■秦伟
纵观历史长河，人类文明的进步与能源的利用和发展息息相关。在人类出现之前，动物们所用的能源都是不自觉或者是被动的，例如通过晒晒太阳获得温暖，支持他们生命的延续。
后来，人类由猿类进化而来。随着跟自然界不断的斗争，人类也渐渐向前发展，发现“火”带来美味的食物，也带来良好的环境。这时，人类开始了对“火”的控制和使用，“钻木取火”就是一个印证。
再进一步发展，人就可以自觉地、主动地使用一些能源。在以能源为支撑的基础上，人类的生活条件得到了极大的改善，生活水平也得以进一步提高。能源似乎带来了人类文明的跨越式发展。
然而，上述这些能源仍直接取之于自然。
在一些描写人类古代生活的武侠小说中提到，有一片会燃烧的黑色物质。实际上，这就是最初被人发现的石油或者煤炭，但客观的、科学的认识仍很缺乏。
当人的智力水平不断提高，从而主动去发现和认识矿物质能源的时候，工业文明应运而生。18世纪，蒸汽机车、动力机械被发明。这证明人类已经在尝试改变能源形式。无疑，人类进入了高级的文明时代。
现在，人们能做的远不只是利用自然为我们提供的能源，还不断发现新能源，甚至，一些废弃物也被变成了能源。人类进入了“后工业时代”。
到目前为止，被人类利用和发现的能源种类已经非常多。一方面，有来自于地球外部天体的能源——太阳能。我们现在所说的生物质能，还有包括石油、天然气、煤炭等在内的化石资源，水能、风能、波浪能、海流能等，都是直接或者是间接来自于太阳能。
另一方面的能量，就来自于地球本身，主要是地热能和核能。地球这个大的能源载体，随着地核、地幔、地壳不同的状态，孕育着不同的能量形式。而核元素则来自于地球，也可以说是一种矿产资源。
对于这些不同种类能源的利用，在不同的文明发展时期显示出较大区别。
1875年前，在人类农业经济时代，能源利用以生物质为主，如秸秆利用。19世纪后，工业进程加快，煤和石油的使用量逐渐增加。
如果以时间为横轴，能源消耗为纵轴制作一张图，我们可以看到在1950年时，能源消耗出现一次飞跃式增长。这意味着工业化进程在1950年猛然加速。
进入20世纪以后，能源消耗的大幅度增长则主要表现在煤和石油上。近30年来，天然气的消耗量也逐渐增大。
技术的发展，带来了一种新的能源形式——可再生能源。新能源与可再生能源备受世界的关注，发展速度很快。未来几十年，以风能和太阳能为主的可再生能源可能会快速的增加。
同时，核聚变也受到了科学家的青睐。每升海水中氘的含量是0.03克，如果发生核聚变，则可产生相当于300升汽油燃烧释放的能量。这个数据正好解释了我们为什么寄希望于核聚变反应。
2001年，国际热核聚变实验堆（ITER）计划设计完成。2006年，我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。
人们期望通过核聚变为人类提供可持续发展的能量。但是，到目前为止，它的价格与技术水平都远未达到应用要求，预计2050年可实现应用。无论如何，2050年之前，能源利用仍然以煤炭和石油为主。
能源之于人类文明，如同人的生长需要水和粮食。在促进人类文明发展的同时，也为提高人们的生活水平提供保障，是国家经济发展和人类文明进步的基本约束条件。
然而，能源也是一把双刃剑，能源的利用会带来一些负面的影响。
对中国而言，能源资源量便是问题之一。在全世界所探明石油储量中，我国仅占十分之一，天然气也不到二十分之一。
能源结构中，化石能源是一种有限资源，石油、煤和天然气都存在开采年限。基于有机理论预测，石油的开采年限是40年，煤为200年，天然气则为60年。
但是，地质结构学家并不认同这个观点，因为如果按照无机理论去推算的话，化石能源应该无穷无尽。目前，这两种理论尚在争论，有机理论占上风。
对此，我认为开采年限只能作为能源工作的参考。由于技术水平的提高和理论的创新，新的化石能源将不断被发现。
同时，由于技术水平所限，使得我们的工业能源利用效率非常低。我国是典型的耗能大户，钢铁、水泥，包括太阳能产业所带来的耗电量远高于世界的平均水平。
能源利用对环境带来的冲击也是人类无法回避的问题。首当其冲的便是温室效应。当然，这也是有争论的，在不同分支学科的研究中，研究者考虑的时间尺度不一样。有的以20年为时间尺度，就可以看出地球温度的变化好像是在不断攀升。但是，如果把这个尺度放大到万年，我们看到，地球本身存在温度升降的规律。
不过，在小尺度的研究中，温室效应带来地球表面温度升高的结论已经得到公认。在南北极地区，冰盖面积不断缩小已经成为不争的事实。
号称世界第三极的青藏高原对气候的变化非常敏感。40年来，青藏高原的冰川大幅减少，按照联合国政府委员会发布的报告，如果以现在的速度，80%的冰川将在未来30年消失。在亚洲，许多大江大河发源于青藏高原，被誉为“亚洲的水塔”。它如果消失了，不难想象将对人类的发展带来怎样的影响。
气候变暖对我国带来的危害，则主要在以下几个方面：植被发生变化而导致沙尘暴，草原荒漠化严重，海平面的上升也会对一些临海地区造成威胁，生态系统遭到破坏。
研究发现，这些不利影响主要来自化石能源。清洁、高效地利用能源，把负面影响降至最小，是人类追求的共同目标。
目前，全世界都在倡导低碳或者无碳的能源发展方向。由于化石能源主要是含碳的，因此，目标的实现还得靠技术的发展，提高转化率，把本来是污染的负产物变成能够利用的资源。
首先，清洁生产和高技术利用是实现低碳、提高化石能源转化率的关键环节。
二氧化碳捕捉（CCS）技术是一项热门的研究，就是要解决碳资源使用对环境影响的问题，尽最大的努力变废为宝。
这项技术有两方面的核心要求。一方面，从物质上讲，讲求组分分级利用，使用更加精细化、分级转化，这就是在化学领域里一直讲的“原子经济性利用”；另一方面，从能量上讲，讲求温度对口、梯级利用，简单地说，就是要求不同品质的能量用到它该用的地方。
比如，过去粗放式的火力发电厂中，通过燃煤转化成高压蒸汽推动汽轮机发电。这些发电厂里有很多凉水塔，对冷却水进行循环使用。发电厂利用了高温蒸汽来推动发电，而温度低的蒸汽却直接浪费了。
经过改进的发电厂，利用高温蒸汽来发电，低温蒸汽可以用不同的技术发电，而到了100摄氏度以下的蒸汽就用于集中供热、供暖。通过这种方式，能源使用效率可最大化。
发展新能源则是解决问题的另一途径，全球可再生能源的资源量非常丰富。我国于2006年颁发了《可再生能源法》，通过法律的形式来支持和保障可再生能源的发展。
2008年起，我国多种可再生能源的开发利用在全球名列前茅。比如，水电居世界第一，风电居世界第四。虽然核电相对少，但有一个共识，在目前阶段要支撑中国经济的发展，发展核电恐怕是必须选择的道路。
此外，新能源多样化也是解决能源负面影响的办法之一。比如，通过氢气、甲醇或天然气进行发电用于汽车燃料电池。存在于冻土层、海洋中的天然气水合物贮存量巨大，我国也有庞大储量。然而，天然气水合物的开采手段还不具备。
变废为宝的城市垃圾也是宝贵的新能源。进行分类是第一步，可燃物用于发电，有机物用于肥料，不可燃的固体物进行加工后用于建筑材料，垃圾综合处理使这些废物成为资源，综合解决能源问题。
能源问题非常复杂，它不仅仅是一个技术、经济和政治问题，更为重要的是，它是一个理念问题、价值观的问题。只有认识到能源这把“双刃剑”存在的利弊，我们才能更好的利用它实现可持续发展。
（作者系中科院工程热物理所所长）
《中国科学报》 (2012-01-09 B3 观点)
