪作出的估计是:世界上的石油将在40年后消耗殆尽,天然气还可以用65年,煤炭则在162年之后全部耗尽。世界能源机构预测,全球石油产量在2008年达到峰值之后,将以每年9%的速度逐年下降。因此,生物乙醇的开发是在与石油枯竭的趋势抢时间。
  欧盟交通能源署副署长日尔坦·卡扎介绍:目前交通能源中,97%使用化石燃料,我们必须设定目标,到2020年,交通能耗中使用的替代能源如生物燃料等,要达到10%。
  我们走向“无油时代”的路程虽然遥远,而大风、海洋和地热资源无穷无尽,新的可再生能源潜力无限,需要我们所付出的,只是决心和行动。
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