书城科普读物求知文库-能源的形势与现状
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第8章 各具特色的能源(6)

帆船在一些工业发达的国家里,曾一度被人遗忘,但今天它又以崭新的英姿,展现在人们的眼前。1980年,日本的风帆船“新爱德凡”号开始在沿海水域作运输航行。这是一艘新式帆船,它载重量1600吨,拥有最先进的科学技术装备,装有两面卷折式纤维增强塑料巨帆,同时装有一台带动大直径螺旋桨的1600匹马力的低速柴油机。当主机与风帆配合使用时,每小时航速可达13海里(24.076公里)。风帆的扬卷和方向的转变完全由微处理机指挥,综合考虑航向、风向、风力的关系,自动选择最有利的帆面受风角度,最佳利用风能。它比载重相同的普通机动船节省50%燃料,其中用风帆可节省30%燃料。日本又建造了两艘载重量为2100吨的风帆船,这艘船的帆面面积进一步加大,主机功率减小,除微处理机控制风帆外,还对主机所带可变螺旋桨叶的角度加以控制,以便在风速增大时,最小限度消耗燃料,还能保持原定航速,经济效益进一步提高。有人估计,只要将全世界的货船中20%装上风帆,一年中节约的燃料价值就达30亿美元。

风能是一种干净而且取之不尽的能源,但亦有它的缺点:分散、时有时无、能量密度低、有大有小等,只有因地制宜地加以利用,才能取得较好的经济效益。风能已越来越广泛地受到世界各国的重视。

来自地心的能源——地热

正当世界面临能源短缺之时,人们自然会想起地球母亲怀抱中的能源——地热。我们的祖先早在二千多年前,就开始享用地下热水,后来开发蒸气井采热。但因条件限制,只能利用地表的有限热能,而地球深处的能量被埋没了许多个世纪。从20世纪70年代开始,地热的开发利用受到了世界各国的重视,深埋了亿万年之久的地下热源被开采出来,为人类供暖和发电,开辟了能源世界新天地。

拜访地宫难

一百多年前,法国一名叫凡尔纳的作家,曾在他的科幻小说里提出去月球旅行和入地心探险的遐想。经过了一个世纪,人类终于排除了千难万险,探访了“月宫”,在宁静的月面上踏上了深深的脚印。但入地却比登天难得多,人类至今伸向地球深处的“铁臂”最长也只不过9600米,更没人敢乘坐一辆钻地探险车去拜访地宫。

原来,半径6300多公里的地球,并非是古人想象的那种空心球,也不完全是一个坚硬的实心球,而是一个谜一样的高温高压世界。

今天,人类已经开始探索地球深处的奥秘。实践告诉人们:入地之所以比登天难,是因为地表的岩石密度比最稠密大气层密度大几千倍,而且越往深处密度越大,甚至大上万倍。如果要驾驶一辆钻地探险车去拜访地宫,将会遇到多大阻力啊!

地球表面是气象万千的天地,可是地下却是面目皆非的严酷世界。它的外层是平均厚度只有三十几公里的岩层,称为地壳,海底最薄的地壳只有5公里。

往下2800公里则是带塑性的岩浆,叫地幔。它比岩石还致密(大约是水密度的5倍),难怪有人将地壳比作漂浮在地幔之上的板块。

离地面2900公里以下,则是地球的核心,它是超高密度的固体(密度是水的10倍),叫地核。

如果将地球比作熟鸡蛋,则地壳就好比是薄薄的蛋壳,地幔就像蛋白;地核就似蛋黄。

地球深处是高温高压的神秘世界。实测资料估计,平均每深33米,温度上升1℃,到地壳底层温度已达1000℃以上,地幔的温度则达1200℃-2000℃,地核温度竟高达5000℃以上,火山爆发时,地球内部从几十公里深处喷射出来的岩浆,经过了长途跋涉来到地面,仍有1000℃以上高温,就是一个证明。美国钻了一口最深的井,钻杆伸到9600米深处时,被220℃熔融硫黄粘住而动弹不得,可知要突破挡路的岩浆是多不容易呀!

人类还能战胜几千度的高温,但地心深处的高压却难以对付。印度南部有一个名叫科拉的金矿,当坑道还没有延伸到3000米深时,钻孔在一天之内就被四周的压力封闭了。由此可知,地层深处有多大压力啊!

科学家预测,离地面2900公里处的压力可达13万多兆帕,地心的压力竟达36万多兆帕。有人做过试验,在12万兆帕下,金刚石竟变得像黄油一样软,这想必就是地幔成了黏稠岩浆的原因所在。我们目前使用的任何一种材料,都不能适应这样严酷环境的考验。只凭当代的科学技术水平,要想拜访地宫,真比登天还难得多!

然而,任何事物总是一分为二的,难入的地宫却也是一座珍贵的地下热库,它对人们同样充满诱惑,人们是绝不会放弃任何与地热有关的种种利用。

丰富的地热资源

地球内部像一座高温高压的火炉,当雨水渗入地下或地下水流经这个火炉时,就被加热成蒸气或热水,再沿着石头的缝隙冒出地面,变成一股股滚烫的热泉。

岩浆是炽热的黏稠熔融体,它受热而大大膨胀了身子,总是气鼓鼓地往外挤,但地壳却死死地将它闸住,“火炉”里始终憋着一股劲儿。

在地壳较薄的地方,岩浆有时冲破地壳的束缚,像脱缰的野马一样奔放出来,这时甚至把整块地皮和石头一齐抛到高高的天空中去。

火山爆发往往会毁坏森林和村庄,甚至危害生命。但是,火山周围也常常形成许多能源源不断地供应地下热水或蒸气的地热田,那里常是景色宜人的旅游胜地或天然公园。

一般称温度在20℃以上天然露头的地下水为温泉,它们按温度高低分为:低温泉(20℃-40℃)、中温泉(40℃-60℃)、高温泉(60℃-100℃)和过热温泉(100℃以上)四种。

地层中如果存在开放的对流水系,就会把地热带到地球浅层或表面,形成温泉、热泉或蒸气田,而这种条件是不很多的。实际上,在有开采价值的地热资源中,以不含水的热干岩最引人注目。

热干岩温度高达650℃,储热量大,通常埋藏于离地表只有2-3公里的深处,现代钻探技术已能达到。热干岩地热的开采利用已深受国际上普遍重视,在采用先进的遥感遥测、地质勘探、物理探查和化学分析技术,探明热干岩的类型、埋藏深度和规模之后,就不难加以开采利用。

世界地热资源

地球内部蕴藏着难以想象的巨大能量。据估计,仅地壳最外层10公里范围内,就拥有1254亿亿焦热量,相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。如果计算地热能的总量,则相当于煤炭总储量的1.7亿倍。有人估计,地热资源要比水力发电的潜力大100倍。可供利用的地热能即使按1%计算,仅地下3公里以内可开发的热能,就相当于2.9万亿吨煤的能量。这是多么惊人的数字啊!不过世界各地的地热资源分布是不均匀的,有些国家地热资源特别丰富。冰岛就是富地热资源的国家。它地处北极圈附近,尽管气候寒冷,但地下却蕴藏着巨大的热能。冰岛的岩流几乎占全球岩流的三分之一,近几个世纪里,平均每五年有一次火山爆发,有形成地热的得天独厚的条件。据统计,冰岛拥有温泉、热泉、蒸气泉、间歇泉等达1500多个。

美国也蕴藏着丰富的地热资源,据地质调查表明,美国高温地热发电潜力相当于755-7297亿吨标准煤,或600-4750亿桶石油;可以直接利用的中、低温热能则相当于1606亿吨-9139亿吨标准煤。

此外,日本、新西兰、意大利、印度、菲律宾、法国、匈牙利、墨西哥、肯尼亚等许多国家都蕴藏着地热资源。

我国的地热资源也比较丰富。目前已发现的地热露头有2700多处(包括天然和人工露头),还有大量地热埋藏在地下尚待发现。

我国大多数省(区)都有为数不同的地热露头,地热点分布比较多的有:云南(345处),西藏(342)处,河北(320处),四川(295处),广东(229处)等省区。我国地热资源大部分属于中低温热水,80℃以上的地热点只有600多处。从我国地热分布情况来看,有从中部向东部大陆边缘和西南部地热数量逐渐增多和水温逐渐增高的趋势。

西藏羊八井地热田闻名世界,它在海拔4200米高处,两侧是5000-6000米的高山雪岭。谷地平坦,热水沼泽星罗棋布,热气喷口爆炸遍地可见,许多温泉、热泉和沸泉连成一片。最引人注目的是热水湖,湖面7300多平方米,最深处达16米,水温常常在46℃-57℃。

北京蕴有多处低温地热田,它的总面积至少有600平方公里。埋藏浅的只有400米,深的2500米,水温最低只有38℃,最高可达70℃。

除西藏外,云南和台湾省属高温地热区;福建、广东等沿海省份属中、低温地热带;内地一些盆地蕴有低温地热田。

开发地热,造福人类

地热是大自然恩赐给人类的宝贵能源,开发利用地热能可节约大量煤炭、石油和天然气,人们从而有更多的化工原料可用。特别是在因大量烧煤对环境造成严重污染的情况下,开发地热对保护环境有着更重要的意义。

国内外都广泛重视地热的开发利用,它已广泛为工业、农业、国防、医疗卫生事业服务。世界上已有60多个国家开发了地热能源。

利用地热能无非有直接利用地热和地热发电两条途径:

①地热能的直接利用:我国利用地热能有悠久的历史。近代,我国直接利用地热的范围更为广泛,地热这股“暖流”已流遍农、林、牧、副、渔、工业,以及医疗卫生等各行各业。

在农业生产中利用地热温室育种育秧,种植蔬菜。寒冬腊月为市场提供新鲜的西红柿、黄瓜、辣椒、西瓜等果蔬。地热烘干和催芽既可节省燃料,又能提高工效,保证质量。用地下热水灌溉和加温土壤,随时可取;热水中含有多种有助于农作物生长的化学元素,促进作物增产。地下热水为水生作物(水浮莲、红萍、绿萍、水葫芦等)的生长、繁殖、越冬提供了有利条件。

林业上也已广泛使用,地热温室培育苹果苗,可缩短育苗期两个多月;栽培葡萄,可人为地打破休眠期,做到长年结果;还可培育珍贵树种。用地下热水浇灌核桃、苹果、梨、葡萄等多种果树,生长茂盛,果大味鲜。

在畜牧业中,建立牲畜地热浴池,为牲畜治疗皮肤病,消灭吸血寄生虫。供牛羊饮用,增强了消化能力,使牲畜长得膘肥体壮。可利用高温地热水烫煺已屠宰的猪、牛、羊的毛。用地下热水煮饲料喂养牲口等等。

副业上用地热孵化鸡鸭,可控制孵化量的大小,不受季节限制,温差小而稳定,孵化率高,管理方便。可用地下热水加工兽皮、洗羊毛等等。

渔业上用水温40℃的地下热水,使非洲鲫鱼能在北京越冬并生长繁殖。利用温流水高密度放养莫桑比克罗非鱼,三个月内亩产达9000公斤,建立地热温水鱼池,养殖鳗鱼喜获丰收。

此外,采用地热制冷设备,可用来制冰或冷藏蔬菜、瓜果、种子等。利用地下热水还可为沼气池加热,在严寒的季节,沼气池照常产气。帕米尔高原的群众在炽热的岩洞里烤羊肉。西藏的群众还经常把牛肉干放在热泉中煮食。西藏农牧民还常常直接用不含有害物质的地下热水沏茶。

工业上利用地下热水来漂染布料,控制车间的温度和湿度。橡胶厂利用地热水供锅炉用水、缫丝厂缫丝用热水。有的地热水井是高浓盐卤水,从中可提取盐类和贵重的微量元素。

还有,可利用地热为房屋取暖,既节煤又干净。利用地热水建立冬季游泳池。

在医疗卫生上,地热温泉浴对皮肤病、风湿性关节炎疗效显著。全国有不少温泉疗养院。

世界上有不少国家利用地热为工农业生产、居民取暖和医疗卫生服务。冰岛利用地热采暖已占全国人口的70%以上,居世界首位。在冰岛,用喷泉的热水就能在室内洗澡和取暖。首都雷克斯雅未克市已经全部利用地热采暖,节约了大量常规能源,大大减轻了城市的环境污染,市内空气洁净,市容幽雅美观,有“无烟城市”美称。冰岛1925年开始利用地热温室栽培蔬菜,1974年开始由地热温室生产的蔬菜和花卉自给有余。全国消耗的热能有80%来自地热。还利用高温蒸气干燥羊毛、鱼类、海藻、青草和各种谷物。

日本是多火山的国家,地热资源丰富。1916年起利用地热温室栽培花草。并利用地热水取暖、烧饭、洗医疗浴,洁净的温泉水还作为饮用。在农业上,利用地热温室栽培蘑菇、木瓜、香蕉、西红柿、黄瓜等蔬菜及各种花卉,还有热带作物橡胶、椰子等。并用地热加温饲养鳗鱼、鳝鱼,孵化鸡鸭,对猪舍加温等。日本北海道多冰雪的城镇,甚至巧妙地利用地热供暖使道路上的冰雪解冻。

新西兰对地热直接利用也十分重视,除打浅井供家庭采暖、取家庭热水、游泳池热水外,还利用地热蒸气干燥木材、干燥纸张等。还专门开设温泉、矿泉和治疗浴场。

此外,美国、前苏联、匈牙利、意大利、法国对地热的直接利用也都十分重视,而且发展得比较快。

今后,地热能直接利用的重点领域将是采暖和农业生产。随着常规燃料价格的上涨,利用地热采暖将越来越经济。农业上重点利用地热能提高粮食产量,使以前不能大规模生产商品粮的寒冷地区高产谷物,用地热提高土温,以延长生长季,大幅度增产。加工业方面对地热的直接利用的要求将会有所增长。干旱和缺淡水的地区,将利用地热来淡化盐水。

②地热发电:地热发电是利用地下热能的重要途径之一。由于地下热水或蒸气温度因地而异,有的高达280℃以上,有的还不到100℃;有的压力高达几十兆帕,有的还不到几兆帕。有的热水纯净,含杂质少;有的则含多种腐蚀性强的成分。针对这些不同情况,地热发电的方式也相应而异,大体可分成三种:

第一种是直接利用天然蒸气发电。这种方法简单,只要打好钻井,将地下热蒸气直接引入汽轮机,推动汽轮发电机旋转就可发电。如果引出的蒸气夹杂着热水的话,可先通过汽水分离器,将水除去,再引入汽轮发电机。

但要求温度在100℃以上,压力在2-3兆帕以上,而且不含严重腐蚀汽轮机的有害成分的地下热蒸气。