http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-05-07
现有的核反应堆中，水在堆芯和蒸汽发生器之间循环。模块化反应堆的所有部件都在一台装置中，减少了事故风险。有的小型反应堆设计如此的简单，甚至可以放心地打开开关将它们埋在地下好几年。
如何让美国尽快摆脱进口化石燃料，让美国的能源供给更安全、清洁、取之不竭？专家们提出了4个大胆的想法：1)围绕电动车改造电网。2)建造小型的、模块化的、超级安全的新一代核反应堆。3)从永久冻结带和海床开采天然气驱动超高效涡轮机。4)用微藻做汽车燃料。
或许是让“能源危机”一词退休的时候了。自从上世纪90年代初，人们就开始谈论一个又一个的危机，反反复复，持续太长时间，这个词几乎失去了它的意义。无论如何，能源枯竭不会很快发生：这个世界上的化石燃料还足够人类使用半个世纪。更确切地说，我们正处在一个能源转型时期，我们使用的能源和能源生产方式正面临痛苦转变。如果继续依靠煤炭提供照明，依靠汽油驱动汽车，我们必将为此付出沉重的代价。美国42%的贸易不平衡是进口石油所致。导致全球变暖的温室气体有95%来自化石燃料。对可靠能源的需求随着中东地区的每次政治震动而变得紧迫。
为了探索美国能够实现能源独立和能源绿色化的未来，《发现》杂志和美国国家科学基金会、电气和电子工程师协会、机械工程师协会在国会山组织了一系列的简报。让立法者们和8名能源领域的重要科学家及政策专家一起讨论通向新能源经济的道路。最终得出了4个大胆的设想。
1移动电力
大胆设想：围绕电动车重新设计电网。
第一批主流混合动力车和纯粹电动车刚刚走向市场，虽然一开始卖得不怎么好，但美国能源部预计，到2015年，将有120万辆电动车上路。随着电动车革命完全展开，密歇根大学的机械工程师杰弗里·斯坦说，是时候将电网和交通基础设施整合在一起，确保国家碳排放量随着电动车的到来减少。
交通制造了美国27%的碳排放。电力公司对煤电站的严重依赖意味着电力生产制造了33%的碳排放。“汽车电动化将有助减少碳排放，听上去似乎违反逻辑，”斯坦说，“但事实上，电动车确实可以帮助减少碳排放。”关键在于限制对新电厂的需求，改造电网，用以增加清洁能源的使用比例。
科学原理
未来电网和电动车的设计者将必须考虑到车主什么时候，用什么方式给他们的车充电。“80%的充电将在家里或是公司完成，”电动交通协会副总裁吉纳维芙·卡伦说。人们何时充电将在很大程度上决定电动车对环境的影响。
在非用电高峰时期，电力公司主要依靠核电厂提供的电力；到了用电高峰期，需求增加，它们启动肮脏的煤电厂用以满足增加的需求。“电力公司应该以优惠电价鼓励电动车主在非用电高峰时期充电，这时候的能源比较清洁。”斯坦说，公式的另一部分是设计一个可以输送太阳能、风能等可再生能源的智能电网。“如果电力公司可以依据可再生能源的供给情况，分时段对车辆充电进行收费，”他说，“那么电动车不仅可以帮助减少石油消费，还可帮助减少我们的总温室气体排放量。”
下一步
奥巴马政府不久前宣布了新燃油经济性标准，要求到2016年普通车辆每加仑的行驶里程从目前的32.9英里增加到35.5英里，到2025年要增加到54.5英里/加仑。要达到新规定，电动车必须在所有车辆中占相当大的比例。但是，正如卡伦指出，今天的电动车对普通消费者而言还是太贵了，即使享受大幅税收减免也无法负担。她说，“研发领域需要公共和私人投资，尤其是在电池和可帮助大幅减少生产成本的先进技术方面。”在过去5年，电池技术的进步已经使得储存每千瓦时电力的价格从1000美元下降到600美元，电池行业希望，到2015年还可以下降到300美元。卡伦还建议，州和地方启动电动车基础设施建设。“我们需要新政策赋予电动车停车优先权，新的建筑法规确保充电站的修建。”如果价格下降，电动车将非常具有吸引力，因为它们每公里的花费是非常低的。
而且在环保方面，它们也极具吸引力：如果你拥有一辆电动车，那么，任何让电网变得更清洁的改造，也将使你的车辆变得更清洁，而车主本人什么都不用做。
2缩小核电规模
大胆设想：建造新一代小型的、模块化的、超级安全的核反应堆。
去年春天，日本福岛核电站的核泄漏事故给核安全蒙上了浓重的阴影。与此同时，核反应堆依然是唯一无碳排放的规模化发电方式。小型的模块化的反应堆提供了更好地安全利用核能发电的方式。奥克里奇国家实验室的高级项目经理，核工程师丹尼尔·英格索尔说，“小型模块化反应堆的设计取消了所有大型反应堆中可能导致事故的环节。”它们不仅更安全，而且成本(相对地)更低廉。传统的1600兆瓦核电站的造价约80亿至100亿美元，首先还必须取得建造许可。显然，一个8500万美元的300兆瓦模块化反应堆相比之下更有吸引力。而且它可以完全依靠国内供应链建造。“这意味着给美国创造更多的高科技职位，”英格索尔说，“它赋予我们夺回核能领导地位的机会。”
科学原理
在传统的核电站，水流过反应堆堆芯，加热后通过管道进入一个大容器，在其内部被转化为蒸汽。“早期的反应堆设计者们最为担心的是，连接两个装置的管道破裂，”英格索尔说，“如果发生这种情况，反应堆堆芯周围的冷却液将很快流失，一旦堆芯暴露，就可能出现非常严重的后果。”传统核电站有多套系统防止堆芯暴露，但是，模块化反应堆将整套系统的所有部件，包括蒸汽发生器都放进一个容器内，从而完全绕过这个问题。“这些设计在根本上不同于今天运行的大型核电站，”英格索尔说，“它们简单优雅，消除了因冷却液流失导致事故的风险。”全球有约50款设计中的模块化反应堆，其中多数为传统的轻水反应堆，使用水来冷却反应堆堆芯，也有的采用气体为冷却剂，效率更高，可以使反应堆达到更高温度。
下一步
美国核管理委员会正与核能研究所及一个工业集团合作，修改核电站审批手续，纳入专为模块化小型反应堆设计的新规则。“现有的监管方式必须改变，”核能研究所的政策开发主任保罗·吉诺亚说，“这些工厂的运行安全标准不会放松，但我们需要改变监管结构，在新设计采纳方面允许更大的弹性。”
田纳西河流域管理局不久前宣布，计划在田纳西州东部建造第一台小型模块化反应堆。如果获得资金，通过监管障碍，这台反应堆计划于2020年开始运行，可以为7万多个家庭提供电力。美国能源部正在乔治亚州萨瓦纳河实验室开发一种新型模块化反应堆。此外，伊利诺伊州阿格尼国家实验室和新墨西哥州桑迪亚国家实验室也在考虑模块化反应堆。
与此同时，俄罗斯、中国等国家也在大力推进类似项目。“我们正处于一场竞争，”吉诺亚说，“当我们开始部署这类小型反应堆时，我们是要自己建造还是从中国购买？”
3取之不尽的天然气
大胆设想：从永久冻结带或海床开采天然气，用于推动超高效涡轮机。
目前，美国使用的电力有25%来自天然气。这是一种相对清洁的化石燃料，每生产1瓦电力释放的二氧化碳只有煤炭的1/2.“如果不得不燃烧化石燃料，如果你关心环境，那么天然气将会是你的选择，”燃气涡轮机制造商Pratt &Whitney公司的副总裁艾伦·爱泼斯坦说。而且天然气储量丰富，价格低廉，日益受到欢迎。去年前5个月，美国天然气发电增加了5%。美国探明的天然气储量约284万亿立方英尺，可供连续使用11年。还有更多天然气被锁在永久冻结带，又称甲烷水合物或气水合物。全球范围内，甲烷水合物中含有70万亿立方英尺天然气———按照目前的消耗水平，足够美国使用1000年。
科学原理
燃气涡轮机基本上就是粗糙的喷气发动机连接上发电机。美国国防部资助的一个历时近20年的项目可将燃气发电厂的效率提高到60%，超过其他所有能源发电效率。爱泼斯坦说，“这是人类已知的将热能转化为电能的最有效装置。”燃气涡轮机的另一大优势在于，天然气储量丰富且价格低廉，这要部分感谢水力压裂技术的采用。它使用高压水从页岩中提取碳氢化合物。水力压裂法由于众所周知的环境风险遭到很多人的反对，但是，在不久的将来，另一种储量更丰富的天然气可能被广泛使用。
甲烷水合物天然形成于大陆沿岸地区和北极永久冻结带，在这些地方，高压和低温导致水与天然气混合。在这样的条件下，水分子构成类似冰的晶体结构，将甲烷包裹在内。科罗拉多州矿业学院的氢氧化物研究中心主任，化学工程师阿马杜·K·萨姆说，这些水晶体中蕴含了大量天然气。海床上1立方米的甲烷水合物包含的天然气在室温和室内气压下可膨胀到165立方米。“这些甲烷水合物有着广泛应用前景，”萨姆说，“累计起来，它们包含的碳为地球上所有化石燃料总和的两倍。”
下一步
虽然近期取得突破，燃气涡轮机依然有改进空间。如果燃烧天然气的涡轮机效率可再增加5%，到2040年，则可节省1800亿美元的电费。“我是一个乐观主义者，”爱泼斯坦说，随着联邦研究经费的增加，“我认为，我们可以达到70%的效率。”
甲烷水合物是让这些涡轮机保持运转的希望。美国国家研究委员会的一份报告分析了开采甲烷水合物的技术挑战，结论认为，没有什么是不可以克服的。全球范围内，很多国家都瞄准了甲烷水合物的开采。中国、印度、韩国已经开始甲烷水合物开采项目。日本在一个实验生产项目上投入了10亿美元。2011年财政年度，美国国防部得到了500美元的甲烷水合物研发资金；在阿拉斯加北坡，一口名为IgnikSikum i(因纽特语，意思是“冰中火”)的实验气井计划于2012年开始生产。但是，其他国家已经远远领先于美国，它们投入的资金至少是美国的10倍。
4微藻燃料
大胆设想：用微藻充当汽车燃料。
玉米和甘蔗都是众所周知的生物燃料作物，但是微藻比它们更高效———甚至比大名鼎鼎的柳枝稷更高效。一些微藻含油量超过60%，遗传工程师称他们还可以将这一比例提高。美国的生物燃料大多来自玉米。目前的一个问题是，大量农田被燃料作物占用，导致食品价格高涨。和玉米不同的是，微藻不和食物争夺农田。“微藻可生长在田边地角，甚至是农业和生活废水中，”内布拉斯加大学的生物化学家唐纳德·维克斯说，“它们是可持续性的，产量高，容易培植，还可以捕捉二氧化碳。”
如果能够规模化地培植含油丰富的微藻———至少达到其他燃料作物今天的规模———它们最终可以取代美国70%的交通用燃油(包括喷气燃料、汽油、柴油)。在目前，“每英亩微藻可收获5000加仑燃油，”维克斯说，如果将6000万英亩土地(相当于俄勒冈州面积)全部用于培植燃料微藻，“每年可收获3000亿加仑微藻生物燃料。”要完全取代美国每年消费的所有汽油则需要4600亿加仑。
科学原理
培植微藻用于生产生物燃料的关键是对它们进行基因改造，使它们的含油量提高。迄今为止，遗传学家们只深入地研究了一类微藻：一种常见的单细胞绿藻，学名莱茵衣藻。其他还有几千个品种同样可能是理想的生物燃料原料。维克斯说，“这方面的研究依然在初级阶段。”他将今天的微藻专家比作古代印第安人。经过8000年的栽培，他们将野生墨西哥类蜀黍植物变成了今天的玉米。“就微藻遗传学研究而言，我们还处在类蜀黍植物的时代。”
最近的突破也许可以帮助加快这一过程。研究者早已知道，在被剥夺氮的情况下，微藻可以生产更多的油。不幸的是，失去氮肥的微藻生长变缓慢。圣迭戈生物燃料公司SapphireE nergy的科学家找到了解决这个问题的办法。他们发现了一个即使在多氮条件下依然可以提高油含量的基因。通过操纵这个基因，研究人员培育出了一种生长迅速且含油量高的微藻。维克斯说，“我们才刚开始揭示微藻生物燃料的科学原理。”
下一步
可再生生物燃料标准要求在美国销售的汽油中添加一定比例的可再生燃料，最近这一标准再次调高，微藻生物燃料可能因此获利。法令要求，到2022年，生物燃料的年产量将从目前的75亿加仑增加到360亿加仑。其中210亿加仑必须来自减少温室气体排放量达到或超过50%的燃料作物———微藻可完美实现这一目标。但是，绿色游说公司cLaustenllc的负责人康妮·L·劳斯登担心，目前的规则太过具体“生物燃料税收鼓励政策到处都是，”她指的是不同的生物燃料的原材料所享受的支持差别巨大。“我们需要为所有这些燃料制定统一的税收鼓励政策。不要因为某种技术还处于萌芽阶段，就尽情打压。”让微藻生物燃料达到商业化规模也是一个挑战：从0英亩到6000万英亩将需要大量研究、发展和投资。但是，150年前，石油工业的诞生和成长同样戏剧化。只要有足够的经济和环境动力，微藻生物燃料同样可以成功。
能源新潮流
美国国防部高级研究计划局(D A R PA )促成了很多伟大的政府资助发明，其中包括互联网。一个叫A rpa-E ((E代表energy)的新机构试图将同样的超前思维引入能源研究领域。它将资助那些成功几率无法确定，但优势明显，设想大胆的能源技术项目。2009年，A rpa-E向37个项目投入了1.51亿美元。下面5个项目被认为最有希望改变我们消费能源的方式。
波盘发动机
Arpa- E投入资金：$2，540，631
在汽车发动机内，汽油和空气混合气吸入汽缸，压缩后由火花塞点燃，引起燃烧，放出热量，使空气膨胀，产生压力，推动活塞。这是一套有效的系统，但只能将大约15%的燃料能量转化成动能。密歇根州机械工程师诺贝特·穆勒试图通过他的波盘发动机大幅提高能源效率。在他的发动机中，一个旋转的轮子将燃料和空气吸入小小的内部通道。当轮子旋转，发动机边缘的端口阻止燃料空气混合物流出，形成冲击波，产生的压力帮助燃料燃烧，推动圆盘上的弯曲叶片，使之旋转。穆勒说，他的发动机的效率可达到60%。他希望明年推出第一款可以驱动SU V的原型机。
细菌燃料
Arpa- E投入资金：$543，394
未来的超高效汽车油箱中的燃料可能来自你意想不到的东西。哥伦比亚大学的工程师斯科特·班塔和他的团队提议，创造可再生燃料的最理想微生物是欧洲亚硝化单胞菌( Nitro so mo n a seuropaea)。这种细菌通常以氨和二氧化碳为食。研究者对它们进行了基因改造，让它们吐出丁醇———一种可以像汽油一样燃烧的酒精。N itrosom onas europaea不仅可以把氨转化为能源，在这个过程中还会从大气中吸收二氧化碳。班塔设想，将细菌农场建在火电站旁边，将电站排放的二氧化碳转化成宝贵的燃料。他现在正研究如何让这种细菌批量生产丁醇。
碳海绵
Arpa- E投入资金：$1，019，874
碳捕捉技术可以让火电站的碳排放减少到接近为零。但是，这个过程消耗的能量相当于火电站总发电量的1/4.得克萨斯州A &M大学的化学家乔·周发明了一种可以减少能耗的方法。目前的碳捕捉法采用一种氨源溶液吸收二氧化碳，只有在加热之后溶液才会将捕捉的气体吐出来。周的技术采用金属和碳材质的吸收装置，它能对细微的温度、磁场和光线变化做出反应。周说，“当结构改变后，很容易将二氧化碳推出来。”几年之内，这套系统可开始大规模测试。
大型蓄电池
Arpa- E投入资金：$6，949，584
风能和太阳能很干净，但是有着间歇性的缺点。为了让电力保持稳定供应。麻省理工学院的材料科学家唐纳德·萨多威提议建造足够为整个社区提供电力的大型蓄电池。在他的设计原型中，有3层溶液：镁、锑和一种电解液。电解液携带镁离子(带电原子)流向锑，形成电流。和其他电池比较，这一设计相对简单，它可以建得很大，储存的电力足够一家公司或医院使用。萨多威说，“在夜晚或当无风的时候，它依然可以保证不间断的电力供应。”
廉价太阳能
Arpa- E投入资金：$4，000，000
间歇性之外，太阳能的另一大缺点是成本：用于吸收阳光将其转化成电流的硅片的售价每磅高达130美元。这是因为硅片的制作工艺复杂：先要将硅熔化，待其结晶，然后再切割成薄片。马萨诸塞州的1366 Technologies公司发明了一种简化的方法：不停将液体硅表面结晶层剥离开来。1366的首席执行官，机械工程师弗兰克·冯·米尔罗说，这一方法可以使太阳能电池硅片的价格减少2/3.“最理想的情况下，太阳能发电的成本可降到和煤电一个水平。”
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