下一百年的能源（下）

来源：现代物理知识杂志

作者：雷奕安 北京大学物理学院

聚变能源无疑可以成为人类终极能源，但根据现在研究的进展情况，聚变能源要真正为人类所用，还有很长的路要走。

聚变其实不难实现。磁约束聚变也早就实现了输出输入能量比大于1。惯性约束聚变应该也能在较短的时间内实现这一目标。但由于设备和技术的复杂性，要维持聚变装置持续稳定运行，并且源源不断地输出能量，还有很多困难，也存在相当的不确定性。但似乎也没有原则性的困难。根据国际热核聚变实验堆（ITER）组织的路线图，第一座商业磁约束聚变堆应该在2035年左右开始建造。个人认为，第一座经济上可行的纯聚变堆在2050年左右投入使用就非常乐观了。考虑到聚变能源的清洁性，安全性和燃料的丰富程度，人类无论是在50年或者100年内解决聚变能源利用问题，都是非常了不起的成就，因为这奠定了人类以后千万年的发展基础。100年即使对短暂的人类历史，也不算很长。100年内，传统的能源也还够用。

另外一个基于聚变的思路是，聚变装置本身太大太复杂，如果能够降低对聚变能量输出的要求，简化聚变装置，利用氘氚聚变产生的高能中子轰击铀钍等裂变燃料，可以直接燃烧铀238、钍232等裂变惰性核，这样可以直接烧掉天然裂变燃料的99%，废料的放射性也会大大降低。这就是聚变-裂变混合堆方案。混合堆方案还有链式反应亚临界，反应不会失控的显著优势。方案早在20世纪50年代就已经提出，20世纪80年代美苏研究较多，但因混合堆裂变燃料的使用量很大，核扩散问题不好解决，研究一度中断。近几年重新引起大家关注。

混合堆除了裂变燃料使用量过大，停堆后需要持续强制冷却问题外，装置的复杂性、高放射性运行环境都是很大的问题。由于对聚变装置能量输出要求较低，它可能与第一座商用纯聚变堆同时出现。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室声称，基于惯性约束概念的聚变裂变混合堆在2020年左右就能投入使用，但其实还有很多问题没有解决，估计会和其他商用聚变堆差不多同时出现。这些聚变堆或混合堆能够几乎同时成功的一个原因是他们很多关键技术是相同的，比如第一壁的材料和构成。

快中子增殖堆用到的技术有所不同，但要技术成熟，以及积累足够的燃料和运营经验，也需要相同的时间。

其他方案目前都有很多问题。由于核能技术复杂、危险、投入大，建设和研究的周期都很长，任何一种新方案没有近十年的研究很难成熟。到本世纪中叶，应该有一、两种先进核能技术可以用来代替常规化石能源。在这之前，也可以大规模采用常规三代核能技术，在人才、技术、法规、商业运营方面做好准备。另外也可以储备大量下一代核能需要的核燃料。

从可靠性来说，包括聚变在内的核能应该是本世纪最重要的能源。目前核能利用总功率是1太瓦左右，到2110年要逐渐攀升到20太瓦左右，占总一次性能源消耗的40%。

以太阳能、风能、生物质能等为代表的可再生能源是目前能源领域最重要的话题，但到目前为止，即使经过了十来年的飞速发展，可再生能源对社会的贡献仍然停留在概念层面，实质贡献不大。

地球每年获得的太阳能总量极大，是目前人类消耗初级能源总量的一万多倍，因此很多人认为只要利用上很小比例的太阳能，人类能源需求就可以得到满足。例如，中国2010年底电力装机为1太瓦左右，地球每平方米平均获得的太阳能是350瓦，因此只需要约3000平方千米，即使只有10%左右的发电效率，也只要3万平方千米。到本世纪末，用电再增加3倍左右，也只要10万平方千米。中国西部有上百万平方千米的荒漠，完全可以满足要求。

然而事情并非如此简单。首先，计算辐射能必须去掉大气和云层反射和吸收的部分，这样在中国大概只剩下200瓦，人口密集和经济发达地区更低。其次，由于太阳的角度是不停变化的，为了充分利用光伏板的发电能力，实际上需要更多的土地来放置能够跟踪太阳的光伏板，占用的土地面积一般是光伏板面积的数倍。第三，由于太阳能是间歇性的，实际发电能力只有铭牌功率的四分之一左右，也就是要发1太瓦电，需要安装4太瓦太阳能板。

经过多年的快速发展，中国2010年的太阳能电池产量是8吉瓦（109瓦），占全世界一半。即使如此，也需要500年才能把4太瓦的太阳能电池生产出来，而太阳能电池的使用寿命只有20～30年。第四，数十万平方千米的发电厂建设需要极大的基础材料消耗，如钢材、铝、铜、玻璃、晶体硅等，如果每百瓦（约1平方米太阳能电池板）需要10千克钢材作为支架，1千克铜做导线，则4太瓦需要4亿吨钢材，4千万吨铜，其中铜为中国铜年产量的10倍。现在的太阳能电池利用铅酸蓄电池蓄能。哪怕只是将1太瓦1天的能量储存起来，也需要6亿吨铅酸蓄电池，大约是中国2010年铅酸蓄电池生产能力的200倍，而铅酸蓄电池使用寿命只有3～4年。第五，太阳能电池并不是不需要维护，除了故障以外，灰尘也是一个很大的问题。一般每平方米降尘1克，就可以导致太阳能板发电减少10%，而中国每平方米年降尘量在数百克量级，也就是说，每天都要除尘。大城市，工业发达地区，荒漠（戈壁）等地降尘量犹大。另外，太阳能电厂要占用大量土地。到2010年，中国所有城镇建设用地还不到4万平方千米，要将数十万平方千米荒漠土地开发出来（平整，安装设备，建设规则全面的交通和维护网络，等等），是一项非常巨大的任务。

由于太阳能的普遍性，本世纪太阳能利用还是会有较大的发展，但不会成为主要能量来源。利用方式主要是供热。到2110年，太阳能发电可占到初级能源消耗总量的百分之一，即0.5太瓦左右。

与人类消耗的能源相比，风能资源量是非常大的。美国在2010年初发布的一份报告称美国大陆48州陆上现有技术可开发风能（80米高空）为13太瓦。中国应该也差不多（国家气象局在2005，2009年出的两个报告称中国风能资源量分别为0.25太瓦（10米）和2.4（50米）太瓦，该数据没有国外文献引用）。

从能量密度上来说，典型的风力资源区可以达到1千瓦每平方米，远远高于太阳能。风能开发占用土地资源很少，不需要每天维护，发电可以直接上网。因此，与太阳能相比，风力发电优势明显。

限制风能发展的因素是它的不稳定性。气候条件不佳时需要后备传统电源填补空缺。因此电网中风能所占比例不能太大，一般认为极限在20%左右。考虑到风电实际发电能力只有装机容量的五分之一到三分之一，20%的风力发电贡献已经意味着其他装机容量的总和了。即使考虑部分电力需求可以以间歇的方式提供，风能在全部一次能源中的比例应该不会太高，以20%计，到2110年风能大约能达到10太瓦（装机40～50太瓦）。这个数字在2010年是约0.04太瓦（装机0.2太瓦），一百年内还需要增长数百倍。

地球是个生命世界，每天有大量太阳能被光合作用生物转化为生物质能。2010年世界粮食产量约23亿吨，对应的残留物（秸秆等）大约也是这个数量，再加上树木及木材的老化废弃等，全球每年可利用的生物质能在50～100亿吨左右。折合功率约为2～4太瓦，考虑到100年内粮食产量至少还应该提高一倍，考虑农业工业化、集约化，生物质能利用规模化等因素，到2110年，生物质能的利用应该能逐步发展到3太瓦左右，约为目前的约100倍。

生物燃料（乙醇，生物柴油等）的来源是粮食、植物油、农牧业有机废弃物等，在农牧业发达、土地资源丰富的地区有比较大的发展潜力。考虑到太阳能非常丰富，地球上的荒漠及未利用土地还很多，随着高技术、高投入农业的逐步发展，及其他生物燃料技术的发展和成熟，生物燃料到2110年，能增加到0.5太瓦左右。

地热资源量相当大（45太瓦），但能量密度低并且分散。用作发电投入也比较大，并且效益会逐年递减，但用来采暖就要好得多。

大规模地热开发有一个很重要的用途是用来抑制火山爆发。对一些潜在危害非常大，能大规模摧毁人类社会的火山，比如美国的黄石公园超级火山，应该迅速大规模开发地热，从而抑制它的喷发。

目前的地热资源利用率还非常低，随着技术的开发和推广，以及超级火山爆发预防的需要，到2110年，地热能利用能达到1.5太瓦。

蓄能技术（主要是蓄电）是能源有效利用非常重要的一部分。风能太阳能这些资源量很大的能源不稳定，没有大规模蓄能技术难以有效利用，但大规模蓄能很困难。用机械或化学的方法蓄能，能量密度都很低。比如将一百万千瓦一天的能量存起来，需要60万吨铅酸电池，或12万吨钠硫电池，或15万吨锂电池，或9000万吨水提升100米。可是2010年中国电力装机已接近10亿千瓦。

由于蓄能技术在物理和化学方面的原理性限制，蓄能能量密度不太可能有质的提高，因此电网蓄电在总的能源利用总的比例不太可能很高。

随着农业工业化的发展，有可能发展出对能源稳定性要求不高的农业生产方式（植物工厂等），从而大量吸纳不稳定电源供电。

可燃冰（天然气水合物）  有人认为可燃冰资源量巨大，是未来清洁能源的重要组成部分。但最近的研究发现，可燃冰没有以前以为的那么多，而且分布不集中，大规模开采将带来巨大的环境问题，只有很少的地方可以开采。

空间太阳能  有人建议在空间建立大型太阳能电站，并以微波形式传回能量。即使不考虑空间电厂的巨大费用，微波往地球传送能量是极端危险的，因此这类方案不太可能得到管理部门的批准。

高空风能与太阳能  平流层几乎没有云，大气环流强烈并且稳定，有人认为可以大规模开发。这些方案安全性难以保证，不太可能产业实现。

基于如上分析，我们可以画出2010年到2110年世界各种能源消耗的情况如图1。可以看出，100年后，最重要的能量来源是核能（包括聚变和裂变），占总能源的40%强，另外一个重要的来源是风能，占20%强。传统化石能源在2030年左右达到峰值，然后缓慢下降，到100年后，将从目前的80%降到20%左右。水能大致维持总的贡献比例。太阳能（发电）增长虽然非常大，但占总能源比例不超过1%。地热和生物能源有很大的发展潜力，在100年后的能源构成中将占据相当重要的地位。来自传统能源的贡献中，石油下降最快，因为资源相对较少，并且替代能源大规模出现；煤炭下降最慢，因为资源丰富，利用的技术和成本都比较低，大量发展中国家的现代化离不开煤炭。（全文完）

图1  下一百年世界各种能源消耗变化图。横坐标是年份，纵坐标是功率，单位是太瓦。从2010年到2110年，世界总能源消耗增加两倍到51太瓦左右。传统化石能源将下降，但仍占据相当重要地位，主要新增能源来自核能和风能

本文选自《现代物理知识》2011年第2期