未来能源结构

1、Energy for Future未来我们使用什么能源资源与环境学院环境科学与工程系 张永芳.5.18 未来能源结构第1页未来能源结构第2页世界油价走势 未来能源结构第3页复旦大学金融与资本市场研究中心主任 谢百三教授 年中国股市注定将以历史上最悲壮，最沉痛，跌幅最大熊市记入中外证券史册。这么73%跌幅，只有日本、韩国、台湾（地域）货币升值，泡沫经济被鲁莽捅破后90年代，只有美国1929年经济大危机后才有过。而这是发生在一个GDP以年均9.8%连续增加30年经济快速发展中国。 未来能源结构第4页能源世界原动力 （一）能源定义及其主要性（二）世界能源现实状况（三）新能源开发与利用（四）展望未来能

2、源结构第5页1.能源定义 能源是自然界中能为人类提供某种形式能量（如热量、电能、光能和机械能等）物质资源。能源是指能够直接取得或者经过加工、转换而取得能量各种资源，包含煤炭、石油、天然气、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，以及其它新能源和可再生能源. （一）能源定义及其主要性未来能源结构第6页2.能源分类 A 按能源基本形态分类： 一次能源：即天然能源，指在自然界现成存在能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。二次能源：指由一次能源加工而成能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。 （一）能源定义及其主要性未来能源结构第7页2.能源分类 B 按

3、能源起源分类： 来自地球外部天体能源（主要是太阳能）：如太阳辐射、风能、水能、生物能和化石能源等 。地球本身蕴藏能量：如核能、地热能等。地球和其它天体相互作用而产生能量：如潮汐能。 （一）能源定义及其主要性未来能源结构第8页2.能源分类 C 按能源性质分类： 燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）；非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。 D 按能源消耗后是否造成环境污染分类：污染型能源（煤炭、石油等）和清洁型能源（水力、电力、太阳能、风能等）。E （一）能源定义及其主要性未来能源结构第9页几个新型能源New Energy:未来能源结构第10页3.能源主要性 能源世界原动力衣 树叶兽

4、皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维 （一）能源定义及其主要性未来能源结构第11页3.能源主要性 能源世界原动力衣 树叶兽皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维 食 茹毛饮血珍馐美味 （一）能源定义及其主要性未来能源结构第12页3.能源主要性 能源世界原动力衣 树叶兽皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维 食 茹毛饮血珍馐美味 住 山洞树林茅草屋高楼大厦 行 步行畜力汽车火车轮船飞机 世界经济和社会当代化，依赖于化石能源广泛应用。 （一）能源定义及其主要性未来能源结构第13页能源世界原动力 （一）能源定义及其主要性（二）世界能源现实状况未来能源结构第14页1. 世界能

5、源消费组成 (年)（二）世界能源现实状况图1 年世界能源消费组成 资料起源：BP 企业BP Statistical Review of World energy june ，下同 Exxon Mobile 埃克森美孚Royal Dutch Shell 皇家壳牌BP 英国石油未来能源结构第15页1. 世界能源消费组成 (年)（二）世界能源现实状况图2 年世界主要国家石油消费量 The US consumes 25% of the worlds energy with a share of global GDP at 22% and a share of the world population

6、at 5%.石油：未来能源结构第16页煤炭：受世界高油价影响，自年开始世界煤炭产量和消费量连续增加，成为增加最快能源。（二）世界能源现实状况图3 年以来世界煤炭生产与消费 1. 世界能源消费组成 (年)未来能源结构第17页 煤炭：中国为世界第一大煤炭生产国，煤炭产量为21.46亿吨,增加7.0。 中国是世界最大煤炭消费国，消费量为21.82亿吨，增加7.9 （二）世界能源现实状况图4 年世界主要国家煤炭生产与消费 1. 世界能源消费组成 (年)未来能源结构第18页 天然气：年世界10大天然气消费国依次为：美国、俄罗斯、伊朗、加拿大、英国、日本、德国、意大利、沙特阿拉伯和中国，累计消费量占世界总

7、消费量61。 （二）世界能源现实状况图5 年世界主要国家煤炭生产与消费 1. 世界能源消费组成 (年)未来能源结构第19页1. 世界能源消费组成 (年)（二）世界能源现实状况表1 年能源消耗量世界前10名(单位:标准煤) 美 国33.74亿吨人均 11.1吨中国大陆26.5亿吨人均 2.0吨俄 罗 斯9.9亿吨人均 7.0吨日 本7.4亿吨人均 5.8吨印 度5.77亿吨人均 0.52吨加 拿 大4.6亿吨人均 14.3吨德 国4.44亿吨人均 5.4吨法 国3.65亿吨人均 5.9吨韩 国3.34亿吨人均 6.6吨巴 西3.1亿吨人均 1.63吨未来能源结构第20页2. 世界能源储量 (年)

8、A 石油： 剩下探明储量为12379亿桶(1686亿吨) 产量为8153.3万桶/日(年产量约为40亿吨) （还可用42年）。（二）世界能源现实状况图6 年世界石油储量地域分布 未来能源结构第21页表2 世界主要国家石油探明储量 单位：亿吨 （二）世界能源现实状况2. 世界能源储量 (年)A 石油：未来能源结构第22页奢华迪拜未来能源结构第23页奢华迪拜未来能源结构第24页奢华迪拜迪拜绿化 迪拜人均绿地面积到达20平方米，迪拜绿色绝对奢侈，每棵树、每丛灌木旁都有“给水管”，清晨、黄昏，地上密布黑色胶管会向上成雾状喷洒淡化海水。迪拜每棵树培植成本超出1000美元，每平方米草坪养活成本是每年300

9、0美元，是名副其实靠钱“喂大”。 迪拜教育 在1977年以前，没有一所大学迪拜勉励年轻人到英、美等国留学，学费和其它生活费用由政府提供。现在，迪拜已经有了综合性大学和理工大学，而且还招收了不少女学生。为了让中学毕业学生继续接收教育，政府向中学毕业后上大学人每个月提供高额奖金政府生怕他们中学毕业后既不上学，又不工作。 未来能源结构第25页奢华迪拜迪拜出租车 宝马、飞驰都太普通，劳斯莱斯、兰博基尼、法拉利都能够用来当出租车，还有女性专用出租车路虎！ 未来能源结构第26页2. 世界能源储量 (年)B 煤炭：探明可采储量为8474.88亿吨，按当前速度开采可用1 美国、俄罗斯和中国煤炭资源最为丰富（二

10、）世界能源现实状况图4 年世界主要国家煤炭探明可采储量 未来能源结构第27页2. 世界能源储量 (年)C 天然气：年世界天然气剩下探明可采储量为177.36万亿立方米，比年增加0.6。世界天然气资源分布不均，中东地域和前苏联地域最为丰富，天然气储量分别占世界总量41.3和38.7。按现有开采水平，世界天然气证实储量可供开采60年。其中中东地域天然气可采年限最高，为2，而北美可采年限最低仅为。（二）世界能源现实状况未来能源结构第28页INTERMISSION 未来能源结构第29页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况能源大量使用在给人类带来文明和繁荣同时,也给人类生存环境带来了严重污染.

11、 酸雨光化学烟雾热污染温室效应臭氧层破坏未来能源结构第30页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况A 酸雨（acid rain，pH5.6降水过程）未来能源结构第31页酸雨危害未来能源结构第32页酸雨危害未来能源结构第33页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况B 温室效应 （greenhouse effect）地表受到大量太阳短波辐射被加热，温度提升，再以长波形式向外辐射能量。地表长波辐射绝大部分被大气中水蒸气和二氧化碳等气体吸收，这么使地表和大气下层温度增高。 未来能源结构第34页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况B 温室效应“温室效应”增强后果 全球变暖：冰川

12、消退、海平面上升、土地荒漠化等等 全球二氧化碳排放 未来能源结构第35页世界十大末日景观 据英国每日电讯报报道，全球变暖催生了一个“副产品”，也就是度假者和旅行社所说“末日游”，人们赶在宝贵自然景观消失之前，希望能够看上最终一眼。“末日游”最先是由美国人提出来，美国游客以这种新方式感受地球正面临危险，他们率先前往阿拉斯加州、巴塔哥尼亚、北极和南极正在融化冰河；太平洋正在下沉岛屿和正在消失大堡礁等等。未来能源结构第36页世界十大末日景观1南极洲：盖勒冰架和拉森冰架正以前所未有速度消融。未来能源结构第37页乞力马扎罗山：“雪帽”将在内被摘掉。世界十大末日景观2未来能源结构第38页北极冰盖：北极冰山

13、和冰盖正在消融。 世界十大末日景观3未来能源结构第39页马尔代夫群岛：海平面上升造成1内变得无法居住。世界十大末日景观4未来能源结构第40页 威尼斯：海水回灌。世界十大末日景观5未来能源结构第41页 阿拉斯加：冰河萎缩，永冻土解冻。 世界十大末日景观6未来能源结构第42页 大堡礁：到2050年，95%活珊瑚礁将被杀死。世界十大末日景观7未来能源结构第43页 奥地利基茨比厄尔：滑雪胜地慢慢消融。世界十大末日景观8未来能源结构第44页 厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛：两种珊瑚虫被列入“极危”类。世界十大末日景观9未来能源结构第45页 巴塔哥尼亚地域：冰盖不停大面积崩塌。世界十大末日景观10阿根廷巴塔哥尼亚

14、地域 阿根廷冰川公园 未来能源结构第46页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况C 热污染 当代工业生产和生活中排放废热所造成环境污染，是一个能量污染，指人类活动危害环境现象。常见热污染有（1）因城市地域人口集中，建筑群、街道等代替了地面天然覆盖层，工业生产排放热量，大量机动车行驶，大量空调排放热量而形成城市气温高于郊区农村热岛效应；（2）因热电厂、核电站、炼钢厂等冷却水所造成水体温度升高，使溶解氧降低，一些毒物毒性提升，鱼类不能繁殖或死亡，一些细菌繁殖，破坏水生生态环境而引发水质恶化水体热污染。未来能源结构第47页未来能源结构第48页未来能源结构第49页未来能源结构第50页未来能源结

15、构第51页未来能源结构第52页未来能源结构第53页3. 能源使用与环境污染（二）世界能源现实状况当前人们处理能源衰竭问题同时，必须考虑环境污染问题。未来要重点发展清洁能源和可再生能源。未来能源结构第54页能源世界原动力 （一）能源定义及其主要性（二）世界能源现实状况（三）新能源开发与利用未来能源结构第55页 各种替换能源研究开发正如火如荼进行！生物质能、太阳能、风能以及水电、核能等已经得到了广泛应用。 （三）新能源开发与利用未来能源结构第56页A 太阳能：狭义太阳能(sun energy)限于太阳辐射能光热、光电和光化学直接转换。广义上太阳能是地球上许多能量起源，如风能，化学能，水势能等。（三

16、）新能源开发与再生加州太阳能发电厂 家用制冷、取暖、照明 未来能源结构第57页A 太阳能优点：(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域限制。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一。(3)巨大：每年抵达地球表面上太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上能够开发最大能源。(4)长久：依据当前太阳产生核能速率估算，氢贮量足够维持上百亿年，而地球寿命也约为几十亿年。 （三）新能源开发与再生未来能源结构第58页A 太阳能缺点：(1)分散性：太阳辐射总量大，但能流密度很低。(2)不稳定性：受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件限制以及晴、阴、云、雨等随机原因影响。(3)效

17、率低和成本高：当前太阳能利用发展水平，主要受到经济性制约，还不能与常规能源相竞争。（三）新能源开发与再生未来能源结构第59页B 风能：风能（wind energy)是地球表面大量空气流动所产生动能。 （三）新能源开发与再生年世界风能利用一览 未来能源结构第60页B 风能特点：(1) 可再生、无污染而且储量巨大。粗略预计，近期能够利用风能总功率约为106107兆瓦，比全世界能够利用水力资源大10倍。 (2)风能资源受地形影响较大。 (3)风速不稳定，产生能量大小不稳定。 (4)技术设备不成熟，转换效率低。（三）新能源开发与再生未来能源结构第61页C 海洋能：海洋能(ocean energy)指依

18、附在海水中可再生能源，海洋经过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。 （三）新能源开发与再生未来能源结构第62页C 海洋能特点：(1) 蕴藏总量大、无污染、可再生。(2) 能流分布不均、密度低。 (3) 能量多变、不稳定。 海洋能未被利用原因：(1)经济效益差，成本高。(2)技术不成熟。（三）新能源开发与再生未来能源结构第63页D 氢能：氢能(hydrogen energy)是经过氢气和氧气反应所产生能量。氢在地球上主要以化合态形式出现，是宇宙中分布最广泛物质，它组成了宇宙质量75%。因为氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得，所以

19、是二次能源。工业上生产氢方式很多，常见有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。 （三）新能源开发与再生仙女座星系猫爪星云创造之柱未来能源结构第64页 氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一个举足轻重二次能源。它是一个极为优越新能源，其主要优点有：(1) 燃烧热值高，每千克氢燃烧后热量，约为汽油3倍，酒精3.9倍，焦炭4.5倍。(2) 燃烧产物是水，是世界上最洁净能源。(3) 资源丰富，氢是自然界存在最普遍元素，据预计它组成了宇宙质量75。氢气能够由水制取，而水是地球上最为丰富资源。(4)氢能利用形式多，能够经过燃烧产生热能，又能够作为能源材料用于燃料电池，或转换成固

20、态氢用作结构材料等。 （三）新能源开发与再生未来能源结构第65页2H2O 2H2 + O2Hydrogen from water splitting Solar energy Hydrogen EnergyH2OCatal.H2O2+未来能源结构第66页Nature1972,238,37 Fujishim & Honda：water decompose on the TiO2-Pt electrode Indicate the possibility of direct conversion from Sunlight to Hydrogen energyTiO2 electrode e-hv

21、H2O2PtH2O H2 + 1/2 O2hvMutiple phase catalyzeReaction on the electrode未来能源结构第67页Yes, my friends, I believe that water will one day be employed as fuel, that hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of wh

22、ich coal is not capable.water will be the coal of the future.In 1874, Jules Verne said:FromMysterious Island未来能源结构第68页 氢作为一个理想新含能体能源，其应用要处理主要问题：(1) 廉价制氢技术：因为氢是一个二次能源，它制取不但需要消耗大量能量，而且当前制氢效率很低，所以寻求大规模廉价制氢技术是各国科学家共同关心问题。 (2)安全可靠贮氢和输氢方法：因为氢易气化、着火、爆炸，所以怎样妥善处理氢能贮存和运输问题也就成为开发氢能关键。（三）新能源开发与再生未来能源结构第69页E 核能：

23、核能（或称原子能nuclear energy）是经过转化其质量从原子核释放能量，符合阿尔伯特爱因斯坦方程E=mc2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能经过三种核反应释放：1、核裂变，打开原子核结协力。2、核聚变，原子粒子熔合在一起。3、核衰变，自然慢得多裂变形式。 （三）新能源开发与再生太阳核反应 未来能源结构第70页核能与化石能源对比：核能发电过程：核能水和水蒸气内能发电机转子机械能电能，与火力发电极其相同，只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电锅炉，以核裂变能代替矿物燃料化学能。（三）新能源开发与再生未来能源结构第71页核能与化石能源对比：世界上有比较丰富核资源，核燃料有铀、钍

24、、氘、锂、硼等等，世界上铀储量约为417万吨。地球上可供开发核燃料资源，可提供能量是矿石燃料十多万倍。（三）新能源开发与再生未来能源结构第72页核能与化石能源对比：体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍；1000克铀释放能量相当于2400吨标准煤释放能量。一座100万千瓦大型烧煤电站，每年需原煤300400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于天天8列火车。同功率压水堆核电站，一年仅耗铀含量为3低浓缩铀燃料28吨。每一磅铀成本，约为20美元，换算成1千瓦发电经费是0001美元左右，这和当前传统发电成本比较，廉价许多。（三）新能源开发与再生未来能源结构第73页核能优点：核能发电不会造成空气污染

25、。 核能发电不会产生加重地球温室效应二氧化碳。核能发电所使用铀燃料，除了发电外，没有其它用途。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用燃料体积小，运输与储存都很方便。核能发电成本中，燃料费用所占百分比较低。 （三）新能源开发与再生未来能源结构第74页核能缺点：核电厂会产生高低阶放射性废料，即使所占体积不大，但因含有放射性，故必须慎重处理，且需面对相当大政治困扰。核电厂热效率较低，因而比普通化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂热污染较严重。核电厂投资成本太大，电力企业财务风险较高。兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。核电厂反应器内有大量放射性物质，假如在事故中释放到外界环境，

26、会对生态及民众造成伤害。 （三）新能源开发与再生未来能源结构第75页能源世界原动力 （一）能源定义及其主要性（二）世界能源现实状况（三）新能源开发与利用（四）展望未来能源结构第76页未来有可能被开发几个新能源： 1.人体能量假如你生活在大城市，那么在很快未来，你身体也会成为一个城市能源。人类活动如跑步、散步等都能够用来产生能量。美国麻省理工学院建筑和规划系学生詹姆斯格拉汉姆和撒德尤思朱思雅克设计出一个可将人行走时产生能量转化为电能“概念性城市设计”。在城市里铺设采取压电材料制作地板，内装动作感应系统，可将行人每一个行走动作瞬间产生能量都转换成电能。他们这种设计能够实现未来城市基础设施照明，是未

27、来城市基础能源一个很有借鉴意义新能源替换方法。 （四）展望未来能源结构第77页未来有可能被开发几个新能源： 2.粮食能源快速增加生物燃料让我们得到启示：粮食永远伴随人类一生，那么粮食产生能量也会永远伴随人类一生。澳大利亚一家企业就已经从椰子上开始生产能够替换柴油新能源“椰子油”了。椰子作为替换柴油燃料由来已久。在第二次世界大战期间，因为柴油供给短缺，在当初菲律宾，椰子油就成为一个受当地人喜欢替换燃料。大约半打椰子就能够生产出一升汽油产生能量。 当前，世界各国都在开始研究粮食能源，希望从粮食上找到未来可替换石油能源。欧洲国家在研究怎样从葡萄中提炼乙醇。 （四）展望未来能源结构第78页未来有可能被开发几个新能源： 3.藻类能源在科学家眼中，藻类是地球上石油和天然气起源，而且藻类被环境保护者和能源生产者视为最环境保护物质。有数据表明，每亩大小藻类能够产生比传统乙醇起源（如玉米）高15倍能源。这