使美国的能源供应更安全和清洁的四大创意点子

　　据国外媒体报道，也许现在是时候淘汰“能源危机”这个词语了。自20世纪70年代初以来，人们一直在谈论能源危机，这个词已经失去了它本来的意义。至少能量没有耗尽，地球上除了化石燃料等不可再生能源，还有太阳能和风能等可再生能源。更确切地说，我们处于能源过渡期，即我们使用的能源类型和我们生产能源的方式之间的转变期。如果我们继续依赖煤炭用于照明，以及依赖汽油保持我们的汽车运行，我们必将付出沉重的代价。化石燃料的使用产生95%的碳排放量，导致全球变暖，气候变化，自然灾害频发。能源的需求已变得更加明显，在美国，42%的石油靠进口。为了使美国的能源供应更安全和更清洁，《探索》杂志与美国国家科学基金会、电气和电子工程师学会和美国机械工程师学会合作，联手能源科学家和政策专家，绘制出新能源经济的道路方向图。这是他们的四大创意点子：

　　1、变革电力的生产和使用

　　大胆的想法：重新设计电动汽车的电网。

　　第一辆主流混合动力车和纯电动汽车现在刚刚进入市场，而最初的销售一直很缓慢，美国能源部预测到2015年将有120万辆电动汽车在道路上行驶。电动汽车革命正在全力进行中，密歇根大学的机械工程师杰弗里•斯坦（Jeffrey Stein ）表示，现在是时候整合交通基础设施的电网，引入电动车，并确保国家的碳排放量下降。

　　据统计，交通运输排放的温室气体占美国碳排放量的27%。电力公司严重依赖燃煤电厂，发电产生的碳排放量占33%。斯坦说：“起初它可能似乎有悖常理，电动汽车怎么会帮助我们控制温室气体排放？但事实上，我们可以通过汽车电气化减少二氧化碳排放量，减少对发电厂的需求，设计电网工程以增加清洁能源的使用。

　　其背后的科学道理：

　　电网和未来电动汽车的设计师将必须考虑电动汽车何时和如何充电。电驱动运输协会副会长吉纳维夫•库伦（Genevieve Cullen）说：“预计80%的充电将在家里或工作地点进行。”人们何时对自己的汽车充电对电动汽车的环保性可能有巨大的影响。

　　在非高峰时段，电力公司在很大程度上依赖于碳中性的核电厂所产生的基本负荷电力；在高峰时段，电力需求上升时，他们就启动燃煤电厂以满足需求增加的需要。斯坦说：“在非高峰时段，当使用清洁能源时，电力公司能够给电动车车主提供更优惠的价格。此外，还要设计一种智能电网，可以分配太阳能或风能等可再生能源，例如，同时为一组电动汽车充电。如果电力公司能够有选择性地在可再生能源资源充沛时为车辆组充电，这将使电动汽车不仅减少石油消耗，还能从整体上减少温室气体排放量。”

　　下一步的做法：

　　奥巴马政府最近公布了一项与汽车制造商之间的协议，内容是将在2025年以前将新车的燃料经济性提高至每加仑54.5英里(约合每升23.2千米)，大致相当于当前水平的一倍。这项最新协议是汽车制造商、政府官员和环保人士在经过长时间的争论以后达成的，旨在推动汽车制造商生产更多的混合动力汽车和插入式电动汽车，同时也是为了减少有害于环境的温室气体排放量。根据白宫作出的预测，这项最新协议可将现在与2025年之间的原油消费量减少120亿桶，并在未来14年时间里将家庭用于汽油的平均支出削减8000美元。如果这一目标得以达成，那么预计2025年美国原油日均消费量将减少220万桶。但吉纳维夫•库伦指出，如今的电动汽车对于普通消费者来说太昂贵了，而且还要缴大量的税。她说：“我们还需要在这一领域的研究和开发进行投资，特别是在电池和制车技术方面，使电动汽车的生产成本降低。如果成本降低了，电动汽车将变得更有吸引力。”

　　2、减小核能反应堆的规模

　　大胆的想法：建立小型模块化核反应堆（small modular reactors）

　　日本福岛核电站核泄漏事故引发人们对发展核能的担忧，但核能却是大规模生产电力而没有碳排放的唯一选择。而小型模块化核反应堆为核能生产电力提供了更好的方式。美国能源部长朱棣文提到，相对于建设昂贵的巨大反应堆，规模较小的、更廉价的、大规模生产的核反应堆可能会是一个更好的选择，这样做是为了填补无碳发电的空白，直到无核可再生能源广泛使用。小型模块化核反应堆大约是传统核能反应堆产能的三分之一，而且设计更加安全，易于操作。

　　其背后的科学道理：

　　小型模块反应堆在不同情况下体现出许多优势，比如，小型模块化核反应堆体积只有传统反应堆的1/3，可先在工厂内制成，利用车辆运送到指定地点后，即能即时运行发电。若商业化可行，小型模块化核反应堆将大幅扩展核电的应用范围，解决缺乏空间兴建大型发电设施的问题，也缩减兴建电厂的资金成本与工程时间。此外，倘若现有电厂需要增加发电量，小型模块化核反应堆的尺寸优势恰可被灵活运用。有些小型模块化核反应堆设计仅需少量冷却用水或完全不用，降低了环境影响；另外有些设计更可减少燃料棒或核废料残留。小型堆有望进一步简化设计，通过批量生产提高经济性，降低选址成本，并且能在发生故障时体现高度的非能动安全性。

　　下一步的做法：

　　在2011年的联邦预算中，奥巴马总统要求针对小型模块化核反应堆计划投入3900万美元，美国能源部也支持此技术，并在今年首度对小型模块反应堆设计的商业运用推广提供资金。田纳西河流域管理局最近宣布在田纳西州建立第一个小型模块反应堆。该反应堆有望在2020年为7万户家庭提供用电需求。能源部计划在佐治亚州萨瓦纳河建立一个小型模块反应堆。此外，伊利诺斯州和新墨西哥州也在考虑建立小型模块反应堆。

　　3、大力开发天然气

　　大胆的想法：从永久冻土带或海底沉积物提取天然气作为发电涡轮机的动力。

　　目前，天然气发电量占美国电力的25%。天然气储量丰富，可满足日渐增长的人口的需要。美国目前的天然气储量为284万亿立方英尺（约合8.04万亿立方米），可供11年使用，而且还有更多的天然气储藏在永久冻土带和海底，被称为天然气水合物。天然气水合物中含有的天然气为700000万亿立方英尺，以目前的消耗速度，这些天然气可供美国使用1000年。

　　其背后的科学道理：

　　天然气是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料，它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。天然气燃烧后无废渣、废水产生，相比煤炭、石油等能源，有使用安全、热值高、洁净等优势。天然气水合物是由水和烃类气体在一定的温压条件下形成的笼状固态物，在自然界主要分布于海底沉积物和极地永久冻土带中。现有资料估计，天然气水合物资源量巨大，其蕴藏的碳含量是煤、石油和天然气碳含量总和的两倍。因此，天然气水合物是一种重要的潜在资源。

　　下一步的做法：

　　燃气涡轮是将高温高压燃气流的能量转换为机械能的一种叶片机，机械能以涡轮轴功率的形式输出，用来驱动燃气涡轮发动机中的压气机和其他附件（发电机、油泵等）。目前的燃气涡轮仍有改善的可能性。专家称，如果将天然气涡轮机的效率提高5%，到2040年美国电力生产的成本将减少1800亿美元。

　　4、从藻类提取油

　　大胆的想法：利用藻类为汽车供油

　　像许多其它的植物一样，藻类能产生一种可被转换为工业使用的油。藻类含有高达60&的油，藻类产生的1加仑油产生的能源量等同于1.4加仑油产生的能源量，最新的研究将使这个比例提高。如果藻类得到大面积种植，将代替美国70%的汽车用油量。

　　其背后的科学道理：

　　利用玉米高粱等粮食作物生产生物燃料会占用耕地，而藻类不需要。目前科学家只研究一种被称为“Chlamydomonas reinhardtii”的藻类，也许还有数千种其它的藻类有可能成为生物燃料的来源。

　　下一步的做法：

　　据美国能源部的报告，理论上来讲，仅藻类一项就能解决整个美国运输燃料的需求。能源部投资以藻类为主的企业，并整理形成一份题为《国家藻类生物燃料技术路线图》的报告。藻类生物燃料最终可以满足日益增多的能源需求，用以代替燃烧化石燃料来减少温室气体的排放，从而对气候变化作出贡献。