美国能源科学与社会

科技经济透视4，鳓螂㈣榔鳓黼始鼬啦嘶嘛磷__-____---____-___I全球科技经济嘹望进入21世纪．人类需要在能源科技方面取得突破性进展显得越来越迫切。当今，世界人口近1／3生活在缺少能源的阴影之中，经受困苦，从而导致绝望、区域不稳定和冲突。能源供应成为脱贫及可持续发展的重要因素。能源占世界贸易的7％，大多数国家的能源贸易通过协调能够达到平衡，美国也在其列。能源的生产和消耗对本国、本地区以及全球的环境带来极大的影响。要确保为不断增长的人口提供充足的能源．而不对人类赖以生存的地球环境造成破坏，是对当今国际科技界提出的最大挑战。每种能源均有其难题。在不发达国家，传统植物质燃料是室内污染的元凶，每年导致200多万妇女和儿童死亡。核发电是产生放射废弃物的主要来源．化石能的使用是温室效应气体排放的主源，导致地球平均气温上升，并使全球气候发生变化。这些难题一时还难以克服，因为采用新技术来替代陈和平白崇军现行基础设施，不仅需要漫长的时间过程，而且需要大量的投资。因此，如不能制定一个完善的公共政策，将对人类持续繁荣形成威胁。国际能源机构预测，满足2001--2030年能源需求，新型基础设施的投资量在亿美元以上，其中60％用于全球电力网的扩大。所采用的新型发电技术将对全球环境条件和持续发展产生重大影响。目前，化石能燃烧所产生的炭排放量将从2000年的60亿吨／年增至2100年200亿吨／年。即使全球能源效率至下个世纪能从1％上升到2％(每年)，到2100年无炭排放能源，如：核能、氢能、太阳能、风能以及植物能，要比现阶段增加3．5倍，才能稳定大气CO，，低于550ppm，这仍是工业化前的两倍。发达国家人口占全球人口约13％，其能源消耗是世界总消耗量的一半。在最富有的国家，人均耗能约为8千瓦／／h时，而在欠中国家，比如：中国和印度，随着生活条件的改善，迅速增加了能源消耗量。发展中国家能源需求的增长加上美国能源消耗持续上升表明。如果新的能源技术得不到开发，将会对全球能源系统带来巨大的冲击。除日本以外，所有经济合作开发组织(OECD)国家，近20年，来对能源研发的投入都在下降。日本在能源研发经费方面的投入几乎是美国的两倍。由于能源问题的紧迫性以及对美国政策的牵制，美国政府、学术和工业界人士普遍认为．美国应加大对能源方面的研发投入，研发新能源技术；增强大学和国家能源实验室之间的合作研究；采取有效措施加快开发、展示，应用更便宜、更有效益、对环境不造成伤害的能源：更加注重技术队伍不足的问题，在制定全球能源政策方面加大国际合作。1．能源与国际合作发达国家只有1千瓦／／J、时。发展j国际社会正面对20年来最┏━━━━━━━━━━━━━━┳━┓┃2007年第1期总第253期47┃┃┣━━━━━━━━━━━━━━╋━┫┃┃┃┗━━━━━━━━━━━━━━┻━┛科技经济透视■■■■■■■■■--■---__--—秘褂崩峨嘲喊瓣鞲蝴黜##擀女黼《％∞糕全球科技经济嘹望困难的能源市场。石油价格经历了创纪录的高价。中东拥有世界石油地质储量60％，长期处在动荡之中。随着时间的推移，对波斯湾这个世界石油富集区的依赖程度在加大。美国作为世界唯一的经济、科技及军事超级大国，利用科学技术来实现持续发展，是保持其世界领先地位的最佳途径。为此，美国推动其与世界各国科学家间的交流，集中世界优秀人才。来解决由于环境恶化能源需求增加所带来的技术挑战，包括全球变暖的气候变化问题。美国一直通过国际合作使其科技发展受益，即使国与国关系不畅，科学家们总是能互动．使沟通的渠道畅通。在确保核安全方面，科技同样发挥着重要作用，对国家安全来说，也是如此。就是一个例子。正如二次世界大战那样．科学和技术可以用来保护人民不受伤害。新技术本身不可能确保安全，但它能使恐怖袭击事件成功的概率降低，减少其影响。2．能源与环境预知当今的环保问题在几十年后所能发展的程度，人类不得不开发新的、更清洁能源。科学家们。特别是那些从事气候研究的专家们，越来越确信，现阶段或进一步扩大化石能的应用量的结果会给全球气候带来十分严重影响。联合国国际气候变化(IPCC)小组，由来自全球150个国家的2000名科学家组成，认为全球气温在目前已有0．7摄氏度的上升的情况下，在100年内有可能再上升摄氏1．4℃～5．8。C。在20世纪的后期，全球二氧化碳的排放量增长迅速。科学家们从1958年开始就全球二氧化碳排放对大气进行直接测量。为了获得在这之前的温度的资料，采用了替代法，诸如：分析从格林兰和南极大型冰块中取冰样气泡等。根据计算机气候模型显示，大气温室气体浓度加大与地球平均温度上升相关。众多的世界顶尖气候专家们一致认定，近50年所观测到的气候变暖的主要原因是人类活动造成的。尽管与冰川期间温度上升速度相比．现阶段上升的温度并算不了什么，但这种变化只有100年，而不是上千年，生态系统一万年内也难以适应。全球气候变化表现在以下3个方面：温度变化的速度和绝对值；气候变化对环境的作用形成综合效应，生活环境发生变化，生物多样性减少：不同地区以及人应对这种变化的能力。许多气候变化的效应已经有所显示。北冰洋以及格林兰陆基的冰融化增快，世界范围内的山地冰川后退，湖泊秋天结冰的时间后延．而在春天融化的时间提前。世界植物园植物花期每10年都有提前。气候的变化不是孤立的，而是与其他环境变化相一致。较温暖的气候有利于烟雾的形成，减低了空气质量。尽管二氧化碳增加，导致世界气候变暖，有利于植物生长，病虫害也因暖冬┏━┳━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃年第1期总第253期┃┣━╋━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┗━┻━━━━━━━━━━━━━━┛增加，森林火灾也因干旱增多。3．能源技术与创新未来的几十年，世界对无碳排放能源需求会有巨大增长，而现有的技术是远不够的。新技术的开发需要政府和工业部门在能源方面的开发和研究项目上的大量投入，这种投入要比以往更要有力度。美国联邦政府将采取四个方面的措施：一是在今后若干年内增加联邦预算．对其与能源开发和研究相关部门的项目进行持续力度投入：二是加强政府部门间及国家实验室问的协调；三是推动国家实验室、大学以及工业部门间的合作；四是加强国际间的合作。美国在能源领域的科学研究课题分散、聚集不够，并与国家所要实现的目标不相称。其部分原因是美国对能源发展前景不清晰。寻求解决世界能源需求以及环境变化(包括气候变化)的办法，不仅需要对全世界关注新能源技术研究和创新的科学家进行协调，而且要有大量来自政府高层和私人的投资。以往人们一直是不赞成增加在能源领域研发经费的。有些政策制定者积极主张：能源领域需求新技术应由市场本身来解决，工业部门给予必要的研发经费支持，以出新产品。这种观点忽略了政府和私人企业所应起的作用以及所注重的优先领域是有所不同的。人们以往认为，政府的支出减少会导致私人企业的投入加大。事实往往不是这样。美国支持能源研究、开发、示范以及研究设备均不足以应对本国及世界带来的挑战。20世纪70年代后期，美国政府在能源研究方面的投入力度明显，也应该说是巅峰时期。但是以后，一些不成功的研究课题，例如：合成燃料、增值反应堆，使人们关注政府是否能在能源领域承担其职责，利用好公共资源，使其发挥最佳作用。要满足能源需求以及解决环保问题，其核心是进一步提高能效。在能源投人与能源产出问获得效率，不仅对解决能源和环境问题重要。而且是提高美国经济总体生产力的途径之一。生物技术、信息技术以及纳米技术等研究领域可能有大的突破。美国努力在这些领域保持强有力竞争力。然而，如何加快开发和应用创新技术并没有成为美国当前能源政治争论的焦点。美国政府在改变争论的焦点。达成共识，加大人力和物力的投入，为在2l世纪50年代能提供新型非传统的无炭能源，建立基础。这种无炭能源资源供应量至少应达到现在世界能源消耗量的两倍。另外，一旦这个世界不把石油产品作为其基本燃料，就必须有另一个可以长途运输的燃料来替代。天然气和氢气有可能成为替代能源。然而，天然气和氢气的海洋运输没有油料燃料那样有效和经济。应用生物燃料也在探讨之中，通过热解聚法，对纤维质植物加工，产生出乙科技经济透视醇．从循环使用能源来看，可能性很大，可以直接替代燃油。据橡树岭国家实验室估算，美国每天产生农业秸秆、森林以及城市树木的废料有2．5亿吨，可以通过再循环加工。制造出100万桶可运输的生物燃料。储存技术和远程输送能力是新能源的核心，电力也可能成为未来主要能源。其最大的问题之一是储存。开发电力能源在家庭或小企业用户范围中储存技术。建立以用户为基础的电力储存体系，鼓励用户和用电低峰时从电网购电储存，减缓电网高峰压力。美国计划到2050年在其大陆电力网上设制1亿个异步电力储存和发电站，以家庭和企业为基础的储存电力站点包含在内。企业负责保持这个系统的不断更新。低价购进，加价卖给电网。储存电力的系统基于畜电池、氢气交换系统以及飞轮永磁式发电机的技术改进，而电网上大量电力主要来自于边远处大规模更清洁能源发电的电厂，利用高压碳纳米管线送电，在最大程度上减少线路损耗．这些更清洁的能源包括：太阳能、海岸天然气、清洁煤和海浪。该系统所产生的剩余的氢气可以用到运输系统中去，住宅所剩余的电力用于电、油两用汽车的电瓶充电。大陆电网远距离送电技术的改进可以将百万兆电力送到数千英里以外。而不是几十万兆瓦。这种长距离送电的电网，可以为设在沙漠里的太阳能发电场提供全球科技经济嘹望到用电供应缓冲作用。因此，核电厂将可以建造在更远、人烟稀少地段或免受军事打击的边远地区，同时也有利于核不扩散。清洁煤工厂的厂址不会因二氧化碳排放问题而受到限制，其经济效益会得到进一步的提高。这是能源生产、分配和输送方面的革命性变化。如此大的工程实施需国家的财力支持，可与阿波罗计划比拟。能源和环境问题给美国以及世界所带来的挑战，需开发更多更新的能源技术予以应对。加大能源研发投入是一方面，更重要的是要注重创新，探讨加快制定新能源技术市场化所需的政策。经验告诉人们：“新技术离市场越远，其市场化的成本越低”。技术在理论阶段总是良性的，但是，一旦大规模予以应用将会给环境带来人们难以接受的冲击。正是因为这些原因，许多富有革命性的想象由于早期开发成本递增而不能实施。部分因缺少时间和金钱来支撑其产品大规模生产而跌人“死亡谷”。20多年来，天然气市场相对低的价格竞争使新能源技术的应用遭遇了很大的阻力。联邦政府鼓励多种新能源技术的研究，避免出现偏见。政府通过规定诸如可再生能源标准来推动技术创新。社会在向数字化方向发展，城市化建设在世界范围内展开．是分布式的地方电网的技术拥有前景的原因之一。利用氢燃料电池是布什政大功率送电能力，储存电站起!府推崇新能源技术之一。当然，┏━━━━━━━━━━━━━━┳━┓┃2007年第1期总第253期49┃┃┣━━━━━━━━━━━━━━╋━┫┃┃┃┗━━━━━━━━━━━━━━┻━┛科技经济透视全球科技经济嘹望氢气不是最初能源，需要从诸如甲烷等资源中提取。最终，要使氢气成为未来主要能源，必须开发出能大量生产氢气的新技术。目前，美国在甲烷资源方面还是不足的。未来，煤炭可以作为提取氢的能源，其资源丰富，但二氧化硫排放受到控制。普林斯顿大学研究课题“稳定的契机，用现有技术解决今后50年气候问题”讨论了最佳途径。研究认为，建造能捕获预燃烧二氧化碳的设备，同时产生二氧化碳和氢气，氢气用来燃烧发电，废弃的二氧化碳注入地表以下的地质深洞。这将大大地增加现有氢气的生产能力，并利用二氧化碳注入方式提高油井原油采集率。通过示范项目来检验地表以下可储存废弃二氧化碳地质深洞。目前每年大约有0．01GtC碳注入地下以提高原油的采集，今后50年这个注入量会增加100倍，将大大减少二氧化碳排放到大气里的量。普林斯顿大学研究认为，这个规模相当于3500个挪威Sleipner从天然气里分离二氧化碳项目。该项目每年将30万吨二氧化碳注入非化石燃料地下结构。在地下储存的二氧化碳有泄漏的风险，目前一个测试泄漏是否对环境和人造成危害的科研项目在进行之中。从长远来看。核能可以用来制氢．通过新反应堆技术或高温化学循环把水中的氢和氧分离开、最终利用再生能源生产氢的可能性很大．如用以太的氢和氧。不过，解决诸如氢的储存、运输和销售等问题，都有相当的技术障碍。建立氢能源经济需要大量的资金投入。通用汽车公司预测其基础建设投入资金量在几百亿美元。发展氢能源经济需要改进燃料电池技术，包括：化学分离、界面化学、新材料膜化学以及降低催化剂成本或找到更好的催化剂。获得这些新技术需在如下领域做大量的研究和开发工作：光化学、催化剂、化学材料、化学分离、界面化学以及材料科学；新聚合和陶瓷材料；新理论和模式；先进的工程技术、反应堆设计、系统集成等。4．核电核电是无碳能源。可是，大规模发展核电存在几个方面的障碍，其中包括：成本的竞争、核费料处理、核安全、核扩散以及核燃料与核武器的关联等。“9·11“后期，核电在核武器扩散和反恐方面在面临特别的挑战。在伊朗发展核能力方面难以达成共识，体现了核不扩散条约体制的缺陷。核不扩散的核心是确保核材料(高浓缩铀、钚)的安全，特别不能让这些材料落到非政府恐怖组织手里。主要有三个方面的内容：一是保护现有核材料：二是减少，最终杜绝对核材料储存设备接触的可能性；三是随着核电工业在全球的发展，调整技术发展方向和机制阳能为动力的反应堆分离水中l框架来防止问题的出现。┏━┳━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃年第l期总第253期┃┣━╋━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┗━┻━━━━━━━━━━━━━━┛人们因浓缩铀转化项目有经济效益，而感兴趣，对采用合成氧化技术再循环有争议。合成氧化燃料循环不仅不经济，而且通过合成会使掌握分离浓缩钚的技术成为可能。不少专家认为．国际原子能机构应该扩大其工作范围，通过签署协议．授权国际原子能机构对那些没有申报场地进行搜查。核电不会因其资源相对丰富就能得到广泛应用，经济风险过大和碳排放规定的实施难以到位都使核能不可能成为商业竞争性能源。另外，工业国家将不得不建立更加细致的法规来运行核电厂，特别注重电厂核燃料的循环。必须有明智的政策．建立一个确保提供核燃料者收回核废料的机制。美国需要与其他国家合作共同开展对核燃料循环进行长期的开发性研究。核能的开发使用还取决于对人力资源不问断投入。研究表明，近20年来，由于研究经费的不足导致不少大学停止了核能源的研究，关闭了研究用的核反应堆。在核科学和工程方面，教育经费投人得太少，选修核专业的本科生、研究生和研究人员越来越少。如果美国注重其核发电能力的提高，眼下核科学研究和教育的局势很快会扭转过来。5．能源、安全与国家实验室美国大部分先进的能源技术和关键技术都在联邦能源部所属实验室里。毫无疑问，联邦政府在责任资助基础研究和那些工业公司不愿意资助的科技研发。重要的商业化前研发工作由培养下一代科学家和工程师的大学来做，而拥有专业研究人员并装备有各种各样的试验设施国家实验室从事能源和相关技术的研究。能源研究与其他学科一样，可以从加强与世界其他国家研究机构和科研人员合作并共同分享研究成果中得到更大的实惠。为了在开发新能源系统方面取得进展，联邦政府将投入巨资予以支持，目前的投入程度是远不够的。人们必须明白，能源、气候变化以及与能源相关的环境变化是长期问题，拖的越长解决问题的成本就越大。联邦能源研发经费预算每年增加十几亿美元看上去投入不少，要不然所造成的经济损失会更大。国际能源机构预测，2001--2030年，能源供应基础设施的投资总需求在亿美元。多少年来，随着政府更迭和世界局势的变化，国家科技研发的优先领域也在不断变动，很明显，科学研发的优先领域选择必须更好地与国家经济发展需求相结合。几十年来，美国科技研发和基础研究的投入并不十分有效。近来政府注重的科研项目有全球气候变化、信息技术和纳米技术等，公众也很关注，最终是有选择地增加科研经费，这种研发经费的增加是建立在减少其他研究项目经费的基础上。有些领域的研发需要大型设备(如粒子加科技经济透视速器和天文观测)和国际科技合作，有能力独立建造或拥有这些设备的国家并不多。目前。国家安全聚集在保护国家重要的基础设施(如：电力和通讯网、银行和金融系统等)，这些基础设施是商业、政府和交通以及国家日常事务运作的平台。网络、计算机以及相关技术已成为国家基础实施不可缺少的一部分。有关使用网络和网际空间的使用还缺少相关法律和条约。因特网对世界经济影响不断增强，人们越来越关注网际空间的恐怖风险。国家实验室在高性能计算和通讯技术方面有绝对的优势，在未来将会发挥更重要的作用。6．美国能源科学与社会美国能源科学与社会状况主要体现在以下四个方面：(1)经济繁荣、可持续发展、环境质量的中心是能源，并已成为美国公共政策的问题。福特总统科学顾问史蒂夫博士简洁地指出，美国国家发展的重点是能源、环境和经济。美国未来的能源政策必须充分考虑环境和经济方面，力争取得平衡发展。(2)用现有技术对未来(在本世纪末)能源(清洁、无碳)需求进行预测显然不现实。能源生产、运输以及能源效率都需有新技术的突破，这只能取决于能源技术的研发。人们普遍认为美国在能源技术研发方面的投入太少，在新技术示全球科技经济嘹望政府在新能源技术研发方面的投入将有更大的增长。(3)全球能源面临的形势复杂，美国不仅需要在国内大学、国家能源实验室和企业问加强合作，而且要与其他国家加强合作。(4)美国的科技队伍面临人员的质量和数量问题，这对美国国家安全、经济繁荣以及能源战略十分重要。这几十年，美国主要依靠来自外国的优秀青年毕业生来补充科技队伍。“9．11”以后．外国优秀青年毕业生移民美国的难度加大。大学前12年理科、数学教育质量差也是原因之一。当然，也有社会和经济问题在起作用。有些人认为，可以采取市场手段来解决问题。美国国家科学理事会认为，影响学生选择所从事的专业的时间是在中小学，要使目前的总状况根本转变需要漫长的时问，大约14年。对美国以及对世界来说，能源是未来面对第一大挑战。很幸运，美国有资源、人力和经济实力接受这个挑战。成功面对挑战需要世界各国的合作和支持。而缺少美国积极的参与，成功也是很难实现的。在美国，理科教育、科学、工程以及技术队伍方面面临不少问题和挑战。其中有两个问题比较突出：一是国家科学技术发展需要有大量年轻有为的青年科学家和工程师，但就“需要”的含意讨论得并不很充分。多少为满足“需要”，不清楚。今范和推广方面也是如此。联邦天，美国主修理科和工程的大┏━━━━━━━━━━━━━━┳━┓┃2007年第1期总第253期51┃┃┣━━━━━━━━━━━━━━╋━┫┃┃┃┗━━━━━━━━━━━━━━┻━┛科技经济透视■■■■--■---■■--■■-—■_幔∞嘲氍锫黼蛳珊懈獬麟㈣“ j全球科技经济嘹望学本科毕业生的人数远少于过去。但是．聘用科学和工程毕业生的数据统计并没有如实反应问题的存在，原因是大学可以从来自世界各地的有为毕业生中选用所需人才，成为研究生或从事实验室工作，同时工业界的“需要”也可以得到满足。另外，有些学科领域的科研人员要找到合适的工作很难，失业率偏高，导致吸引学生对科学产生或保持他们对理科感兴趣成问题。更严重的是在孩子成长的家庭和社会环境中很难有机会与科学家和工程师们直接交往，在交往中受到他们的影响。在这方面美国政府在不断研究．试图提出更新颖的理念，加强工作力度。过去，美国一直很幸运，能吸引很多来自世界其他国家最聪明和最优秀的年轻学子在美国从事科学技术研发工作。如果不是这样，美国在世界上的经济地位就不会有今天的辉煌。但是，由于美国政府对入境签证的严格控制以及其他国家对学生求学条件放宽，申请到美国学习的外国人在减少。美国政府正在设法解决这个问题。二是教育的挑战。美国的教育体系对非技术学科的专业性教育不够，包括健康和教育学。在大学前的12年教育中大部分学生没有足够地受到理科教育。由于社会宗教等原因引发的冲突。美国国家科学院为大学前教育提出的12年级数学遍的接受。7．美国新能源战略进入2006年以来，美国对能源安全的重视程度“令人侧目”。1月31日，布什在国情咨文中表示，美国对海外石油过分依赖，而且这些石油大部分来自不稳定地区。他呼吁通过科技创新使美国对中东石油的依赖成为历史。到2005年，美国计划用新能源替代中东石油进口量的75％。美国为了不“受制于人”、“防范经济风险”，实际上，美国的眼光早就盯向了20年、30年．甚至50年之后的世界。首先，美国希望通过此举强化国内经济安全。“9·11”事件以来．中东局势持续动荡，国际油价狂升。这导致美国国内企业生产成本急剧增加，利润大幅下滑，部分企业大量裁员。更为重要的是，美国作为世界头号能源消费国，60％的石油消耗来自海外，高油价直接导致美对外贸易赤字越堆越高。2005年美对外贸易赤字达到创纪录的7260亿美元，其中因进口石油所导致的赤字占29％。为弥补亏空，美国又必须以发行国债的形式，向海外举债。有分析称．美国在债权国正在对美国形成“致命的影响力”。这些国家一旦抛售美元，美国经济状况将不堪设想。美国开发新的能源技术，可以为解决棘手的国际问题提供新手段。例如：如果美国解决了核能的循环利用、核保障、和理科教育标准没有能得到普核监测等技术难题，就可以向┏━┳━━━━━━━━━━━━━┓┃┃年第1期总第253期┃┣━╋━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┗━┻━━━━━━━━━━━━━┛朝鲜、伊朗等表示要利用核能的国家提供一定的核设施。这样一来，美国所担心的民用核技术武器化的危险将降到最低。美国对核问题“束手无策”的现象将得到极大改观。美国此举也是国内政治的需要。能源问题历来是美国的软肋，美国历史上曾发生过数次能源危险。上世纪70年代的能源危机对美国的打击相当严重．现在美国的掌权者都经历过那个时代，对能源危机可谓记忆犹新。他们认为，能源是美国的生命线。8．能源战略关系国家的未来目前．世界上不少国家都在着手进行能源战略调整，这种变化的方向非常明确，就是减少、乃至摆脱对石油的过度依赖。但是，这种能源战略的调整并不会导致现有的能源结构和能源格局发生根本性的变化．替代能源的推广也不是短时间内就可以解决的。随着勘探技术的发展，近些年来，新探明的油田使世界发现的石油储量还在增加，“石油枯竭论”没有得到现实的例证。目前。国际上的战略学者们认为，石油在能源战略中的地位50年之内会保持稳定。但是，许多国家希望摆脱石油掣肘的能源战略调整并非完全出于对能源本身的考虑，其政治和安全上的考虑占有很大的比重。可以说，各国能源战略的成功与否．最终将决定各国在未来世界格局中的地位。■

文章来源：《科学与社会》 网址: http://www.kxysh.cn/qikandaodu/2021/0727/1044.html