能源开发和利用
医药化工学院:梁华定
本章内容
一,能源的地位与作用
二,能源的分类
三,世界和中国能源的现状与发展趋势
四,解决能源危机的有效途径
第一节,能源的地位与作用
1,能源在人类社会的发展中占据重要地位,它是人类社会发展的基本条件,是发展农业,工业,科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础.能源开发利用的广度和深度是衡量一个国家的科技和生产水平的主要标志之一.能源,材料,信息是人类发展的三大支柱产业.
2,能源科学技术的每一次重大突破,都引起生产技术的革命,化学在能源的研究和利用过程中扮演重要角色.
能源发展经历三个时期:
A,柴草时期:火的发现-18世纪产业革命,用于烧制陶瓷和冶炼金属;
B,煤炭时期:13世纪开采,18世纪中大规模开采,1769年瓦特发明蒸汽机,产生第一次产业革命;
C,石油时期:60年代超过煤.
三次重大突破
A,发明蒸汽机,产生第一次产业革命;
B,电力发明使人们的生产活动进入电气时期;
C,原子能发明进入时期.
第二节,能源的分类
按来源分:
A,来自地球以外的太阳能,如太阳辐射能,煤,石油,天然气,水能,风能,雷电等;
B,来自地球本身,如地热能,原子核能;
C,来自地球与月球,太阳等天体相互作用产生的能量如潮汐能.
按构成分:
A,一次能源,包括常规能源(可再生能源如水能,非再生能源如煤炭,石油,天然气),新能源(可再生能源如太阳能,风能,生物质能,非再生能源如核聚变能,油页岩,油沙);
B,二次能源如煤制品,石油制品,电力,氢能,蒸气等.
第三节,世界和中国能源的现状与发展趋势
1,世界能源的结构与消耗
(1)近一百年世界能源消耗增长了20倍 年份: 1950 1960 1970 1980 1990 世纪末 万吨 标准煤 239194 292420 643956 852391 1147610 20Gt 中国 6968(1955) 30189 29291 60275 98703
能源消耗最多的是美国:人口占4.9%,能耗占24.4%;印度人口占15.4%,能耗占2.3%;我国1996年人均能耗1.14吨,排名86(世界人均2.4,北美10,欧洲苏联5)
(2)能源结构
1980-1986年 石油 煤炭 天然气 核能 总计 世界能源消耗增长率 9% 24% 19% 335% 27%20世纪60年代以前煤是世界最重要能源,后来,石油上升较快,发达国家以石油为主.美国,日本56.3%;我国,印度仍以煤为主,我国75.8%,印度67.8%.
1950-1995 世界能源消费量和构成
10
23.1
39.7
27.2
_/
1995
12.4
21.7
38.6
27.3
114.76
1990
3.5
21.5
44.2
30.8
85.24
1980
2.4
20.1
44.0
33.5
64.40
1970
2.1
15.1
33.3
49.5
29.24
1960
1.8
10.1
27.2
60.9
23.92
1950
水电,核电
天然气
石油
煤
在消费量中所占比例
消费量
108tce煤
年份
能源形势--能源危机
1,化石燃料,有限能源(枯竭)
能源危机迫在眉睫 世界经济的现代化,得益于化石能源,如石油,天然气,煤炭与核裂变能的广泛的投入应用.因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济. 然而,由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭.
石油储量1180~1510亿吨,以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算,石油储量大约在2050左右年宣告枯竭.
天然气储备估计在131800~152900兆立方米.年开采量维持在2300兆立方米,将在57~65年内枯竭.
煤的储量约为5600亿吨.1995年煤炭开采量为33亿吨,可以供应169年.
铀的年开采量目前为每年6万吨,根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期.
核聚变到2050年还没有实现的希望.
1995版世界能源大会《能源资源调查》: 能源 储量 1993年能源产量 储采比 煤 1031.6Gt 4.474Gt 230 石油 140.7Gt 3.197Gt 44(我国23年) 天然气 14.1Tm3 0.2485 Tm3 57 核能 2.23Mt 铀 32171t(装机358GW,年发电量2.17×1012KWh) 水能:理论蕴藏量3.5 ×1013KWh/a,技术可开发资源1.46 ×1013KWh/a,经济可开发资源0.9 ×1013KWh/a,装机7.2 ×108KW,发电量2.38 ×1012KWh/a
特别是石油 1953年 1963年 1973年 1993年
年产量 6.49 亿吨 13.8亿吨 28.2亿吨 31.97亿吨
禁运后,石油在两个月内涨价4倍,至1979年涨了近10倍.,至1982年上涨了675%.1973年美国缺少1.16亿吨标准煤能源生产损失930亿美元;日本缺少0.6亿吨,损失485亿美元,致使1974年日本国民生产总值下降.(在这之前日本每年递增10%)
石油由西方石油公司("石油七姐妹")垄断,西方利用廉价石油,改造产业结构,经济繁荣.1973年阿拉伯国家成立"石油输出国组织欧佩克(OPEC)"(中东储量占65%,出口占80%)向西方强国禁运石油*,10月战争
储量前十名的国家:沙特,伊拉克,科威特,阿联酋,伊朗,委内瑞拉,前苏联,墨西哥,美国,中国.
2,能源对环境污染
(1)化石燃料,产生大量CO2,导致温室效应*;
(2)化石燃料,产生大量NOX,SO2,导致酸雨*;
(3)化石燃料及生物质燃料,产生NXO ,导致氧空洞;
SOx,NOx,CO2,CO,THC,PM,水污染,土质. 由于以煤为主,形成了以煤烟型污染为主的严重环境问题.例如:1995年,全国烟尘排放量约1744万吨,其中70%来自煤的燃烧;全国SO2排放量约2370万吨,其中85%来自煤的燃烧;全国CO2排放量约30亿吨,占全球的14%,只比美国的22%低,而各列为第二(人均排放量还很低).而燃煤在我国1/3以上是用于火力发电.由低水平的燃煤所造成的酸雨,光化学雾及温室效应等环境问题日益突出.而在大城市中,机动车排放所造成的环境污染,也日益严重.
(4)热污染,一座1000MW火电厂,排热4.6 ×1012J/a;
(5)放射性污染;
(6)影响人体健康.
3,石油,煤是主要化工原料
20世纪是石油化工大发展的一百年,世界年产乙烯5000万吨,100套30万吨/年乙烯装置.
2,我国能源的现状
1996年 煤 石油 天然气 水能 能耗 总量 1145亿吨 33亿吨 1.7万米3 2.9亿KW 12.6亿吨居世界位次 3 11 19 1 2 (能耗:美国 28.98亿吨,俄国9.494亿吨 日本0.6838亿吨)
(1)我国能源资源
中国一次能源储量和产量
188(NO.4)
290GW(NO.1)
水能 109KWH
13(NO.18)
铀40GW(30年)
核能 109KWH
176(NO.21)
17,000(NO.19)
天然气 108M3
1.49(NO.5)
33(NO.11)
石油 108t
12.9(NO.1)
1145(NO.3)
煤 108t
年产量
储 量
_
这张表给出了我国主要一次能源的探明可采储量和年产量,由此可知,我国石油可维持30多年,天然气80年,而煤可维持100~200年.属于多煤,少气,缺油的情况.
GW=109W
统计数据显示,中国目前已经成为全球煤炭第一大消费国,基本能源消费占到世界总消费量的十分之一,同时,中国也是继美国之后的世界第二大石油和电力消费大国.
__按照专家的估算:
1999年我国石油开采量约1.6亿吨,但是消耗量已上升到1.9亿吨,到2010年预计消耗量将达到3亿吨.
1993年后我国已成为石油净进口国.2000年原油进口已超过7000万吨.天然气近年生产量已有较大幅度增加,新的气田也有所发现,也在计划从俄国(独联体国家)进口一些天然气,西气东输也在实施,但花一千多亿的投资,东输200多亿米3/年天然气.
A,人均能源拥有量低(1996年人均能耗,排名86位);
B,能源生产和消费结构依然以煤为主(75.8%年耗13亿吨)煤1/3以上是用来发电的,直接燃烧利用热能为主
(2)我国能源工业面临的问题
中国的能源消费和构成
5.7
1.9
17.4
75.0
12.27
1995
5.1
2.1
16.6
76.2
9.87
1990
4.0
3.1
20.7
72.2
6.03
1980
3.5
0.9
14.7
80.9
2.93
1970
1.5
0.5
4.1
93.9
3.02
1960
2.1
-
4.9
93.0
0.69
1950
水电,核电
天然气
石油
煤
在消费量中所占比例
消费量
108tce煤
年份
C,能源资源分布不均匀.(北煤南运,西电东送,南水北调.煤炭集中华北地区,水能集中西南地区)能源产地和主要利用能源的经济发达地区分布不平衡.
地区 华北 东北 西南 西北 华东 中南 能源丰度(吨/人)2680 293 1218 1216 141 142
D,能源利用率低,造成的污染严重.单位GPT能耗是日本的6倍,美国的3倍,韩国的4 . 5倍;
目前中国产品能耗极高,主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高25-90%,加权平均高出40%左右.比如,每千克油当量的能源,日本企业平均可以创造出10.2美元的产值,中国只能创造出0.7美元.我国单位能源使用产生的GDP,目前只有发达国家平均水平的五分之一至十六分之一左右
E,农村商品能源短缺(人口8.6亿,能耗12.6亿吨,2/3靠柴薪)
F,环境污染严重*;由于我国是以煤为主的国家.煤炭的含氢量低,一般来说,相对于天然气,必然会带来 CO2 排放量大的问题.如何在经济发展中,控制 CO2 的排放量,已经成为重要的课题.中国 CO2 排放量已在世界上位居第二,占14%,美国为22%.以煤为主,能效低是主要原因.
G,能源建设周期长,耗能多;能源输送路线比较长,占去国家相当大的运力
H,能源工业装备落后;
I,价格末能反映成本不合理
第四节,解决能源危机的有效途径
节能和提高能量利用效率是最主要的.
解决能源危机的措施有
开发和使用新技术.如发电,我国发电终端平均能效只有30%,如果采用IGCC(整体联合循环发电),超临界发电技术,增压循环流化床等技术,现已可提高到36-46%,今后几年有可能达到56-60%.其中也有大量化学问题要解决,多学科交叉.
提高使用清洁能源(如天然气)的比率.
使用更多的'可再生'能源(水力,风力,潮汐,地热).
使是用新能源.太阳能,氢能.
核能
燃料电池技术
1,化石燃料的有效与清洁利用;
2,适度发展核能;
3,开发新能源;
4,改变能源转换途径.
(一),化石燃料的有效与清洁利用
1,煤 (1)现代成煤理论:植物经脱水,脱CO2,脱CH4形成C
17H24O10→C16H18O5 →C16H14O3 →C15H18O →C18H4 植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤
(2)现状效率:我国年耗>10亿吨(30%发电,炼焦,50%锅炉,窑炉,20%人民生活).A,效率低(煤球20-30%,蜂窝煤50%,碎煤几百个rem 死亡;100-200 rem 疾病和恶心;<80%.科学家预言:燃料电池将成为下世纪世界上获得电力的重要途径,是继水力,火力,核能发电之后的第四类.
2,改变新途径:
发电(包括热利用)
固体氧化物高温燃料电池 70～80%
燃料电池能量利用效率
_
交通 25.4% 12-15%
发电 36.9% ~35%
能源利用比率 能量利用效率
美国一次能源在发电和交通(汽车)上的应用比率
要发展好PEMFC,有许多化学问题要解决的,其中包括电极上的催化材料的研制等.
燃料电池有几种不同类型,可以利用在不同的场合.而目前质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是最被关注的一种,它将来最有希望被利用在汽车上.目前,各城市都在发展"清洁燃料"汽车.哪一种最适合我国的国情,又真正是清洁燃料,可能是一个比较复杂的问题,看法上又有差别.但从我国的特殊能源出发,发展甲醇燃料应该是一个重要方向.由煤制合成气生产甲醇,技术成熟,可以大型化,经济上最有竞争力.而且甲醇是清洁的汽油代用燃料,尾气排放比汽油车有很大的改善,生产甲醇又是煤的洁净利用的重要方向之一.发展甲醇燃料是一举两得的事,技术上也是成熟的.而且,发展甲醇汽车也将是一种过渡,十多年到二十多年后,一旦燃料电池汽车在技术上和经济上都有竞争力,甲醇燃料又将转化为燃料电池汽车最好的燃料.这一发展方向应该是最佳的,更适合于中国的情况.
为什么在最后一部分,突出介绍了燃料电池技术,这是因为它在能源的利用和发展中有着很突出的地位.燃料电池(FC)是一种等温,直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地(50-70%),环境友好地转化为电能的发电装置.工作方式与常规的化学电源(电池)不同,而类似于汽油,柴油发动机(在汽车上),它的燃料和氧化剂不是储存在电池内,而是在电池外的储缸内.
燃料电池技术
燃料电池技术
燃料电池技术的发展:
固体氧化物型: _______
熔融碳酸盐型: _______
磷酸型:
质子膜型: _______
碱液型: _______
质子膜燃料电池
燃料电池电动汽车绿色汽车(EEE生命周期评估下的绿色汽车)才是真正的绿色汽车
3,碱性氢氧燃料电池: (-)Ni,H2│KOH(30%) │O2,Ni(+)美国60年代已用于阿波罗登月飞行和航天飞机,叉车,牵引车等,美CH4-O2电池50台,4.8兆瓦.缺点:与CO2反应,K2CO3导电性差.
唯一商业化电池--磷酸型燃料电池(磷酸作电解质,碳材料骨架,H2,CH3OH,CH4等为低廉燃料). 最大优点:它不需CO2处理,代表燃料电池发展方向.
研究表明,大约50年后,人类目前广泛使用的传统能源煤,石油和天然气将面临严重短缺的局面.严峻的能源危机迫使人类将目光转向浩瀚的宇宙,而月球是人类寻找地球以外能源的首选目标.
解决能源危机 把电厂建到月球上
未来月球基地及太阳能发电厂示意图
本来,科学家一直将希望寄托在太阳能和核反应堆上(包括核裂变发电和核聚变发电).然而,浓密的地球大气层致使在地球上利用太阳能有许多不稳定因素;利用核裂变反应获得电力的方法往往产生大量放射性废料,容易造成严重的环境污染.而目前正加速发展的利用氘和氚热核聚变反应堆生产能源的方法,同样因形成强大的中子辐射而存在放射性问题.
在月球上建太阳能发电厂
由于月球表面几乎没有大气,太阳辐射可以长驱直入.计算表明,每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦,相当于目前地球上一年消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万倍.按太阳能能量密度为1.353千瓦/平方米计算,假设在月球上使用目前光电转化率为20%的太阳能发电装置,则每平方米太阳能电池每小时可发电2.7千瓦时,若采用1000平方米的电池,则每小时可产生2700千瓦时的电能.
由于月球自转周期恰好与其绕地球公转周期的时间相等,所以月球的白天是14天半,晚上也是14天半,一天相当于地球一个月的长度,这样它就可以获得更多的太阳能.科学家认为,如果在月球表面建立全球性的并联式太阳能发电厂,就可以获得极其丰富而稳定的太阳能,这不但解决了未来月球基地的能源供应问题,而且随着人类空间转换装置技术和地面接收技术的发展与完善,还可以用微波传输太阳能,为地球提供源源不断的能源.
月壤中富含氦—3
现实可行的解决未来能源问题的途径是建造和使用氦—3同位素(3He)的热核反应堆,这种反应堆没有中子辐射,不会造成环境危害.但遗憾的是地球上3He储量极为有限,地球天然气中理论上的总含量仅为10—15吨,而月壤中富含3He.
除了极少数非常陡峭的撞击坑和火山通道的峭壁可能有裸露的岩石外,整个月球表面都被月壤覆盖,在月海区平均厚约5米,月陆区厚约10米.这些土壤长期接受太阳的照射,富集由太阳风粒子直接注入的挥发性化学元素和同位素,在这些稀有气体中就有大量的3He.据估算,月壤中3He的资源总量可达100万—500万吨.3He是一种清洁,安全和高效的核聚变发电的燃料.据专家计算,如果采用D—3He(氘和3He进行核聚变反应产生电能)核聚变发电,美国年发电总量仅需消耗25吨3He;中国1992年的年发电总量只需8吨3He,全世界一年有100吨3He就够了.以目前全球电价和空间运输成本算,1吨3He的价值约40亿美元,而且随着空间技术发展,空间运输成本肯定将大大下降.最近法国科学家宣布,2030年将使利用3He进行核聚变发电商业化.这样,开发利用月壤中的3He将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一.
针对中国能源资源和能源应用的特点,你认为应该采取几项主要发展方针
你认为发展一碳化学对中国来说有何重要意义
如何认识和解决能源应用和环境保护这一矛盾统一体
思考题
温室效应结果:1,海平面上升;2,降雨量变化.
酸雨:1998年台洲单次降雨样品PH3.99-8.71,PH平均值5.65,酸雨率为26.34%,其中温岑56.73%(4级,较重),临海42.45%(4级,较重),市区24.32%(2级,轻度):1999年台洲单次降雨样品PH3.96-7.40,PH平均值4.99,酸雨率为47.46%,其中温岑70.71%(5级,较重),临海41.82%(3级,较重),市区71.59%(5级,轻度),玉环3级.
我国城市空气污染损失200亿美元/年,酸雨50亿美元/年,CO2排放量3006.77Mt,占世界13.6%,仅次于美国,处于第二.