发展核电是满足能源供给与保护环境的需要csh和电化学技术在新能源中的利用

发展核电是满足能源供给与保护环境的需要csh能源是经济社会快速发展、居民物质生活水平提高不可缺少的要素。现代社会是一个能源的社会。国民经济和社会的快速发展，是能源需求不断增长的基本推动力。世界上的大多数国家，和中国一样，面临着共同的能源问题：一是经济社会的发展对能源的需求量超过能源供给。全球对能源的需求量不断迅速增长，发展中国家和经济转型国家对能源需求量的增长速度超过工业化国家。中国人口多，工业化还没有完成，人均能源消费只有美国（工业化国家）人均能源消费的1/4左右。2002年我国能源消费总量为14.8亿吨标准煤，2009年中国能源消费总量为31亿吨标准煤，专家预测，2020年我国能源需求总量将达到40亿吨以上标准煤。我国已经成为世界最大（第二大？第一大？）能源消费国。居住在地球上的每一个人每天都以各种不同的形式使用能源。能源的使用正是现代工业社会的核心所在。经济的快速发展必定对能源提出快速增长的要求，能源成为经济快速增长的瓶颈。主要表现在：一是经济社会的发展面临能源供需失衡的问题。能源需求量增长大的出现在发展中国家和经济转型国家，其它国家对能源的需求量同时也在不断增加，而以化石燃料为主的能源供给则是不可再生的，总量有限的。二是共同面临对国际能源的高价位问题。发达国家和发展中国家和经济转型国家都同样关注当今进口能源的高价位、主要是碳氢能源的高价位问题，能源的高价位对发展中国家和经济转型国家的发展带来巨大的压力。三是能源、特别是化石燃料的使用带来的环境问题。目前以化石燃料为主的能源结构形式与日益严重的环境问题密切相关。发达国家的注意力集中在能源使用带来的气候变化问题。科学家们预计，想要防止全球平均气温再上升2℃，到2050年，全球的温室气体减排量需达到1990年水平的80%。2009年12月7日—18日在丹麦首都哥本哈根召开的哥本哈根世界气候大会，就是解决能源使用带来的气候变化问题，主要焦点问题是温室气体减排的“责任共担”，被喻为“拯救人类的最后一次机会”的会议。这次会议达成一个新的应对气候变化的协议，并以此作为2012年《京都议定书》第一阶段结束后的后续方案。此次会议，主要讨论以下四点问题并达成协议1.工业化国家的温室气体减排额是多少？2.像中国、印度这样的主要发展中国家应如何控制温室气体的排放？3.如何资助发展中国家减少温室气体排放、适应气候变化带来的影响？4.如何管理这笔资金？但是哪些国家应该减少排放？该减排多少呢？比如，经济高速增长的中国最近已经超过美国成为最大的二氧化碳排放国。但在历史上，美国排放的温室气体最多，远超过中国。从道义上讲，中国有权力发展经济，继续增长，增加碳排放将不可避免。图表SEQ图表\*ARABIC1温室气体的排放世界能源发展50年的经验表明，核能是一种清洁、安全、经济的能源。（一）发展核电是满足能源供给的需要1、化石能源储量有限目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石燃料，即：煤炭、石油和天然气。它们经历了上亿年的时间才得以形成，是不可再生的能源。从探明的储量看，现在地球上的石油、天然气和煤炭的总储量分别为：

石油

1万亿桶

天然气

120万亿立方米

煤炭

1万亿吨按照目前全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：

石油

45-50年

天然气

50-60年

煤炭

200-220年就资源而言，化石燃料资源有限。1997年全世界煤储量为10316亿吨，石油储量为1409亿吨，天然气为144亿吨。按1997年的开采量计，煤还可以用200年，石油可用40年，天然气则为60年（上海环境科学第18卷第2期1999年2月）2、核能--无穷的能源核能来自于地壳中储存的铀、钚等核裂变产生的能源以及氘、氚等核聚变产生的能源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。原子核反应主要有裂变反应和聚变反应核裂变能的主要原料是铀、钍，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。如果利用得好，可用2400～2800年。目前在世界各地运行的442座核电站就是使用铀原子核裂变时放出的热量。铀元素在自然界的分布相当广泛，地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5（2.5ppm），即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀。在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水平均只含3.3毫克铀。地球上自然存量最多的同位素是铀-238（99%），再者是可用作核能发电的燃料的铀-235（0.7%），丰度最少的是铀-234（0.2%）。聚变反应主要来源于氘-氚的核聚变反应，氘来可大量自海水，氚可来自地球上的锂。因此核聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.03克／升，据估计地球上的海水量约为138亿亿立方米，世界上氘的储量约40万亿吨；地球上的锂储量虽比氘少得多，也有2000多亿吨，用它来制造氚，足够满足人类对聚变能的需求。这些聚变燃料所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。如果人类实现了氘-氚的可控核聚变，核燃料就可谓“取之不尽，用之不竭了”，人类就将从根本上解决能源问题，这正是当前核科学家们孜孜以求的所以。聚变能源不仅丰富，而且安全、清洁。聚变产生的放射性比裂变小的多。伊朗原子能组织2011年2月10日宣布，伊朗已经掌握核聚变技术。伊朗原子能组织当天在其网站上说，伊朗采用“惯性静电约束法”（IEC），在核聚变领域成功进行了一系列重大研究，并研制出可产生激光核聚变的装置。但该组织未透露伊朗方面是否成功进行了真正的核聚变实验。尽管伊朗核聚变研究的商业化“需要20年到30年时间”，但伊朗将倾全国之力，加快核聚变研究进程。人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹爆炸。但要想有效利用核聚变释放的能量，必须能够合理地控制核聚变的速度和规模。目前在法国卡达拉舍正在进行的国际热核聚变实验堆（ITER）计划就是要解决这一问题，为人类寻找清洁新能源，中国也参与其中。美国、以色列和一些国家一直怀疑伊朗发展核计划的真正目的在于发展核武器。伊朗则坚称其核计划完全出于和平目的。3、中国的核能燃料--不容乐观（1）根据路透社的报道，中国已经制定让国内核电装机容量到2020年增至4000万千瓦的目标，但政府也已暗示，这一目标有望翻倍，达到8000万千瓦，因核电的快速扩张是实现温室气体减排的可行方案之一。《中国电力》杂志2010年12月曾刊发一篇研究文章称，如果2020年中国实现4000万千瓦的核电产能，国内对天然铀的需求将增至6000至7200吨。每新建、扩建100万千瓦核电机组需要一次性装填100吨核燃料。即使所有规划中的国内铀矿全部投入运营，且满负荷运转，中国届时也只能生产2400吨天然铀。这意味着，短期内中国的核燃料进口仍将维持在较高水平。大致的概算：100万千瓦压水堆核电厂年需要30吨核燃料，其中235U的富集度为3—5%,4000万千瓦核电厂需要富集度3—5%的235U1200吨，天然铀矿中，235U的含量为0.7%（238U的含量为99%，234U的含量为0.2%），235U的富集度为3—5%的核燃料1200吨需要提炼折天然铀矿约为6000—7200吨（5-6倍）。（2）动力堆乏燃料后处理技术的重大突破当核燃料维持不了一定的功率时，便需要把原有的燃料退出来，进行更换。这些被换下来的核燃料组件，就叫做乏燃料。核燃料当前利用率仅1%。中国的核燃料已经发展了20多年，拥有13个正在运行的核电机组（装机容量为1080万千瓦），每年都产生大量的乏燃料组件（按100万千瓦需要核燃料30吨计算，每年产生高放射性乏燃料约300吨）。对于这些乏燃料组件目前的处理方法只是把乏燃料组件存在特殊的水池里。这种水池的特殊之处在于里面的水经过了特别处理，可以屏蔽核辐射。根据乏燃料组件的不同，水深从几米到十几米不等。而且，乏燃料长期储存的费用也相当高。所以要可持续地发展核电，乏燃料后处理技术就必须突破。中核集团四〇四工厂日前在动力堆乏燃料后处理技术上取得重大突破，将核燃料铀、钚利用率提升60倍。对核燃料进行后处理，就是通过一系列的化学过程把核电站没燃烧完的核燃料，还有新产生的核燃料提出来，再制成核电所需要的燃料元件。这是中国24年来自主研发的成果。此前掌握这一技术的国家有美国、英国、法国、德国、印度、俄罗斯、日本，中国是全球第八个掌握该技术的国家。目前仍在积极寻求该技术的国家还有韩国。以目前的核电规模，中国已探明的铀资源大约可供国内使用50到70年。根据最新突破的“动力堆乏燃料后处理技术”，目前中国的铀资源储量可以使用约3000年。但对此要持谨慎乐观的态度，因为该技术只是实验成功，需要过实现工业化与批量化这一关，距离大规模运用还需要一段时间。4、目前核能现状（1）世界核能现状到2009年底，全世界有442台核电机组。目前世界总发电量约为33.7万亿千瓦时，总装机容量已经达到3.82亿千瓦，全年共发电5741.7TWh(5.74万亿千瓦时)，占世界发电量的17％，与水电、火电一起构成世界电力能源的三大支柱。电力电力（2）中国核能状况截至2010年底，大陆有13台运营的核电机组，台湾有8台运营的核电机组.中国发电装机累计达到9.6亿千瓦，其中，水电2.1亿千瓦，火电7亿千瓦，核电1080万千瓦（大陆13台核电机组），风电3107万千瓦。全年累计发电量4.14万亿千瓦时，其中核电发电量约660亿千瓦时。全国发电设备年累计平均利用小时达到4660小时，平均利用率55%。其中，水电3429小时，平均利用率40.5%；火电5031小时，平均利用率59%；核电7924小时，平均利用率（能力因子）93.9%；风电2097小时，平均利用率24.4%。（全年8460小时）附：来自运营公司的数据表明，截至2010年12月31日24时，大亚湾核电站全年实现上网电量150.15亿千瓦时，能力因子为90.94%（大亚湾核电站1号机组为89.08%，2号机组为92.80%）；岭澳核电站一期全年实现上网电量152.20亿千瓦时，能力因子为92.42%（岭澳核电站一期1号机组为93.71%，2号机组为91.12%）。两电站年度上网电量合计达302.35亿千瓦时，年度上网电量连续第三年超过300亿千瓦时.大亚湾核电站：96.4*90.9%*365*24*2=150.15亿千瓦时（大致的概算：100万千瓦年发电量为70-75亿千瓦时；核电投资大致是1千瓦1万元，100万千瓦的核电厂约需要投资100万万元即100亿，按0.4元/度计算，100万千瓦核电厂发电产值是30亿元，按20%纯利润率计算，100万千瓦核电厂年纯利润6亿元，约16年回收全部投资。）2009年度咸宁市全社会用电量40.15亿千瓦时，增长10.2%，平均每天1100万千瓦时。.(二)发展核电是保护环境的需要就环境保护来说，核能与化石燃料相比，则是一种更清洁的能源。1000MW（e）年需要消耗核燃料约30吨。1000MW（e）核电厂年度废物排放情况：30吨左右高放废物乏燃料，200吨左右中放废物，400吨低放废物，少量低放气体。1000MW（e）火电厂年需要消耗300万吨煤。1000MW（e）火电厂年度废物排放情况：650万吨CO2（200万吨碳），1.7万吨SO2，4000吨NOX，280万吨灰，4000吨重金（如砷、铬、铅、汞等）。二氧化硫和氮氧化物形成酸雨，造成巨大的环保压力。和在燃料运输方面，核电也有明显的优势，1000MW（e）的核电厂，一年只需用30吨低浓铀，几个卡车就可运来。而同样功率的燃煤电厂需300万吨煤，每天需5列火车供煤。以上数据说明：火电厂产生大量的二氧化碳，是产生温室气体的一个重要原因，核电始终是最好的低碳经济发展能源，发展核电是实现温室气体减排的可行方案之一；火电厂产生大量的二氧化硫和氮氧化物，二氧化硫和氮氧化物形成酸雨，造成巨大的环保压力；运输的不经济性。大致的概算：化石燃料供应的有限性以及环保的巨大压力，致使人们注目清洁、安全、经济的核能。（三）对《核电中长期发展规划(2005-2020年)》的介绍二OO七年十月国务院已经正式批准了国家发展改革委上报的《核电中长期发展规划(2005-2020年)》。核电发展专题规划是电力发展规划的重要组成部分，积极推进核电建设，是我国能源建设的一项重要政策。积极推进核电建设，对于缓解能源需求矛盾（1），保护环境（），具有重要的意义。1、核电在世界能源结构中的地位

自20世纪50年代中期第一座商业核电站投产以来，核电发展已历经50年（2）。到2010年底，全世界正在运行的核电机组共有442台，现有核电站共计104个，分布在31个国家和地区，总装机容量已经达到3.82亿千瓦。其中：压水堆占60%，沸水堆占21%，重水堆占9%，石墨堆等其它堆型占10%。这些核电机组已累计运行超过1万堆.年。核电年发电量占世界发电总量的17%。核电发电量超过20%个国家和地区共16个，其中包括美、法、德、日等发达国家。美国是世界上拥有核电站总数最多的国家。法国则是核电站总发电量比重最高的国家，高达78%。在亚洲，日本是第一个以核电为主要电力来源国家，其核能发电，约占总发电量的三分之一。1997年建成的柏崎刈羽核电站（2），至今仍是世界上装机容量最大的核电站（3）。中国目前正在运行的核电机组共有13个(4)，核电占全国总发电量的比重只有2%。核电与水电、火电一起构成世界能源的三大支柱，在世界能源结构中有着重要的地位。2)我国核电发展的指导思想

贯彻“积极推进核电建设”（4）的电力发展基本方针，统一核电发展技术路线（5），注重核电的安全性和经济性，坚持以我为主，中外合作，以市场换技术，引进国外先进技术，国内统一组织消化吸收，并再创新，实现先进压水堆核电站工程设计、设备制造、工程建设和运营管理的自主化。形成批量化建设中国品牌先进核电站的综合能力，提高核电所占比重，实现核电技术的跨越式发展，迎头赶上世界核电先进水平。

在核电发展战略方面，坚持发展百万千瓦级先进压水堆核电技术路线，目前按照热中子反应堆（6）—快中子反应堆（7）—受控核聚变堆（8）“三步走”的步骤开展工作。积极跟踪世界核电技术发展趋势，自主研究开发高温气冷堆（9）、固有安全压水堆（10）和快中子增殖反应堆（11）技术，根据各项技术研发的进展情况，及时启动试验或示范工程建设。与此同时，自主开发与国际合作相结合，积极探索聚变反应堆技术。

坚持安全第一的核电发展原则，在核电建设、运营、核电设备制造准入，堆型、厂址选择，管理模式等工作中，贯彻核安全一票否决制。

(二)发展目标

根据保障能源供应安全，优化电源结构的需要，统筹考虑我国技术力量、建设周期、设备制造与自主化、核燃料供应等条件，到2020年，核电运行装机容量争取达到4000万千瓦（）；核电年发电量达到2600-2800亿千瓦时。在目前在建和运行核电容量1696.8万千瓦的基础上，新投产核电装机容量约2300万千瓦。同时，考虑核电的后续发展，2020年末在建核电容量应保持1800万千瓦左右。核电建设项目进度设想见表2。

在核电自主化方面，实现先进百万千瓦级压水堆核电站的自主设计、自主制造、自主建设和自主运营，全面建立与国际先进水平接轨的建设和运营管理模式，形成比较完整的自主化核电工业体系。

在运行业绩及核安全方面，确保已投运核电站安全可靠运行，主要运行指标达到世界核电运行组织(WANO)（）先进水平。2020年以前新开工核电站的主要设计指标接近或达到美国核电用户要求文件(URD)或欧洲核电用户要求文件(EUR)的同等要求。

在工程建设方面，通过引入竞争机制，全面实施招投标制和合同管理制，提高项目管理水平，进一步降低工程造价。

在经济性方面，在确保安全性和可靠性的基础上，降低运行成本，实现核电上网电价与同地区的脱硫燃煤电厂相比具有竞争力。

在核电法规和技术标准方面，在核安全、核设施管理、核应急、放射性废物管理，以及工程设计、制造、建设、运营等方面，建立起完整的符合中国国情并与国际接轨的核电法规和标准体系。注解：（1）核能nuclearenergy又称原子能。原子核中的核子重新分配时释放出来的能量。核能可分为三类：（1）裂变能，重元素（如铀、钚等）的原子核发生分裂时释放出来的能量；（2）聚变能，由轻元素（氘和氚）原子核发生聚合反应时释放出来的能量；（3）原子核衰变时发出的放射能。核能与化学能的区别在于，化学能是靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能量，而核能则靠原子核里的核子（中子或质子）重新分配获得能量，这种能量大得出奇。例如，每个铀原子核裂变时，就能放出2亿电子伏能量（200Mev），所以1g铀裂变时释放出来的能量相当于2500Kg标准煤(1个铀原子核的质量为235×1.67×10-24g=3.92×10-22g,1g235U含有2.55×1021个铀原子核，裂变释放能量为2.55×1021×200Mev，1ev=1.60×10-19J,1g235U裂变能量2.55×1021×200×106×1.60×10-19J=8.2×1010J,1度电=1Kw.1小时=3.6×106J，1g235U裂变能量折合2.3×104度电,)，等量的聚变燃料在聚变时释放出来的能量又比裂变能大4-5倍。铀元素在自然界的分布相当广泛，地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5（2.5ppm），即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀。在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水平均只含3.3毫克铀。地球上自然存量最多的同位素是铀-238（99%），再者是可用作核能发电的燃料的铀-235（0.7%），丰度最少的是铀-234（0.4%）一吨标煤估计排放二氧化碳为2.66-2.72吨（2）：1954年，俄罗斯奥布宁斯克核电站建成，装机容量为0.5万千瓦。奥布宁斯克核电站是世界上最早建造的核电站。2002年4月29号，这座事业型核电站在运行了近半个世纪后光荣退役。就在俄罗斯奥布宁斯克核电站建成三年后即1957年，世界上第一座商用核电站，美国希平港核电站建成投产。该电站拥有一台压水核电机组，装机容量为9万千瓦。它的建成拉开了民用核电发展。）（2）：日本新潟xì县位于本州中部，濒临日本海，南北走向呈细长形。从17、18世纪江户时代以来新潟就作为日本海的交通中心而繁荣发展起来，19世纪以后又成为和俄罗斯、韩国等进行贸易的重镇。柏崎市是2007年7月16日强烈地震的重灾区。位于当地海边的柏崎刈羽核电站，震后麻烦不断：先是3号机组变压器在地震发生仅仅两分钟后起火，后又发现6号机组有含微量放射性物质的水泄漏，以及设施内的地基多处突起和凹陷。（3）【5500MW(1100MW×5)】截止目前，中国大陆在役运行核电机组13台，集中在浙江、广东、江苏三省，装机容量1080万千瓦，占全国电力装机的1.3%，占全国发电总量的2%左右，占世界在役核电机组数的2.4%。核电站净功率(MWe)商运日期采用技术堆型投资额设计寿命年平均能力因子所在地年发电量开工日期股东国产化率大亚湾1(DayaBay)9841994.2法国M310PWR压水堆40亿美元40年90%深圳市龙岗区大鹏镇155亿千瓦时1987.8.7广核投、香核投不到10%大亚湾2(DayaBay)1994.51988.4.7岭澳一期1#(LingAo)9902002.7中国CPR1000PWR压水堆40亿美元40年88%153亿千瓦时1997.5.15广核约30%岭澳一期2#2003.31997.11.28岭澳二期3#10802010.9.202005.12.15合计（5台）5028秦山13101994.4中国CNP300压水堆PWR12亿人民币30年浙江嘉兴市海盐县秦山镇双龙岗村25亿千瓦时1985.3.20中核大于70%秦山二厂一期1#6502002.6中国CNP650压水堆PWR148亿人民币40年80亿千瓦时1996.6.2中核，浙电力开发55%秦山二厂一期2#2003.4秦山二厂二期3#2010.10.21秦山三期1号7282003.2加拿大CANDU-6重水堆HWR25.7亿美元40年110亿千瓦时1998.6.8中核控股、中电投55%秦山三期2号2003.11合计（6台）3660田湾1(Tianwan)1060204.12俄罗斯AES-91压水堆PWR32亿美元40年江苏连云港连云区田湾140亿千瓦时1999.10.20中核控股、中电投70%田湾2(Tianwan)2005.12合计（2台）2120统计10800（4）中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议中提到，适度发展核电。国家“第十个五年计划”期间核电发展政策是“适度发展核电”，国家“第十一个五年计划”期间核电发展政策是“积极发展核电”。（5）热中子堆使用的燃料主要是天然铀（235U含量0.7％）和稍加浓缩铀（235U含量3%）。如果采用现有堆型，燃料预计能满足核电十几年的需求。天然铀中99%以上是不裂变的238U，快中子堆理论上可利用全部铀资源，实际上由于各种损失估计可利用铀资源60％以上，它被认为是最有发展前景的发电用反应堆。如果采用快中子堆，可供世界对能源的消耗数千年。相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。（6）热中子反应堆：反应堆是指能够在受控下(所以不会发生原子弹那样爆炸)持续进行核裂变链式(连锁)反应的装置。所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的。后来，其他不用石墨的核反应装置，仍沿用这种叫法。热中子反应堆是一种进行核裂变的反应堆。目前，已经实用化的核反应堆有轻水堆和重水堆(重水是氢的同位素氘(重氢)同氧的化合物)之别。目前使用的多为轻水堆。在轻水堆中，水被兼作减速(和石墨一样起控制反应速度的作用)和冷却用。轻水堆又可分为压水型和沸水型的，现在大多数核电站用的都是压水型的。压水堆工作原理压水堆最初被用作核潜艇的动力。它的冷却水分为一次系统和二次系统两部分。一次系统的冷却水保持在约160气压这样的高压，所以加热到约325℃仍能保持为液体状态。为了吸收核裂变中的中子，水中加入一点硼，用以调整核反应的速度。一次冷却水直接同核袭变部分接触，将它产生的热量带走。经由蒸气发生器进行热交换，使二次冷却水被加热至沸腾。二次冷却水在60大气压下被加热到275℃，成为蒸气用以驱动发电用的汽轮机。压水堆利用浓缩铀工厂提供的低浓度铀235作为核燃料。铀235是铀的一种放射性同位素，是自然界中唯一存在的裂变核燃料。裂变中产生的中子，或被燃料棒中铀238所吸收，或使铀235发生裂变，或逸出于燃料棒之外。如中子速度快，则使铀235发生裂变的机会就小了，所以要用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料，放在燃料棒四周，使中子速度减慢以有助于使铀235发生裂变。减速后的中子能量最后都变为热能，为了把它运到外部，需要使用冷却材料(通常也用水)。把含有硼等吸收中子物质的控制棒放在堆芯中，当它插入燃料中时，产生的中子数量达不到临界值，裂变无法连续进行下去。当控制棒拔起来时，中子数目加多，通过连销反应，铀的裂变便可连续进行下去。这种速度变慢的中子称为热中子，利用热中子使铀235裂变的核反应堆，称为热中子反应堆。

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/千瓦.氢源问题.(4)直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极:催化剂:Pt合金,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含硫酸的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:可移动的小型电子仪器设备动力源优点:比能量高,体积小问题:Pt对甲醇氧化电催化效率低,易被甲醇氧化中间产物毒化,甲醇会透过质子交换膜.(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳极:催化剂:Ni,燃料:氢阴极:催化剂:NiO,氧化剂:氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,不需贵金属催化剂.可用含CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,可达80%.问题:高温下,电解液会腐蚀电极材料.寿命2万小时,商业上要4万小时.(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极:催化剂:NiZrO2,燃料:甲烷,氢阴极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧电解液:ZrO2,CeO2等工作温度:900oC用途:发电站优点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各种燃料气.抗中毒能力强.能量转换率最高,可达80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.