能源科学和工程概要

1、能源科学与工程概要08 土木工程二班 * J08* ).、八、一前言能源也被称为能量资源或能源资源， 是指能够直接取得或者通过加工、 转换 而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风 能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源， 以及其他新能源和可再生能源。在经济高速发展的今天，能源有着任何东西都无法替代的地位，是人类活动 的物质基础。在某种意义上讲， 人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能 源技术的使用， 它是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力， 是人类赖以生 存的基础。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心

2、 的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。本文通过对能源与经济、 能源安全、先进能源技术、 可再生能源与新能源及 其技术、节能与减排以及中国的能源问题与对策六个方面的一些内容和数据的讲 述，主要的写中国的能源情况， 将有关能源的影响， 它的发展方向， 有关的问题， 一些新技术及对策的一些信息表述出来， 从而来更好地体现出能源的重要性和影 响力。一、能源与经济 如今正是经济快速发展的时期，作为加快其发展的重要因素之一的能源，当 然是与经济有着不可分割的关系， 比如说石油价格的大波动， 通常使经济遭受大 的影响，这是最常见的事实了。 能源与经济发展的关系直接表现在能源系统发展 与经济增长之间的互动

3、关系上。 两者之间存在的是一种相互影响、 相互制约、 互 相促进的辨证关系。 能源系统的发展推动了经济增长， 反过来， 经济增长又为能 源系统的发展提供了必要的物质条件和经济基础。 能源系统作为社会大系统的重 要组成部分，在为社会经济发展提供动力的同时，也需要其它社会系统的支持， 其中最重要的就是经济系统的支持。能源系统对经济增长的促进作用表现在：能源是社会生产的重要生产要素； 能源的利用促进了社会生产力的快速发展； 能源推动生产的发展和经济规模的扩 大；能源系统可以推动技术进步； 能源系统可以促进新兴产业的诞生与发展； 能 源是提高生民生活水平的主要物质保障。相对的，经济增长对于能源系统的促

4、进作用表现在： 经济增长产生能源需求， 为能源系统的发展提供市场； 经济增长为能源系统的发展提供人力、 物力、财力 等物质基础； 科学教育的发展为能源的开发利用提供认识工具； 技术进步和社会 生产发展为能源系统的发展提供物质手段。综合一下，可以将经济增长与能源之间的关系为如下 3 点：（1）经济增长与能源需求总量同方向变化，并且存在着一定的比例关系；（2）经济增长与其对能源品种和结构扩大和更新的需求同方向变化；（3）经济增长对能源质量的需求也是在不断提高的。二、能源安全1、概念的提出。“能源安全”属于现代发展词汇范畴，是随着能源消费水平 的提高，能源对经济等各个方面的威胁和影响不断加大的情况下

5、产生的。在 20 世纪 70 年代初，集中了世界石油约 2/3 资源量、 1/3 产量和 3/5 出口量的中东 地区爆发了所谓的第四战争， 战争的结果是， 基准原油价格从每桶 3.011 美元提 高到每桶 10.651 美元，致使世界原油价格上涨 2 倍多，从而触发了第二次世界 大战后极其严重的一次全球经济危机。 从此以稳定原油供应价格为中心的国家能 源安全概念被正式提出。2、国际情况。 自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。化石能源与原 料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧。事实上，近 10 年来，中 东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发， 这种军事 冲突

6、，今后还将更猛烈、更频繁。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已 上升到了国家的高度， 各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。 在此后 的二十多年里， 在稳定能源供应的支持下， 世界经济规模取得了较大增长。 但是， 人类在享受能源带来的经济发展， 科技进步等利益的同时， 也遇到一系列无法避 免的能源安全挑战， 能源短缺、 资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问 题威胁着人类的生存与发展。 如今在全球化条件下， 一国的能源安全不仅是一个 经济问题， 同时它也是一个政治和军事问题； 它不仅与国内供求矛盾及其对外依 存度相联系，同时它还与该国对世界资源丰富地区的外交和军事影响和控制力相

7、联系。3、我国的现状。 我国化石能源资源总量在世界上还算比较丰富，但是资源 呈现多煤、 少油和少气的局面， 特别是我国是人口大国， 我国人均化石资源占有 量很低，煤炭约占世界人均水平的 1/2 ，石油约占 1/10 ，天然气约占 1/20 。原 油资源不足，随着我国国民经济的发展。自从 1993 年我国成为石油净进口国之 后，我国石油进口量逐年增加， 2004 年我国进口石油达到 1.2 亿吨，预计 2020 年我国石油消费量将达到 4.5 亿吨，石油进口量将达到 2.5 亿吨左右。 因此，确 保石油供应安全成为我国能源安全的核心任务。 缓解我国石油供应紧张的解决路 径是“开源节流”。所谓开源

8、，一是进一步增加石油进口量，二是加大石油勘探 开发力度并提高石油采收率，三是加大能替代石油的能源技术开发。所谓节流， 就是节省石油消耗，开发节油型的用油设备。三、先进能源技术1、先进能源技术发展方向 未来能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。第 四代核能系统、 先进核燃料循环以及聚变能等技术的开发越来越受到关注； 氢作 为可从多种途径获取的理想能源载体， 将为能源的清洁利用带来新的变革； 具有 清洁、灵活特征的燃料电池动力和分布式供能系统， 将为终端能源利用提供新的 重要形式。 重点研究规模化的氢能利用和分布式供能系统， 先进核能及核燃料循 环技术，开发高效、清洁和二氧化

9、碳近零排放的化石能源开发利用技术， 低成本、 高效率的可再生能源新技术。2、前沿能源技术当今的前沿技术呈现百花齐放的现象， 各种新技术不断出现， 其中进展较大、 发展前景比较好的主要有以下几种：（1）氢能及燃料电池技术。重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源 制氢技术， 经济高效氢储存和输配技术， 燃料电池基础关键部件制备和电堆集成 技术，燃料电池发电及车用动力系统集成技术， 形成氢能和燃料电池技术规范与 标准。（2）分布式供能技术。分布式供能系统是为终端用户提供灵活、节能型的 综合能源服务的重要途径。 重点突破基于化石能源的微小型燃气轮机及新型热力 循环等终端的能源转换技术、 储能技术、

10、热电冷系统综合技术， 形成基于可再生 能源和化石能源互补、 微小型燃气轮机与燃料电池混合的分布式终端能源供给系 统。（3）快中子堆技术。快中子堆是由快中子引起原子核裂变链式反应，并可 实现核燃料增殖的核反应堆， 能够使铀资源得到充分利用， 还能处理热堆核电站 生产的长寿命放射性废弃物。 研究并掌握快堆设计及核心技术， 相关核燃料和结 构材料技术，突破钠循环等关键技术，建成 65MV实验快堆，实现临界及并网发 电。（4）磁约束核聚变。以参加国际热核聚变实验反应堆的建设和研究为契机， 重点研究大型超导磁体技术、 微波加热和驱动技术、 中性束注入加热技术、 包层 技术、氚的大规模实时分离提纯技术、偏

11、滤器技术、数值模拟、等离子体控制和 诊断技术、 示范堆所需关键材料技术， 以及深化高温等离子体物理研究和某些以 能源为目标的非托克马克途径的探索研究。（5）直接碳燃料电池。直接将固体碳燃料中的化学能高效、清洁地转化为电能，对合理利用煤炭、控制污染物以及减少C02排放有重要意义。目前已开发 出以熔融碳酸盐、熔融氢氧化物和固体氧化物作为电解质的多种DCFC但与其它燃料电池技术相比，研究尚处于起步阶段。四、可再生能源与新能源及其技术新能源是指传统能源之外的各种能源形式，刚开始开发利用或正在积极研 究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能 等。可再生能源泛指多种取之不竭、

12、可以永续利用的能源资源，如水能、风能、 太阳能、生物质能和海洋能等，不存在资源枯竭问题。两者有一定的差异， 如核能是新能源但不是可再生的， 但是绝大部分是相似 的，潜力都是极大的，因此我将这两个方面合起来，不分开来写。可再生能源和 新能源主要有如下方面：1、太阳能。科学家研究表明， 太阳每小时辐射到地球的能量约为 18 万兆瓦， 相当于燃烧90兆吨优质煤的热量，其中可开发利用 5001000亿度；据天文物 理学家的计算表明，太阳系还能存在 45亿年，可以说太阳能是取之不尽，用之 不竭的且无污染的能源。但因其分布很分散，目前能利用的甚微，方法主要有： 太阳电能池， 通过光电转换把太阳能转化为电能

13、； 太阳能热水器， 利用太阳光加 热水；太阳能光伏发电、太阳能水泵等。2、地热能。 地热能资源指陆地下 5000米深度内的岩石和水体的总含热量。其中全球陆地部分3公里深度内、150C以上的高温地热能资源为140万吨标准 煤，地下10千米厚的一层，储热量相当于 9.95 X10M5标准煤所释放的热量。 地热能在世界很多地区应用相当广泛。3、风能。 指利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能 量。风力发电是主要的风能开发利用方式。世界风能的潜力约 3500亿千瓦，中 国的风能总储量估计为1.6 X 10A9千瓦，列世界第三位。但是由于风的方向及大 小都变幻不定，今后输能储能技术如有重

14、大改进，风力利用将会增加。4、生物质能。地球上每年植物光合作用固定的碳达 2X 1011t，含能量达3 X 1021J,每年通过光合作用贮存在植物中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的 10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，光合作用的 年产量（包括自然生长的植物和粮食生产）目前大约是 2200亿吨干坏料，这大 约相当于每年 80亿吨生化资料所提供的能量。5、海洋能。 海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、 波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁 无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的 方式主要是发

15、电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。6、核能。 核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，爱因斯坦的质能方 程，蕴含的能量极大，释放主要有核裂变能、核聚变能、核衰变三种形式。前景 广阔，但也存在一些问题，如利用率低，核废料处理技术尚未完全解决，成为潜 在危害因素，核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大等。中国在这方面的潜力。 中国除了水能的可开发装机容量和年发电量均居世界 首位之外， 太阳能、 风能和生物质能等各种可再生能源资源也都非常丰富。 中国 太阳能较丰富的区域占国土面积的 2/3以上，年辐射量超过6000MJ/卅，每年地 表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tee的能

16、量；风能资源量约为32亿kW初 步估算可开发利用的风能资源约10亿kW按德国等风电发展迅速的国家的经验 进行类比分析，中国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW海洋能资源技术上可利用的资源量估计约为4亿-5亿kW地热资源的远景储量为1353亿tee， 探明储量为31.6亿tee ;现有生物质能源包括：秸秆、薪柴、有机垃圾和工业 有机废物等，资源总量达 7 亿 tee ，通过品种改良和扩大种植，生物能的资源量 可以在此水平再翻一番。 总之中国可再生能源资源丰富， 具有大规模开发的资源 条件和技术潜力，开发利用可再生能源大有可为。五、节能减排1 、概念的提出“节能减排”的概念出自我国“十一五”规划

17、纲要，指的是减少能源浪费和 降低废气排放。我国在“十一五”规划纲要提出， “十一五”期间单位国内生产 总值能耗降低 20左右、主要污染物排放总量减少 10。主要针对我国经济快 速增长，各项建设取得巨大成就的同时， 付出了巨大的资源和环境代价， 经济发 展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈的情况提出的。 2、节能减排的原因及现状我国能源资源紧张， 人均资源占有率远低于全世界平均水平。 建国 50年来， 我国 GDP 增长了十几倍， 但矿产资源消耗却上升了 40多倍，能源等资源的大量 消耗与 GDP 增长不成比例，不实施节能减排、不提高资源的利用率，经济是不 可能做到持续发展的。

18、 并且我国能源结构以煤为主， 占我国一次能源约 69%，并 造成的生态环境恶化的压力日益增大。 如果继续保持目前的废水排放率和能源利 用水平，到 2020年我国资源短缺和生态环境的恶化影响将是目前的 4 倍。我国节能减排科技水平相对落后。近年来，我国虽然开发、示范、推广了一 批节能减排新技术、新工艺、新设备，节能减排新技术有了很大提高，如：洁净 煤技术、先进核能技术、氢能与燃料电池技术等，但总的说来我国投入不足、创 新能力弱、 技术推广的政策和机制缺乏、 推广应用困难重重、 节能减排科技水平 相对落后。3、相应的措施1、产业结构调整。在产业结构性调控过程中，高耗能、高污染、低技术水 平的行业将

19、继续受到政策的抑制。 政府工作报告强调， 要围绕节能降耗减污， 加 强和改善宏观调控，着力调整经济结构和转变增长方式，淘汰落后生产能力。2、加强对高耗能产业的控制。电力、钢铁、有色金属、煤炭、化工、建材、 建筑等重点行业是能耗排污大户（其中电力工业能耗占全国 1/3 ，二氧化硫排放 量占全国一半），同时也是当前节能减排潜力最大的领域，对于这些行业，调控 力度将继续加大，调控效果将更加显著。4加快推进市场机制发展，通过实行税费政策等“经济杠杆”政策措施， 可以有效地激励节能环保行动， 遏制污染行为， 健全节能环保政策体系， 发挥市 场机制作用，综合运用经济手段，以促进节能环保工作。5确立有效的约

20、束手段。节能环保需要健全约束机制，建立科学的监督管 理体系，严格现有法律的执行， 加大惩戒力度， 由原来的软约束变成严惩污染行 为的硬约束， 强化执法监督管理， 建立更为有效的节能环保监督管理体系， 依法 惩处各种违法违规行为。上面是针对国家来讲的， 对于我们自己来说， 要做到节能减排， 就要从小事 做起，人人动起手来为节能做贡献，结合日常生活，我们可以做到：1、注意随手关灯，使用高效节能灯泡，来节约电能。 2、废水循环使用，节约水资源，少 用洗洁精，减少水污染。 3、将纸张循环再利用，节约用纸就是保护森林资源， 保护环境。 4、出门尽量乘坐公共汽车或出租车，还可以骑自行车，尽量少乘坐 私家车

21、。从而减少废气污染。同时可以植树造林，尤其是在公路旁。5、不乱扔垃圾，将垃圾分类处理，减少填埋和焚烧垃圾所消耗的能源。尽量做到“变废为 宝”。六、中国的能源问题与对策一、中国的能源问题 能源是国民经济的基本支撑，是人类社会赖以生存的基础。对于中国来讲， 能源（尤其是石油 ）安全是关系到中国在 21世纪实现全面建设小康社会、进而基 本实现现代化目标的重大战略问题。 随着经济增长速度的加快， 能源领域多年积 累的矛盾和问题进一步暴露， 能源供给状况对经济社会发展已构成严重制约。 有 结构性和管理性制度方面的问题，其中占主要的结构性方面的问题如下：一、能源结构不合理，人均占有量低。中国是世界上唯一以

22、煤为主的能源消 费大国，也是世界上煤使用比例最高的国家，占世界煤消费总量的27%。在未来20年内，煤仍将是中国的主要能源。根据国际能源署 （IEA） 的预测， 2030年，煤 仍占中国能源消费总量的 60%。二、能源人均占有量低，能源资源分布不均匀。虽然中国能源总量生产居世 界第三位， 但人均拥有量远低于世界平均水平。 中国人均能源探明储量只有世界 平均水平的 33%，储量最丰富的煤炭，人均也只为世界平均水平的 57%。能源资 源分布不均匀，北多南少，西富东贫；品种分布是北煤、南水和西油气，因而形 成了北煤南运、西气东输和西电东送等长距离输送的基本格局。三、能源供需矛盾日益突出，石油对外依存度过大，储备体制不健全。能源 供应不足成为制约中国国民经济发展的瓶颈， 石油安全已成为中国能源安全的核 心，由于中国石油消费量的增长，石油供应短缺、进口依存度飙升。美国能源信 息局预测： 2010年中国石油对外依存度为 55%、2020 年为 68%、2030年将达到 74%。同时，中国的石油战略储备还刚刚起步，石油储备体制很