主题：【25个科学问题翻译】何时何物来换油？ -- ArKrXe
家园 【25个科学问题翻译】何时何物来换油？ What Can Replace Cheap Oil--and When?
Richard A. Kerr and Robert F. Service
-----------------------------------------
旧能源对新能源转变的道路并不平坦，但佚今为止所经历的转折还是相当顺利地。在数千年间对木头的依赖以后，人类社会引入了煤炭和重力驱动水能。然后工业化开始，石油时代来临，陆上和空中输运随之腾飞，然而好像并没有人忧虑‘产生下一块煤炭的木块’来自何方，也没有人关心爆炸性的能源生产增长对当前的世界意味着什么。
时过境迁，现在，石油价格正在飞涨，南北极地的冰块正在因为全球温度的上升而消融。那么，是否下一个重要的能源转换过渡还能如以前那样一样顺利吗？要回答它，首先要面对的是下面三个问题: １）世界石油生产的峰值在何时？２）地球的气候对人类大量燃烧矿物燃料产生并排放入大气的二氧化碳有多敏感？３）可替代能源是否足够便宜？ 这些问题的答案扎根于在科学和技术， 但并不足以揭示人类社会的反应，因为那更属于政治的领域。
在世界石油将很快短缺这个问题上，并没有很大的分歧，现有的讨论主要关于是何时耗尽。全球的石油需求量每年要上升1% 或2%，每一秒钟，大约有1000 桶原油被从地下开采出来。悲观者（主要是前石油公司地质学家）的论点认为，石油耗尽的时间将很快来临。他们的论断援引自美国地质学家 M. Hubbert King在1956年成功预言美国石油生产在1970 到达峰值的例子。他们使用了同样方法来研究过去石油生产和发现的纪录，预言世界石油生产将在这个年代末（~2010）达到顶峰。而乐观者（ 主要资源经济学家）则认为石油生产更依靠是经济和政治因素，而不是“仅仅是地下所发生的事情”。他们认为新的工艺技术将被引进，生产也将随之继续上升 。但即使如此，本世纪中叶（~2050）是任何人都不能逾越的极限。对美国来说，石油占其能源消耗的40%，这意味着替换石油的行动必须要‘尽快’进行了。除此之外，对气候变动增强的担心，使得向非化石燃料的转换更加迫切。
如果石油供应或者气候问题果真推动了替换矿物燃料的进程，我们其实有着相当多的替代能源可供选择。譬如，太阳照射地球表面的功率是86,000 万亿瓦特（8.6E16），这相当地球上人类使用的总功率的6600倍。另外，风能, 生物能，原子能也都相当充足，况且，今后并不乏实现更高效率能量利用的机会。
当然, 替代能源有着它们自己的问题。核裂变能源的支持者至今还未能发现无争议的处理长寿命放射性废物的方法，相应的职责和资金的高成本足以使电力公司们望而却步。可再生能源（风能，潮汐能等）的来源往往是弥散式的（大范围，低能量密度），这使得企图用低廉的代价进行大规模能量收集的努力往往相当困难和昂贵。到目前为止，风力发电在全球的总装机容量为400亿瓦特（4E11），提供的电力价格为大约4.5美分／度。
那听起来好像相当不错了，但和矿物燃料相比，可再生能源的利用仍然是非常有限的。在美国，可再生能源仅仅占了整体电力供应的6%。并且, 全球的能量需求预计将从现在的大约13万亿瓦特（1.3E13）增长到本世纪中期的大约30~60万亿瓦特（3~6E13），这意味着如果可再生能源想要替代现有能源，并对未来世界能源需求产生重大冲击的话，其利用必须有非常显著的增长才有可能。
要怎么做呢？提高能量使用率无疑是所有能量计划一个必要条件―起码能够为我们赢得宝贵的时间来改善替代能源的技术 。与三十年前相比，太阳能电池的造价已经下降了二个数量级（100倍）。大多数专家认为这个 价格需要再下降100倍才能使太阳能系统广泛被采用。而纳米技术的发展甚至提供了制作革命性的半导体系统的可能，这种纳米半导体系统可能大大促进太阳能的收集效率，甚至可以直接地由阳光,CO2和水生产化学燃料（光合作用）。
外链图片需谨慎，可能会被源头改但是是否这些技术能够在能源危机恶化前及时实现呢？在某种程度上，这取决于我们对能源研究和开发的重视程度，并且这也离不开全球性政体对于科学意见的一致理解和竭诚合作。
?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D?D
译者的话，本文的翻译相当干涩，用时比重新写一篇还要长，为了说明问题和意思的连贯，不得不对原文的字句进行了‘改编’，希望没有曲解作者的原意。
能源其实是人类社会的立身之本，它与我们每一个人的生活休戚相关，能源的勘探，开采，转换，输送，使用等等都是无比巨大的领域。一个国家如果没有完整的能源计划，没有一大批有才能的人投身于能源的研究之中，那么在未来世界中的发展必会受到羁绊。
最近的东海油气田事件，使每个人都切身地体会到了能源对我们的重要性，可是再深想一步呢：如果石油被用光了呢？如果有钱都卖不到石油呢？如果用枪都抢不到石油呢？谁能解决，怎么解决呢？
本文提出了一些解法，但仍是很浅很浅的，比如对于真正的未来能源?D?D?D核聚变，并无谈及，同时在科学和政治的相互作用上并未深入。
但对于普通大众来说，这仍不失为一篇有益的文章。
关键词(Tags): #能源， 元宝推荐：不爱吱声,
本帖一共被 4 帖 引用 (帖内工具实现)家园 跟氢动力车相比，电动车似乎更现实一点 氢动力车和电动车相比，氢动力车不过是各人车里自带一个小发电站而已。反正制造氢还需要能量，还不如直接把能量转化为电能 －－ 大规模交由发电厂来转化，效率肯定比个别的小汽车单打独斗要高...
电动车的瓶颈在哪里？是蓄电池吧。除此之外可以沿用所有现存汽车工业的技术／设备。对于汽车工业而言，也节省了大量技术改造费用...
一旦蓄电池技术取得突破性进展，比较可能的是现有的hybrid技术将倒个个儿 -- 以电动为主以汽油机为辅。Federal没准还要来个一刀切：2010年不允许没有电机的小汽车上路... who knows...
至于长远规划嘛，人类追求的是mobility，而非如何浪费能源。所以大家一起来修真，争取早日炼成“顿足而起，朝发苍梧，暮至北海”的本事才是正道...
家园 【原创】增加一个：生物质能源的开发及利用 生物质能源的开发及利用所谓生物质能源，指的是以生物（目前主要是利用微生物和植物〕的代谢产物为原料的能源。这些生物的产物目前主要被利用的有酒精，柴油和甲烷。
首先说甲烷，可能说俗名反而会知名度广泛一些……沼气，是一些厌氧细菌在适宜条件下分解有机体的产物。从六十年代开始，我国政府就开始在农村推广庭院沼气，解决一些落后或山区生活用能的不足，现在全国有几十万个沼气池。这些地区长期以来因为以木柴为燃料，过渡地砍伐了山林，造成对植被的严重破坏，导致水土流失。另外，还因为以农作物秸杆或林柴为燃料，燃烧时会产生大量的烟，不但对人体健康不利，也会造成一定的环境污染同。同时，沼气的生产原料主要是人畜粪便和农业有机废弃物，尤其是人畜的粪便，对农村的环境卫生影响极大。而生产沼气时，需将这些废弃物收集到封闭的沼气池中，可以很好地改变农村的环境卫生状况。因此，不论从哪方面来讲，沼气都是一种较清洁的能源。可惜的是，随着经济的发展，好多地区的沼气池已经或正在被废弃，原因是沼气池每3个月左右需要一次大换料，不但麻烦而且需要差不多一天的时间，许多青壮年农民宁愿去打一天工也不愿给沼气池换料，因为有些工作（比如建筑）一天的工资就可达50元，可以买一瓶煤气了。
再说一下由植物生产的酒精和柴油。这都是一些特殊的植物，我知道海南有一种草当地人称“光棍草”，就可以直接生产出酒精来，其纯度很高，可以直接用做燃料。还有一些植物可以分泌出能提炼柴油的分泌物。这类植物在美国已经有几十万亩的种植规模了，而且面积还在逐年增加。我国也相应地开展这一方面的工作，最近几年也收到了不错的效益。
我不是从事这方面工作的，所以可能不完整。欢迎方家指正或补充！
元宝推荐：ArKrXe,家园 花一个 秸秆还是有很大的利用空间，譬如发酵转化为酒精，现在也很多这种项目。
家园 【原创】乱弹---氢动力汽车 打倒水风，此妖道到处散播谣言，说俺偷工减料，横，俺不是在原文后面加了一些 自己的看法吗？得了，再添上一些吧。
在原文中提到了石油的替代能源问题，各种新能源，诸如太阳能，风能，核能，生物能等等都是很好的选择，而且也很丰富。但是石油之所以被称为现代工业的血液，并不仅仅在于它为人类提供能源，它也为我们提供原料，这双重的特性使得其地位在现阶段无比的重要。
举个例子，现在时兴购买私家车，你可知道这一辆车上除了金属部件以外，其他几乎所有的部件都直接或者间接来自石油？再看看你个房间，你的身上，各种塑料制品，合成纤维，等等等等，都是建立在石油的基础上的。甚至连分馏剩下的‘渣滓’---沥青，也是修桥铺路的重要原料。
另外，现代庞大的汽车、航天工业和运输业是建立在内燃机的基础上的，而最能发挥内燃机效能的燃料还只有石油制品（汽油，煤油，柴油等等），注意这里的石油不仅仅是一种提供能量的能源，更重要的是提供了人类文明一刻也不能缺乏的‘机动能力’（Mobility）。举个例子：大家爱比较中美军事实力，在某种程度上说，美军比中国军队的一个极大的领先优势就是其部队快速远程的‘机动能力’。
个人认为，石油被用来仅仅发电其实是相当地可惜的，有限的石油一定要精心规划，小心使用，才能发挥最大的效益。
抛开化工原料不谈，有没有什么能源能在各个领域全面替代石油呢？应该说是有的，现在一个非常被看好的是‘氢能’，氢气是一种高效，高洁的能源，在空气中燃烧生成的产物是水，对大气没有任何污染，对气候的冲击也不大（顶多使你的城镇整天雾蒙蒙的，不怕，这对皮肤有好处，嘻嘻！）。
但经过几十年的努力，氢能的大规模开发仍然不尽人意，更别提氢动力汽车了，佚今为止，全世界的氢动力汽车仅有样车，数量也只有百台左右。这里主要的技术难关在于氢的储存，运输，和如何安全便利的使用上。直接在汽车里使用氢气是非常危险的，气态氢要用高压钢瓶，液态氢需要高效的保温容器，这就像带了个大炸弹到处跑，吓人。
所以要固态储氢，一些金属或合金（exp. Pd钯）可以吸收相当于自身体积几十甚至上百倍的氢气，但这玩意儿是‘贵金属’---真是TMD贵，实验室玩一玩可以，推广到几百万辆车上去，悬。另外，即使找到了便宜的储氢材料，这材料还有满足许多物理、化学、甚至生物上的要求：是否耐得住温度变化，是否有毒，是否能多次使用，是否会长毛…..哎，路长着呢。
现有的内燃机设计也跟不上趟了，以普通汽车为例，他们使用汽油发动机，汽油被喷入气室(Chamber)，被活塞压缩发热，被电火花点燃燃烧产生动能。因为汽油是液体，不用很高的气压，气室便可容纳足够的燃料推动活塞。而如果是氢气呢？总不能让气室在氢的沸点以下工作吧？而如果用高压，发动机基本也都得变成可能的炸弹。
更合理的路子是燃料电池(Fuel Cell) ，氢气不再是以燃烧的方式产生能量，而是以电化学的方式产生电能，从而驱动车辆。这是一个非常复杂的系统，是对现代材料，物理，化学和工程的一个极大挑战。下面是一个FC的示意图。
外链图片需谨慎，可能会被源头改非妹妹笑了，这不就是华夫饼干么？对，很像，但不能给驴子吃，有毒，嘿嘿。
即使这一套系统在实验室测试成功了，当应用到真正的汽车上时还要面对无数的挑战。举个例子：空气中的灰尘对汽油发动机有所影响，但未必能使其停止，而对于FC来说，被灰尘玷污的膜几乎就是废物。有人说，可以加过滤装置，滤掉灰尘呀，OK，那么空气中的各种其他成分呢？比如二氧化硫分子，比如氮氧化合物，这些哪怕是痕量都可能对FC的膜产生破坏，好，咱们再加过滤装置，要不然自带氧气钢瓶得了，可是，那车得多重，得多昂贵呢？
罗嗦了一大堆，其实就是想说明一点，咱们习以为常的汽车发动机其实是一个经过长久考验的，凝聚了无数天才的智慧和汗水的产物，别那它太不当一回事。再就是，小规模和大规模不一样，实验室和实际仍然有很大的差距，而唯有实际才是验证一项技术成功与否的终极舞台。
还想多一句嘴，诸如能源开发这一类的科研，决不是靠一个人，一个小组，甚至一个国家（甚至美国也要寻求合作）就能完全胜任的，这是一个全人类的任务，是一个漫长而又艰苦的积累的历程，总想着一步登天，是会摔得很惨的。记得某部军事小说中有一种神奇的电池，好像叫‘金龙电池’，那玩意儿贼猛，高电压，能串联，可重复充放电，内阻小，重量轻，便宜量又足，连潜艇飞机甚至卫星都用它，从发现到推广到全世界才几年时间。老师们，同学们，真心说一句，虽然看着很过瘾，但这真的只是个‘小说’，俺不敢相信，谁让俺们搞科学都挺实在的，或者说挺傻的呢。
但电动汽车倒的确是我们应该努力的重要方向，这里就不细谈了。
家园 在日本长野县北部乘过一种蒸汽车! 车的后部是个大大的燃烧炉,司机必须估计着时间去添柴火!出现这种车的理由是该地林产业较为发达,产业剩余物的处理成为一个大问题.于是就特制了一辆这样的车.
该车不做商业运营,平日负责接送,孩子们上学和老人们去健康保健中心.当然到该村的游客可以免费搭乘!
家园 俺有兴趣的是--钝性气体动力车 家园 关键还是储氢材料不好找 要么太贵，要么吸附能力差。
还有些吸附效果很好，但是释放能力又不行。
家园 不仅是储氢材料，连氢的来源都解决不了。 原文中提到了。
家园 这个话题俺最有兴趣 看过一个关于固态氢取代石油的科幻小说。
还有多少年才能不把石油当第一能源啊？
另外，为什么中国的太阳能利用这么广泛呢？
家园 请教一下Landlord， 太阳能在中国的利用是个什么状况？怎么个广泛法？
家园 【文摘】中国太阳能使用现状 题目是俺(是"landlord",NOT是"LADLORD")加的，引用的是文章中的一段。
黄鸣：期待清洁能源强盛中国
来源：经济参考报
外链出处――访全国人大代表、山东皇明太阳能有限公司董事长、总经理黄鸣
据黄鸣代表介绍，以太阳能为代表的可再生能源近年来发展迅猛，太阳能已经进入寻常百姓家。到２００３年底，全国已安装光伏电池约５万千瓦，太阳能热水器年产量达１２００万平方米，使用量约占全世界的４０％。
太阳能光电灯作为新能源的应用开始普及，长江岸边的安徽省安庆市外滩公司的百余盏庭院灯利用的就是太阳能光电灯。
根据《北京２００８年奥运会申办报告》规划，奥运会场馆周围８０％至９０％的路灯将利用太阳能光伏发电技术供电，同时将利用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会９０％的洗浴热水，奥运村、奥运公园、奥运场馆的用电、草坪灯、公共照明以及部分空调和热水供应将会用上太阳能。
家园 抱歉！少打了一个字母。已经改正！
家园 这个这个。。。就是太阳能热水器啦 俺的亲戚朋友几乎家家都有，甚至农村的
好像俺看过一个数据，中国能源来源里太阳能所占的比重和其他国家相比还是挺高的。
家园 本田有一款在小规模使用 电视上有，不过目前经济上不划算