“初级能源”告急
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第1069页（6042字）
千百年来，人类用煤炭作能源维系社会经济生活的发展，总以为是取之不尽、用之不竭的天然矿藏物资，从未想过会不会有朝一日将被挖光烧尽。诚然，煤的储藏量确比石油、天然气等能源要多一些，但当代的实际消耗给人们提出了一个警告：再开采300年就要把全球的煤矿挖空了!当90年代初海湾战争后，科威特的727口油井仍在无情地喷发燃烧时，人们无限忧虑：全球的石油、天然气仍在日夜消耗，其资源将在30年至50年内被耗尽!人类赖于何物继续生存下去?
1．地球——能源的巨大储存库
地球是一座天然的能源仓库，它既可以接收和储存外来的能量，又可以发挥出自身的能量。
经过近代科学家的科学研究和实验，世界上的初级能源大致来自三个方面：
一是来自地球以外的天体，主要是来自太阳的能量，也有一小部分是来自其他恒星的各种宇宙射线的能量。这些能量被远古时期的林木植物、动物和矿物等古代生物所吸收，从而沉积形成煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料。这些都属于非再生能源。同时，风、流水、波浪、沼气等所含能量，也是太阳辐射能的结果，称之为太阳能、水能、风能、海水热能和动能、生物燃料等，这些都属于再生能源。以上这些都是世界能源结构中的主要成分。
二是来自地球和其他天体相互作用而产生的能量，形成一种自然能源。比如地球、月球和太阳在不停的运动中造成相对位置的变化，它们之间的引力作用形成了海水有规律的涨落现象，这种潮涨、潮平和潮退的海水运动就形成了一种海水潮汐能。它也属于再生能源。
三是来自地球自身的能量，形成了巨大的能源。比如海洋中和地壳中储存的核矿物(即核燃料)所具有的原子能，它属于非再生能源；地球内部的热能——即“地热能”，它属于再生能源。
上述这些能量都以不同形式储存于地球之中，形成了自然能源，是未经人们加工转换而以自然形态存在的能源。例如，太阳辐射能，是从太阳直接向地球辐射来的能量。石油、煤炭、天然气等矿物燃料，是由古代埋藏在地下的动、植物，经过漫长的地质年代而形成的，实质上也是贮存下来的太阳能。生物化学能，是各种植物通过光合作用，把太阳辐射来的热能贮存于植物体内而形成的，这部分能量为人类和动物界的生存提供了不尽的能源。据统计，全球每年经光合作用所产生的生物质有1725亿吨，其中陆生植物1175亿吨，水生植物550亿吨。
所以说，地球上存在着的太阳能、风能、水能、海洋温差能、潮汐能、生物能等等，实质上都是地球吸收和储存了来自太阳的大量辐射能，地球本身就是一个巨大的天然能源储存器。据科学家们多年观测、研究的结果表明，太阳的半径约为69．6万公里，太阳本身是一个巨大的热源火球，其中心温度约为1500万摄氏度左右，太阳依靠内部核聚变反应，不断地放出巨大的光和热，太阳放射出来的总辐射能量大约有3．75×1026瓦。但是，由于日－地之间距离遥远(约1．5亿公里)，加上各种气体遮挡，真正能到达地球的能量，也只是其中的22亿分之一，即到达地球的太阳总辐射能量约为173万亿千瓦，也就是每年约有4．26×1024焦耳左右。但实际上太阳能中有34%被地球周围的云彩、灰尘和地面直接反射回宇宙空间，还有19%被大气所吸收，其余的47%才被海面和地面所吸收。就仅是这个比值，地球表面平均每平方米所能接受的太阳能功率约为1353千瓦，地球表面能收到的总能量约为81万亿千瓦。自从地球形成以来，亿万年来的太阳能量就都被地球吸收储存起来了。
其次，地核内部也储藏着巨大热能。据计算，由地球内部传导到地球表面的热量每年约为10×1021焦耳。
此外，由于太阳和月亮的引力而使地球产生的潮汐能量，每年也有9．5×1019焦耳。这些能量虽与来自太阳的总能量相比，仅是很小的一部分，但也都为地球提供了能源基础并为地球所蕴藏。
地球上的种种生物，从根本上说，都主要是靠来自太阳的光和热。而地球这个人类的生存摇篮能容纳这么多能量，只要能够科学合理地开发应用，能源将会是源远流长、万古不竭的。
但是，特别值得提出的是，在这些能源中，有很大一部分是非再生的，特别是化石燃料，其能源是亿万年才逐渐生成的，因此，它是有限的。随着近代人类不断开发利用，总储量在迅速锐减，不断向人类发出“告急信号”，不能不引起人们的高度重视。
2近代史上能源结构三次大变革
能源是人类社会经济生活中的重要物质基础，任何国家发展生产、巩固国防、提高人民生活水平，都离不开能源的支撑。能源与人类现代生活的关系至关密切，吃饭穿衣，离不开农业，而农业的现代化发展，没有能源就实现不了机械化、电气化。生产涤纶、尼龙等合成纤维，要靠能源来把化石燃料予以加工而成。坐车、乘船、坐飞机，没有能源就休想使发动机运转起来。取暖、制冷、照明、电子通信，哪一样也不能没有能源的支持。至于上天航行、入海潜游、火箭发射、宇宙观测等等所有一切科学技术活动，更是须臾离不开能源。古往今来，人类发现、开发、利用的能源种类越来越多，走过了一个由低级到高级、由简单到复杂的历史过程。
现代地球上存在着多种能源，人们根据其成因、性质和使用状况进行了分类。比如，按历史发展状况分为“常规能源”和“新型能源”两大类。其中，按其使用性质分为“燃料能源”和“非燃料能源”。按其形成分为“初级能源”(即“一次能源”，未经深加工就可直接利用的能源)和“二次能源”(即经深加工后方可利用的能源)。
所谓“常规能源”，是指技术上比较成熟，已被人类广泛利用，并在生产和生活中起着重要作用的能源。在常规燃料能源中，“初级能源”包括煤(泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤、石煤等)、油页岩、沙砂、原油(即石油)、天然气、生物燃料等。用这些原料经过加工后的“二次能源”，包括煤气、焦炭、石油产品(汽油、煤油、柴油、重油、液化石油气等)、丙烷、甲醇、酒精、苯胺、火药等。在常规非燃料能源中，“初级能源，，包括水能。经过加工后的“二次能源”，包括蒸汽、热水、余热等；用上述所有“初级能源”作原料，经过加工都可以转化为“二次能源”的电能。
所谓“新型能源”，是指目前尚未被人类大规模利用，还有待于进一步研究试验与开发利用的能源。新能源的燃料初级能源主要是核燃料。经过加工后可以燃烧的“二次新能源”包括沼气和氢气等，也算新能源。新能源中的非燃料初级能源包括太阳能、风能、地热能、潮汐能、海流和波浪动能、海水热能等。经过加工的非燃料“二次新能源”主要是电能、热能、核能，还有激光能。
当然，所谓“常规能源”、“新型能源”，也都是一个相对的、动态的概念，现在我们称之为“常规能源”的有些在过去也曾是新型能源，而今天的新能源将来也会成为常规能源。比如，太阳能、波浪能、核能等今天的“新型能源”，经过一段时间的发展，若干年后，也许就成为“常规能源”了。而现在已经存在的雷电能、宇宙射线能、火山能、地震能等自然能源，目前还根本没有被人们利用，但将来过若干年后，科学技术发展了，人们认识自然的能力更提高了，也许这些能源就会成为那时的“新型能源”。因此，可以说，能源技术就是人类不断发现、认识、开发和利用能源的科学技术。
人类使用能源有着悠久的历史，有过多次变革。远的不说，只说自从公元18世纪以来，能源结构就发生了三次大的变革。
第一次能源结构大变革，是在18世纪资本主义产业革命后发生的。当时的英国产业革命起源于蒸汽机的发明，防织机也随即发展起来。传统的能源——柴薪，显然已不适用，这时所用的能源的结构急剧转向以煤炭为主。这场以蒸汽机和纺织机的推广应用为主要标志的第一次技术革命，使这种不可再生的初级能源——煤炭，成为工业的主要能源，它在能源结构中所占比重逐步上升：19世纪70年代为24%，到20世纪初就急剧地猛增到95%。因此，专家们称这个时期为“煤炭时期”。这期间，煤炭被大量开采，世界上许多国家建立了以煤炭为基地的大工业区。例如，美国的东北中区，德国的鲁尔区，英国的英格兰区和我国的东北工业区等。煤炭在历史舞台上发挥巨大的作用，促进了资本主义社会的工业高速发展，出现了机器和大工业的生产。
第二次能源结构大变革是在20世纪初开始的。19世纪末期发展起来的电力、钢铁工业和铁路技术，迅速风靡欧洲和美国，同时带动了汽车和内燃机技术的推广和发展。煤炭作为主要能源已越来越不适应需要，而开始用石油逐渐取代煤炭的地位。石油迅速登上了能源舞台，并得到了急速发展，在世界能源结构中，到1965年时，石油已成为主要能源，70年代初逐步上升到约占总能源的50%左右。这就是被称为世界能源的“石油时期”。这期间，世界能源布局上出现了专门性的大生产区、加工区、消费区、重要的石油运输线的输出港口等。同时，也出现了石油输出国组织，用以保护石油输出国自身的利益。随着科技进步，新技术革命促成了一大批高技术群体的涌现，引发了以石油为主要能源的石油争夺战，并日益激烈复杂。历史应该肯定，石油和天然气的使用，创造人类历史上空前灿烂的物质文明。
第三次能源结构大变革是从20世纪70年代初开始的。自1973年开始，国际上接连出现两次石油大危机，石油输出国和输入国都越来越认识到，石油是一种蕴藏量极其有限的宝贵能源，必须一方面设法提高利用率，千方百计节省这种能源；另一方面也必须考虑采用新的办法寻求新的替代能源。在矿藏、地质、能源、海洋开发、勘探等各条战线的专家学者，历尽艰辛的努力，奋战了近20年终于逐步探清了全球各种能源的基本结构组成，煤炭、石油、天然气等这些常规自然燃料能源的储量和可能消耗的时限，感到必须采取紧急措施，扼制能源的消费，必须加速开发新型能源。
这样，在其他相关高技术群体(例如微电子技术、计算机技术、遥感、遥测技术、新材料技术、红外激光技术、核技术、航天技术等)的支持下，开始了新型能源开发应用的新时期，逐步过渡到开发应用太阳能、原子能、地热能和潮汐能等多种综合新能源结构上来。实践结果表明，新型能源的开发是非常令人乐观的，是大有希望的。这也正是本书所要介绍的重要内容。
3．能源危机信号红灯闪烁
当代已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源，主要有五大类，即：煤炭、石油、天然气、水和核裂变能等。世界能源组织把它们称之为“初级能源”，也可称为“常规能源”。目前世界能源的消耗几乎全靠这五大能源来供应。电力只是上述这些能源转化衍生出来的“二次能源”。
随着现代工、农业和国防、科技事业的急速发展，各国对能源的消耗量显着增加，年增长率达到5%～6%，就是说10多年就要翻一番。近100年内，世界动力消耗的燃料增加了20倍，尤其近30年来，消耗指数直线上升。60年代初，全球初级能源消耗量每年平均约为40亿吨煤当量；70年代初已达到80亿吨。进入80年代后，消耗指数增长更加迅速，据1991年2月25日德国《新时代报》报道，世界范围的初级能源消耗指数1980年至1989年间增长17．8%，达到103．3亿吨煤当量，预计到21世纪初世界能源需求量将达200亿吨。那时，全世界的能源消耗量将比现在增长2－3倍。加之，世界的能源资源分布不平衡，必然导致能源危机的不断发生。
世界初级能源的消耗结构在近20年中发生了很大变化。在现有的五大初级能源中，主要仍靠石油、天然气和煤三大能源。据统计，从第二次世界大战结束以来的45年中，引起国际石油市场重大变动的事件就多达8次，平均每五六年发生一次。从1973年发生第一次石油价格危机到1989年期间，煤炭消耗量由28．3%上升到31．1%；天然气由18．1%上升到23．1%；水力由5．4%上升到6．4%；而核能由0．6%上升到2．3%，唯有石油有所下降，由47．4%降至37%，由此可见，石油、天然气占世界能源消耗总量的60%左右，煤占30%左右，其他约占10%左右。
据国际能源资料统计和专家们预言，在五大能源中，适合于经济开采的石油和天然气资源只能再开采30年，最多50年内将被耗尽。另据美国一位地质学家推测，全球石油资源总数的一半蕴藏在海底及地壳之下尚未发现。近几年来专家估计海底石油储量约在2500亿吨以上，但按目前的消耗量计算，即使都开采出来，也仅够人类使用270年。煤炭是2000多年来的传统能源，它是由陆上森林被掩埋在地下经长期变化而成的，因此，它的储量基本上不会增加，只会减少，煤炭同石油、天然气相比，虽储量大、消耗少，但总储量也仅够开采300年。铀矿资源已探明储量和附加储量将在2030年以前开采完，即使包括推测储量在内，在大力发展核能的情况下，到2060年全部铀资源也将用完。水力是较为理想的自然资源，但是，在工业国家，通过传统工艺发掘的水资源已开发了3／4左右，而利用水力发电建站投资大、周期长(从建站到运转发电，一般约需20年左右)，且受地理条件限制。因此，能源危机即在眼前了。
正当人类加速扩大能源需求的前夕，一场全面的能源危机的红灯信号一直闪烁在人们面前。能源，已成为制约一个国家经济、科技、军事发展的“瓶颈”产业，往往严重阻滞其他行业的发展，它迫使人们必须尽早采取“开源节流”的紧急措施，一面开发新能源，一面厉行节省能源消耗，逐步渡过难关。