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第17章 发展低碳经济的主要技术措施(5)

中低温地热资源也能用于发电。我国在20世纪70年代曾经利用过此项技术。从技术上来说,中低温地热发电是可行的,但从商业角度来看成本高于常规电厂(温度越低,效率越低)。从目前世界上已经发展改进的双工质发电技术来看,中低温地热发电可利用中低品位资源,尤其在偏僻的缺电地区更有其优势和实用价值,对减少排放温室气体也有积极贡献,特别是落实可再生能源法的优惠政策支持,它在经济上也具有竞争性,远远小于太阳能光伏发电的投资成本。

(2)地热供暖

用煤炭、石油、天然气的高品位能量烧锅炉变成低品位的热水来供暖是一种能源浪费,而且带来严重的空气污染。地热供暖是对低温地热资源(小于90?C)中的温度较高者的最佳利用方式。

① 常规地热供暖

冰岛利用90?C以上的地下热水,实现了首都雷克雅未克100%地热供暖和全国90%的地热供暖,是地热供暖的典范,也是世界唯一的无烟城市。我国今年地热供暖面积能达1850万平方米,其中天津的地热供暖占全国的70%以上。天津市地下富含80?C以上的地热资源,地下热水可直接送入暖气片系统供暖,单井一昼夜出热水2000立方米以上,可供10万平方米建筑面积采暖。经初次循环后地下热水温度降至40?48?C,还可用于地板供暖,可再扩大供暖2?4万平方米。

② 地源热泵供暖

天津将地板供暖的地热二次回水(30?35?C),再用热泵提取热量,单井还可扩大供暖5?6万平方米。另外,沈阳、北京等地近些年来飞速发展和利用地源热泵供暖,即从浅层地下水或岩土层的常温中提取热量,也可实施对建筑的冬季供暖(而且还可以实施夏季制冷)。

(3)地热温室种植

利用地热对温室供暖,甚至用30?C左右的温水对土壤加温,就可以实施地热温室种植,在冬季生产反季节的高档新鲜蔬菜,在北方的地热温室中可以生产香蕉、柑橘,还可以生产高档花卉,满足宾馆、旅游业和人民生活提高后的消费需要,创造很高的经济效益。

(4)地热水产养殖

地热水产养殖的优势是:延长年内的养殖时间,并且特种鱼类可以高密度养殖,能提高单位水面积的成鱼产量。普通池里养家鱼一亩水面年产成鱼100 kg,折合0.15 kg/m2,但热水养殖尼罗罗非鱼等热带鱼种,一亩水面可年产成鱼10000 kg,即15 kg/m2,产量提高100倍!只是需要温水环境,温度低于15?C就停止生长,低于12?C就死亡,而20?30?C的水体环境最适宜这些鱼种生长。由此创造巨大的经济效益。

(5)地热的其他利用

地下热水还可以提供纺织、皮革业用地热“软水”洗涤、印染,可为农产品提供烘干,可以用于制冰、制冷,用于道路的融雪化冰,也可用于洗浴医疗与娱乐等。从技术上来说地热能不是可再生能源,但全球地热资源潜在储量十分巨大,因此问题不在于资源规模的大小,而在于是否有适合的技术将这些资源经济开发出来。地热能在世界很多地区应用相当广泛,老的技术现在依然富有生命力,新技术业已成熟,并且在不断地完善。在能源的开发和技术转让方面,未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的,不受天气状况的影响,既可作为基本负荷能使用,也可根据需要提供使用。

目前,随着石油、天然气和煤炭资源可采储量的减少及价格的上涨,世界各国都加大了地热这一绿色可再生能源的勘查和开发利用力度。2004年全球直接利用地热能达261418万亿焦耳,比2000年增长了40%。直接利用的地热能相当于每年节约了1.232亿桶万吨石油。同时,地热资源的利用减少了二氧化碳排放量5933万吨,社会、经济及环境效益显著。

7.海洋能

海洋能的利用是指利用一定的方式方法、设备把各种海洋能转换成电能或其他可利用形式的能。由于海洋能具有可再生性和不污染环境等优点,因此是一种急待开发利用的具有战略意义的新能源。

海洋能的特点有:①蕴藏量大,并且可以再生;②能流的分布不均、密度低。大洋表面层与500~1000米深层之间的较大温差仅20℃左右,沿岸较大潮差约 7~10米,而近海较大潮流、海流的流速也只有4~7节,总体来说,能量密度较低;③能量多变、不稳定。其中,海水温差能、海流能和盐差能的变化较为缓慢,潮汐和潮流能则呈短时周期规律变化,波浪能具有显著的随机性。海洋能的种类主要包括温差能、潮汐能、波浪能、海流能、盐差能等。下面简要介绍下这5种能的主要利用方式。

(1)潮汐能

因为月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海水平面周期性的升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。潮汐能的主要利用方式是发电,据世界动力会议估计,到2020年,全世界潮汐发电量将达到1000~3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站,发电能力24万千瓦,已经工作了30多年。中国最大的潮汐发电站是浙江省江厦实验潮汐电站,总容量达到3000千瓦。

(2)波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,是一种在风的作用下产生的、并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期,以及迎波面 的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。

波浪发电是波浪能利用的主要方式,此外,波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化及制氢等。

(3)海水温差能

海水温差能是指由于大洋表层海水和深层海水之间水温差而产生的热能,是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高,与深层冷水存在温度差,储存着温差热能,其能量与温差的大小和水量成正比。温差能的主要利用方式是发电。首次提出利用海水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔,1926年,他的学生克劳德试验成功海水温差发电。1930年,克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站,获得了10千瓦的功率。温差能利用的最大困难是温差太小、能量密度低,其效率仅为3%左右,而且换热面积大、建设费用高,目前各国仍在积极进行研究与探索。

(4)海水渗透能

如果有两种盐溶液:一种溶液中盐的浓度高,一种溶液中盐的浓度低。那么,把两种溶液放在一起并用一种渗透膜隔离后,会产生渗透压,水会从盐浓度低的溶液流向盐浓度高的溶液。江河里流动的是淡水,而海洋中存在的是咸水,两者也存在一定的浓度差。如果在入海口放置一个涡轮发电机,淡水和海水之间的渗透压就可以推动涡轮机来发电。同时,淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用渗透能。渗透能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。

据估计,世界各河口区的盐差能达30太瓦,可能利用的有2.6太瓦。我国的盐差能估计为1.1×108千瓦,主要集中在各大江河的入海口处,还有,我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先,中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上说,对盐差能这种新能源的研究还处于实验室水平,距离示范应用还有较大的差距。

(5)海流能

海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动,以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量,是另一种以动能形态呈现的海洋能。

海流能的利用方式主要是发电,其原理和风力发电相似。全世界海流能的理论估算值约为108千瓦量级。利用中国沿海的130个水道、航道的各种观测及分析资料,计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4×107千瓦。我国沿海地区属于世界上功率密度最大的地区。

全球海洋能的可再生量很大。根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字,五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦,如果考虑到技术上的因素,那么其利用量也能达到64亿千瓦,其中温差能为30亿千瓦,渗透能为20亿千瓦,波浪能为10亿千瓦,海流能为3亿千瓦,潮汐能1亿千瓦。

上述不同形式的能量有的已被人类所利用,有的已列入开发利用计划,但人们对海洋能的开发利用程度至今仍十分低,与海洋能的特点相关。海洋能的特点决定了其开发的难度大、技术水平要求高。海洋能虽然储量巨大,但其能源是分散的,能源密度也很低。例如,潮汐能可利用的水头只有几米,波浪的年平均能量只有300兆~500兆千瓦/米。海洋能大部分蕴藏在远离用电中心的大洋海域,所以难以利用。海洋能的能量变化大、稳定性差,例如,潮汐的周期变化、波浪能量和方向的随机变化等都增加了开发利用得难度。此外,海洋环境严酷,对所用材料及设备的防腐蚀、防污染、防生物附着要求高,尤其是风浪冲击的巨大破坏力,也是开发海洋能时必须考虑的困难因素。

另外,由于海洋能利用技术尚不成熟,导致其经济效益不高,也影响了海洋能技术的推广。海洋能利用技术是海洋、蓄能、土工、水利、机械、材料、发电、输电、可靠性等技术的集成,其关键技术是能量转换技术,不同形式的海洋能,其转换技术原理和设备装置都不同。与其他能源相比,海洋能的利用比较昂贵,以法国的朗斯潮汐电站为例,其单位千瓦装机投资约合1500美元(1980年价格),高出常规火电站。

但在海洋能利用的过程中,还能获得其他综合效益。例如,潮汐电站的水库能兼顾水产养殖、交通运输;海洋热能转换装置获得的富含营养盐深层海水,可用于发展渔业;开路循环系统能淡化海水和提取含有多种元素的卤水;大型波力发电装置可同时起到消波防浪、保护海港、海岸、海上建筑物和水产养殖场的效果。目前,在严重缺乏能源的沿海地区(包括岛屿),把海洋能作为一种补充能源加以利用还是可取的。

8.天然气水合物(可燃冰)

天然气水合物称为21 世纪最具商业开发前景的战略资源,正受到各国政府的重视。天然气水合物是一种由碳氢气体与水分子组成的白色结晶状固态物质,俗称“可燃冰”,主要贮藏于具有低温(小于10℃)、高压(大于100万帕)环境的世界海洋、大陆边缘和高纬度永久冻土层中。在海洋中,主要分布于水深大于300米的海底,矿层厚度10厘米至百米以上,分布面积达几万至数十万平方千米,单个海域的甲烷气体资源量可达几万至几百万亿立方米,相当于我国天然气的总储量,甚至更多。

据专家估算:在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中,目前已发现的水深3千米以内沉积物天然气水合物中,甲烷资源量为2.1 万万亿立方米,水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的两倍,可满足人类1000 年的需求。其储量之大,分布范围之广,足以成为人类未来动力的希望71。

储存和利用是难点

从本质上来说,可燃冰就是埋在海洋或冻土层下的天然气矿层。尽管含量如此丰富,但利用起来却面临诸多麻烦。直接开采会导致甲烷泄漏。甲烷导致全球气候变暖的能力是二氧化碳的25倍左右,如果在开采可燃冰的过程中将大量甲烷排入大气,温室效应将达到人类难以忍受的地步,这与我们发展低碳社会的愿望是相背的。

目前,全球很多能源实验室都在研发利用可燃冰的技术。可燃冰在常压下不能稳定存在,温度超过20℃时就会分解,因此,储存问题是可燃冰被大规模开发利用的瓶颈。最理想的办法是在其燃烧时不让二氧化碳逃逸到大气中。美国地质勘测局联合美国能源部发布的一份报告中提到,研究人员发明了一种二氧化碳置换法,在实验中已取得成功。美国能源部已同康菲石油公司合作,希望能在阿拉斯加附近海底的矿层中利用这种方法开采可燃冰。研究证实,将二氧化碳液化,注入1500米以下的海水中,就会生成二氧化碳水合物,它的密度比海水大,会沉入海底。如果将二氧化碳注入海底的可燃冰储层中,因为二氧化碳较甲烷更容易形成水合物,就能将可燃冰中的甲烷分子“挤走”,从而将其置换出来。这样既可以将燃烧甲烷产生的二氧化碳埋入海底,又可“解放”甲烷,把危害人类的二氧化碳“锁入”深海,换来对人类有用的甲烷72。

二、节能技术

节能技术,是指提高能源开发利用效率和效益,减少对环境的影响,遏制能源资源浪费的技术。主要包括:能源资源优化开发技术,单项节能改造技术与节能技术的系统集成,节能生产设备与工艺,节能材料的开发利用,节能管理技术等。

目前,世界上主要的耗能产业集中在发电、工业生产、运输和建筑业,要取得有效的节能减排效果,发展低碳经济,就必须从这些产业入手。

1.工业生产节能

水泥、钢铁、化工及其他重工制造业是耗能大户,必须创新和利用低碳及节能高效的生产方法。所谓低碳生产,就是一种可持续的生产模式。要实现低碳生产,就必须实行循环经济和清洁生产。循环经济是一种与环境和谐的经济发展模式,它要求把经济活动组织成一个“资源—产品—再生资源”的反馈式流程,其特征是低开采、高利用、低排放。所有的物质和能源在经济和社会活动的全过程中不断进行循环,并得到合理和持久的利用,以便把经济活动对环境的影响降低到最低程度。清洁生产是在资源开采、产品生产、产品使用和废弃物处置的全过程中,最大限度地提高资源和能源的利用率,最大限度地减少它们的消耗和污染物的产生。循环经济和清洁生产的共同目的,就是最大限度地减少高碳能源的使用和二氧化碳的排放,最重要的操作模式是“减量化、再利用和再循环”。

2.清洁煤技术

煤炭转化技术是以化学方法为主,将煤炭转化为清洁的燃料或化工产品的技术,其中包括:煤炭气化、煤炭液化、燃料电池和多联产系统等,是洁净煤技术的核心和将来的发展方向。煤炭转化技术的应用,能够减少因燃烧煤炭而造成的环境污染,也有利于改变终端能源的消费结构。

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