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李德平院士关于能源与环境

媒体:原创  作者:华韵
专业号:华韵 2014/7/16 14:54:13

能源与环境

(李德平 中国辐射防护研究院) 李德平 辐射物理、辐射防护与核安全学家。1926年11月4日生于北京市,1948年毕业于清华大学,其后相继在中科院近代物理所、中国辐射防护研究院工作(曾任院长,现为名誉院长)。现任中国核安全专家委员会副主席、国家环保局顾问与核环境专家委员会副主任。1991年当选为中国科学院院士(学部委员)。主要从事辐射防护等方面的研究。

地球上的各类能源 有用的能必须是可控的,招之即来,挥之即去,令行禁止。能源指能提供这种可控能量的各种资源。各种不同形式能量间可以转变。人类活动所“消耗”的机械能大部分是转变成了热能(物体分子无规则运动的动能)。例如摩擦生热。而热能只能有一部分转变为机械(或电)能,余下的热能要传给温度低于热源的物体。温度差异大热机的效率高,一般约为60—25%。转变中能量的总量是不变的。因而不同能源可以相加,总量结算中对一次能源电力有时是按所节省下的煤计算的。 这里先考察一下全球各种主要能源及其份额。 地球上的能量绝大部分来自太阳的光辐射,而太阳的能量则来自聚变核能,约为四亿亿亿千瓦3.8�1024kW。地球处的日照功率为1.35kW/m2。地球影子面积为球面面积的1/4,合1.27�1014m2。射到大气层表面的功率为1.72�1014kW。其中大气(如云)反射掉27%,大气吸收18%(包括有害的短波长紫外线),散射离开地球的占7%,直接射到地面的41%,散射到地面的7%,合计48%。功率为8.25�1013kW,(也有部分要反射出去),见图1。地球表面不同纬度处每平方米水平面积上的周年(四季昼夜)平均功率如图中虚线所示;沿选定的纬度由球心画到虚线的连线的长度正比于此功率。由于地轴倾斜所以两极平均功率也相当可观。整个地球地面平均每平方米地面为162W。 图2按每年的能量画出各项能量的大小:左方大方框为地球大气层外的日照能量;此外地球自转动能传给潮汐而使自身减速的能量和陆地散出的地热能量,放大了200倍绘于框边。日照能量扣除大气反射散出后绘做虚线框,再扣除大气吸收后到达地面的绘于第3方框。其中相当部分用于蒸发陆上与海中的水,形成风雨雷电等气象现象。这部分能量绘作第4方框。其中很少一部分成为水力资源。下角第5小方框是每年植物用光合作用吸收太阳能制出初级生物质的能量,它只占到达地面能量的千分之一。 图右方把左方第5方框表示的生物圈能量放大2000倍,因为初级生物质要养活所有生物,人类所需食物能量只占左下角的很小的方框。人类用的生物质燃料(薪柴、秸草、牛粪)能量绘于大框内右下角的直框。大框外的3个直框表示把在地下埋藏了几亿年的煤,石油,天然气取出烧掉而得到的能量,这是吃老本。还有多少老本后面再讲。最外直框是一次能源电力(水力,风力,地热,核能等)。而用化石燃料发出的电能则画为横框,为此耗用的化石燃料的能量用横虚线表示。它在化石能源消耗中占相当可观的份额。 生物圈能量 植物叶子中有叶绿素,它可以用日光的能量把空气中的二氧化碳和根部输来的水分及少量其它养分合成碳水化合物或其它形式的生物质并放出氧气,这叫光合作用。在没有日光时,植物也有少量呼吸,呼二氧化碳吸氧。光合作用的效率并不高,如果日光被百分之百地利用,那叶子就看不见了。生物质产量的多少取决于阳光,温度,水,土壤的性质、所含养分及与其他生物间的生态关系。哪一项的欠缺都能成为限制产量的瓶颈。图3画的是不同地带的初级生物质的净产量(干重)。水平方向是产地面积,各个矩形框的总面积就是图2右方的大方框。也是动植物赖以生存繁衍所需能量的根本来源,我们称之为初级生物质。以后草食动物吃植物,肉食动物吃草食动物,一层吃一层形成复杂的食物链。动物消化食物吸氧呼出二氧化碳以得到生长及活动所需的物质与能量。还出现了寄生生物及自己无叶绿素依靠土壤中已有生物质生长的植物。死亡的生物,植物落叶,动物的粪便等又可通过细菌分解成为二氧化碳或甲烷。 古代死去的生物,间或也有被埋在地下,经数亿年的生物与地质作用而成煤,成油,成天然气。当然,这样储存的能量只占当时到达地面的太阳能的很小的一部分。这些生物活动总体上长期地维持了生物圈中氧碳氮等元素的循环与平衡。人类从生物圈中取得食物、衣服、木材、纸张和燃料。这主要通过种植,在图中栽植地(5)的小框中还画出人类必需食物所占份额,考虑了肉食还要占用较多的份额。但湖海草原森林也提供部分食物。在框5中还用短横线画出了亩产千斤粮(按粮秸各半计)的情况。沙漠(1)不缺阳光而缺水(瓶颈)产量极低。而采用节水农业,据报道有达每平方米(6kg/年)者,图中1区短线是按十分之一画的。务请注意,节水农业并不是非全自动化与计算机管理不可。较简单的设备辅以精心管理也能做到不同程度的节水。我国历来和现在也有几种节水技术,可惜开发推广都不够。 农业发展在于因地制宜,选用合适的作物与品种,科学地打破瓶颈限制。如只管增加水源而不能灌排配套,不善合理用水,反可能导致土壤盐碱化。按理说生物质增产尚有潜力,也非增不可。但要花大气力,下较大本钱,要善用科学。此外也要注意不要在一个行政区中只推行一个品种,这种把鸡蛋都放在一个篮子中的办法,万一遇到不利的自然条件或某种病虫害就会全军覆没。 还有多少老本可吃? 当前主要是用矿物燃料,特别是化石燃料。把大量宝贵的化工原料烧掉是可惜的,也是难以持久的。图4画出了储量,当前年消耗量,与两者间的比值。除煤可维持二三百年外,其他,包括核能的铀,也都只剩下五六十年的用量。这就迫使人们不得不开发新的能源与提高利用效率。例如快中子增殖堆还可以利用铀-238,可望使每吨天然铀释出的能量增大六七十倍。用现有储量产生现用全部电能也可达千年。其实天然铀到处都有,就是富矿有限。如其使用价值剧增,可采储量也将剧增。如受控核聚变发电成功,则燃料也不成问题。 随勘探技术的进步探明储量还会增加,而开采技术的进步与经济上的变化也会增加可采储量。但需求增加更快!现在化石能源与低效核能,只给人类提供一个开发更丰富高效的能源和多种再生能源的喘息时间! 我们讲喘息时间,是因为在此后能源格局势必面临较大的变化。而可以大量推广的技术只能是由经受了考验的技术构成的。一种新能源方案,可能原理上是无懈可击的,试运行也很成功,总还要(至少部分技术环节还要)接受实际运行考验,并要反馈运行经验去改进技术。按这个时间标尺,余下的时间就很短了。所幸有些工作已经开始,但还须加强加速。 再生能源简述 可再生能源中,水力用得最多。过去水力用于提水、碾米、磨面,今用于发电。世界装机容量654GW(1992年)。我国小水电4.8GW,水电站45GW。我国可开发水力资源为379GW。 风力可用于帆船,排灌,磨坊等。世界风力发电总容量5GW。我国风力提水灌地13km2。牧区微型风力发电机共17.3MW,并网风机14.6MW。据估计我国风力资源约253GW。 地热:温泉早已利用,我国也有用于种植与养殖者。低温利用约9PJ/年。地热电站容量28.6MW。世界地热利用为1�1017J/年,地热电站容量4.5GW。 太阳能低温利用如温室大棚和太阳能热水器。太阳灶可用作辅助炊事能源,天好就用,以节省薪柴。太阳能发电可用聚光热机再用机械能发电或用太阳能电池。已知世界发电容量大于254MW。 潮汐发电利用潮水涨落,世界已有电站容量16GW。 农民生活燃料中一部分为生物质燃料,此种燃料原为可再生能源,如能产出与消耗平衡则不会增加二氧化碳。但如消耗过量而毁林与耗竭可返还土壤的有机物,就会破坏产耗平衡。用生物质在沼气池中产生沼气供炊事照明用,残渣还是良好的有机肥。我国小型沼气池共约供气3.8�106m3。用生物质制造乙醇甲醇可用作汽车燃料,巴西1988年已达1.6�1010升/年。

能源与环境 能源的全球效应:气候与臭氧层 射向地球的太阳功率(除动用了一些过去的储存与暂存了一些外),大部还是最终转化为热能,以热辐射的形式散发到宇宙空间。热体辐射功率正比于绝对温度的4次方,而且发出辐射的能力与吸收辐射的能力也成正比。如果两者相等,因球面表面积是阴影面积的4倍,地表散发的功率平均为1350/4=337.5W/m2。相应的平均地面温度为278K合5摄氏度,这只是约值,因为各地反射能力的差别与大气层的复杂影响尚未仔细分析。太阳光主要是波长在0.5μm附近的可见光,而278K热体主要发射的是10.4μm附近的红外线。吸收与发射能力未必相同。特别是当大气层中含有容易吸收红外线的气体时,地面辐射会部分被大气吸收又部分辐射回来,即使返回的热功率只占1%,也可使地面平均温度上升0.7K。这很像玻璃温室,可见光容易进来而红外线却不易透出玻璃,成为温室增温的一个原因(农业气象学家认为温室还有挡风与减少气流散热的作用),故称为温室效应。而增加这种效应的气体如CO2、CH4及氟烃化合物等则称为温室气体。工业革命以来人们把数亿年前积存的煤与油大量烧掉,加之毁林与沙漠化减少了光合作用,增加了大气中的CO2、CH4与NOX。如不加控制地增长就会使地球变暖,其影响不容忽视。单以两极冰帽而论,如果融化1.2%即可使海平面上升1m。图5 所示的是几种能源全过程释出的CO2中的碳量的范围,图7是与另一估计的比较,它们是基本一致的。化石燃料远高于其它能源是显而易见的,核能则是最低的。范围宽的表示随具体情况而异(如水库)或尚有颇大的改进余地。宇宙射线和太阳发出的带电粒子在大气高空产生臭氧O3,形成一个臭氧层,它是能吸收易于引起皮肤癌的短波紫外线的保护人类的功臣。温室气体如升到高空,就能破坏臭氧层,其中氟烃化合物(用于电冰箱,塑料发泡,电子器件清洗,有的用于灭火等)破坏能力最大(图5附表)。别的温室气体也很讨厌。 当前地球升温与臭氧层保护已成为国际首脑间的重要话题。 各种能源的其它环境影响 就以燃煤而论,开采时要挖出相当多的废碎石,还有矸石,我国约占采煤量的10%,已占地1300km2。矸石中的硫化物缓慢氧化发热,如散热不良或未隔绝空气就会自燃,目前有9%的矸石堆正在自燃,释出二氧化碳、二氧化硫及其它有害物质。为防止矿井中“瓦斯”积累爆炸,就要排风,排出大量甲烷(瓦斯)及氡。近代已有先从煤层中抽出甲烷加以利用的技术,我国的利用率约7%,现在排瓦斯4m3每吨煤(总量占天然气产量的1/3)。坑采多须抽水,约 1.5吨水每吨煤。矿井水多受到矸石煤及其中杂质的污染。挖出的煤与石也能污染地面水。此外采空区还会塌陷(平原区为2m2每吨煤)。我国约人均(直接间接)年耗煤1吨,所以五口之家所需煤如采自平原就每年塌陷1平方米。至今在产煤区土建施工时还会遇到不知何朝何代挖开的小坑道,需要填埋补救。 以上除甲烷与自燃外,其它采掘业也有类似问题,但为产生同等的能量铀的采掘量就小得多,不过其尾矿释氡需作专门处理。 煤矿可能伴生硫砷铬镉铅汞磷氟氯硒铍锰镍及镭铀钍等元素与苯并芘之类的有机物。燃烧中进入气灰或渣,有的部分分解。排气中主要是二氧化碳也有些一氧化碳,燃料中的硫大部分化作二氧化硫,对酸雨作出贡献。还有氮、氧化物,除氧化了燃料中的氮化物外还氧化了空气中的氮,炉温愈高,氮氧化物愈多。每吨煤13kg的烟尘,还有氡也随气体排出。有些场合如炼焦还会排出苯并芘。由于烧去了碳,灰渣中杂质的浓度将增高很多倍,经过煅烧与粉碎,有害物质可能变为更容易进入水或空气的形态。按“老规矩”任意堆放或弃入水体,也增加了环境的负担,以至火电站释出的放射性物质都比核电站多。 缓解的办法,二氧化碳只能靠提高利用效率与节能;其它有害物质在燃烧前可采用洁净煤技术,先去掉无用有害杂质杂物,不把它们输来运去又烧又炼。燃烧中例如用沸腾床加石灰以固定硫,选用适当炉温以减少氮氧化物。家用亦以型煤为宜,燃烧后应设高效气体净化系统并精心保持其效能。我国电站过去气体净化能力较差。灰渣应予合理利用或处置,关键在于按成份与含量区分对待,有的可用作民用建材,有的只限用于特定场合,有的必须专门处置。 采油,尤其是注水采油,也会影响地面升降。所注水可能在地下受到污染,有时甚至有少量放射性物质聚集在采油管道的某些部位。采炼中为了安全,“放天灯”烧掉废气,有的还有浓烟,有一定环境影响。储运中的燃爆与泄漏可引起严重环境污染,几次海上漏油事故不仅污染海滩还危及海洋生物。油罐车损坏,油流入下水道引起多处火警的事也发生过。燃烧中产生的二氧化碳比煤略少,氮氧化物与煤相似。二氧化硫为主要排放物,特别是高硫油。 我国车用油约占石油的一半多(世界为 40%),汽油约四分之一。在内燃机中,压缩汽油空气混合气阶段如果气体提前燃爆,就将妨碍飞轮顺转,引起震爆(噎),通常在油中搀入少量剧毒的乙基铅来提高抗噎性能,称为加铅汽油。汽车排气除前述燃气产物外还有铅污染。近代炼油技术已能产出足够的无铅汽油。同时还要严格限制排气中的有害气体。目前我国尚未推行无铅汽油。 天然气除燃烧产物外,还有使用与传输中甲烷的损失与泄漏。其中还有一些氡随之进入室内。 生物质燃料原属再生能源,金属元素很少,但在较差的炉灶中燃烧,易生一氧化碳、烟及有机化合物。如果烟囱排烟能力差或处于严寒地带室内换气不良,室内有害物质可达很高浓度。从图7可见,发展中国家农舍中远高于世界卫生组织导规,而发达国家居室中浓度就低得多。使用沼气不仅方便,而且可制造农家肥,比较有利。 各种能源中电力是控制方便易于传输的。用燃料或核能经热机发电,热效率是有限的,总有相当发电量的一倍到两倍多的热能要就地耗散,可用冷却塔或传给水体。冬季可能利用余热,夏季就会成为热污染。水体的温升应严格限制以防发生有害生态影响。输电效率高,但也要防止使人受到过强的电磁场,电晕放电产生离子也会有不良效应。配送电用的电力电容器含多氯联苯,包裹蒸汽管道用的石棉,退役不用时如不妥善处置也会造成严重污染。 让水力能源白白流失是很可惜的,水力发电效率高,产生的少量热能影响很校但为较充分的利用发电容量,就得建水库,就得考查其寿命与安全。尽管筑坝应该是成熟的技术,但也发生过若干次惨重的溃坝或溢水事故。如果上游水土保持不佳,水库被淤积,不能发挥应有效益的亏我们也吃过。我们受过盲目围湖造田带来的生态灾害,而改林地耕地草地为湖,也须认真分析其生态后果,尽管淡水中可达相当高的初级生物生产力,但水力水库恐难于达到,养鱼也需投饲。如果生产力低于原有陆地,则相当于排放二氧化碳。经济得失也要算账,是否影响鱼类洄游繁殖,对某些寄生虫疫区增减,对航运的影响,均有待分析。回答这些问题恐比计算发出的电量要难得多。 太阳能热水器、太阳灶等低级利用,作为节约生活燃料的辅助手段,是很有效的。集热热机发电,主要技术是成熟的,除需排出余热与占地面积较大外,未见重要环境问题。太阳能电池,制造中会有一些有害物质,使用时似无特殊困难。在人造地球卫星上业已成功使用。在地面上主要是造价与寿命的问题。还需储能设备配套。目前初级生物生产力只占到达地面太阳能的千分之一。高级农业林业仅达全年日照的百分之一上下。哪怕太阳能发电的效率仅百分之几,也将比燃烧生物质(或用乙醇)再发电效率高出10倍。沙漠荒滩野岛均可利用,应予重视,加速开发。 帆船早已利用了风力。在风力条件好的地区风力提水,也是节省燃料的补充能源。风力发电也很有前途。联入供电网或配以储能装置可降低风力不稳的影响。此类设备应有小风能发电,大风吹不坏的自控能力。 地热利用中,温泉水中会溶有岩石中的有害物质,特别是高温温泉流出后,随温度与成分的变化,可能集聚在水流或系统的某些部位。氡是其中一项,有的温泉浴室确实氡浓度偏高。地热发电目前效率不高,而且特殊地点才适用,它也会带出地下有害物质,如循环注水当可缓减此弊。 其它可再生能源,尚在开发中,有的已知环境影响不大,有的因地而异,有的尚待研究,兹不例举。 关于废物 人类的活动,对环境的影响,很多来自废物。物本来是用之为宝弃之可以成害的。人们对待有害物质,为了控制与管理,对环境介质如空气、水、土壤中的有害物质的浓度多规定了管理限值。因为天然的绝对纯的介质也是罕见的。有些微量元素是生物所必需的,但多了还是有害的。在浓度限值下应不引起对人的急性损伤,有害的远后效应也应轻微(证明绝对无害是很费力的)到人们不足介意。有时就只能分出优中劣等几个浓度水平。传统的办法一是消毒解毒,用化学变化(包括燃烧)把有毒物质分解为确实无害的物质,焚烧某些塑料还会产生有毒气体。灭菌是对细菌的无害化手段。二是排入环境介质指望有害物质在环境条件下“自净”。有些物质确实能无害分解,而DDT、塑料就不易分解而成害。另一招是用清洁的介质来稀释,但介质是有限的,地面地下淡水资源只占地球上水的千分之六(见图8)。循环入海的淡水为每年十万分之三,不加限制地你排一些我排一些,加在一起浓度就很可观了,结果是释而不希海水量最大,而地面径流带着污染物不断排入海中,由海面蒸发的却是纯水,日积月累,海洋生物也将受不了。人类虽不喝海水但吃海产品吃海盐,归根结底还要受害。 有害物质进入了环境其命运就由不得你了。排出毒性较低的甘汞不能保证它不转化为升汞,而且已知在环境中,细菌可把汞转化为毒性最大的有机汞。稀释可降低浓度,但某些生物活动,可能浓集有害物质并可能使之进入食物链。 随着有害物的增加,对固体废弃物堆放填埋等传统办法就会不够有效,不能防止它们转移到其它环境介质特别是水体中去。这些废物的处置已成为困难迫切而受到严重关注的问题。有的国家想把有害废物用船运到发展中国家去,对方发觉了不允许入境,结果这条船天地不容,在地中海转了好多天,最后只好得到允许返回本国。我国也遇到过“洋垃圾”企图入境的事,多数是发觉了勒令返回。 另一个途径是浓缩,如果还是废物,也要把它置于人类的有效控制下与生物界严密隔绝。可以把它制成不易散失的形态,装入密封的容器,保存在多重的可靠的工程设施内。最长远的办法是选用经受过地质年代考验的地质构造或盐矿,在其深处构筑牢固的工程设施,再把有害物质做得和玻璃或岩石一样坚固。可以设计得即使其中几道屏障失效有害物质仍不会逸出。所以对有害废物不是束手无策,而是如何做得更牢固耐久更经济有效。 图9画出了煤电与核电所需燃料与所生废物的量。由于比例尺不同,煤灰中有害物质约略等于核电低放废物的量。由于废物量本来较少,而作为先进技术核能又首当其冲地面临高毒废物的有效处置问题。而且对寿命较短的放射性物质浓缩保管更有优点。(更积极的办法是分离出长寿命放射性物质,费点事使之变为短寿命并尽量使之释出能量以缩短保管时间不留遗患。这种方法按当前技术水平还是现实的)将来核能在这方面的经验也会在不同程度上用于其它高毒物质。

正像约40年前核工业首先用气象学于环保,后来得到普遍推广一样。 处理这类问题务求周密慎重。从道义上讲,我们无权借口将来总会有办法解决,而把困难与灾害留给后代,也不能吃尽用光,让我们的后代只能在博物馆见到煤和原油。但也不必把他们设想成能力那样强而又那样愚蠢,干出我们已通过种种方法和文档告诫他们万万不要作的蠢事。总之,高毒物质处置并不是核能独有的,也不会成为核能发展的颠覆性障碍。 我们需要更好地发展与利用能源,来提高生产效率与生活质量,但如不注意限制与缓减与之伴随的气候与环境影响,则将造成损失与降低生活质量。所以需要深谋远虑的筹划与周密考虑。古代人影响自然的能力弱,所以苏轼讲“唯江上之清风与山间之明月,……取之无禁用之不竭,是造物者之无尽藏也”,而近代人类的无远虑的活动却可使有风不清有月不明,必须认真对待。

结束语

人类,特别是发展中国家,需要增加能源以保证生存和发展,但增加是有限度的,开源之外更要立足于节流。以往一些工业化国家的能源浪费是既不可取亦不可行的。 各种能源都是太阳辐射的很小的份额,凡能利用者,均宜予以一定程度的利用,再让它耗为热能,辐射出去。每一种能源的不同方案对环境的不利影响亦轻重不同,应采用环境影响小的方案,有通盘优化。 燃用化石燃料是吃老本,而它们更是宝贵的化工资源。对化石燃料的依赖不可能持续下去。温室效应需要认真对待,再生能源与先进核能应及早开发。 有效的能量储存技术是开发不稳定能源与扩大可移动能源的重要环节。 对能源的功效与环境影响要考察其全过程(如核燃料循环),包括建造与退役所需的资源与能量,在达到稳定的平衡的市场价格前,其当前费用未必能反映所需人力物力的价值,更不能反映其环境危害,特别是“外部”代价。目前对不同能源的分析的深度也不同,对待环境问题的“习惯”也不一样,比较时应当心中有数。 人类活动对气候的影响已受到关注。目前人类利用的能源只占太阳辐射能的很小的份额,等到人类掌握了大量的方便的“无害”的能源,也还要合理节能。因为过量热污染也会影响气候(增加额外热功率1%地面均温约增0.7摄氏度)。 与能源有关的各种后果的研究有待加强。除追踪污染的来踪去迹,分析考察生态变化外;还有些方面也要开展研究,例如如何根据微小的变化排除其他因素的影响作出可靠的预测,局部的微小变化能否诱发较大的激烈变化(如暴雨台风等),弄清楚这类问题将有助于防止数以亿万元计或无可挽回的损失,也可防止在不必要的地方浪费资源。 能源发展的通盘规划与大型能源建设项目,是涉及许多方面的高度综合性的问题,而不仅是卖买两方的事,不能以为只有那些直接参与工程建设的才是内行,别人全是“外行”。关于这个问题前苏联科普作家伊林早在40年代就已讲得很清楚。 我们只有一个地球(至少目前如此)!要学会慎重地对待它。

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