一、可怕的能源危机

    煤、石油、天然气是当今世界经济的三大能源支柱，能源危机的出现是以石油危机作为开端的，“能源”的概念也正是在前两次能源危机之后才被广泛地提及。

    第一次石油危机（1973~1974年）

    1973年10月16日，震撼世界的石油危机爆发。

    1973年1O月6日爆发战争当天，叙利亚首先切断了一条输油管，黎巴嫩也关闭了输送石油的南部重要港口西顿。10月7日，伊拉克宣布将伊拉克石油公司所属巴士拉石油公司中美国埃克森和莫比尔两家联合拥有的股份收归国有。

    接着，阿拉伯各产油国在短短几天内连续采取了三个重要步骤：

    10月16日，科威特、伊拉克、沙特阿拉伯、卡塔尔、阿拉伯联合酋长国和伊朗决定，将海湾地区的原油市场价格提高17%。

    1O月17日，阿尔及利亚等1O国参加的阿拉伯石油输出国组织部长级会议宣布，立即减少石油产量，决定以9月份各成员国的产量为基础，每月递减5%。

    10月18日，阿拉伯联合酋长国中的阿布扎比酋长国决定完全停止向美国输出石油。接着利比亚、卡塔尔、沙特阿拉伯、阿尔及利亚、科威特、巴林等阿拉伯主要石油生产国也都先后宣布中断向美国出口石油。

    阿拉伯国家的石油斗争，突破了美国石油垄断资本对国际石油产销的控制，沉重打击了美国在世界石油领域的霸权地位。

    1973年被称为是美国历史上最“黑暗”的一年——灯火通明的摩天大楼到了夜晚一片漆黑，联合国大厦周围和白宫顶上的电灯也限时关掉，许多居民不得不靠拾树枝生火取暖。美国无法提供急需的石油以抢回世界油价控制权，被打得措手不及，以致尼克松不得不承认美国“正在走向第二次世界大战结束以来最严重的能源不足的时期”。他下令降低了他座机的飞行速度，并取消周末旅行的护航飞机。美国人建立在资源无比富饶之上的信心在这次石油危机中被严重摧毁。

    石油价格的上涨触发了第二次世界大战之后最严重的全球经济危机。

    第二次石油危机（1979~1980年）

    1978年底，伊朗爆发革命后伊朗和伊拉克开战，石油日产量锐减，引发第二次石油危机。危机中石油产量从每天580万桶骤降到100万桶以下，全球市场上每天都有560万桶的缺口。油价在1979年开始暴涨，从每桶13美元猛增至1980年的35美元。这种状态持续了半年多，此次危机成为20世纪70年代末西方经济全面衰退的一个主要诱因。危机导致西方主要工业国经济出现衰退，据估计，美国GDP下降了3%左右。西方主要原油消费国纷纷抢购石油进行储备。

    第三次石油危机（1990年）

    1990年爆发的海湾战争，直接导致了世界经济的第三次危机。来自伊拉克的原油供应中断，油价在三个月内由每桶14美元，急升至42美元。美国经济在1990年第三季度加速陷入衰退，拖累全球GDP增长率在1991年降到2%以下。随后，国际能源机构启动了紧急计划，每天将250万桶的储备原油投放市场，油价一天之内暴跌10多美元，欧佩克（石油输出国组织）也迅速增产。因此，这次高油价持续时间并不长，与前两次危机相比，对世界经济的影响要小得多。

    真正的能源危机离我们多远？

    这几次石油危机给全球经济造成严重冲击。历史上的几次石油价格大幅攀升都是因为欧佩克供给骤减，促使市场陷入供需失调的危机中。

    2004年以来，国际油价不断创出新高，一些市场人士认为，第四次石油危机可能来临。石油价格一直是世界经济关注的热点。

    目前看来，金融危机又正牵动油价下滑，石油的供需影响着世界经济。

    石油危机也让我们认识到能源对人类的重要性。如果之前的能源危机是由于人为的原因造成的话，那么，随着人类经济的进一步发展，人们对能源的依赖越来越强，我们可以想象一下，如果世界上没有了电，没有了石油，我们的生活该如何继续下去？

    地球上的能源越来越少。按照我们现在开采能源的速度，地球上存在的煤炭只能供我们开采200年左右，而石油和天然气只能供人们使用50年左右，包括各种能源在内的能源短缺引起的能源危机离我们已经不远。

    为了应付能源危机，世界各国都在极力开发新能源，尤其是可再生能源，以保证人类的能源需要。

    二、当今世界经济的三大能源支柱

    煤

    煤炭是埋在地壳中亿万年以上的树木和植物，由于地壳变动的原因，经受一定的压力和温度作用而形成的含碳量很高的可燃物质，又称作原煤。由于各种煤的形成年代不同，碳化程度深浅不同，可将其分类为无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤等几种类型。烟煤又可以分为贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、漆煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤等。

    煤炭既是重要的燃料，也是珍贵的化工原料。20世纪以来，煤炭主要用于电力生产和在钢铁工业中炼焦，在某些国家蒸汽机车用煤比例也很大。另外，由煤转化的液体和气体合成燃料，对补充石油和天然气的使用也具有重要的意义。

    石油

    石油是一种用途广泛的宝贵矿藏，是天然的能源物资。但是石油是如何形成的，这个问题科学家一直在争议。目前大部分的科学家都认同的一个理论是：石油是由沉积岩中的有机物质变成的。因为在已经发现的油田中，99%以上都是分布在沉积岩区。另外，人们还发现了现代的海底、湖底的近代沉积物中的有机物，正在向石油慢慢地变化。

    同煤相比石油有很多优点：它释放的热量比煤大得多，每千克石油燃烧释放的热量约是煤的两三倍，且石油使用方便，它易燃又不留灰烬，是理想的燃料。

    目前世界有七大储油区。第一大储油区是中东地区，第二是拉丁美洲地区，第三是前苏联，第四是非洲，第五是北美洲，第六是西欧，第七是东南亚。这七大油区占世界石油总量的95%。

    天然气

    天然气是地下岩层中以碳氢化合物为主要成分的气体混合物的总称。天然气是一种重要的能源，燃烧时有很高的发热值，对环境的污染也较小，而且还是一种重要的化工原料。天然气的生成过程同石油类似，但比石油更容易生成。天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类组成，其中甲烷占80%~90%。

    最近十年液化天然气技术有了很大的发展，液化后的天然气体积仅为原来体积的1/600。因此可以用冷藏油轮运输，运到使用地后再予以气化。另外，天然气液化后，可为汽车提供方便的污染小的天然气燃料。

    三大能源支柱的现状与未来

    到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源系统仍然是世界经济的三大能源支柱。毫无疑问，这些化石能源在社会进步、物质财富生产方面已为人类做出了不可磨灭的贡献；然而，实践证明，这些能源资源同时存在着一些难以克服的缺陷，并且日益威胁着人类社会的安全和发展。

    首先是资源的有限性。专家们的研究和分析，几乎得出一致的结论：这些不可再生能源资源的耗尽只是时间问题，是不可避免的。其次是对环境的危害性。化石能源特别是煤炭被称为肮脏的能源，从开采、运输到最终的使用都会带来严重的污染。大量研究证明，80%以上的大气污染和95%的温室气体都是由于燃烧化石燃料引起的，同时还会对水体和土壤带来一系列污染。这些污染及其对人体健康的影响是极其严重的，不可小视。

    人类对化石能源的依赖性越强，人类面临的能源危机就越大，当能源危机发生的时候，人类将会怎样？人类又将如何重新寻求新的、可持续使用而又不危害环境的能源？

    三、太阳能

    美丽而神奇的太阳

    一个圆加上一周的光芒，很漂亮，很温暖，人类对太阳的认知从这里开始，然而太阳本身远远不止这么简单。太阳的直径约为139.2万千米，是地球的109倍，如果把太阳比作一个篮球，那么地球仅好比一粒米。

    太阳的质量近2000亿亿亿（1023）吨，是地球的33万倍，它集中了太阳系99.865%的质量，是个绝对至高无上的“国王”，无数的簇拥者在其左右。

    太阳的能量来源于太阳内部连续不断的核聚变反应中产生的能量，而太阳的这种聚变反应足以维持100亿年，因此我们称太阳正处于中年期。目前我们也：不用担心太阳会像停了电的灯一样熄掉，所以自古以来太阳都是人类赞美的对象，神的象征。

    据估计，每秒钟从太阳表面辐射出的能量约3.8×1023kJ（千焦耳），平时家用1度电=3.6×103kJ，可以估计这1秒钟太阳辐射能量的巨大。太阳的能量是以电磁波的形式辐射出来，电磁波的波长涵盖从小于0.1nm（纳米）的宇宙射线到波长为几十千米的无限电波。但并不是太阳所有的辐射能量都到达地球，能够进入大气层到达地球的太阳能量是我们最关心的。资料显示，太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量，相当于500多万吨煤燃烧时放出的热量。然而就算是进入大气层的太阳能也不能全部被我们所捕获，其中只有千分之一二的太阳能被植物吸收，并转变成化学能储存起来，而其余绝大部分都转换成热，散发到地球或宇宙空间去了。是不是觉得很可惜呢？是呀，在能源紧缺的今天，我们希望通过先进的科学技术把不断散失掉的太阳能收集起来为我们所用！

    收集太阳光的热能

    把进入地球空间的太阳辐射热能收集起来是太阳能利用最直接的方式。热能可以用于加热，还可以转化成机械能、并驱动发电机发电，因为我们知道电能是最方便输送和用途最广的二次能源。那么如何收集太阳光的热能呢？

    能够完成把太阳光的热能收集起来的装置叫太阳能集热器。集热器主要通过热吸收材料或物理聚光等原理来收集热能。

    太阳光由不同波长的光组成，不同物质和不同颜色对不同波长的光的吸收和反射能力是不一样的。总的来说，深颜色吸收阳光的能力最强，因此冬季棉衣一般用深色布。浅色反射阳光的能力最强，因而夏季的衬衫多是淡色或白色的。因此利用深色可以聚热。当然有一些特殊的材料，它自身的特点就是可以尽可能多地吸收太阳辐射，这也：是我们要重点利用的。

    另一方面，把太阳光聚集集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。我们都知道，纸在阳光照射下，不管阳光多么强，哪怕是在炎热的夏天，也不会被阳光点燃。但是，若利用聚光器如透镜，把阳光聚集在纸上，就能将纸点燃。

    集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。由于用途不同，集热器及其匹配的系统类型有很多，比如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉，以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等，但集热器都是各种利用太阳能装置的关键部分。

    平板集热器一般用于太阳能热水器、房屋的采暖（暖气）等。聚光集热器可使阳光聚焦获得高温，焦点可以是点状或线状，用于太阳能电站和太阳炉等。平面反射镜用于塔式太阳能电站，有跟踪设备，一般和抛物面镜联合使用。平面镜把阳光集中反射在抛物面镜上，抛物面镜使其聚焦。

    四、生物质能

    地球上的生物

    广阔的自然界，山川秀丽，花木丛生，物种千千万万，而它们不外乎有两大类，一类是有生命的，一类是没有生命的。树、草、蘑菇、乌、鱼、蝴蝶和人都是有生命的，太阳、空气、山石、河水等都是没有生命的。自然界中凡是有生命的物体都是生物，这就是说，小到不能用眼睛看到的细菌和病毒，大到参天大树，上至空中的飞鸟，下至水中的游鱼统统都是生物。生物可以分为植物、动物和人类，其实很多时候我们也把人类归为动物。

    人类是生物界的一员，人类的生存离不开生物界。一方面人类生存需要吸入氧气，而氧气是植物光合作用的主要产物，反过来，植物光合作用的原料二氧化碳又是人类呼出的废气。另一方面，人类的生存需要进食，而我们主要的食物都是生物界的植物和动物，蔬菜是植物，鸡、鸭、鱼、鹅、猪、羊等都是动物，而我们消化食物的排泄物又是植物生长的肥料，里面含有植物所需的矿物质。当然，动物的呼吸和进食也有同人类类似的作用。正因为自然界中这些息息相关的关系，才使得自然界中的生命生生不息。

    当然，我们所提及的这种循环关系只是最基本的，为了详细研究这些相互关系，人类已经提出了很多成熟的理论，如自然界的碳、氧循环关系，自然界的食物链等，这些理论阐述了生物体之间更具体的依存关系。例如：蝗虫吃麦子，青蛙吃蝗虫，蛇吃青蛙，老鹰吃蛇的食物链。虽然我们不详细阐述这些理论，但可以看出来，植物是公认的食物链的生产者。说到这里，我们要回到能源的主题了，从能量的角度，上面所有的循环关系都是能量在各种生物体中转变的过程，每一级食物都是下一个生物维持生命的能量来源。如果说食物链的生产者是植物的话，那么植物的生存生长直接影响到自然界生物的生存。而植物通过光合作用维持生命，而光合作用又离不开光。这样的关系让我们想到了第1篇里面提到的“地球能源主要是太阳”一说，从这点来：看是符合的。下面我们来看看，从能量的角度，太阳能是怎样通过光合作用储存于植物中并通过食物链在各种生物中转化的呢？

    能量加工厂——光合作用

    植物的光合作用是一个很复杂的过程，它的原理过程也是经历了漫长的时期才明朗化。直到18世纪中期，人们都一直以为植物体内的全部营养物质，都是从土壤中获得的，并不认为植物体能够从空气中得到什么。1771年，英国科学家普利斯特利发现，将点燃的蜡烛与绿色植物一起放在一个密闭的玻璃罩内，蜡烛不容易熄灭；将小鼠与绿色植物一起放在玻璃罩内，小鼠也不容易窒息而死。因此，他指出植物可以更新空气。但是，他并不知道植物更新了空气中的哪种成分，也没有发现光在这个过程中所起的关键作用。后来，经过许多科学家的实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物。

    总的来说，植物光合作用是植物中的叶绿素在太阳光的照射下把经过气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为葡萄糖等有机物，同时释放出氧气的过程。该过程包含一系列的化学反应，而光是化学反应的必要条件。从能量的角度，化学反应实现了将太阳能转变成化学能，并把转化后的化学能储存在生成的有机物中。

    那么有机物是什么？现在人类积极探测外太空，看一个星球有没有生命迹象，就先看星球上有没有水和有机物，有机物是生命产生的物质基础。早期有机化合物指由动植物有机体内取得的物质，因为“有机”一词表示事物的各部分互相关联协调而不可分，就像一个生物体那样。自从1828年人工合成尿素（有机物）后，对有机物结构有了深入了解后，有机物和无机物之间的界线随之消失，但由于历史和习惯的原因，“有机”这个名词仍沿用。

    现在有机物通常是指化学结构中含有碳元素（CO、CO2、碳酸盐、碳化物等除外）的化合物。有机物是相对无机物而言的，显而易见，无机物就是化学结构中不含碳元素的化合物。自然界中已知的有机物有近600万种，糖类（淀粉）、脂肪、蛋白质、维生素等都是有机物，生活中一切粮食、衣服、盖的被子、桌子，椅子、纸、沼气、塑料、地板、轮胎、陶瓷等都是有机物。有机物大部分都有不溶于水、不耐热、熔点低、可燃烧、分子大等特点。所以我们一定要注意小心用火，因为一不小心就会烧光你周围的一切！当然，可燃也有好处，正好可以当燃料，用来发电呀！后面会讲到，生物质这种有机物就可以通过燃烧来利用它的生物质能。

    这样来看，能够生成有机物的光合作用意义是非常重大的。光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。据估计，地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物，这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。所以，人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”，绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。从能量的角度，地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用通过光合作用储存在有机物中的化学能来作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等化石燃料中所含有的能量，归根结底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。所以，我们要充分利用各种形式的有机物，讲到这里我们就很容易明白下面要讲的生物质能了。

    绿金——生物质能源

    我们把由光合作用而产生的各种有机体称作生物质，它包括各种植物、动物的排泄物、垃圾及有机废水等。其实，生物质就是直接或间接的有机物组成体，像我们身边的树木、草、农作物，以及纸浆废物、造纸黑液、酒精发酵残渣等工业有机废弃物，还有厨房垃圾、纸屑等一般城市垃圾都是蕴涵丰富能量的生物质。

    之前，以石油、煤炭为代表的传统化石能源一直以来占据了主要的能源舞台。由于它极度的重要性和宝贵性，通常把这些黑乎乎的东西称为“黑金”，但“黑金”将逐渐枯竭。相对“黑金”而言，把生物质能叫做“绿金”，这充分体现了生物质能源在新能源中的重要地位。

    据统计，世界上约有250000种生物，而就植物的光合作用来说，每年植物因光合作用而储存的太阳能达3×1021J，这个数值相当于全世界每年消耗能量的10倍。显而易见，地球上有十分丰富的生物质能源。

    由于生物质中有机物可燃烧的特点，从古至今，燃烧是将生物质能转换成热能的主要形式。与化石燃料相比，生物质燃料有燃烧清洁，污染小、可再生等优点。另外，生物质也可经工艺把有机物提取出来制作成有机燃料，如甲醇、生物柴油等。这些有机燃料是优质便携的清洁燃料，也是目前缓解燃油危机的研究方向。

    生物质能转化利用途径主要包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理化学法等。

    五、风能

    风是一种能源

    风是什么，风从哪儿来？风可以为我们做什么？

    由于地面各处受太阳照射后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，引起了各地气压的差异，使得高压空气向低压地区流动，就形成了风，简而言之，风就是流动着的空气。如同常常把流动着的水叫“水流”，流动着的电荷叫“电流”一样，我们也可以给风另外取个名字，叫“气流”。只是通常把地球表面这些小规模小强度的气流叫风而已。

    就像把一片静止的树叶放到水流中，我们看到树叶会随着水流动起来一样，风也可以把它流动方向上的物体吹动，我们利用这样的原理来使风筝升上天。从能量的角度来讲，无论是流动的空气也好，流动的水也好，它们就具有了动能，这种动能就可以转换成其他的能量，如风筝的重力势能，风车的动能，水车的动能等等，所以风是一种能源。

    从风的形成来看，只要有太阳，风就可以不断再生，风能属于可再生资源。风能资源很丰富，不会随着其本身的转化和人类的利用而日趋减少。与天然气、石油相比，风能不受价格的影响，也不存在枯竭的威胁；与煤相比，风能没有污染，是清洁的能源；最重要的是风能发电可以减少二氧化碳等有害排放物。

    但是，风是一种动态形式，不能直接储存起来，只能转化成其他可以储存的能量才能储存或是转换成能直接为我们所用的能源。风能可以被转化成机械能、电能、热能等，以实现泵水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。而目前风能的主要利用是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。

    风能有它的优势，但也有它不足的地方。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。其次，风单位体积携载的能量小，对采集风能来进行转换的设备技术要求高，花钱也比较多，这些正是我们利用风能需要去努力克服的因素。

    地球的翅膀——风车

    当我们对风能及其分布有了一定的了解后，下一步，我们就要利用装置把风能转换成可储存的能量或者转换成可直接为我们所用的能量。风车就是这样诞生的。风车也称风力机，是将风能转化为机械能并作为动力替代人力和畜力，或者带动发电机发电的装置。

    风车大多修建在沿海岛屿、平原牧区、山区等多风地带。当风吹来时，桨叶上产生的气动力驱动风轮转动，再通过传动装置带动机械运动，人们可利用风车来抽水灌溉、排水、碾米磨面、粉碎饲料、加工木材等。风能密度大的地方还可以建立大型风场，直接用于发电。

    风车按照结构形式和空间布置，可分为水平轴风车和垂直轴风车。以水平轴式风车为例，风车一般由风轮、机头、机尾、回转体、塔架组成。根据风轮叶片的数目，风车分为少叶式和多叶式两种。少叶式有2~4个叶片，从正面看成垂直十字形，这类风车具有转速高、结构紧凑的特点，缺点是启动较为困难；多叶式一般有5~24个叶片，风轮呈车轮状，常用于年均风速较低的地区，这类风车容易启动，利用率较高，但因转速低，多用于直接驱动农牧业机械。

    风力机的风轮与纸风车的转动原理大致一样，当风沿着顺风的叶片经过时，则叶片的弧形面的空气流动速度比叶片的平直面的空气流动速度快，根据物理上的伯努利原理，流速大的压强小，流速小的压强大的结论，则在叶片的两面就产生了压强差，这样就提供了一个动力，使得叶片开始转动。伯努利原理在生活中的应用是很多的。比如飞机上升靠空气对机翼的伯努利作用，离火车轨道较近的人会因为飞驰而过的火车而被吸进轨道，所以在站台要保持与轨道的距离。你可以马上拿两张纸平行放置，对准中间吹口气，看看纸会怎么动呢？

    从风力机原理我们还可以看出只有当风垂直地吹向风轮转动面时，才能得到最大的能量，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对准风向，这就是风力机机尾的作用。

    虽然风能利用受到当地风能资源的限制，但设计合理，结构优良的风力机直接决定了风能的转换效率。有人经讨论分析得出，3叶片的风力机无论从转换效率和审美都是最佳的，的确，这也是我们见得最多的。风力机的大量运用还在与发电机结合实现风力发电上，故风力机的优化与风力发电事业的发展密不可分。

    无处不在的风——风能的其他利用

    风力提水

    为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以解放劳力、节约能源，出现了风力提水。风力提水就是由风车提供动力带动水泵来提水，并把水用于草原、牧区，为人畜提供饮水或是用于农田灌溉、水产养殖等。风力提水机在我国用途广阔，如“黄淮河平原的盐碱改造工程”就可大规模采用风力提水机来改良土壤。

    风帆助航

    机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。

    风力致热

    “风力致热”是将风能转换成热能。最简单的方法就是风力机带动搅拌器转动搅拌液体致热，还可以风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热；此外还有固体摩擦致热和涡电流致热等方法。随着人类对热能的需求，风车致热也得到了发展。

    当然，风能还有很多的用途，只要我们了解了风能，掌握了转换技术，就不担心风从我们手中溜走。

    六、氢能

    氢在我们的化学书上是一种元素，用“H”来表示，氢也可以是一种物质，气态的氢就是氢气（H2），小时候把气球里面装满氢气，气球就可以飘到天上去，因为氢气很轻。把气态的氢加压，就会液化成液态氢，当然如果条件够的话，也可以变成固态的。不过，在我们生活的自然界里，它是气态的。那么这种氢怎么就成了能源呢？

    上了化学课我们就会知道，氢有这样的特点：可以燃烧，而且与氧气燃烧后主要生成物是水，且燃烧后产生的热量很高。实验表明每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。看看之前我们介绍的新能源，以及现在的3大能源，无论是煤、石油、天然气还是生物质等都采用了燃烧作为主要的方式来实现能源转换，那么氢这么好的燃烧特性，当然是我们关注的对象了。

    作为燃料，氢相对之前提到的燃料还有它独特的优势：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成德水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损；使用氢燃料还可以去除内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高；氢减轻燃料自重，可增加运载工具有效荷载，降低运输成本，从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。

    原来氢这么有用，为什么没有早拿来用呢？其实自然界中不存在纯氢，它只能从其他化学物质中分解、分离得到，也就是需要技术加工，这就需要投入额外的能源和资金，往往可能投入大于回报，所以，在很早之前，氢就被用于一些高科技领域了。

    1928年，德国齐柏林公司就利用氢的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ—127齐柏林”号飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的航程。1957年前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空，1963年美国的宇宙飞船上天，紧接着的1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举，这些太空探索的成功都离不开高效的氢燃料。我国“两弹一星”中的液氢液氧研究，也是早期对氢能的利用。

    随着能源危机的出现，对燃料环保度的要求，以及科学技术的高度发展，制氢、用氢不再只是高科技行业的专利，有效地开发利用氢能，建立可持续发展的氢经济已经被各国提到了日程上。

    氢燃料和燃料电池

    所有制氢、储氢、输氢的工作都是为了用氢作准备，那么氢能有哪些突出的用途呢？

    以纯氢或氢混合物为燃料直接燃烧是现阶段氢能的主要使用方式之一。

    通常直接燃烧纯氢气，其火焰温度超过2000℃，一般的设备很难承受，氢火焰没有颜色，容易烧伤人，给使用带来不便，纯氢直接燃烧实用较少。但是，如果将氢按一定比例添加到天然气、汽油中作为民用生活燃料或汽车燃料，不必改变用户的任何设备，就能使氢大有用武之地。氢——天然气、氢——汽油、氢——柴油等混合燃料，因排放污染物少，成本低廉，易于推广，也很适合我国的国情。

    氢能应用的另一个非常重要的方式就是氢燃料电池。

    千万不要觉得氢燃料和氢燃料电池是一回事，实际上它们有很大的区别。氢作为燃料直接点燃通过热能转换成其他我们所需的能量，而燃料电池是把氢气和氧化剂输入有某种电解质的物质中就可以通过化学反应生成电能的装置。由于它和直接燃烧一样都需要氢气和氧化剂（如氧气等），所以仍称为燃料，它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。下面我们来看看燃料电池的组成以及如何工作。

    燃料电池的典型结构就是层叠电池单元的“堆”，一个堆可以包含多个单独的燃料单元。而每个单元的基本结构与电解水的装置相类似，包含2个正负电极（阳极和阴极），电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。

    以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水。燃料电池的燃料可以是氢气H2、甲烷CH4等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（Na2CO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。

    按电解质划分，燃料电池分为五类：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEM）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等。其中质子交换膜燃料电池是应用最广泛的燃料电池。

    燃料电池带来的革命

    由于燃料电池的发现，不仅使得氢能利用前景广阔，同时燃料电池也在不断地改变着我们的生活。使用燃料电池有什么优点呢？总的来说，它具有以下特点：

    （1）能量转化效率高，它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，不受一般热循环规律限制，其电能转换效率达45%~60%，高于30%~40%的火力发电和核电的效率；

    （2）有害气体硫化物及噪音排放都很低，且无机械振动；

    （3）燃料适用范围广；

    （4）规模小及安装地点灵活，燃料电池或电站占地面积小，无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适，当然特别适合移动式供电；

    （5）燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，减少了输变线路投资和线路损失。

    氢燃料电池正以自己独特的优势给生活带来一场革命。

    不可否认，氢经济的最大获益者是汽车工业。汽车工业不仅是世界能源消耗大户，也是污染大户。除以氢为燃料提供动力外，把燃料电池直接用于汽车，则是对传统汽车内燃机动力系统的一次彻底颠覆。一个是将燃烧的热能转换为动力的内燃机系统，一个是直接用电力转换为动力的氢燃料电池系统。如果说汽车工业的前100年是内燃机的天下，那么今后将是燃料电池的舞台。据估计，目前，全球有600~800辆各式各样的燃料电池车正在试验中，有近百座氢燃料加注站投入运转。

    但是也有人认为汽车企业对待燃料电池车不可不谨慎从事。传统汽车的内燃发动机经历了一个世纪的锤炼，在动力性能、稳定和安全等方面已经相当成熟，固有的优势不可小看。燃料电池汽车的全新动力系统，其设计几乎是从零开始，要想与传统汽车试比高，仍需付出相当的努力。除此之外，科研人员还要解决氢独有的问题。其中一个是氢储存技术，另一个问题是配送：如果没有很多“加氢站”使补充燃料很方便，人们就不会大量购买氢动力车；但如果氢动力车的市场需求没有到一定的规模，发展商肯定不乐意花大笔钱去建设加氢站的网络。这是一个鸡与蛋的悖论。不过逐渐解决的方法仍是有的。比如美国研究提出，可以利用现成的传统加油站，先用改造型的天然气来产生氢。燃料电池可以先用在公共汽车和通勤班车等有固定线路的车上，它们白天运营，晚上回到中心调度站去加氢，目前世界各地的燃料电池汽车运行试点大多是这种模式。

    另一方面，燃料电池以其体积小、能效高、环保等优点也成为了电子产品的新宠。笔记本电脑和手机等电子产品功能越来越复杂、能耗也越来越高，它们现在使用的电池已经十分昂贵，因此如果一块新型电池能使笔记本电脑持续工作一天而不是两三小时就耗尽能量，消费者应该不会介意多付一些钱。日本东芝公司已经制造出专供笔记本电脑的小型燃料电池，这种重900克的电池以甲醇为制备氢的原料，50毫升甲醇可使电脑连续工作5小时，补充甲醇可以使之运行更久。日本和韩国的其他大型电子企业也在加紧开发这类技术，预期四五年后，全世界装备燃料电池的笔记本电脑将突破100万台。

    除此之外，供电、供热是燃料电池的另一大消费市场。虽然燃料电池还存在如成本较高、技术工艺方面的问题，但我们相信，随着材料科学和系统工程的不断发展，燃料电池必将成为未来的能源之星。

    氢能安全

    氢经济的蓝图我们已经绘制得很美好了，可是还有一个不容忽视的问题，就是关于氢能安全的问题。

    氢在使用和储运中是否安全呢？有些人认为，氢的独特物理性质决定了其不同于其他燃料的安全性问题，如更宽的着火范围、更低的着火点、更容易泄漏、更高的火焰传播速度、更容易爆炸等，那么是这样吗？

    首先，氢的扩散性比天然气高四倍，比汽油蒸气的挥发性高十二倍，即使氢泄漏后也会很快从现场散发。其次，如果点燃，氢会很快产生不发光的火焰，在一定距离外不易对人造成伤害，散发的辐射热仅及碳氢化合物的十分之一，燃烧时比汽油温度低7%。虽然氢爆炸的可能性比上限高出四倍，但引爆需要至少两倍于天然气的氢混合物。氢易燃，但是和天然气不同，即使在建筑物中，氢泄漏遇到火源更可能是燃烧而不是爆炸。因为氢燃烧的浓度大大低于爆炸底限，而着火所需要的最小浓度比汽油蒸汽高四倍。简言之，极大多数情况下，如果点燃的话，氢气泄漏只会造成燃烧，而不会爆炸。

    不过，我们还是必须关注使用氢时应注意的三个问题：一是由于氢气太轻，燃烧获得相同能量的体积较大，比如获得1千卡的热量需要390升氢气，是石油的4000倍，即使用液态氢，体积仍然很大，占车内空间太多。二是氢燃料“逃逸”率高，即使是用真空密封燃料箱，也以每24小时2%的速率“逃逸”；而汽油的一般是每个月才1%。三是加氢燃料比较危险，也很费时，一般需要1个小时，而且液氢温度太低，只要一滴掉在手上就会发生严重冻伤。

    所以，在氢能开发利用的各个环节都必须从氢本身的特点出发，才能做到真正合理、有效、经济、安全地使用氢能。

    七、核能

    走进核能

    广义上的核能应该是指所有原子核内部蕴含的，并通过反应装置获得的能量。不过，蕴含能量越大，释放所需要的条件就越苛刻，人类仅对可实现和有希望实现的原子核进行了研究，还有大量原子核没有涉足。所以狭义的核能是目前常规的核裂变能和核聚变能的统称。其中核裂变主要是指质子数较大的重原子的裂变，而聚变主要是质子数小的氢原子核的聚变过程。裂就是分，聚就是合。

    1905年，爱因斯坦提出了著名的质能方程，由此得到E=m的关系，即如果一个物体或物体系统的能量有E的变化，则无论能量的形式如何，其质量必有如上式关系中m的改变，反之亦然，C代表光速。这就是我们理论上计算核反应过程中释放出的核能多少的公式。比如说两个氘核（21H）聚变成为氦核（42He），其反应是：21H+21H→42He，由计算可知一个氦核比两个氘核的质量轻m=4.3×10—29kg（千克），那么反应释放的能量就有E=mC2=24MeV（兆电子伏特，1eV=1.6×10—19J）。再加上由于氘核本身轻，1克里面有约1023。数量级个氘核，那么1克氘的聚变能就有5.8×1011J，折算成1.6×105度电。如果一家人每月用100度电，一年就1200度，这1克氘就可以用一辈子了！

    目前，人类对核裂变能的应用已经非常成熟，原子弹、核电站、核潜艇等都是裂变能应用的成功例子，下节中将详细地阐述其原理和应用。然而核聚变能的应用仍然需要人类付出巨大努力才可能实现。怎样应用聚变能是目前世界性的科学难题，虽然经过数十年的努力和多国科学家的联合攻关，现在的进展仍不大。

    受控核裂变反应堆

    原子弹是不可控的核裂变，如果要把这种核变能为我们所用，人们就要建造核反应堆，并且采用技术使链式裂变缓慢和受控制地释放核能，这样才安全有效。我们把这个过程称为受控核裂变过程。

    那么如何实现受控裂变呢？从刚才链式裂变的过程看，中子这个动力源是个比较关键的因素。调节中子的数量和速度有利于控制整个核裂变的速度。所以关于中子有下面两项关键技术：

    中子吸收：为了控制链式核裂变产生出来的中子数量，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。吸收材料一般是硼、碳化硼、镉等。

    中子慢化技术：实验表明慢速中子（慢中子）更易引起铀—235裂变，而裂变出来中子是快速中子（快中子），所以反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂。一般慢化剂有水、重水、石墨等。通过中子与这些慢化剂的原子核碰撞来降低中子的速度。

    这里得补充说明一下，虽然慢中子对铀一235裂变有利，但是自然界存在的铀中铀—235只占0.7%，而占天然铀99.3%的另一种同位素铀—238，它是不能在，陧中子的作用下发生裂变的。为了利用所有的铀，人类建立了快中子增殖堆。由铀—235裂变产生的快中子轰击铀—238变为钚—239，钚—239再被热中子轰击裂变产生核能。由于这个过程中快中子一边把铀—238变成钚—239一边又在使钚—239裂变，生产的比消耗的还要多，具有核燃料的增殖作用，故这种反应堆也就被叫做快中子增殖堆，简称快堆。

    知道了这些，我们才来看看一个完整的受控核裂变反应堆的构成。

    （1）堆芯：主要由裂变材料和吸收棒组成。

    （2）慢化系统：反应堆中放入能使中子速度减慢的材料——慢化剂。

    （3）控制与保护系统：通过控制吸收棒插入裂变材料管中深度，就可以控制中子的吸收比例，从而控制裂变的速度。

    （4）冷却系统：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，冷却剂常常就是慢化剂。

    （5）反射层：能把堆芯内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。

    好了，一个完整的核反应堆就可以为人类服务了。根据不同的用途，核反应堆可分为用于实验的研究堆；用于生产核裂变物质的生产堆；提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆；为发电而发生热量的发电堆；用于推进船舶、飞机、火箭等的推进堆等。

    另外，核反应堆根据中子能量分为快中子堆和热（慢）中子堆；根据冷却剂材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆；根据慢化剂分为石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆，等等。核反应堆概念上可有900多种设计，但现实上非常有限。

    核电站

    核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。核电站常规组成除核反应堆外就还有蒸汽发生器、涡轮、发电机等。

    核能的利用从第二次世界大战期间发展的核武器开始，到核电的第一次大规模发展仅用了不到三十年的时间，核电已成为人类主动利用核能为生活所用的主要方式。专家认为，核电的发展缓解了能源危机，而如果解决了核聚变技术，则可从根本上解决能源问题。2003年各国核电站情况。

    核电站根据反应堆的不同类别主要分热中子反应的轻水堆核电站（包括压水堆核电站、沸水堆核电站）、重水堆核电站和快中子反应的快堆核电站。但用得最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆型。而最具有潜力和发展前景的是快堆核电站。

    目前，世界上已商业运行的核电站堆型，如压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚—239等易裂变材料，它对铀资源的利用率也只有1%~2%，但在快堆中，铀—238原则上都能转换成钚—239而得以使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率提高到60%~70%。

    八、地热能

    地热是来自地球深处的可再生热能，它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。

    有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自古以来它们就已被用于洗浴和蒸煮。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并转换成其他能量。

    按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。

    全球地热分布

    地热主要分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。地球地热资源很丰富，但热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。

    世界地热资源主要分布于以下5个地热带：

    （1）环太平洋地热带。世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界，即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多地热田都位于这个地热带，如美国的盖瑟斯地热田，墨西哥的普列托、新西兰的怀腊开、中国台湾的马槽和日本的松川、大岳等地热田。

    （2）地中海、喜马拉雅地热带。欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界，从意大利直至中国的滇藏。如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。

    （3）大西洋中脊地热带。大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的地热田。

    （4）红海、亚丁湾、东非裂谷地热带。包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。

    （5）其他地热区。除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区，可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。

    我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。

    地热的不同用途

    地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：

    （1）200~400℃直接发电及综合利用；

    （2）150~200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；（3）100~150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；（4）50~100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；（5）20~50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。

    人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源，并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。

    地热发电

    地热发电是地热利用的最重要方式。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样需要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。

    地热供暖

    将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。天津奥林匹克中心体育场——2008年北京奥运会足球预赛场采用地热能、太阳能等可再生能源，在冬季，该场馆水源热泵空调系统对地热井水梯级利用，夏季，系统则采用湖水辅之以冷却塔散热。

    地热务农

    地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率：利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。

    地热行医

    目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。由于地热水常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症；氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊地质、地貌条件，使温泉常常成为旅游胜地，吸引大批疗养者和旅游者。

    未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更精确地查明更多的地热资源；钻更深的钻井将地热从地层深处取出，因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。

    九、海洋能

    海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。

    地球表面积约为5.1×108km2，其中陆地表面积为1.49×108km2占29%；海洋面积达3.61×108km2占71%。一望无际的大海，不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量，它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不像在陆地和空中那样容易散失。海洋能具有储量丰富、可再生、清洁等优点。

    海洋能的常见利用形式有以下几种：

    波浪能

    波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用下产生的，并以势能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪发电是波浪能利用的主要方式，发电形式多样化。这里介绍的两种形式：振荡水柱式波浪发电系统和收窄水道式波浪发电系统。

    振荡水柱式波浪发电系统通过波浪引起竖井或沉箱中的水柱上下运动来发电。水柱的上下振荡可以使到竖井中水面上的空气来回进出，从而推动涡轮旋转而发电。这类系统也称气动系统。

    收窄水道式波浪发电系统，包含一个不断变窄的水道以将波浪聚集到比海平面高数米的储水湖中。波浪进入缩减水道后越是接近储水湖，波浪高度也就越高。最终一些水会越过水道的围墙而进入储水湖。通过这个过程，波浪的动能转化为储水湖中的水位能。最后储水湖中的水会被送到水轮机进行发电。除此之外，还有浮式碧浪发电等。

    潮汐能

    因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。

    潮汐能的主要利用方式也是发电，目前世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站，我国的江夏潮汐实验电站为国内最大。英国的潮汐发电潜力大，估计为整个欧洲的一半，为世界总量的10%到15%。英国有望成为“海洋能源中的沙特阿拉伯”。

    海流能

    海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，是另一种以动能形态出现的海洋能。

    海水温差能

    是表层海水和深层海水之间水温差的热能，是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，而储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比。据计算，从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面，只要把其中一半用来发电，海水水温仅平均下降1℃，就能获得600亿千瓦的电能，相当于目前全世界所产生的全部电能。

    温差能的主要利用方式为也是发电，而温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度低，其效率仅有3%左右，而且换热面积大，建设费用高，目前各国仍在积极探索中。

    盐差能

    是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是以化学能形态出现的海洋能。主要存在于河海交接处。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先，中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上，对盐差能这种新能源的研究还处于实验室实验水平，离示范应用还有较长的距离。

    十、可燃冰

    可燃冰的学名叫“天然气水合物”，是一种白色固体物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下，由气体或挥发性液体在与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。一旦温度升高或压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。（1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态，其分布可以从海底到海底之下1000米的范围以内，再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。

    可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源（煤、石油、天然气、油页岩等）储量的两倍以上，其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。世界上海底天然气水合物已发现，的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。

    从20世纪80年代开始，美、英、德、加、日等发达国家纷纷投入巨资相继开展了本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作，同时美、日、加、印度等国已经制定了勘查和开发天然气水合物的国家计划。特别是日本和印度，在勘查和开发天然气水合物的能力方面已处于领先地位。2007年4月21日，我国正式启动南海北部陆坡海域天然气水合物钻探工作。5月1日凌晨，钻探船在南海北部神狐海域的一号钻探站位获取了可燃冰的样品，其沉积层厚18m，甲烷含量99.7%。

    天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷，其温室效应为CO2的20倍，温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍，若有不慎，让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去，将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出，还会改变沉积物的物理性质，极大地降低海底沉积物的工程力学特性，使海底软化，出现大规模的海底滑坡，毁坏海底工程设施，如：海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。由此可见，可燃冰在作为未来新能源的同时，也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”，需要小心对待。

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