可再生能源和新技術
戴維‧加曼(David K. Garman)
美國能源部負責能源效率和可再生能源的助理部長
加曼指出﹐過去30年來﹐在提高傳統燃料效率﹑發展和利用可最終改變能源業的新一代技術這兩個領域進行的能源研究取得了長足的進展。他說﹐要滿足美國和世界對潔淨能源的長遠需要﹐就必須實現使用新技術的飛躍發展﹐同時繼續投資於提高能源效率﹑可替代化石燃料的可再生能源和更潔淨的非再生能源。
能源挑戰
能源是當代每個國家的生命線﹐是優質生活水準﹑發達經濟和國家安全的支柱。雖然有效使用現有能源資源在短期內至為關鍵﹐但像其他國家一樣﹐美國必須把目光投向氫能和納米技術等新一代技術﹐以應對為所有人民提供清潔﹑豐富﹑可靠和廉價能源的日趨艱巨的挑戰。布希總統於2001年5月發佈的《國家能源政策》闡述了美國的能源戰略。《國家能源政策》提請人們注意一個事實﹕美國國內的能源供應與國內能源需求之間的嚴重不平衡是我們面臨的最根本的能源挑戰。它表明﹐美國消耗的能源大大超過其生產的能源﹐我們對進口能源的依賴一年比一年嚴重。《國家能源政策》還就應採取何種措施提供了指導。
我國目前的能源經濟有如下幾個特點﹕
- 我們擁有多樣化的主要能源資源﹐如化石能源(石油﹑煤炭和天然氣)﹑核能和可再生能源。
- 但是﹐我們過度依賴石油﹑煤炭和天然氣。
- 交通運輸部門幾乎完全依賴石油(97%)﹐其中絕大多數是進口石油。
- 在幾乎所有能源消費部門﹐大量的能源或者遭到排斥(如核能﹑風能﹐譯者注)﹐或者被浪費﹐而在三個主要能源消費部門中(民用/商用﹑工業及交通運輸)﹐交通運輸部門的能源利用率最低。
提高石油利用效率和開發國內新的石油資源都是短期內的重要任務﹐但最終需要的是擺脫對石油的依賴的長遠解決方案。
美國面臨的能源挑戰因另一個重要因素而變得更加複雜化﹐這就是能源消費帶來的污染和二氧化碳的排放。雖然我們在減少轎車和卡車污染以及來自工廠﹑家用和其他固定污染源的污染方面取得了良好進展﹐但我們最終需要採取新舉措﹐以進一步減少廢氣排放。為了在未來為美國提供可靠﹑廉價﹑有利於環境的能源供應﹐美國能源部能源效率和可再生能源局(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy﹐簡稱EERE)在聯邦政府研究﹑開發和利用生物質能﹑地熱能﹑太陽能﹑風能和其他可再生能源和能源效率技術等方面發揮著領導作用。由於過去30年來對科研﹑應用範例﹑稅務優惠和其他政策舉措的大量投資﹐我們在提高能源使用效率和向市場推廣可再生能源技術方面取得了巨大進展。雖然我們以及我們的行業合作夥伴進行的投資已初見成效﹐不斷在這些技術的成本和效率方面取得顯著進展﹐但為了應對我們所面臨的能源挑戰﹐還有更多的工作有待去做。
氫能利用的前景
像氫能這樣的新一代能源技術的開發會大大減少美國對能源進口的依賴﹐特別是在交通運輸業。由於氫能不是能源來源﹐而是能源的載體﹐因此可以從天然氣﹑煤炭﹑核能和可再生能源等各種主要能源來源獲得。氫能可以用作超潔淨內燃機的燃料﹐這將使汽車的廢氣排放量降低99%以上。當氫能被用作燃料電池汽車的動力時﹐它的效能會比今天的汽油發動機高一倍以上﹐而且不會排放有害氣體。事實上﹐燃料電池唯一的副產品是純淨的水和廢熱。氫能燃料電池還可以是固定式的﹐可為家庭﹑辦公室﹑購物中心和其他建築物供電。自從《國家能源政策》公佈以來﹐布希總統和能源部部長斯潘塞‧亞伯拉罕(Spencer Abraham)提出了幾項與氫能有關的計劃﹐其中最引人矚目的是﹕2002年1月公佈的《自由車計劃》(FreedomCAR)﹔布希總統2003年在發表國情咨文講話時宣佈的《氫燃料計劃》(Hydrogen Fuel Initiative)﹐2003年2月宣佈的《未來發電項目》(FutureGEN)﹐這是一個零排放煤炭發電和氫能發電項目﹐內容包括螯合──捕獲和儲藏──溫室氣體排放。布希總統在2003年發表國情咨文講話時宣佈﹐"隨著國家做出這一新的承諾﹐我們的科學家和工程師將會克服障礙﹐使這些汽車從實驗室進入展示廳﹐這樣﹐今天出世的孩子所開的第一輛汽車可能就是用氫作動力﹑沒有污染的汽車。"所有這些計劃為開發生產﹑輸送﹑儲存﹑轉換﹑應用氫能所需的先進技術﹑建立氫能經濟的國家戰略發揮了推動作用。
聯邦政府的作用是加速推動氫能和燃料電池的發展﹐使工業界在2015年前能夠做出使這些技術商業化的決定。但生產和營銷燃料電池或其他先進的車輛將是工業界的職責。實現這一遠景規劃需要技術上的突破﹐而且這些技術必須為人們所接受﹐還需要對國家氫能基礎設施進行大量投資。成就不會在一夜之間或數年內取得﹐而需要幾十年﹐這將需要一個隨著技術和市場的成熟而逐漸向氫能穩步過渡的進程。
其他新一代技術
除了解決對交通運輸至關重要的能源需求問題﹐在其他領域──像建築物──也必須提高能源效率。隨著人口的增長和家庭用電的增加﹐美國與住房相關的能源消費也在不斷增長。高效﹑舒適以及容易管理和維修的新一代建築物將需要新技術。例如﹐使用半導體發光二極管的固態照明是一種具有變革意義的技術革新﹐可能改變我們的家用照明和辦公照明方式。在美國﹐照明消耗的電能佔所有建築物供電量的近30%。現代電子螢光燈泡比白熾燈泡省電得多﹐但它們與上一代電子真空管沒有什麼不同﹐仍舊是充滿氣體的玻璃球。發光二極管對於螢光燈來說有如晶體管相對於真空管﹐或者汽車相對於馬車。從長遠來說﹐美國的研究重點是"零能源型建築物"﹔這種新型建築將高效設計與燃料電池﹑太陽能﹑地熱能和其他分散式能源和廢熱發電技術相結合﹐所消耗的能源通常低於其生產的能源。將陽光直接轉換為電能的太陽能電池──即太陽能光伏(photovoltaics﹐簡稱PV)──通過裝設在房頂上的薄膜太陽能光伏已經在為建築物提供補充能源﹐並為得不到電網服務的分散式電力系統提供電力。分散式能源指的是可同能源管理和能源儲存系統結合起來﹑用於改進輸電系統作業的各種小型群組合式發電設備﹐無論這些設備與電網連結與否。
能源部也在積極從事納米技術的研究和開發。納米材料──通常為一米的10億分之一﹐或者比一根人發細一千倍──與大塊的同質材料相比具有不同的化學和物理性能﹐可用於開發新技術。能源部長亞伯拉罕說﹕"這一微型物質的新科學可徹底改變我們生產﹑使用和輸送能源的方式。"有些納米材料顯示出它具有巨大的潛力﹐可用來製造高效太陽能電池以及用於氫能燃料電池的新一代催化劑和薄膜。由於碳納米管──基本上是用石墨薄片捲成直徑為幾納米的細管──極其微小而又具有高超的導電性能﹐人們正在研究把它用作未來電子儀器的構件。碳納米管與電纜進行合成處理後可製成性能良好的輸電線﹐其性能將大大超過今天所用的電力網。
通過上文的幾個例子便可看出新技術所預示的截然不同的能源前景。
提高能源效率和開發可再生能源的持續努力
儘管氫能和其他革新從長遠來講可能具有重要意義﹐但能源效率和可再生能源局仍在繼續對提高能源效率和改善可再生能源進行投資﹐使之在近期即產生影響。根據《自由車計劃》和《車輛技術項目》(Vehicle Technologies Program)﹐除氫能燃料電池技術外﹐我們正在資助混合動力技術(汽油-電力和柴油-電力)和輕質材料技術研究項目。我們認為﹐由於輕質材料和混合動力技術預計將被納入燃料電池汽車的設計中﹐許多這類技術在燃料電池汽車投入使用前和投入使用後都能節省燃料。此外﹐我們也為旨在繼續提高製造業和其他工業以及電器﹑建築物和電力傳輸及電力配送等行業的能源利用率的研發項目提供資金。能源效率和可再生能源局還在積極支援另外一些研發工作﹐以提高風能﹑太陽能﹑地熱能和生物質能等各種可再生能源供應技術的效能和競爭力。例如﹐風能是世界上最為廣泛使用和發展最快的可再生能源之一。自2000年以來﹐美國的風力渦輪發電能力提高了一倍以上。由於能源部所資助的研究﹐在風力資源豐富的地區﹐風力發電成本自1982年以來下降了20倍﹐降到每千瓦小時4美分甚至更低。在能源業對這些資源進行開發的同時﹐能源部的研究和開發項目將注意力轉移到開發能夠更廣泛地利用低速風力資源的新技術上。"低速風力"技術將使可開發風力資源的土地(並可能延伸至海上)擴大20倍。
協助技術研究與開發的機制
能源部利用投資﹑政策和其他各種機制協助技術研究與開發──這些機制包括直接對研發投資﹑與私營部門建立合作夥伴關係﹑基礎科學研究﹑投資和生產方面的稅收優惠﹑貸款擔保等﹐同時利用政府購買力的"市場拉動作用"和消費者教育及協助項目。政府繼續支援全面的能源立法﹐以提高能源效率和推動可再生能源的發展﹐包括為可再生能源提供生產收稅優惠﹐制定可再生燃料標準以支援從生物質中提取乙醇和生物柴油﹐以及制定其他各種提高能源效率的條例。除聯邦政府外﹐各州政府也制訂了許多政策﹐以鼓勵使用可再生能源和其他技術﹐如住宅型太陽能發電系統(net metering)。住宅型太陽能發電系統使用戶能夠生產自己的可再生電能﹐並把多餘的電力售回給供電部門。通過可對風能﹑太陽能﹑生物質能和地熱能等各種可再生能源加以利用的"綠色電力"項目﹐可供美國公眾選擇的供電源日益擴大。由於用戶的需求﹐美國各地已經裝設(或計劃裝設)了1000萬千瓦的綠色發電能力。
美國與其他國家的合作
由於世界大部份地區面臨像美國一樣的能源挑戰﹐美國公司的技術開發也將使其他國家受益。另外﹐輔助說明發展中國家更有效地利用能源和發展替代能源可以使這些國家直接進入使用先進技術的階段。能源部與其他國家簽署了無數鼓勵使用能源技術的雙邊和多邊通訊協定﹐包括"氫能經濟國際夥伴關係" (International Partnership for the Hydrogen Economy﹐簡稱IPHE)。這是為促進研究﹑開發和範例氫能技術和加速世界經濟向使用有利於環境的氫能技術過渡而於最近建立的一個群組織。正式建立"氫能經濟國際夥伴關係"的《議事規則》(Terms of Reference )由亞伯拉罕部長和代表其他14個國家和歐洲聯盟的部長於2003年11月簽署。"氫能經濟國際夥伴關係"將為跨國研究﹑開發和實施有助於向全球氫能經濟過渡的項目提供一種群組織﹑評估和協調機制。能源部還參加了"碳螯合領導人論壇"(Carbon Sequestration Leadership Forum﹐簡稱CSLF)。這是一項應對氣候變化的國際計劃﹐目標是促進高效益的排放捕獲和儲存技術的發展。"碳螯合領導人論壇"章程於2003年6月簽署﹐現有16個產煤和用煤的成員。碳螯合技術是美國的一項優先議程﹐因為化石燃料(在消耗過程中產生二氧化碳)在今後一段時間仍將是世界上最可靠和成本最低的能源。
其他行動還有"第四代國際論壇"。能源部通過這個論壇與一批國際性政府群組織共同努力﹐為促進新核能系統的發展展開雙邊和多邊合作。美國還重新加入了旨在利用核聚變為未來提供能源的國際熱核試驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor﹐簡稱ITER)項目。雖然核聚變的開發存在著複雜的技術障礙﹐但它蘊藏著巨大潛力﹐不可忽略。
結束語
美國和其他國家在為公民提供潔淨﹑豐富﹑可靠而又廉價的能源方面面臨諸多挑戰。美國政策側重於以飛躍的方式完成向氫能之類的新一代技術的過渡﹐同時努力提高能源效率﹑開發化石燃料的替代品和更潔淨的非再生能源──這一切努力對未來能源供應都可能發揮重要作用。(完)