1.能量与能源ppt课件

现代能源 选用教材 黄素逸等编著 能源概论 高等教育出版社 参考书 黄素逸编著 能源与节能技术 中国电力出版社黄素逸编著 能源科学导论 中国电力出版社苏亚欣编著 新能源与可再生能源概论 化学工业出版社李传统主编 新能源与可再生能源技术 东南大学出版社 前言 构成客观世界的三大基础是物质 能量和信息 世界是由物质构成的 没有物质 世界便虚无缥缈 能量是物质的属性 是一切物质运动的动力 没有能量 物质就静止呆滞 信息是客观事物和主观认识相结合的产物 没有信息 物质和能量既无认识 也毫无用处能源是国民经济的命脉 与人民生活和人类的生存环境休戚相关 在社会可持续发展中起着举足轻重的作用人类一切活动都与能量及其使用紧密相关 每一次能源的更迭都大大促进人类社会的发展事物的发展总有相反的一面 一方面煤炭 石油 天然气这类化石燃料总有耗尽之日 另一方面 它们给环境造成的污染也日趋严重 能源 环境 人口 粮食 资源已成为当今困扰全人类的共同问题 课程背景 能源是国民经济的命脉 能源与人民生活和人类的生存休戚相关 在社会可持续发展中起着举足轻重的作用 近年来 国家把节约能源放在及其重要的地位 在这种时代背景下 开设 现代能源 课程是很有必要的 本课程的目的 本课程为武汉大学通识教育课 为学生提供有关现代能源科学的基本理论 技术进展 能源经济与政策等方面的知识内容涉及到能源的基础知识 我国能源发展的现状 存在的问题与发展战略 煤炭 石油 天然气 水能等常规能源 太阳能 生物质能 风能 海洋能 地热能等可再生能源以及氢能 核能等新能源的利用原理与工程应用技术和发展前景通过课程的学习 使学生能初步了解有关能源科学的概况和现代能源利用的基本知识 主要内容 能量与能源能量的转换与储存常规能源新能源 第一章能量与能源 本章主要内容 能量与能源能源与人类文明能源资源 生产与消费能源与环境能源的可持续发展 第一节能量与能源 能量能源能源的评价 能量 能量 宇宙间一切运动着的物体 都有能量的存在和转化 人类一切活动都与能量及其使用紧密相关所谓能量 也就是 产生某种效果 变化 的能力 反过来说 产生某种效果 变化 必然要伴随能量的消耗和转换 能量的单位 在国际单位制中 能量的单位 功及热量的单位通常都用焦 J 表示功率的单位为瓦 W 还有千焦 kJ 和千瓦 kW 或兆焦 MJ 或兆瓦 MW 在能源研究中还会用到更大的单位 如GW TW等 能量的单位 在工程应用中 还会见到其它一些单位 如卡 大卡 标准煤当量 标准油当量 百万吨煤当量 Mtce 百万吨油当量 Mtoe 等换算 1卡 4 1868焦 1公斤标准煤当量 kgce 7000大卡 1公斤标准油当量 kgoe 10000大卡 人类所认识的六种能量形式 机械能热能电能辐射能化学能核能 机械能 包括固体和流体的动能 势能 弹性能及表面张力能等动能和势能统称为宏观机械能 人类认识最早的能量 热能 热能是能量的一种基本形式 所有其他形式的能量都可以完全转换为热能 而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式被利用 因此热能在能量利用中具有重要意义构成物体的微观分子运动的动能表现为热能 它的宏观表现是温度的高低 反映了分子运动的强度地球上最大的热能资源为地热能 电能 和电子流动与积累有关 通常由电池中的化学能转化而来 或通过发电机由机械能转换得到反之 电能也可以通过电动机转化为机械能 电做功在自然界中 还有雷电等电能 辐射能 即物体以电磁波形式发射的能量 如太阳能 太阳是最大的辐射源物体会因各种原因发出辐射能 从能量利用的角度而言 因热的原因所发出的辐射能 又称热辐射能 是最有意义的 例如地球表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能 化学能 它是物质结构能的一种 即原子核外进行化学变化时放出的能量按化学热力学定义 物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能 称为化学能利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢 而这两种元素正是煤 石油 天然气 薪柴等燃料中最主要的可燃元素 核能 它是蕴藏在原子核内部的物质结构能 轻质量的原子核 氘 氚等 和重质量的原子核 铀等 核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小 这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核 同时释放出巨大的结合能 这种结合能就是核能 能源 所谓能源 是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源自然资源 煤 石油 天然气 太阳能 风能 水能 地热能 核能等为了便于运输和使用 经上述资源加工可得到一些更符合使用要求的能量来源 如煤气 电力 焦炭 蒸汽 沼气 氢能等 能源的分类 由于可被人类利用的能源多种多样 因此有以下6种不同的分类方法 按地球上的能量来源分按被利用的程度分按获得的方法分按能否再生分按能源本身的性质分按对环境的污染情况分 按地球上的能量来源分 来自于地球本身 如核能 地热能等来自地球外天体 如宇宙射线及太阳能 以及由太阳能引起的水能 风能 波浪能 海洋温差能 生物质能 光合作用 化石燃料 如煤 石油 天然气等 它们是一亿年前由积存下来的有机物质转化而来的 等来自于地球和其他天体的相互作用 如潮汐能 按被利用的程度分 常规能源 其开发利用时间长 技术成熟 能大量生产并广泛使用 如煤炭 石油 天然气 薪柴燃料 水能等新能源 其开发利用较少或正在研究中 如太阳能 地热能 潮汐能 生物质能等 另外还有核能核能通常也被看作新能源 主要是其被利用程度还远不能和已有的常规能源相比 另外核能利用的技术非常复杂 可控核聚变反应至今未能实现 不过有些学者认为应将核裂变作为常规能源 核聚变作为新能源所谓新能源 是相对而言的 现在的常规能源在过去曾是新能源 现在的新能源将来也会成为常规能源 按获得的方法分 一次能源 即自然界现实存在的 可供直接利用的能源 如煤 石油 天然气 风能 水能等二次能源 即由一次能源直接或间接加工 转换而来的能源 如电 蒸汽 焦炭 煤气 氢等 它们使用方便 易于利用 是高品质的能源一次能源只有在少数情况下以它原始的形式为人类服务 更多情况下则要根据不同的目的进行加工 转换成二次能源 以满足需要 或提高能源的使用效率 随着科学技术的发展和社会的现代化 二次能源所占的比重将日益增大 按能否再生分 可再生能源 即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少 如水能 风能 潮汐能 太阳能等非再生能源 经过亿万年形成的 短期内无法恢复的能源 它随人类的利用而越来越少 如石油 煤 天然气 核燃料等 按能源本身的性质分 含能体能源 燃料能源 其本身就是可提供能量的物质 如石油 煤 天然气 地热 氢等 它们可以直接储存 因此便于运输和传输过程性能源 非燃料能源 指由可提供能量的物质的运动所产生的能源 它们无法直接储存 如风能 水能 海流 潮汐 波浪 火山爆发 雷电 电磁能和一般热能等 按对环境的污染分 清洁能源 即对环境无污染或污染很小的能源 如太阳能 水能 海洋能等非清洁能源 即对环境污染较大的能源 如煤 石油等石油的污染比煤小一些 但也会产生氧化氮 二氧化硫等有害物质 所以 清洁与非清洁能源的划分也是相对而言的 并不是绝对的 清洁能源 清洁能源可以分为狭义和广义两大类 狭义的清洁能源仅指可再生能源 它们消耗之后可以得到恢复补充 不产生或很少产生污染物 广义的清洁能源是指在能源的生产 产品化及其消费过程中 对生态环境尽可能低污染或无污染的能源 包括低污染的天然气等化石能源 利用洁净能源技术处理的洁净煤和洁净油等化石能源 可再生能源和核能等 能源的分类 此外 还常常看到另外一些有关能源的术语或名词 如商品能源 非商品能源 农村能源 绿色能源 终端能源等它们也都是从某一方面来反映能源的特征 例如商品能源是指流通环节大量消费的能源 如煤炭 石油 天然气 电力等 而非商品能源则指不经过流通环节而自产自用的能源 如农户自产自用的薪柴 秸杆 牧民自用的牲畜粪便等 能源的评价 能源多种多样 各有优缺点 为了正确选择和使用能源 必须对各种能源进行正确的评价 能源的评价 通常包括以下10个方面 储量储能的可能性供能的连续性能量密度能源的地理分布开发费用和利用能源的设备费用运输费用与损耗能源的可再生性能源的品位对环境的影响 储量 储量是能源评价中的一个非常重要的指标 作为能源的一个必要条件是储量要足够丰富对储量有不同的理解 一种观点认为 对化石燃料而言 是指地质资源量 对新能源而言是指资源总量 另一种理解是指有经济价值的可开采的资源量或技术上可利用的资源量 储能的可能性 指能源不用时是否可以储存起来 需要时是否又能立即供应 在这方面 化石燃料容易做到 而太阳能 风能则比较困难由于在大多数情况下 用能是不均衡的 比如白天用电多 深夜用电少 冬天需要热 夏天却需要冷 因此在能量利用中 储能是很重要的一环 供能的连续性 指能否按需要和所需的速度连续不断地供给能量 显然太阳能和风能就很难做到供能的连续性 故常要储能装置来保证供能的连续性 能量密度 指在一定空间或面积内 从某种能源中所能得到的能量 显然 如果能量密度很小 就很难用作主要能源 太阳能和风能的能量密度就很小 各种常规能源的能量密度就都比较大 核燃料的能量密度最大 能源的地理分布 能源的地理分布和使用关系密切 若分布不合理 则开发 运输 基本建设等费用都会大幅度增加 例如 我国煤炭资源多在西北 水能资源多在西南 而用电量大的工业区却在沿海 带来 北煤南运 西电东送 等诸多问题 开发费用和利用能源的设备费用 各种能源的开发费用以及利用该种能源的设备费用相差悬殊太阳能 风能不需要任何成本即可得到 各种化石燃料在开发中需要大量投资 但是利用能源的设备费用则正好相反 太阳能 风能 海洋能的利用设备费按每千瓦远高于利用化石燃料的设备费 核电站的核燃料费远低于燃油电站 但其设备费却高很多在对能源进行评价时 开发费用和利用能源的设备费用是必须考虑的重要因素 并需进行经济分析和评估 运输费用与损耗 运输费用与损耗是能源利用中必须考虑的一个问题 例如太阳能 风能和地热能等很难输送出去 但化石燃料却很容易从产地输送至用户 核电站核燃料的运输费用极少 而燃煤电站的输煤就是一笔很大的费用 此外运输中的损耗也不可忽视 能源的可再生性 在能源日益匮乏的今天 评价能源时不能不考虑能源的可再生性 在条件许可和经济上基本可行的情况下 应尽可能采用可再生能源 能源的品位 能源的品位有高低之分 如水能比化石燃料的品位要高 在热机中 热源的温度越高 冷源的温度越低 则循环的热效率就越高 故温度高的热源的品位要高些 在使用能源时 特别要防止高品位能源降级使用 并根据使用需要适当安排不同品位能源 对环境的影响 使用能源时一定要考虑对环境的影响 化石燃料对环境的污染大 太阳能 氢能 风能对环境基本上无污染 在使用能源时 应尽可能采取各种措施防止对环境的污染 第二节能源与人类文明 能源更迭与社会发展能源与国民经济能源与人民生活 能源更迭与社会发展 人类利用能源的历史 也就是人类认识和征服自然的历史 1 火的发现和利用 2 畜力 风力 水力等自然动力的利用 3 化石燃料的开发和热的利用 4 电的发现及开发利用 5 原子核能的发现及开发利用 能源更迭与社会发展 人类的能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代再到油气时代的演变 在能源利用总量不断增长的同时 能源结构也在不断变化每一次能源时代的变迁 都伴随着生产力的巨大飞跃 极大地推动了人类经济社会的发展 同时 随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来越多 能源对人类经济社会发展的制约和对资源环境的影响也越来越明显 能源更迭与社会发展 人类社会已经历了三个能源时期 薪柴时期煤炭时期石油时期 薪柴时期 史前的人类依靠采集植物和猎取动物取得能量 以满足自身生存和繁衍的基本需要火的发现是人类史上自觉利用能源的开端 人类学会了用火 才实现了人类利用能源历史上的第一次大突破 有了火 人们开始利用枯枝 杂草等燃料烧煮食物 取暖 照明后来 人们逐渐把火用于熔炼金属 烧制陶器 加工各种工具和物件等方面 作为燃料的薪柴的消费量不断增加火的发现和薪柴的使用为人类从游牧生活向定居生活过渡创造了条件 推动了农牧业的发展 促进了集镇的兴起 开拓了人类物质文化生活的新局面 薪柴时期 在漫长的岁月里 人类一直以薪柴作为能量的主要来源 而辅之以水力 风力和畜力 由于在能源利用上没有什么新的突破 因而几千年来人类社会的进步并不大从世界范围来说 在19世纪末以前 许多国家都处于薪柴时期1860年 在世界能源消费中 薪柴和农作物秸杆占世界能源总消费量的73 8 而煤炭仅占25 3 煤炭时期 18世纪70年代 英国人瓦特发明了蒸汽机 首次完成了热能向机械能的转换 为工业的发展提供了原动力蒸汽机的应用需要大量的燃料 仅仅依靠薪柴是远远不够的 于是人类开始广泛利用煤炭蒸汽机的应用使工场手工业逐渐解体 促进了大工业的发展 形成了纺织 钢铁 机械 化学 煤炭等工业体系 扩大了城市的规模 使社会劳动生产率得到了极大的提高 煤炭时期 煤炭发热量高 使用方便 它的大量使用促进了蒸汽机的广泛应用 形成了 蒸汽机时代 从而有力地推进了以英国产业革命为先导的工业大发展 推动了资本主义社会的发展 使人类进入了机械化时代1881年 爱迪生建成了世界上第一个发电站 同时还研制成功了实用的发电机和电灯从此 电力在各个领域里被广泛应用 人类进入了 电气化时代 社会生产力有了大幅度的增长 而且人类的生活水平和文化水平也有了极大的提高 从根本上改变了人类生活的面貌 但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料 煤炭时期 在1860至1910年的半个世纪里 煤炭的消费总量增加了37 3倍 由占全世界能源总消费量的25 3 增长到63 5 薪柴却由占73 8 下降为31 7 石油时期 从20世纪60年代开始到20世纪70年代末 石油和天然气逐渐取代了煤炭 在世界能源消费构成中占据主要地位 石油是一种热值高 灰分少 使用方便 易于运输的优质化石能源 19世纪中叶 大油田的发现开拓了能源利用的一个新时期尤其是20世纪50年代 首先在美国 而后在中东 北非地区 相继发现了巨大的油田和气田 国际石油公司投入大量资金进行大规模的开采 大量石油涌入国际市场 于是 以工业发达国家为首的许多国家的能源消费结构逐渐由煤炭向石油和天然气转换 石油时期 到了20世纪50年代中期 世界石油和天然气的消费量已经开始超过煤炭 成为世界能源供应的主力这是继薪柴向煤炭转移之后 能源结构演变的又一个重要的里程碑 它对促进世界经济的繁荣和发展起到了重要的作用近50年来 世界上许多国家依靠石油和天然气 创造了人类历史上空前的物资文明进入21世纪 核能将成为世界能源的主角 清洁能源的时代也将随之到来 能源与国民经济 能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础 是推动国民经济发展的强大动力 现代工业和现代农业都离不开能源动力 工业方面 各种锅炉 窑炉都要用油 煤和天然气作燃料 钢铁冶炼要用焦碳和电力 机械加工 起重 物料传送 气动液压机械 各种电机 生产过程的控制和管理都要用电力 交通运输需要动力 油和煤 国防工业需要大量的电力和石油 此外 能源还是珍贵的化工原料 从石油中可以提取5000多种有机合成原料 其中最重要的有乙烯 丙烯 丁二烯 苯 甲苯 二甲苯 乙炔等 由这些原料加工 就可以得到塑料 合成纤维 人造橡胶 化肥 人造革 染料 炸药 医药 农药 香料等各种工业制品 现代农业 农产品产量的大幅度提高 也是和使用大量能源联系在一起的 例如 耕种 收割 烘干 冷藏 运输都直接需要消耗能源 化肥 农药 除草剂又都要间接消耗能源美国1945至1975年间 平均每吨谷类作物的总能源消耗量由20kg标准煤增加到67kg标准煤 而产量由204kg增加到486kg 能源消费弹性系数 世界各国经济发展的实践证明 在经济正常发展的情况下 能源消耗总量和能源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济生产总值增长率成正比关系能源消费弹性系数是能源消费的年增长率与国民经济年增长率之比该系数的大小与国民经济结构 能源利用效率 生产产品的质量 原材料消耗 运输以及人民生活需要等因素有关 能源消费弹性系数 世界经济和能源发展的历史显示 处于工业化初期的国家 经济增长主要依靠能源密集工业的发展 能源效率也低 因此能源消费弹性系数通常多大于1 到工业化后期 一方面经济结构转向服务业 另一方面技术进步促进能源效率提高 能源消费结构日益合理 因此能源消费弹性系数通常小于1 尽管各国的实际条件不同 但只要处于类似的经济发展阶段 它们就具有大致相近的能源消费弹性系数 发展中国家的能源消费弹性系数一般大于1 工业化国家能源消费弹性系数大多小于1 人均收入越高 弹性系数越低我国从1979年至2005年GDP年均增长率为9 6 能源消费年均增长率为4 9 能源消费弹性系数约0 5 我国近年来能源消费弹性系数 我国近年来能源消费弹性系数 能源与人民生活 能源与人民生活休戚相关 人们的衣 食 住 行处处离不开能源 而且文化娱乐 医疗卫生都与能源有着密切的关系 随着生活水平的提高 所需的能源也愈多 从一个国家人民的能耗量就可以看出一个国家人民的生活水平 目前世界人均能源消费水平 维持生存所必需的能源消费量 每人每年约400kg标准煤现代化生产和生活的能源消费量 即为保证人们能丰衣足食 满足起码的现代化生活所需的能源消费量 为每人每年1200 1600kg标准煤更高级的现代化生活所需的能源消费量 以发达国家的已有水平作参考 使人们能够享受更高的物质与精神文明 每人每年至少需要2000 3000kg标准煤 世界人均能源消耗情况 据世界银行统计 1994年高收入国家人均能耗7 151吨标准煤 中等收入国家为2 107吨标准煤 低收入国家为0 527吨标准煤 世界平均数为2 047吨标准煤 而我国为0 949吨标准煤 为高收入国家的13 3 中等收入国家的46 不足世界平均数的一半 世界人均能源消耗情况 1998年 世界人均能源消费量为2 1吨标准煤 其中美国人均消费11 53吨标准煤 英国人均消费5 63吨标准煤 在亚洲 新加坡的人均消费水平为10 97吨标准煤 日本为5 77吨标准煤 我国2005年人均消费约为1 69吨标准煤 2007年人均消费约为2吨标准煤 2008年人均消费2 146吨标准煤 2010年人均消费2 43吨标准煤 2011年人均能源消费2 583吨标准煤 2012年人均能源消费2 673吨标准煤 世界人均能源消耗情况 2005年 人均一次能源消费 世界平均水平为1 65吨油当量 日本 美国分别为4 13吨和7 97吨油当量 中国为1 18吨油当量 约为世界平均水平的四分之三 日本的四分之一 美国的七分之一在能源消费中 中国短缺而需要补充的只有石油和天然气 2005年 中国人均石油消费量为0 242吨 约为世界平均水平的1 2 美国的1 9 日本的1 8 天然气人均消费量仅为世界平均水平的8 5 美国的1 6 日本的5 6 世界人均能源消耗情况 2005年 中国石油净进口1 3亿吨 人均仅0 1吨 只相当于世界平均水平的1 4 而同期美国石油净进口6 13亿吨 人均2 09吨 分别为世界平均人均和中国人均的4 5倍和20倍 日 德 韩等国家几乎不生产原油 年进口量合计达4亿吨以上 第三节能源资源 生产与消费 概述煤炭资源 供应与消费石油资源 供应与消费天然气资源 供应与消费 概述 人类使用的能源最主要的是非再生能源 如石油 天然气 煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的90 左右 再生能源如水力 植物燃料等只占10 左右从长远的角度看 世界能源储量最多的是太阳能 在再生能源中占99 44 而水能 风能 地热能等不到1 而非再生能源中 利用海水中的氘资源产生的所谓人造太阳能 聚变核能 几乎占100 煤炭 石油 天然气 裂变核燃料加起来也不足千万分之一人类使用的能源归根到底要依靠太阳能 太阳能是人类永恒发展的能源保证 概述 世界能源资源分布是不均衡的石油储量最多的地区是中东 占56 8 天然气和煤炭储量最多的是欧洲 各占54 6 和45 亚洲大洋州除煤炭稍多 占18 以外 石油 天然气都只有5 多一些能源资源分布的不均衡给世界的政治 经济格局带来重大的影响 世界能源消费特点 世界经济合作组织一直是世界能源的主要供应者 目前仍占世界能源供应总量的50以上当今世界的能源消费仍以石油为主1994年 世界能源的总消费量为114亿吨标准煤 其中石油占39 3 煤炭占28 8 天然气占21 6 化石燃料占89 7 核能占7 3 水力 地热等占3 2001年 世界能源的总消费量为122亿吨标准煤 其中石油约占43 世界能源消费特点 2005年 世界能源的总消费量为152 53亿吨标准煤 其中石油占36 41 天然气占23 49 煤炭占27 8 核能占5 95 水力等占6 35 2006年 世界能源的总消费量为155 43亿吨标准煤 其中石油占35 8 天然气占23 7 煤炭占28 4 核能占5 8 水力等占6 3 2009年 世界能源的总消费量为159 49亿吨标准煤 其中石油占34 8 天然气占23 7 煤炭占29 4 核能占5 5 水力等占6 6 世界能源消费特点 半个世纪来 世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势 70年代起石油已在世界能源消费中占第一位 工业化国家无一例外地采用以油 气燃料为主的能源政策 其能源结构中油 气比例高于世界的平均水平水能和核能的利用 主要表现在水电及核电的比例上 电能是现代化所必须的高级二次能源 世界各国都非常重视电力工业的发展 并努力提高电气化水平 用以衡量电气化程度的重要标志是电能消耗量在一次能源总消费量中的比重 世界能源消费特点 20世纪上半叶 世界能源消费的平均增长速度是每十年翻一翻 20世纪下半叶 世界能源消费的平均增长速度是每十年翻半番 世界能源消费结构的变化 20世纪以来世界能源消费构成 煤炭资源 供应与消费 煤炭是世界上最重要的能源2005年 世界煤炭探明储量9090 64亿吨 而1978年仅为6364亿吨 即在过去的27年中煤炭储量增长了42 8 其中前10位的国家占了90 左右 美国占1 4 俄罗斯占16 中国排第3位 已探明剩余可采储量为1145亿吨 占世界的12 6 平均储采比已由2002年的204年减小到2005年的155年2011年为112年中国的储采比由2002年的82年减小到2005年的52年 2005年世界煤炭探明前7位国家 煤炭资源 供应与消费 在过去的30多年中 世界煤炭证实储量增长较快 而且其分布也发生了较大的变化 全球煤炭证实储量的区域分配出现了从欧洲的世界经合组织国家向经济转型国家和南亚国家转移的现象煤炭证实储量的增长多发生在煤炭产量增长强劲的国家和地区 特别是在煤炭行业具有世界级竞争水平的国家和地区 这是因为这些国家和地区能够不断进行勘探以增长煤炭探明储量 澳大利亚 印度尼西亚 美国 加拿大 委内瑞拉 中国和印度都是如此随着煤炭产量和消费量的增长以及运输基础设施的加强 将会有更多的煤炭资源成为可经济开发的资源 煤炭资源 供应与消费 2005年 世界煤炭总生产量达到28 872亿吨油当量煤炭产量的增长主要是在煤炭行业具有竞争力的国家和地区 包括南非 澳大利亚 中国 印度尼西亚和北美及南美国家 而世界经合组织欧洲国家的煤炭产量进一步下降 除了经济转型国家受政治和经济改革的影响产量下降之外 其他储量增长的国家和地区其产量也是增加的 煤炭资源 供应与消费 世界各地区煤炭消费趋势大相径庭北欧和西欧地区由于大量使用天然气 从1985年到1999年 煤炭消费下降了35 在前苏联和东欧国家 由于经济崩溃或产业结构调整 从1985年到1999年 煤炭消费下降了48 世界多数国家在这一时期的煤炭消费呈增长趋势总的趋势是 世界煤炭消费量在能源构成中所占比例趋于下降 石油资源 供应与消费 全世界石油可采储量为3113亿吨 到2001年末 已探明剩余可采储量为1430亿吨 其中中东为934亿吨 占了2 3以上 仅沙特阿拉伯就占了世界的1 42005年全球石油探明储量为1636亿吨 储采比由2003年的41年减少到2005年的40 6年 2011年为54 2年2006年全球原油估算探明储量为1804 72亿吨 沙特阿拉伯仍列世界首位 为355 89亿吨中国2006年原油估算探明储量约为21 92亿吨 较上年大幅下降了12 33 居世界第13位 比2005年下降一位 石油资源 供应与消费 除了常规石油外 还有非常规石油 即重 稠 油 油页岩 沥青和油砂等世界重 稠 油探明储量为407亿立方米 未来潜在储量为948亿立方米世界探明的油页岩储量为4600亿吨 最终资源量可达53万亿吨 可获得页岩油31860亿吨 我国油页岩资源量476亿吨 可回收页岩油120亿吨 石油资源 供应与消费 2005年 全世界合计生产原油38 95亿吨 比2004年增加2710万吨统计显示 1973年世界石油产量是28 67亿吨 32年间增加生产10亿吨 天然气资源 供应与消费 估计全世界天然气的资源量为328万亿立方米 到2001年末 已探明剩余可采储量为155万亿立方米 主要分布在前苏联和中东地区 其中俄罗斯占32 9 伊朗占15 7 我国在1999年末 已探明剩余可采储量为1 37万亿立方米 占世界的0 9 居第18位 天然气资源 供应与消费 除了常规天然气以外 以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气也是重要的能源 煤层气中甲烷占95 是一种优质洁净的燃料 世界上已有29个国家开展煤层气研究 勘探 和开发 我国20世纪80年代初开始煤层气勘探研究 拥有31万亿立方米资源 居世界第二位 可采资源量11万亿立方米 在12个国家煤层气资源中占13 探明储量仅474亿立方米 已发现第一个大型煤层气气田 沁水煤层气田 预计2010年煤层气产量达20亿立方米 2020年达100亿立方米 天然气资源 供应与消费 海底蕴藏着丰富的油 气资源 海洋石油蕴藏量约1000多亿吨 探明储量380多亿吨 海洋天然气储量约140万亿立方米 探明储量约40多万亿立方米中国近海石油约有240多亿吨资源量 14万亿立方米天然气资源量 发现了71个含油 气构造 获地质储量石油12亿吨 天然气2350亿立方米 近年来 在南沙海域发现7个油气盆地 总资源量达320亿至430亿吨 是世界四大油气区之一 天然气资源 供应与消费 2005年 世界天然气生产量达到2 763万亿立方米 比2004年增加714亿立方米中国天然气生产量由2001年303亿立方米增加到2005年的500亿立方米 排序由2001年第19位上升到2005年第14位 2009年 中国天然气产量达到851 7亿立方米 2010年 中国天然气产量达到967 6亿立方米 2011年 中国天然气产量达到1030 6亿立方米 水能资源 世界各国的理论蕴藏量为3 5 1013kW h a 技术上可开发的水能资源为1 46 1013kW h a 经济可开发的水能资源为0 9 1013kW h a 我国水能资源丰富 预计全国理论蕴藏量达6 76亿kw 可开发的达3 78亿kw 年发电量19000亿度 占世界首位 新的数据表明 我国水能资源技术上可开发的达5 4亿kw 增加了43 左右 第四节能源与环境 环境概述温室效应酸雨臭氧层破坏热污染放射性污染能源对人体健康的影响 环境概述 环境是人类生产和生活的空间 是人类生存和发展的物质基础环境既包含自然环境 也包含社会和经济环境从环境保护的角度而言 环境是指物质环境 即人类生存和发展的各种天然和经过人工改造的自然因素的总体 包括大气 水体 土壤 矿藏 森林 草原 野生生物 自然和人文遗迹 自然保护区和风景名胜区以及城市 农村等 全球环境状况 世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的 经济发展和人口增长给环境造成了巨大的压力 对发展中国家这种情况尤为突出联合国最新公布的研究结果显示 在过去30年中 虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩 但全球整体环境状况持续恶化 国际社会普遍认为 贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源 这是造成环境恶化的罪魁祸首 全球环境状况 环境问题可分为两类 由自然力引起的原生环境问题 指地震 洪涝 干旱 滑坡等自然灾害所引起 和由人类活动引起的次生环境问题 分为环境污染和生态破坏两大类 全球环境状况 全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧 大面积土地退化 森林面积急剧减少 淡水资源日益短缺 大气层臭氧空洞扩大 生物多样化受到威胁等多方面 同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖 使自然灾害发生的频率和烈度大幅增加 算一算地球一天的污染帐 地球上城市居民约有70 15亿人 呼吸受污染的空气 每天至少有800人因此过早死亡 每天有1 5万人死于饮用污染的水 其中大部分是儿童 工业 各种喷雾罐 冰箱 空调机等每天把1500多吨氯氟烃排入大气层 它们是造成臭氧层空洞的罪魁祸首 算一算地球一天的污染帐 每天进入大气层的二氧化碳为6000多万吨 温室效应 与此有关 每天有5 5万公顷森林被毁 161平方公里土地荒漠化 全球每年土壤的流失量达200亿吨 每天有16万辆新汽车驶上公路 各国400多座核电站产生26吨核废料 还有1 2万桶石油泻入海洋 每分钟有40公顷的耕地消失 有85万吨污水排入江河大海 有7种新物质被合成 它们中有些是不能被自然降解的 有28人死于环境污染 人口仅占世界1 4的发达国家消耗的能源占世界能源总消耗量的3 4 过去20年 世界能源消耗增长了50 而海洋渔业资源却减少了1 4以上 早在上世纪80年代初期 全世界32 57亿公顷生产用旱地已有61 受到荒漠化的影响 而且大量地施用化肥 农药 不仅使土壤和地下水受污染 也使土地生产力下降 人们赖以生存的粮食和其它农产品也受到了污染的威胁 天空正在塌陷 全球正在变暖 海平面上升与陆地淹没气候带的移动飓风的加剧植被的迁徙与物种灭绝洋流的变化与厄尔尼诺雨型的改变 大气环境的三大问题 20世纪80年代中期在南极上空发现了臭氧空洞 它与地球变暖及所谓温室效应和酸雨沉降问题构成全球性大气环境问题 明显地危及全人类的生存和繁衍 引起了国际社会的高度关注 使当今的世界环境问题具有明显的时代特征 大气环境的三大问题 联合国环境规划署发布的 全球环境展望 报告指出 消除贫困 发达国家改变消费方式 加强环境管理 增加环保投资以及减免发展中国家的债务是遏制全球环境恶化趋势的先决条件 能源与环境 人类从来没有像今天这样意识到和感受到生存环境所受的威胁 社会也从来没有像现在这样企盼生活空间质量的改善能源作为人类赖以生存的基础 其开采 输送 加工 转换 利用和消费的过程都直接或间接地改变着地球上的物质平衡和能量平衡 必然对生态系统产生各种影响 成为环境污染的根源之一能源对环境的污染主要表现在导致温室效应 酸雨 臭氧层破坏 热污染 放射性污染等 温室效应 近100多年来 全球气温总的趋势是上升的 20世纪80年代全球平均气温比19世纪下半叶升高了0 6 最暖的13个年份均出现在1983年以后近百年我国气候同样在变暖 气温上升了0 4 0 5 尤以冬季和西北 华北 东北地区最为明显 1985年以来 已连续出现了20个全国范围的暖冬 降水自20世纪50年代后则逐渐减少 华北地区出现暖干化趋势预测表明 当空气中二氧化碳浓度为目前的两倍时 地表面平均温度将上升1 5 4 5 这将引起南极冰山融化 导致海平面升高 并淹没大片陆地 地球变暖的原因到底是什么 人类使用能源一天所放出的热量 0 1 1016kJ 如果把这些热量全部用于加热海洋 仅仅可以使海水温度上升6 10 5 即加热一万年 海水温度也只上升到1 地球一天从太阳获得的热量 1500 1016kJ 地球变暖的原因到底是什么 太阳射向地球的光约1 3被云层 冰粒和空气分子反射回去约25 穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用 但以后又返回到太空其余的大约37 则被地球表面吸收 这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空如果这部分热量遇到了阻碍 不能全部被反射出去 地球表面的温度就会增加 地球变暖的原因到底是什么 空气中的二氧化碳和水蒸气等三原子气体都有相当大的辐射和吸收辐射的能力 这些气体的辐射和吸收有选择性 它们能让太阳的短波辐射自由地通过 同时却吸收地面发出的长波辐射太阳表面温度约为6000K 辐射能主要是短波 地球表面温度约为288K 辐射能主要为长波大部分太阳短波辐射可以通过大气层到达地面 使地球表面的温度升高 与此同时 由于二氧化碳等气体强烈地吸收地面的长波辐射 使散失到宇宙空间的热量减少 于是地面吸收的热量多 散失的热量少 导致地球气温升高 这就是 温室效应 温室气体的组成和来源 在主要的温室气体中 二氧化碳占49 甲烷为18 制冷剂CFC为14 其他气体13 氧化二氮6 温室气体的来源 能源58 2 农业21 2 冷冻和空调设备15 天然产生5 6 其他来源1 温室效应的危害 气候变化将改变植被群落的结构 组成及生物量 使森林生态系统的空间格局发生变化 同时也造成生物多样性减少等冰川条数和面积减少 冻土厚度和下界会发生变化 高山生态系统对气候变化非常敏感 冰川规模将随着气候变化而改变 山地冰川普遍出现减少和退缩现象气候变化导致湖泊水位下降和面积萎缩农业生产的不稳定性增加 产量波动大 农业生产布局和结构将出现变动 农业生产条件改变 农业成本和投资大幅度增加 温室效应的危害 气候变暖将导致地表径流 旱涝灾害频率以及水质等发生变化 水资源供需矛盾将更为突出对气候变化敏感的传染性疾病的传播范围可能增加 与高温热浪天气有关的疾病和死亡率增加气候变化将影响人类居住环境 影响温室效应的直接原因 对于温室效应来说 最直接影响的是大气中的二氧化碳含量 由于大量燃烧化石燃料 使大气中二氧化碳浓度上升较快 据统计 全球每年因燃烧而产生的二氧化碳高达6Gt 国际能源机构指出 到2010年 化石燃料将提供90 世界能源需求量 这意味着今后温室气体的排放量将进一步增加 2010年世界二氧化碳排放量预计将比1990年增加30 42 影响温室效应的直接原因 化石燃料的使用是CO2等温室气体增加的主要来源科学观测表明 地球大气中CO2的浓度已从工业革命前的280ppmv上升到了目前的379ppmv全球平均气温也在近百年内升高了0 74 特别是近30年来升温明显全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境的影响总体上是负面的 需要国际社会认真对待 影响温室效应的直接原因 能源工业同时也是甲烷气体的一个重要的产生源 20 因此能源产业就成为减少温室气体排放行动的焦点 为减缓全球气候变化的国际活动 为了应对全球气候变化 1979年主要由科学家参加的第一次世界气候大会呼吁保护气候1988年11月 世界气象组织和联合国签署成立了政府间气候变化专门委员会 IPCC 1991年2月联合国组成气候公约谈判工作组 并于1992年5月完成了公约的谈判工作1992年6月 联合国环境与发展大会 期间 153个国家和区域一体化组织正式签署了气候变化框架公约 为减缓全球气候变化的国际活动 1994年3月21日公约正式生效截止到2001年12月 共有187个国家和区域一体化组织成为缔约方1997年在日本京都召开的公约第三次缔约方大会通过了 京都议定书 为发达国家规定了到2008 2012年具体的温室气体减排义务 即发达国家在该期间内要将其二氧化碳等温室气体排放水平比1990年平均减少5 2 对发展中国家没有规定新的义务 只是重申了公约下的义务中国政府已核准 京都议定书 减缓温室效应的对策 提高能源利用率 减少化石燃料的消耗量 大力推广节能新技术开发不产生二氧化碳的新能源 如核能 太阳能 地热能 海洋能推广绿化植树 限制森林砍伐 制止对热带森林的破坏减缓世界人口增长速度 在农村发展 能源农场 利用种植薪柴树木通过光合作用固定二氧化碳采用天然气等低含碳燃料 大力发展氢能 小结 2009年 我国CO2的排放量已超过美国 位居世界第一由于技术和设备相对陈旧 落后 能源消费强度大 我国单位国内生产总值的温室气体排放量比较高 如果长期不减排 我国参与 联合国气候变化框架公约 活动时遭受到的压力将会越来越大 如果处置不当 有可能会影响我国的国际形象和地位此外 我国气候将持续变暖 而且增暖的速率将比过去100年更快 因此 减少CO2的排放已成为刻不容缓的重要工作 酸雨 简单地说 酸雨就是酸性的雨被大气中存在的酸性气体污染 pH小于5 65的雨叫酸雨pH小于5 65的雪叫酸雪在高空或高山 如峨眉山 上弥漫的雾 pH小于5 65时叫酸雾 酸雨的形成 现代工业 农业和交通排放更大量 种类更多的污染物 包括酸碱性物质 且与尘埃一起升到高空 与天上的水蒸气相遇 就会形成硫酸或硝酸液滴 使雨水酸化 这时 落到地面的雨水就成了酸雨高硫煤和石油燃烧产生的SO2和NOx是造成酸雨的主要祸首 酸雨污染来源 造成雨水酸化之污染物很多 其污染来源大致可分为两类 一类为自然物质 另一类为人为物质 前者如火山爆发喷出的大量硫化物及悬浮固体物 自然水域表面释放的硫化氢 动植物分解产生的有机酸 土壤微生物及海藻释放的硫化氢 二甲基硫及氮化物等 都会使雨水的pH降至5 0左右后者则为工业化后 燃料的大量使用 燃烧过程中产生CO HCl SO2 NOx及悬浮固体物 排放至大气环境中 经光化学反应生成硫酸 硝酸等酸性物质使得雨水的pH降低 形成酸雨 酸雨 可能引起雨水酸化的主要物质是二氧化硫和NOx 它们形成的酸雨占总酸雨量的90 以上这两类物质的90 以上是燃烧化石燃料造成的中国的酸雨以硫酸为主 硝酸的含量不到硫酸的十分之一 与以煤为主的能源结构有关 酸雨 20世纪70年代 酸雨在世界上仍是局部性问题 进入80年代后 酸雨的危害更加严重 并且扩展到世界范围 例如 欧洲大气化学监测网监测结果表明 欧洲雨水的酸度每年增加10 目前 酸雨已成为全球面临的主要环境问题之一 酸雨的危害 酸雨会以不同的方式危害水生生态系统 陆生生态系统 腐蚀材料和影响人体健康酸雨会使湖泊变成酸性 引起水生物死亡酸雨是造成大面积森林死亡的原因酸雨还加速了建筑结构 桥梁 水坝 工业设备 供水管网和名胜古迹的腐蚀 影响人体健康 酸雨产生的原因 产生酸雨的主要原因是化石燃料燃烧 特别是煤炭燃烧所产生的二氧化硫和NOx近一个世纪以来 全球的二氧化硫排放一直在上升中国的能源消耗以煤为主 因此二氧化硫的排放更加严重 我国酸雨的情况 1995年我国由于酸雨和二氧化硫污染造成农作物 森林和人体健康等方面的经济损失约为1100多亿元 接近当年国民生产总值的2 1999年二氧化硫的排放量达1875万吨 全国PH值小于5 6的区域占国土面积的40 我国酸雨覆盖四川 贵州 重庆 广西 广东 湖南 湖北 江西 浙江 江苏等省市 面积达200多万平方公里 是世界的三大酸雨区之一 防止酸雨的措施 世界各国都在采取切实有效的措施控制二氧化硫的排放 其中最重要的是洁净煤技术 我国采取的对策 为了控制酸雨和二氧化硫的排放 我国1995年8月修订的 大气污染防治法 作出了划定酸雨控制区和二氧化硫控制区的规定 1998年划定的 两控区 的面积为109万平方公里 11 8 其中酸雨控制区为80万平方公里 二氧化硫污染区为29万平方公里除了实行二氧化硫排放总量控制外 还采取了一系列的具体措施 例如禁止新建煤层含硫大于3 的矿井 已建的逐步实行限产和关停 现有燃煤含硫量大于1 的电厂应在2010年前分期分批建成脱硫设施等 臭氧层破坏 1984年英国科学家首次发现南极上空出现了臭氧空洞 随后的气象卫星证实 由于人类的活动 这个臭氧空洞已在迅速扩大造成臭氧层破坏的主要原因是人类过多地使用氯氟烃类物质和燃料燃烧产生的N2O所致 臭氧空洞的产生 氯氟烃释放到大气中 再上升到高空时 会分解出氯原子 自由的氯原子遇上臭氧分子后 会夺走臭氧分子O3中的一个氧原子 使之变成为普通的氧分子O2 每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子 实验数据显示 平均每一个氯原子可以消灭1万个臭氧分子 其威力惊人其结果是高空中由臭氧分子组成的臭氧层就被大大损耗 导致了臭氧层变薄 甚至出现臭氧空洞 臭氧空洞 人类的威胁 根据调查显示 自1978年开始的10年内 全球各纬度平流层的臭氧含量降低约1 2 至10 不等 南极上空则是臭氧被破坏最严重的区域 甚至在春季期间更会出现所谓的 臭氧空洞 臭氧空洞 人类的威胁 南极上空的臭氧层是在20亿年的漫长岁月中形成的 可是仅在一个世纪里就被破坏了60 目前全球臭氧层削减率正以每年2 至3 的速度在进行 如果任其发展 在21世纪末 平流层臭氧含量将降至目前的一半以上 届时 人类将会面临一场空前的浩劫 臭氧层被破坏的后果 地球上的生物能在陆地上生活 是因为集中在平流层中的臭氧对于阳光中的紫外线具有隔除的作用 如果没有臭氧层 进入大气层的紫外线就很容易被细胞核吸收 破坏生物的遗传物质DNA 陆地上的生物便无法存在了 而这个臭氧层目前正受到人类持续不断的破坏 臭氧层被破坏的后果 据科学研究 臭氧减少10 紫外线可能增加20 皮肤癌患者可能增加30 此外还会产生下列几种现象 1 白内障罹患率增加 2 免疫系统受到抑制 3 谷物的收成减少 品质降低 植物和浮游生物减少 破坏自然界的生物链 4 塑料 橡胶制品加速老化 5 紫外线直射会引起对流层臭氧的增加 致使产生光化学烟雾 造成空气污染 保护臭氧层 目前 最早使用CFCs的24个发达国家已于1985年和1987年分别签署了限制使用CFCs的 维也纳公约 和 蒙特利尔议定书 1993年2月 中国政府批准了 中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案 确定在2010年完全淘汰消耗臭氧层物质人类尚未找到对已被破坏的臭氧层进行补救的措施 但全世界正努力限制和停止对消耗臭氧层物质的生产和使用 另一方面 人类正努力开发无害的制冷剂 发泡剂等 任何关心保护臭氧层的普通人都可以通过选择对臭氧层无害的消费品 来参与保护臭氧层行动 减缓臭氧层破坏的措施 逐步减少直至停止氯氟烃类物质的使用发展低Nox燃烧技术及烟气和尾气的脱硝是减少N2O排放的关键 热污染 一般认为 当今的环境污染是指有毒 有害的化学物 粉尘 电磁波 放射物质等对空气和水造成的污染等其实 除此之外 热污染 也是一种严重威胁人类生存和发展的新的环境污染 热污染 用江河 湖泊水作冷源的火力发电厂和其它工业锅炉 工业窑炉等用热设备 冷却水吸收热量后 温度将升高6 9 然后再返回自然水源 于是大量的排热进入到自然水域 引起自然水温升高 从而形成所谓的热污染 热污染带来的危害 热污染会导致水中的含氧量减小 影响水中鱼类和其它浮游生物的生长 同时使水中藻类大量繁殖 破坏自然水域的生态平衡热污染造成的水体温度升高给一些致病微生物造成一个人工环境 使它们得以滋生 泛滥 引起疾病流行 危害人类健康 热污染带来的危害 随着人口的增加和能耗的增长 城市排入大气的热量日益增多 造成大城市的 热岛效应 使一些原本炎热的城市变得更加炎热 城市气温过高会诱发冠心病 高血压 中风等 直接损害人体健康世界上热岛效应最强的是中 高纬度的大中城市 热污染的主要来源 火电厂和核电站是水体热污染的主要来源