能源与安全利用

1、能源安全与新能源开发利用能源安全与新能源开发利用 主讲：王瑞琪主讲：王瑞琪 开发新能源 l 从资源角度考虑，我国常规能源相对不足， 人均占有量仅为世界平均水平的一半。能源 供需矛盾突出。 l 我国能源以石油和煤炭为主，天然气的产量 近年来有很大增长，可这些主要能源也造成 了环境污染，而且不可再生。 l 寻找新能源迫在眉睫 新能源：可燃冰 新能源：可燃冰 n可燃冰的学名是天然气水合物(Gas Hydrates ),这是天然 气和水在特定的条件下所形成的一种透明的冰状结晶体, 又称“气冰”、“固体瓦斯”。是一种清洁高效、使用方 便的新能源。 n越来越多的科学家相信未来洁净能源的最大一部分也许就 藏

2、在海底或高纬度永冻区 可燃冰的构成 n天然气水合物与天然气成分相似，且更为纯净，简单 地说，它是天然气被包进水分子中，在海底低温和很 高压力下形成的一种冰状的固态晶体。 n其结构是若干个水分子通过氢键构成多面体笼子，笼 子中包含有客体的天然气分子，还可以是CO2、N2、H2S 等小分子气体，它们被统称为气水化合物。其化学成 分不稳定，可用MnH2O表示 n从化学结构来看，天然气 水合物是这样构成的：由 水分子搭成像笼子一样的 多面体格架，以甲烷为主 的气体分子被包含在笼子 格架中。不同的温压条件， 具有不同的多面体格架。 可燃冰的性能 l 能量密度高，燃烧值高。1m3相当于164m3的天然气。

3、 l 清洁无污染（几乎不产生任何燃烧废弃物，SO2比 燃烧油或煤低2个数量级） l 使用方便。压力降低就足以使天然气水合物晶体分解 并释放出大量甲烷气体。 n注意：甲烷的温室效应比CO221倍，是一种对环境 破坏作用最大的温室气体 l 危险性高 可燃冰的形成条件 l被称为水合甲烷的物质大量沉积 l低于20oC的温度 l较大的压力 有专家预测，可燃冰至少能为人类提供1000年 的能源，它将来有望替代煤、石油和天然气，成为“21 世纪的新能源”。 可燃冰的开发利用 1810年，英国，达威在实验室发现“天然冰”.虽然是块香饽 饽，但开发利用仍然很困难： n勘探定位技术，开采技术 n提制可燃气的技术

4、n运输的问题 n低成本开发 n其它： n未燃烧的天然气水合物直接排入大气产生的强烈温室效应 n未燃烧的天然气水合物对海底已有油气管道造成危险 n对鱼的生长的威胁 n对航行的威胁 n天可燃冰如何保持高压、低温状态等 新能源：氢新能源：氢理想能源理想能源 l 2000年1月，美国通用汽车推出了使用新能源的汽车 氢能概念车，在悉尼奥运会的马拉松比赛中，通用汽车 公司的“氢动1号”作为开道车，出尽了风头。 l 氢是万物之主，大约100亿年前，大量的氢核遍布太空。 l 直到现在，太阳总体积80%仍是氢；木星氢占82%；地球 上地壳内100个原子中有17个氢原子，其数目仅次于氧而 居第二位。 新能源：氢的

5、优点 l 资源丰富。H主要以化合态存在于水中，地球上水 资源丰富， H2燃烧的产物是水，二者无限循环 l 氢作为燃料的独一无二的优点是，它的燃烧产物是 水，不会污染环境，燃料循环与生物圈相吻合。 l 按重量计算，氢的能量是同量汽油能量的2.5倍左 右。如果把喷气机上的燃料换成同等效能的氢，就 会大大节省重量，这也使氢成为一种航空燃料具有 的明显优点。 新能源：氢的优点 n氢的燃烧值很高，即燃烧时产生的热量很高，在空 气中燃烧，温度可达1000oC。在氧气中燃烧，可达 2800oC高温。它产生的热量比汽油高得多。1gH2燃 烧时放热130KJ，是汽油的34倍 n使用方便，现有内燃机，稍加改装就可

6、用氢作燃料， 也可通过燃料电池将氢能转变为电能。 n氢的运输和销售费用要比输电的便宜，在许多情况 下，把现有的天然气管线改造一下，就能用来运输 氢。运送氢的费用只为远距离输电的八分之一。氢 还可能比电更宜于储存。 新能源：氢的存储 l 常温常压下，H2的密度小，能量/体积比小，所以必须解决贮 存问题 n储气罐 n高压钢瓶 n液化H2：需要很厚的绝热保护层。 n贮氧合金技术：金属与H2充分反应，回执后释放H2。 n碳纳米材料：新型贮氧材料。（1999年我国研制，与克隆 羊同时被评为我国十大科技新闻） 大量储存氢一般有两种方法： 一种方法是高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须 降温至-252度才

7、能变成液体，这种方法成本高，而且储存液 氢要有极好的绝热设备托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成 严重火灾和爆炸事故。 另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。氢有一个奇 持的性质，它会与某些过渡金属(如钯等)或合金形成金属氢 化物，如1体积胶状铑(Rh)能吸收2900体积氢气。当温度升高 或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢具有 储存量高、可逆、安全等优点。 氢的储存方法氢的储存方法 新能源：氢的制作 l 实验室制氢：Na,Ca与H2O反应制H2等 l 工业制氢：天然气、石油裂解可制H2，水煤气可 用煤炭制H2，但消耗化石燃料制H2从能源角度讲毫 无意义。 l 用H2O制氢： n电解H2

8、O n热化学分解 n利用太阳能分解水 n生物制H2：模拟光合作用 研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源 问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。 理想的氢能源示意图 光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如钙和联钙和联 吡啶形成的配合物吡啶形成的配合物。它吸收的阳光正好近似于水分解成。它吸收的阳光正好近似于水分解成 氢和氧所需的能量。另外，氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些含钙的化合二氧化钛和某些含钙的化合 物物也是较适用的催化剂。也是较适用的催化剂。 有人大

9、胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要 原理是：原理是： 日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将陶瓷日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将陶瓷CNFCNF加加 热至热至300300度，然后用注射针头向度，然后用注射针头向CNFCNF注水制得氢。由于水解后注水制得氢。由于水解后 CNFCNF又回到非活化状态，所以又回到非活化状态，所以CNFCNF能反复使用。在每一次反应能反复使用。在每一次反应 中，平均每克中，平均每克CNFCNF可产生可产生2 2至至3 3厘米厘米3 3H H2 2。 我国在世界上首次完成生物制氢中试实验。哈尔滨建筑我国在世界上首

10、次完成生物制氢中试实验。哈尔滨建筑 大学的学者利用细茵从污水中分解收集氢气，并于大学的学者利用细茵从污水中分解收集氢气，并于20002000年年2 2月月 初完成中试实验。利用含碳水化合物的有机废水通过生物发初完成中试实验。利用含碳水化合物的有机废水通过生物发 酵制氢，使人类找到了一种新的可再生的洁净能源。酵制氢，使人类找到了一种新的可再生的洁净能源。 新能源：氢的利用 l直接燃烧 l氢能电池 新能源：二甲醚 n二甲醚(Dimethyl ether)，简称DME，化学分子式 为 CH3OCH3，是一种含氧燃料，它无毒性，常温常压下为气态， 常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的 物

11、性。 n二甲醚无C-C链，其十六烷值大于55，具有优良的压缩性， 非常适合于压燃式发动机，用作为柴油机的代用燃料。而 常规发动机代用燃料液化石油气、天然气、甲醇，它们的 十六烷值都小于10，一般只适合于点燃式发动机。 新能源：二甲醚制备 n二甲醚燃料的制取原理可以煤、天然气、生物有机物 等为原料产生合成气一氧化碳、二氧化碳和氢气，然 后常规法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。 二甲醚的生产方法最早是由高压甲醇生 产中的副产品精馏后制得，随着低压合成甲醇技 术的广泛应用，副反应大大减少，二甲醚的工业 生产技术很快发展到甲醇脱水或合成气直接合成 工艺。近年来，二甲醚的需求量增长较大，各国 又相继开

12、发投资省、操作条件好、无污染的新工 艺，主要包括二步法和一步法，一步法具有流程 短、设备效率高、操作压力低和CO单程转化率高 等特点，合成二甲醚的生产成本较两步法大幅度 降低。因此，一步法经济上更加合理，市场上更 具竞争力，总体上来说更具技术优势。 新能源：二甲醚使用 l 用于生活：DME在排放与燃烧方面都优于LPG，只要 有价格优势，DME大量替代LPG是比较容易的。因为 LPG的原有设施完全可以用于DME。 l 用于燃气轮机的燃料：建立以DME为燃料的电厂 l 替代柴油：这是一个重要领域。因为以超清洁燃料 取代柴油是个世界性课题，对中国尤其有挑战性与 迫切性。因为柴油是我国油品中用量最大，

13、也是目 前缺口最大的燃料（目前的柴油机难以满足环保要 求）。 l 作为高附加值化工产品的中间原料：如CH3OOH(醋 酸) 新能源：太阳能（能源之源） l 地球上最根本的能源是太阳能。煤、石油中的化学能是由 太阳能转化而成的，风能、生物能、海洋能等其实也都来 自太阳能。 l 太阳每年辐射到地球表面的能量为501018kJ，相当于目 前全世界能量消费的1.3万倍，真可谓取之不尽用之不竭， 因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地，单位面 积上所受到辐射热并不大，如何把分散的热量聚集在一起 成为有用的能量是问题的关键。太阳能的利用方式是光电 转化或光化学转化 。 新能源：太阳能利用 n聚集阳光聚

14、集阳光 n太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也 就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成 的，封装在玻璃钢外壳中。铜片只是导热体，进行光热转 化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。封装材 料也很有讲究，既要有高透光率，又要有良好的绝热性。 n随涂层、材料、封装技术和热水器的结构设计等不同，终 端使用温度较低的在100以下，可供生活热水、取暖等； n中等温度在100300之间，可供烹调、工业用热等； n高温的可达300以上，可以供发电站使用。 新能源：太阳能利用 光电转换光电转换 l 太阳能也可通过光电池直接变成电能，这就是太 阳能电池、光伏打电池。它们具有安全可靠

15、、无 噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规 模可大可小等优点，但需要占用较大的面积，因 此比较适合阳光充足的边远地区的农牧民或边防 部队使用。 l 光电池应用范围很广，大的可用于微波中继站、 卫星地面站、农村电话系统，小的可用于太阳能 手表、太阳能计算器、太阳能充电器等，这些产 品已有广大市场。 -太阳能庭院灯系列太阳能庭院灯系列 太阳能电站太阳能电站- 新能源：太阳能利用 光化学转换光化学转换: :储存阳光储存阳光 n熔盐储能法 n太阳能光解H2O制H2 n绿色植物光合作用 新能源：海洋能 l 在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动， 站在海滩上，可以看到滚滚海浪，在其中蕴藏着潮

16、 汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量总称 海洋能。 l 主要特点： n可再生性 n清洁能源 n能量多变，不稳定性 n能量巨大，颁布分散不均 海洋能潮汐能 l 潮汐能是以位能形态出现的海洋能，是指海水潮涨和潮落形 成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以 及它们之间的相互作用而引起的。 l 在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。 由于地球的旋转，这种水位的上升以周期为12h25min和振幅 小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此 相似，但是作用力小些，其周期为12h。 l 当太阳、月球和地球在一条直线上时，就产生大潮；当它们 成直角时，就产生小潮

17、。除了半日周期潮和月周期潮的变化 外，地球和月球的旋转运动还产生许多其他的周期性循环， 其周期可以从几天到数年。同时地表的海水又受到地球运动 离心力的作用，月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落 的引潮力。 海洋能波浪能 l 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。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。 l 波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收 了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相 互作用的距离（即风区）有关。水团相对于海平面发生位移 时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。

18、 贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决 于波浪特征和水深。 l 深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的 复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的 影响。 波浪可以用波高、波长（相邻的两个波峰间的距离） 和波周期 （相邻的两个波峰间的时间）等特征来描述。 海洋能温差能 n温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。 海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。由太阳投 射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收，使海洋表层水 温升高。赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达 2528，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面 水温可达35。而在海洋深处5

19、0O1000m处海水温度却只 有36。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。 在大部分热带和亚热带海区，表层水温和1000m深处的水温 相差20以上，这是热能转换所需的最小温差。据估计， 如果利用这一温差发电，其功率可达2TW。 海洋能盐差能 n盐差能是以化学能形态出现的海洋能。 n地球上的水分为两大类：淡水和咸水。全世界水 的总储量为1.4X109km3，其中97.2为分布在大 洋和浅海中的咸水。在陆地水中，2.15为位于 两极的冰盖和高山的冰川中的储水，余下的0.65 才是可供人类直接利用的淡水。海洋的咸水中 含有各种矿物和大量的食盐，1km3的海水里即含 有3600万t食盐 海洋能海

20、流能 n海流能是另一种以动能形态出现的海洋能。所谓海流主要是指海 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。其中一种是海水环流，是指大量的海水从一个海域长距 离地流向另一个海域。 n引起因素两种：首先海面上常年吹着方向不变的风，如赤道南侧 常年吹着不变的东南风，而其北侧则是不变的东北风。风吹动海 水，使水表面运动起来，而水的动性又将这种运动传到海水深处。 随着深度增加，海水流动速度降低；有时流动方向也会随着深度 增加而逐渐改变，甚至出现下层海水流动方向与表层海水流动方 向相反的情况。在太平洋和大西洋的南北两半部以及印度洋的南 半部，占主导地位的风系造成了一个广阔的，也是

21、按反时钟方向 旋转的海水环流。在低纬度和中纬度海域，风是形成海流的主要 动力。其次不同海域的海水其温度和含盐度常常不同，它们会影 响海水的密度。海水温度越高，含盐量越低，海水密度就越小。 这种两个邻近海域海水密度不同也会造成海水环流。海水流动会 产生巨大能量。 核能（原子能）核能（原子能） n原子核是带正电的质子和中子的紧密结合体，其直 径不及原子直径的万分之一，但其质量却占原子质 量的绝大部分。 n为体么带正电的质子少可以紧密的结合在原子核中？ 由于核力核力的存在。当两个核子间距离为310-13cm以 内时核子间有很强的吸引力（远大于静电排斥力）， 但一旦超过这一距离，核力则骤减为0。 质子

22、 原子核核子 原子中子 电子 核子结合能 l 当核子因彼此间强核力的吸引作用而紧密结合 成稳定的原子核时，会释放巨大的能量，这种 能量叫核子结合能。 l 结合能的大小 2 Emc= 原子能释放途径 l 原子能释放途径主要有两个 n轻核聚变成为一个较重核 n重核裂变成两个质量中等的核 l 在轻核区，如将平均结合能小的核聚变成平均结合 能大的核，将释放巨大的能量。例如，2个2H核，聚 变成1个 或1个2H核和3H核聚变成1个 核， 并释放出一个 ,都会释放巨大能量。这是核聚 变反应和氢弹研制的理论依据。 l 在重核区，重核的平均结合能比中等核小，当它分 裂为两个中等核时，平均结合能升高，所以重核裂

23、 变时释放巨大能量，这是制造核能反应堆与原子弹 的理论根据。 4 2 He 1 0n 4 2 He 原子能释放途径特点 l 两种方法的共同之处是平均结合能低的核转变成平均 结合能高的核，在转变过程中，出现“质量亏损”， 亏损的质量转换成增加的结合能释放出来 l 物质与能量是同一事物的两个不同方面，物质可以消 失，但同时会产生一定的能量，能量可以消失但同时 会产生一定的物质。即使很少量的物质也能产生极大 的能量。所以物质和能量合在一起，既不能创造，也 不能被消灭 核裂变能及利用 l 1938年德国化学家哈恩与他的助手用中子轰击铀原子 核后，得到两个大小相仿的较小的核，并把这种现象 称为裂变，释放出的能量称为裂变能。 l 同一年法国居里夫妇通过实验发现一个中子引起一个 铀核裂变的同时，释放23个中子，新产生的中子以同 样的方式轰击其他铀核使其裂变，一变二，二变四， 四变八。如不加控制，这种连锁反应越来越激烈， 在百万分子一秒内就会把蕴藏在原子核内的巨大能量 释放出来。（雪崩式裂变） 核裂变能及利用 l 通常情况下，这种反应不能持续下去，因为238U会把大部分 中子吃下去，235U才是链式反应的关键。所以要让反应持续 下去， n分离提纯235U n使中子减速至 (用重水和石墨) l 利用： 1.核弹： 2