主题：【原创】从矿物能源到可再生能源之一 -- 土无尘

石油煤炭天然气这些矿物能源，储量如何惊人总是有限的，总有一天开采量会达到峰值。峰值过后就是滑坡，供应会逐步减少，能源需求却会一直增高。另一方面，燃烧矿物能源造成的温室效应，全球变暖如果不加以控制，总有一天会让我们无法承受。所以现在提到新能源，这个新毋宁说是可再生，低污染或者几乎无污染。比如太阳能，风能，水利，生物能，只要这个星球还适合人类居住，这些都是源源不断的。另一方面，全球气候变暖也使得减少二氧化碳排放变得迫在眉睫。不过，从矿物能源到可再生能源的转换，不可能一步到位，中间会有过渡。所以，核能也在科学家考虑范围之内。近期内，提高能源利用效率也是相当重要的。

先说核能。支持者认为，没有严格意义上的可再生资源。无论前面提到的那一种，都不可能完全避免环境污染。首先拿核能和传统的火电做个比较。火电很多是在发展中国家，比如我国，烧大量的矿物燃料，能耗高且效率低，污染严重，控制污染的话成本太高。所以很多时候是任意排放或控制很少，对周边居民健康造成影响。而核能相对高效，原料用得少，废弃物总量也小。再和风能比比。目前全世界有大约433座核电厂，年发电约25609千瓦时。大约相当于50万座规模巨大的风能发电厂。风能发电虽然便宜污染底，但是需要大片的空地，而且适合风力发电的地方很多很多人烟稀少，发电给谁用。还有一点，核电厂没有温室气体排放的问题。事实上，美国能源部的研究经费有很大一部分是用在核能研究上的。不过核能的问题也很明显。产生的废料虽少，但是放射性的核废料，至今没有好的处理办法。同时建造成本高，安全要求高，如今还要堤防恐怖袭击，还要防止核原料落入恐怖分子之手。总之，核能在大规模扩张之前，还需要解决很多技术问题，特别是处理核废料方面。另外，不知道是不是要等美国打完反恐战争。

还有一条过渡办法同时也是长远之策，提高效率。能源使用中不可能没有损失。工程师们其实已经花了很大力气来提高效率。但是还有改进的空间，这包括能源生产，运输和使用的各个环节。这里列举一组数字，看看就明白了。

大型的发电机和马达的效率是最高的（98-99%和90-97%）。然后蒸汽涡轮（35-50%），柴油机（30-35%）和内燃机（15-25%）。电化学燃料电池主要受电极材料和催化剂限制(50-55%，最大70%)。太阳的电池，现在的水平15-20%（单能带电池理论最高24%，多能带再高些，非晶态薄膜电池低些但便宜。）风力涡轮

30-40%，理论极限59%。荧光灯10-12%，白炽灯2-5%。光合成1-2%。

另外人们的生活方式的改变也会对提高能源使用效率有所帮助，比如减少使用SUV这种废油的车，只是人们通常不愿意放弃类似的享受。

减少二氧化碳排放有两方面。其一减少单位能源消耗的排放量，即所谓脱碳（decarbonization）。从使用煤到油再到天然气，提供每个单位能量排放的二氧化碳逐次减少，长期以来，排在前面的有被后面的取代的趋势。明显的例子，发展中国家烧煤，发达国家烧油。如果再进一步，那就是直接使用氢作为燃料。大气中有极少量氢气存在，除此之外地球上的氢全都以化合态存在自然界，需要化学方法生产。现在主要是天然气的水蒸气重整。天然气的主要成分是甲烷CH4，反应在高中化学里有，2H2O+CH4=4H2+CO2)。能量传递的效率天然气72%，石油76%，煤55-60%。但这个方法比直接烧矿物燃料产生的二氧化碳还多。另一个是电解水产生氢气，副产物是氧气，没有任何污染。这个方法是化学家多年来的梦想，但以现在的技术水平成本非常高。

其二就是回收再利用二氧化碳。植物可以吸收二氧化放出氧气，这是最完美的办法，没有副作用。但林木有限。浅水中的氢氧化钙也可以吸收空气中的二氧化碳。也有人建议用二氧化碳造碳酸镁砖头，修桥铺路盖房子。不过要发挥规模效益就需要很大的二氧化碳回收规模，这可能耗资巨大。同时，因为二氧化碳比空气重，这里就又一个潜在的安全问题。这么多的二氧化碳储存在那里，万一发生泄漏或者爆炸可能会造成周围居民窒息。

再往下，准备谈可再生能源，包括太阳能热电，太阳能光电，风力发电，水电，潮汐，地热，海洋热或者海洋流发电，生物能。

下一篇关于太阳能，还在整理中。

CO2这东西实在是个比较有争议的东西，这些年很多人都往它身上撒气，说它是气候变暖的原凶。不过在我看来这里面政治的成份大于科学的成份，因为还没有什么叫人信服的证据证明二氧化碳就是全球变暖的原因。

不过不管怎么讲这声势是造出去了，于是就有很多人来关心二氧化碳的储存问题。我就简单讲一个比较新的方法，就是用二氧化碳水合物的方式处理储存二氧化碳。

气体水合物，简单说来就是用一些水分子组成笼子，然后把一些大小合适的气体关在里面。最常见的气体水合物是甲烷水合物，这东西被一些人当作很有希望的一种能源资源，日本人对这东西尤其感兴趣，因为在日本旁边的海域里发现了大量天然气水合物。如果真能开采出来，日本马上就能摘掉能源小国的帽子。不过幸运的是气体水合物一般只在高压低温下稳定，所以勘探开采都是很费钱费力的事情。据报道中国的南海海域也发现了大量气体水合物，不过我要说国内作的和国外作的有很大差距，目前并没有任何直接证据证明南海海域气体水合物的存在。

话扯远了，让我们回到二氧化碳的问题上来。既然天然气是我们要的，二氧化碳是我们不要得，那么很自然就有人想到一个问题，能不能把二氧化碳直接打到天然气水合物矿床里面去，把二氧化碳留下，把甲烷给赶出来呢？从道理上来讲这是可行的，核磁共振实验证明二氧化碳可以替代甲烷水合物里面64%的甲烷。不过目前好像还没有这方面的大规模实验。

另外一个思路是，干脆把二氧化碳直接打倒海底或地底去，在那里生产二氧化碳水合物不是也不错，反正我们有的是海底空地。这种实验受到了环保组织的抗议，早几年原来计划在挪威和夏威夷进行的实验在开始之前被停止了。不过挪威的一个石油公司还是进行了这项实验，他们把液化的二氧化碳注射到一个采过的海底油田里，据说结果还不错。

在陆地实验方面，加拿大一家石油公司采用类似的办法把二氧化碳打到一口很深的废井中储存，干了超过一年了，结果据说还不错。

其实在石油工业方面，把二氧化碳加到油品过重的油井里来“稀释”原油从而提高产量早就被广泛运用了。不过这样很多二氧化碳最后还是被释放到大气了。

不过这样作的一个问题是，二氧化碳水合物能稳定存在于海底或地底吗？

美国人在海底作了个实验。在大约3000米深的海底，他们合成了一些二氧化碳水合物(很简单，到海底去把二氧化碳放出来，很快就形成了。当然是用机器人干，有钱就是不一样)。然后他们连续一年观察相关海底的生物生存状况。这个研究有一个结果给人留下了很深的印象，就是3个月内，水合物基本消失了，存放地点附近的几乎所有贝类(我不太懂生物，从照片上看是很小的贝壳类)都死了(有两三种没死，不过很可能是染料没能标识出来。据研究者告知最新的结果证明这几种也死了)。