新能源开发利用论文
一.开发新的燃料电池
燃料电池使用气体燃料(如氢气、甲烷等。)与氧气直接反应发电，效率高，污染小，是一种很有前途的能源利用方式。传统燃料电池使用氢气作为燃料，氢气难以制备和储存，导致燃料电池成本高。美国宾夕法尼亚大学的研究人员设计了一种使用甲烷等碳氢化合物的新型燃料电池，其成本远低于使用氢气作为燃料的传统燃料电池。研究人员曾尝试使用廉价的碳氢化合物作为燃料，但化学反应的“残渣”很容易堆积在镍电池的正极上，导致开路。用铜和陶瓷的混合物制作电池正极，解决了“残渣”堆积的问题。新开发的燃料电池可以使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯和丁烷作为燃料源，并可以通过微生物发酵产生甲烷和其他碳氢化合物，成为开发新型燃料电池的丰富而广泛的原料来源。目前，这种新型燃料电池的能量转换效率仍然较低，需要进一步研究和改进。
第二，发展两用生物能源。
无论大部分军用武器，如机动装备，还是民用车辆，都是以汽油和柴油为燃料，以氢气为燃料更为理想。其特点是:(1)清洁不污染环境；(2)热效率高，约为汽油的3倍；(3)生物制氢具有潜力。正因为如此，充分利用生物技术生产氢气将大有可为。如果以红假单胞菌为生产菌，以淀粉为原料产氢，可以取得很好的效果，每消耗1 g淀粉可以产氢1 ml。将氢气与少量其他燃料混合，可以替代汽油和柴油。乙醇也是一种清洁的生物燃料，用途广泛，可以用来替代汽油和柴油。日本、加拿大等国通过基因技术构建的“工程酵母”，利用其高产酶活性水解纤维素生产乙醇；还有构建的“工程大肠杆菌”，能有效将葡萄糖转化为乙醇；这种乙醇可以代替汽油或柴油使用，随时为移动设备提供大量的生物燃料。事实上，不仅有细菌或“工程菌”，还有一些藻类或其他微生物可以产生氢气或乙醇。加州大学等研究人员发现，一种名为Chlamydomonasreinhadtii的绿藻(真核生物)具有持续产生大量氢气的能力。关键是控制生长环境，去除生长营养液中的硫。在这种情况下，藻类停止光合作用，不产生氧气。在厌氧条件下，藻类必须通过其他方式产生三磷酸腺苷所需的能量，并利用储存的能量实现其最终的制氢目标。一般来说，这种天然藻类的产氢量很低。因此，一方面要控制必要的或阻碍其成长的关键因素；另一方面，利用分子遗传技术改造藻类的特性，提高其产氢能力。可见，充分利用各种生物来开发军民两用的清洁生物能源是有潜力的。
3.微囊藻是获取氢能最廉价的方式。
上面已经提到了绿藻和微生物制氢的途径，这里着重介绍了微绿藻制氢的前景。科学家预测，当石油和天然气耗尽时，氢气可能是一种理想的能源。关键是找到一种廉价的制氢方法。有专家认为，利用普通池塘绿藻的产氢能力可能是最实际的选择——经济实用，分布广泛。绿藻是一种微型低等植物，繁殖迅速，分布于世界各地。它有能力在水和阳光的条件下产生氢气。在人工控制下，绿藻可以根据需要被强制产氢。一份实验研究报告指出，1升绿藻培养液每小时可产氢3毫升，产氢效率有待进一步提高。注意两点:(1)利用基因工程技术改进这个制氢系统，可能会使产氢量提高10倍以上；(2)细胞固定化技术的应用可以提高微藻的持续产氢能力。在德国、加拿大、日本等国家，为了实现“清洁氢能”的发展计划，积极建立“产氢藻类农场”，努力实现氢能的规模化生产。加拿大建了一个工厂，每天生产10吨液氢；日本将产氢藻类和光合细菌的高效制氢列为研究重点，将开发用于火箭发动机的类似冰糕的“油脂氢”，以提高火箭发射推力。美国预计到2030年将氢能作为美国的主要能源。看来微绿藻和光合微生物生产氢能会有很大的发展潜力。
第四，充分利用有机垃圾或有机废水为原料生产氢能。
日本北里大学的研究人员在用生活垃圾高产率制氢方面取得了不错的成果。氢气不仅可以直接作为清洁能源，还可以为燃料电池的发展提供优质原料，更加经济实用，具有潜在的发展优势。研究人员选择了一种厌氧细菌，即“梭状芽孢杆菌”菌株AM21B，将其与用水研磨的剩菜、鱼骨等生活垃圾混合，在37℃发酵产氢。实验结果表明，每65438±0kg生活垃圾可获得49升氢气。制氢后，剩余的生活垃圾呈糊状，无味，可进一步回收制成堆肥等有机肥。据称，日本研究人员研发出一种新型“发酵设备”，将生活垃圾循环利用进行制氢，更有利于提高生活垃圾制氢的有效性。中国哈尔滨建筑大学的研究人员建立了以厌氧活性污泥为原料，通过微生物发酵从有机废水中制氢的技术。有几个特点:(1)发酵不使用纯菌种；(2)无需细胞固定化技术即可连续产氢；(3)制氢系统工艺稳定；(4)得到的氢气纯度高；(5)制氢产量比国外同类小实验高出几十倍。目前已进入连续制氢中试规模，产能5.7立方米/立方米，纯度99%。有望进入工业化生产，为氢能的发展提供一条可行的生物途径。
5.以二氧化碳废气为原料开发新能源。
CO2来源广泛，不仅是重要的温室气体之一，也是一种化工原料。当CO2的释放和吸收没有达到动态平衡时，必然会对生态环境产生不良后果。因此，研究如何进一步转化CO2这种废气，实现资源化利用具有重要意义。其中，实现能源利用是一个值得关注的研究课题。至少可以用化学和生物方法将CO2转化为能量。
(1)化学法使用催化剂:使用沸石作为高效催化剂，约99%的活性铝颗粒吸附铑和锰。按照1: 4，300℃，1大气压的CO2与氧气的比例计算，至少可以将90%的CO2转化为甲烷，转化率可以达到10大气压。当然，还有一个降低氢和铑成本的问题。得到的甲烷不仅提供了能源和化工原料，还减少了包括CO2在内的温室效应。
(2)藻类的生物利用:如前所述，藻类，尤其是那些微型单细胞藻类，无论是原核还是真核，都是吸收CO2进行光合作用，产生绿色新能源的最有效途径。大量微藻在增殖过程中充分利用CO2，在光照条件下合成有机物储存太阳能。微藻的生物量可以称得上是一个巨大的“储能池”。因此，将其制成固体燃料或干燃料是可行的，在英国用于发电。它还可以用于通过发酵各种藻类(包括海藻)的生物质来生产甲烷和其他能源。还希望通过固定化微藻细胞连续生产氢气。正是由于各种藻类的特定功能，它们既是“能量储存库”，又是“能量供应库”，从中获取所需的清洁能源。因此，一些专家预测，用二氧化碳生产生物能源，特别是氢能，将是本世纪一种有前途的理想能源供应。
微生物发酵生产乙醇大有可为。
乙醇，俗称酒精，不仅用于医药和化工，也是未来有待开发的无污染清洁能源，也是重要的可再生能源之一。它具有燃料完全、效率高、无污染的特点。用它稀释汽油配制的“乙醇汽油”可替代含铅汽油，功效可提高约15%。据报道，巴西已经改装了数十万辆使用乙醇汽油或酒精作为燃料的汽车，大大减少了空气污染。既然乙醇在汽车燃料中已经显示出优越性，那么如何用最好的方式生产乙醇呢？其中，最经济实用的乙醇生产方式值得认真考虑的有两个方面:一是利用废弃的农业秸秆生产燃料乙醇；二是培养绿藻生产乙醇。就前者而言，秸秆是一种世界范围内量大面广的农作物废弃物。我国每年有6.5亿吨秸秆产出，直接焚烧污染环境。如果将这些秸秆中的哪怕一部分用于生产燃料乙醇，都将利国利民，有利于保护生态环境。如果用乙醇作为汽油添加剂来替代现有的含铅汽油添加剂——甲基叔丁基醚(MTBE)，将对提高汽油的使用效率和保护生态环境非常有利，具有巨大的商业潜力。两年前，美国用作燃料的乙醇量达到465，438+0.3万-5.86万吨，约占美国乙醇消费量的83%-87%；目前，我国燃料乙醇的生产和市场均为空白。然而，乙醇作为汽油中有效的含氧添加剂有其优势。在美国，8%的加氧汽油是加乙醇的，但现在MTBE的唯一替代品是乙醇。有报道称，加州至少有65，438+00，000的地下水被泄漏的MTBE污染，美国有65，438+04%的饮用水井被污染。MTBE是动物的致癌物，对人类健康有潜在的危害。一方面，政府禁止在汽油中使用MTBE添加剂；另一方面，积极发展乙醇作为其替代品的生产。加州一个州未来两年每天需要3.5万桶乙醇(注:美国1桶= 31.5加仑)，五年后需求为9.5万桶。为此，美国乙醇生产商一直在扩大乙醇产能；毫无疑问，MTBE的禁用给乙醇行业带来了无限商机。也可以看出，要抓住发展燃料乙醇的商机，发展绿色新能源。在我国，充分利用各种废弃秸秆实现资源化利用或能源化利用，在条件、能力和技术上是完全可能的。每年只要用6543.8亿吨秸秆生产燃料乙醇，乙醇产量可达2000万吨。根据有关专家的经济评价，认为秸秆生产乙醇的成本低于粮食发酵生产乙醇的成本；它高于炼油厂生产汽油的成本，但比汽油添加剂MTBE更具竞争力。虽然利用秸秆生产燃料乙醇具有一定的特点和优势，但其生产技术和有效性有待进一步探索。至于绿藻生产乙醇，与传统的微生物乙醇生产路线有很大不同。绿藻是一种自养真核生物，其中单细胞小球藻具有开发新能源的巨大潜力。日本一家公司的研究团队从表层海水中获得了一种新的藻类物种，命名为TIT-1，与小球藻(直径约10μm)相似。TIT-1和普通植物一样，在白天可以将CO2转化为淀粉储存，在弱光或厌氧条件下也可以将淀粉转化为乙醇，具有自身的特点:不会造成环境污染，可以吸收大气中的CO2，大大降低温室效应，而且，这种自养和异养乙醇生产的有机结合是一个典型的例子，具有独特的优势。
总之，以上提到的六个方面，无论是从不同的燃料或能源中得到什么形式，都被称为“绿色能源”，作为一种不污染环境的清洁生物燃料或生物能源，是未来能源建设的发展方向。现代文明的进步和人类的生存发展迫切需要清洁的新能源和无污染的生态环境，二者密切相关。可以预见，在21世纪，随着各种建设的需要和科技的进步，绿色能源将得到进一步发展。