没有什么能天长地久——“后石油时代”的新能源建设

引言1966年，美国经济学家鲍尔丁第一次提出了地球太空船的概念——我们都是同一条船上的旅客，这条或许叫泰坦尼克或许叫地球的船。我们每个人都在甲板上为小事争吵不休，而船，每一分钟都在向一个新的未知领域行驶。从1859年美国德雷克油井的发现到今天，石油的开采利用走过了150年。8月初，国际能源署曾发出警告说，世界上多数主要油田已过产油高峰期。“后石油时代”一词已经非常流行。然而，能源变迁是一个非常缓慢的过程。化石能源等基础能源还将在长期内占有主要地位，但其对开采、利用和资本投入则提出越来越高的要求。可再生能源比重仍将有限，但应逐步成为碳氢化合物的有效补充。有人说，所谓能源危机只是人类的想象力匮乏。从容应对“后石油时代”的到来，科技是关键。本文通过对地热发电、风力发电以及传统火电新技术的概述，一瞥能源发展方向，并希望在大量消耗传统能源所创造的繁荣之下，能够唤起全社会的能源危机意识，为我国能源结构战略性转型尽绵薄之力。一、地热发电地热能起源于地球内部放射性物质的衰变，并经由地下水循环及岩浆侵入作用，带至表层，并集中在板块构造边缘——环太平洋火山带等火山与地震多发地区。它不仅不排放任何废气，还可以协助废水处理，并且是可再生的。这些都注定，地热能必将在未来的新能源发展之中，扮演至关重要的角色。1、流程与原理如图1（见下页）。来自环太平洋火山带——火环——的炽热蒸汽，以高温的形式贮藏了巨大的能量，被硬岩控制在地壳下面，就像一个天然高压锅。当钻探井钻到地热源后，蒸汽就像石油一样喷出地热井，沿着密封的管道，以约150km/h左右的速度被输送到附近的发电厂，在经过分离器过滤后进入涡轮机。有着上百个叶片的巨型风扇在滚烫蒸汽的驱动下飞速旋转，并由驱动机轴带动发动机内强磁体旋转，如普通发电机那样，服从经典法拉第电磁感应定律，使其中的没有什么能天长地久——“后石油时代”的新能源建设丁绿原（00812058，地空学院）【摘要】应对能源结构转型，科学技术是关键。本文主要概述地热发电、风力发电以及火电新技术：超临界机组与整体煤气化联合循环（IGCC）技术，并简要分析新能源建设，尤其是在我国的现实和未来意义。【关键词】新能源地热风力发电超临界火力发电整体煤气化联合循环(IGCC)线圈产生电流。经过涡轮后的蒸汽并非直接排出，而是经过冷凝器冷凝成水，沿管道回流补充蒸汽源。另一个非常有创意并且得到落实的想法是，把蒸汽源不足发电动力受限的苦恼，和工业废水难以有效处理的困难一并解决——用工业废水补给蒸汽源。只需要投入水泵系统与输送管道，却回收了巨大的环境和经济效益。这是人类在清洁能源产业方向迈出的有一个漂亮的跨越。2、现状与前景在各种可再生能源中，地热是较为低调的存在，然而其稳定性、丰富性和清洁性，让很多人相信地热能将成为化石燃料的昀佳替代能源。和其他新能源一样，地热产业亦处于其初级发展阶段，面临的昀大问题来自资金和技术。地热产业属于资本密集型产业，并具有极大的外部性，较难吸引到商业投资，这就需要政府给予足够的优惠政策和补贴。再次，对于地热开采点的准确勘测、地热蕴藏量的预测，由于一次钻探成本较高，都是有很大难度。北京市使用地热开始于70年代。目前北京市正在使用的地热井有几百眼，现在每年申报的地热井有20多个。2008年5月11日，北京大学第二眼地热井，位于成府园区的——京热168号地热井，由总务部和会议中心负责，并在地球与空间科学学院的大力支持与帮助下钻凿成功，已可以满足全校除饮用水之外的全部生活热水需要。不过，地热能在中国的普及应用显然还有很长一段路要走。目前，美国的地热能利用约占全国能源组成的0.5%。据麻省理工学院的一份报告指出，美国对现有地热系统的采集约为3000兆瓦，而保守估计的可采潜力至少大于10万兆瓦。地热能源有很大的发展前景，而今它所急需的，是相应的关注和支持。二、风力发电风力发电技术在近期内已趋近成熟，具有大规模爆炸潜力，很可能在远期成为世界重要的替代能源。据有关数据估计，地球上蕴有风能约2.74万亿kW，可利用的约为200亿kW，每年发电潜力为13PW·h，是我们已经利用的千倍以上，也是全球电力总需求的2倍。故其重要性亦不言而喻。从古代的风车，到现代的磁悬浮垂直轴风力发电机，新技术在风电产业亦起着至关重要的作用。本节从风机研究，以及风电应用现状与前景这两个方面简要概述。涡轮机（驱动）分离器（过滤）蒸汽源蒸汽井发动机（电力）冷凝器管道工业废水图1地热发电原理图1、国内外风机研究现状“风机又称风车，是一种将风能转换成机械能、热能或电能的能量转换装置。能量驱动链（即风轮、主轴、增速箱、发电机）呈水平方向的，称为水平轴风力机；呈垂直方向的，称为垂直轴风力机。”水平轴风力机是技术昀成熟的一种风力机，目前国内外研制昀多，亦应用昀广。经常出现在电视新闻中的，我国各种风电设施，如大庆、辽宁凌海等目标风电场，均是以这种“传统风车”为主的。图2表示了目前应用昀广的各种不同迎风式水平轴风力机示意图。（图片来自倪受元，《风力机的类型与种类》）水平轴风力机为使扫风面随时对风，需装有调向装置。另外，其风轮启动力矩较大，在风力较小时效率较低，而在风力过大时又存在“散架”的危险，应用（尤其是在城市）存在安全隐患。在这样的背景下，垂直轴风力机，尤其是垂直轴达里厄（Darrieus）型风力机，凭借其高效性和安全性，受到各国研究人员的广泛关注。垂直轴风力机可分为两种主要类型（如图3所示，图片来源于网络）：S型和翼型（达里厄Darrieus型）。相比之下，水平轴桨叶受正面风载荷力，叶片根部所受应力较大，故大量事故都出自根部折断。垂直轴风力机桨叶两头与轴固定，叶片是柔性的，在旋转后自然形成一条“无弯矩应力曲线”，叶片只受拉应力。故不仅用料少，更不易折断。2、现状与前景面对如此璀璨的发展前景，2001年以来，全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%，表1为1983~2007年全球风电装机容量。发达国家依靠其资源、技术优势，在风能发电领域处绝对领先地位。目前世界装机容量昀大的国家是美国，其次是德国、丹麦和印度。预计到2050年风力发电要占上述国家全国发电量的20%~30%。我国的风能资源总储量列世界第三位，对风能的开发利用一直也是十分重视的。20世纪60年代，我国开始投入研制图2水平轴风力机示意图表11983~2007年全球风电装机容量数据表新型风力机；70年代，进入快速发展阶段，装机容量、发展规模上都居于世界前列；到2004年底，我国装机容量已居世界第10位。已建成43个风电厂，安装了1291台电力发电机组，培养了一批风电设计与施工的技术人才与管理人才，为风电的大规模开发利用奠定了良好的基础。但是，我国的风电装机容量中绝大部分位于陆上，尤其是“三北”，而风能资源同样丰富、且为传统风电负荷中心的沿海地区，风电开发才刚起步。其技术要求更高，施工难度更大，并面临台风的严峻考验。昀大挑战来自技术难题，祖国绿色工业浪潮正呼唤着青年的心血与汗水。三、煤火力发电我国是世界昀大的煤炭生产国与消费国，煤电占发电能源比例很大。完全以新型能源代替煤电较为不切实际，而我们面临的，是如何使燃煤发电技术高效化、绿色化，随“后石油时代”一同向前发展。在煤的挖掘、运输、研磨、燃烧、发电、排放的一整个过程中（见图4所示），我们面临着低效率和高排放这样两个重要问题。为使煤，这样的传统能源得以实现良性进化，火力发电新技术必将成为我国未来火电发电发展方向。本文着重介绍超临界火力发电、整体煤气化联合循环(ICCG)这两项新技术。1、超临界火力发电技术超临界机组的专利方案，由捷克人马克·本生在1919年提出，并由德国西门子公司于1923年建成。20世纪90年代初，超超临界锅炉技术在欧洲问世，是国际上昀为先进的燃煤发电技术之一。主蒸汽压力≥超临界压力24.2MPa，主蒸汽温度（或再热蒸汽温度）580℃的火力发电机组，成为超临界机组；温度580℃的成为超超临界机组。超临界压力机组技术是当今世界上一项既成熟又在发展中的火电技术，由于压力、温度的提高，机组效率高，供电耗煤低，由此而排放的SO2的、NOx和温室气体CO2也会同比例降低。同时，虽然其设备与同容量亚临界相比有所增加，但供电效率也随之提高，在燃料价格不断上涨的背景下，超临界机组技术还有很大的发展空间。图4火力发电原理图铲斗（挖滑运道（传送）粉碎机（研磨）燃烧室（700℃）涡轮机发电机脱硫室堆袋室卡车提高燃烧效率混合空气水蒸汽驱动废气超临界火力发电技术IGCC技术2、整体煤气化联合循环技术整体煤气化联合循环（IntegratedGasificationCombinedCycle,简称IGCC）发电技术，将煤气化与联合发电相结合，是目前全世界昀高效率的环保型燃煤发电方式之一。其原理如图5所示。煤炭先在气化炉中气化为中热值或低热值（相对于天然气、石油）的合成气，在经过净化去掉灰分、硫化物等杂质，洁净合成气供给燃气轮机（约占50%~60%）做功，结合蒸汽轮机（约占40%~50%），形成联合循环发电。ICCG系统采用了脱硫、脱硝和粉尘净化的措施，做到节能环保。采用燃气轮机，比常规节约一半水资源。同时，气化炉产生的煤气可转化为氨、尿素、甲醇等化工产品，实现多联产。人们预测，它将逐步取代现有的汽轮机电站，成为火电动力的主要方向。结语新能源建设，考验着科学家、工程师的智慧。面对客观世界的困难与挑战，我们追根究底，永不放弃。我们的祖国，在进行一场恢宏盛大的变革，闪烁着华丽光芒的7的GDP，带给我们多少兴奋与鼓舞。然而，我们也应当看到，隐藏在华丽面纱之下，高消耗、低效率、高污染在隐隐作痛。石油峰值即将到达，可持续发展刻不容缓。经济结构转型需要人才，新能源建设呼唤技术。时代呼唤青年不要沦为地球太空船上为小事纠缠不休的庸人之一，为了祖国，为了人类，贡献智慧，使我们的地球驶向希望之海，是当代青年的责任。参考资料:[1]USDepartmentofenergySandiaNationalLaboratories,AmericanWindEnergyAssociation,TheHistoryoftheDOEprogram.VerticalAxisWindTurbine.[2]田海姣,王铁龙,王颖.垂直轴风力发电机发展概述.[J]应用能源技术,2006,(11).[3]彭第,孙友宏,潘殿琦.地热发电技术及其应用前景.[J]可再生能源,2008,(26).[4]翟慎会,高秀丽,陈桂芳.环境友好型发电技术的特性分析.[J]电站系统工程,2007,(23).[5]我国能源技术的展望——风电（图表解析）.中国风力发电信息网.[6]《寻找新能源》探索时代090829优酷视频[7]胡文瑞.中石油新能源版图.[J]中国石油石化,2008,(20).图5ICCG技术原理图气化炉净化燃气轮机蒸汽轮机多联产煤炭