万物想要生存,都离不开能量。植物吸收太阳能,将其转化为化学能储存起来,维持生命。而动物则通过食用其它的动植物,获取化学能,维持生命运转。但对于人类而言,在生存的基础上,更多了“生活”的需求。休闲娱乐,交通运输,工业生产……所有的这些,都离不开“能源”。能源,为人类创造了多姿多彩的生活。人类文明的进步,某种程度上,也是由能源所推动的。
火,是人类最先掌握的一种能量形式,最早可以追溯到数百万年前。通过火释放的热量,人类可以加热食物,烧制器具,驱寒取暖以及进行夜晚的照明。食物加热后,杀菌消毒,风味鲜美,更容易吸收,大大增加了人类的身体素质,促进了人类大脑的发育。而新材料、新器具的发明,驱赶野兽的作用,夜晚时间的利用,则大大提高了人类生存几率和有效时间,加快了文明发展的进程。
木材、木炭人类学会了用火,而木材,则是人类最先使用的能源。由于木材含有水等杂质,难以充分燃烧,火焰温度低、烟气大。由木材隔绝空气加热制成的木炭,则可以解决这一问题。木炭的燃烧比木材更稳定,烟少、温度也更高。木材作为主要的能源,一直持续到工业革命前后。随着城市的不断扩张,和工业生产的不断发展,木材的弊病开始逐渐显现:森林生长缓慢,无法供给人类的日常需求。人类迫切需要一种全新的能源,来解决这一问题。
煤,是人类较早发现并使用的能源之一。1973年,在我国辽宁省沈阳市北陵附近的新石器时代的新乐遗址下,就发现了不少用煤制作的器物,说明在六七千年前,我国就已经发现并使用煤炭。这也是世界上用煤最早的确凿证据。煤作为燃料用于冶金等用途,在我国最早可以追溯至西汉。但是,煤作为一种主要能源,真正登上历史舞台,则从第一次工业革命开始。
石油、天然气石油的兴起,最早和照明的需求有关。木材和煤炭烧起来也会发光,但同时会产生多余的热量和烟气。古人更喜欢用的是油灯,油灯多用动物脂肪制成,其中尤以鲸油最受人们欢迎。18-19世纪期间,捕鲸业高度发达,平均每年都有超过5万头鲸被捕杀,导致鲸的数量大幅下降,几近灭绝。一位名叫亚伯拉罕·盖斯纳的加拿大发明家发明了从沥青中提取煤油的技术,才使得鲸免遭灭绝。同时,也带动了石油产业的快速崛起。
电比起木材、煤炭、石油等看得见摸得着的能源,电,更像是一个隐秘的精灵。严格来讲,电并不是一种能源,而是能量的一种存在形式。人类无法从自然界中直接获取电能,而需要通过一些技术手段,把其他形式的能量转化为电能。电池,是生产电能的第一个尝试,它把储存于特定材料中的化学能转化为电能,但效率较低,难以大规模应用。1831年,英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象,证明了电能和动能可以在磁场中相互转换。
发电机和电动机,就基于这一原理工作。光能、风能、水能、地热能随着世界人口的不断增多,科技水平的不断发展,能源需求也随之剧增。随着人们的不断开采和利用,化石能源也面临着枯竭的挑战。目前人类能源消耗总量当中尚有80%以上来自煤、石油、天然气等化石能源。而根据现在的使用状况,石油已探明储量只够人类再用53年,天然气是48.8年,煤炭也只有139年。
同时,化石能源使用造成的环境污染、气候变暖等问题也逐渐显现,威胁着人类的生存。因此,寻找并发展可持续能源,成为人类必须要完成的任务。氢能氢能,是目前最有前景的储能方式之一。其制备简单,只需要电解水,就可以制出纯净的氢气,有效的解决了各类新能源发电的时空分布不协调的问题。氢气燃烧后没有任何副产物,只产生水,是名符其实的清洁能源。而且,相比于电池,氢气在低温环境下的表现更好,质量更轻,能量密度也更大。
但在目前,氢气储能面临着众多挑战。一方面,氢气易燃易爆,对于储存有着很高的要求。国内常见的35兆帕储氢罐重达100多公斤,却只能存储5公斤的氢气。另一方面,氢燃料电池生产工艺十分复杂,技术难度大,成本高,造成了氢能发展的滞后。核能如果有一种能源,可以作为人类能源的终极形式的话,那一定是核能。核能是自然界能量密度最大的能源形式,1克铀-235裂变后释放出的能量相当于2.7吨标准煤。
然而,能量越大,危险也越大。提起核能,大多数人的联想,恐怕都会是核武器以及历史上的几次核电站事故。人类的很多进步,往往都是建立在惨痛的经验教训上的。核裂变核电站发展至今已逾七十年,安全性已经比一开始提升了成百上千倍,且往往在建设中趋于保守,使其具有较高的安全性。随着环境污染、空气变暖等问题越来越严重,诸多曾经反对核电的环保主义者也开始转变态度。结语人类的文明发展,几乎总是伴随着能源的革命。
而人类生活水平的提高,也与能源消耗成正比。人类从未停止过对能源效率和能量密度的追求,也从未停止过对美好生活的向往。利用能源,我们可以在有限的土地上种植更多的粮食、蔬菜,实现更高效的交通,拥有更便捷的生活方式,更丰富的娱乐。如今的时代,一个普普通通的人一天的能源消耗,可能已是原始人几世都难以企及的。思考一下,如果没有能源,你的生活会怎样?
而随着科技的不断发展,“5G”、“人工智能”、“物联网”、“区块链”等新概念的提出与实现,对能源也提出了更高的要求。以比特币为例,其2021年的总耗电量达2000亿千瓦时,如果把这一行业比作一个国家,其耗电量可以位居全球第25位。每交易一次,就会消耗大约2300千瓦时的电力,足够一个三口之家一年的使用。这也是我国之所以禁采比特币的原因之一。