资源学导论第七讲能源资源ZZ.ppt

1、8.1 能源概念、特性 及其分类,8 能源资源,8.1.1能源的概念,能源：凡是能够提供某种形式能量的物质或物质的运动。,能源是一个包括所有燃料、流水、阳光、风能的术语，人类用适当的转换手段，给人类自己提供所需要的能量。,大英百科全书,8.1.2能源的一般特性,1）能源的多样性 2）能源的转化性 3）地域分布的不均一性 4) 双重性 5）能源品质的差异,能源的多样性,1）辐射能（直接太阳辐射） 2）运动能（水力、潮汐、风能、波浪等） 3）生物能（木材、油脂） 4) 化学能（煤、石油、天然气等） 5）原子能（铀、钍、锂等） 6）传导能（地热、温泉、地下热水等）,能源的转化性,1）从燃料到热 2）

2、从热能到机械能 3）从机械能到电力,地域分布的不均一性,双重性,1）能源资源 2）污染来源,能源品质的差异,能源的品质，主要是看单位重量燃料全部转化成热量时其焦耳数是多少。,储存式能源 （化石燃料、核燃料和生物燃料） 流动式能源 （太阳能、水能、风能、海洋能和地热能）,储存式能源 以热值来评价,原煤 21 000 kJ/kg 石油 42 000 kJ/kg 无烟煤 烟煤褐煤,流动式能源 以能流密度来评价（即一定空间或面积内从某种能源那里所能接收到的能量。）,核能 水力太阳能、风能（100W/m2）,以能源转化效率评价能源品质,评价能源的品质高低还涉及能源的某些物理特性、地理特性或技术特性。 还

3、特别强调能源的可再生性和非再生性以及它们的环境效应（污染程度）。,高品位能源（如化石能源） 低品位能源（如地热能）,天然能源（一次能源） 可以直接从自然界中获取的能源物质,人工能源（二次能源） 由一次能源加工而成的,8.1.3能源的分类,天然能源又可分为：,非再生能源： 经过漫长的年代形成，一旦用尽就很难在短时间内再生。,再生能源： 可反复使用，最大限度的被人利用。,天然能源还可分为,来自地球以外的能源 来自地下的地热、核燃料与化石燃料 来自海洋的潮汐能、波浪能、海流能和温差能 采自地面的水能和高山冰雪能以及支植物储能,常规能源：大量消耗的石油、 天然气、煤和核能等。,其他的分类方法,新能源：

4、开发和利用还处于研 究发展阶段。（相对 于常规能源而言）,8.2 能源的概况,人类文明与能源,煤的形成,石油、天然气的形成过程,水力发电,人类在很早以前就懂得利用素有白媒之称的水力，例如使用水车来带动机械灌溉、研磨谷物和纺织等。,自然的力量,风力,風力,地球大气层所捕获的太阳能中约有2%转换为风能，中国人最早懂得利用风車，风力也是帆船的动力来源。 风車以风吹拂而旋转，转动的动能经由传动装置，帶动发电机转动，所产生的电力可以直接使用，或充电蓄电池后供以后使用。,地 热,地热,热能可藉着岩石的导热性，或是水与熔岩的向上移动而传到地球表面，如北投地热谷。 地热发电不须燃料，成本低廉，约为燃油火力发电

5、的一半；主要缺点是蒸气量会逐渐減少。,海洋能源,海 洋 能 源,海洋能源,三种海洋能源发电的方法 潮汐发电 - 原理类似于水力发电 波浪发电 - 波浪具有的能量至少是潮汐 的10倍以上 温差发电 - 利用被太阳加热的表层海水与深层海水的温差发电,太 阳 能,太阳每小时辐射至地球的能量，相当于全世界一年间的总消耗量；太阳位于太阳系的中心，乃一个由氢、氩、氮、瓦斯所组成的。 是一种丰富而稀薄的能源。 季节或是天气的变化以及夜晚的影响，会使得太阳能中断无法连续供应。,太陽能的应用可分为三种类型：, 将太阳能转制为化学能 将太阳能转制为热能 将太阳能转制为电能,太阳能,太阳能是太阳内部连续不断的核聚变

6、反应过程产生的能量。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。,太陽能转换为电能有两种基本途径,热发电 -把太阳辐射能转换为热能 （1）集中塔式 （2）线槽式,太陽光发电 -通过光电器将太阳光直接转换为电能 太阳电池种类 矽(硅)-晶矽、非晶矽 目前太阳光电系统中应用最为广泛 多化合物-單晶矽 、多晶矽 应用于太空及聚光型太阳光电系统 奈米及有机体 应用于有机太阳电池，属于研发阶段,核子弹,核子武器的威力,核爆景象,爆核瞬间,核 能,核 能 发 电,核能发电的问题，

7、是全球长期关注的话题，根据统计资料，1998年止，全球共有32个核电国家，480部核能机组在运转中，另外亦有48部正在兴建中。目前核能电大约占全世界总发电量的百分之十七。,核能发电的优点,核能是最安全的发电方式 核能是对环境最友善的能源 核能是目前唯一具有经济效益的永续能源 核能是最经济的能源 核能是我国实践二氧化碳減量目标的希望,核能发电的缺点,強烈的放射线，存放地点是争议 热污染 一旦外泄将导致辐射污染与伤害 建核厂成本昂贵，财务风险提高 操作人员失误，往往导致严重后果,8.3 能源开发利用,能源供需的中长期预测,世界一次能源的供给,出处：IEA World Energy Outlook

8、2004,2002年到2030年，一次能源总体年平均增长1.7%。即使到2030年，8成能源依然需依赖化石能源。原子能及可再生能源尚有发展空间。,22% 煤炭,2% 地热、太阳光、风力、潮汐等,10% 生物质、废弃物,2%水力,5% 原子力,35% 石油,25% 煤气,（折合石油百万吨）,亚洲一次能源需求预测,中国的市场占有率将从2002年的40%上升到2030年的43%。 亚洲从2000年到2030年的年增幅将为2.3%、中国将为2.6%。,出处：IEA World Energy Outlook 2004,2006年每人年均原油用量,2005年各地区原油已证实存量,世界的石油需求,从各国的石

9、油需求来看，美国占压倒性多数，为世界总体的1/4。 最近5年间，世界总体石油需求增长的约1/3来自于中国。,石油的供需与价格,（2005年全世界总计39亿吨）,原油历史价格,石油价格的变化,出处：美国能源部,石油价格在90年代约为20美元/桶，其后上扬，最近在60美元以上/桶。,WTI: West Texas Intermediate。西得克萨斯的中质原油。已成为世界原油的基准价格。具有代表性的原油价格基准中，除美国产的WTI外，还有欧洲产的北海布伦特原油价格、中东产的迪拜原油价格，此3者为世界3大原油基准价格。其中，WTI由于交易量与市场参加者占压倒性多数，且市场流动性及透明性较高，因此成为

10、代表性指标价格。WTI期货于1983年5月在美国纽约商业期货交易所（NYMEX）上市。,值得关注的情况,石油危机中,石油价格的上升引起了通货膨胀和国际收支的恶化.因此,各国政府财务了经济紧缩政策,经济增长缓慢.其结果石油需求下降,石油价格回落。 本次石油价格上涨与前次相比有以下点不同。 供应方的情况 中东局势的不稳定- 伊拉克战争、伊朗核问题、阿拉伯以色列问题 石油资源的有限性- 有观点认为，随着石油生产临近顶峰，石油价格也将上涨 需求方的情况 中国及印度经济的持续增长、能源需求增加 其他 投资资金的流入 由于这些重要原因，石油价格存在居高不下的可能性。,出处：World Economic O

11、utlook April 2006,石油产量的预测,出处：石油天然气极限用量研究协会,大多数观点认为，不管如何，今后30年左右将迎来高峰,就石油产量将来的预测，有悲观和乐观的两种看法 悲观的看法认为，如果2007年达到产量的高峰，2040年只有高峰时的一半。 (此观点为以欧洲为中心的研究人员发表在网络上的预测) 乐观的观点在美国,美国能源部认为2037年将达到产量的高峰 无论上述观点如何,迎来石油产量的高峰不是遥远的将来的事情,尽快加强节能新能源的利用是整个世界所面临的紧迫的课题,3. 各种能源的特征,出处：根据资源能源厅能源白皮书、综合能源调查会电气专业第9届成本等研讨委员会资料、资源能源厅

12、资料制作,石油：便利性强，但资源量少，地区分布偏差大。天然气： 在化石燃料中CO2排放少，地区分布偏差也小，但资源量少。煤：资源量多，地区分布偏差也小，但CO2排放多。原子能：CO2排放少，地区偏差性也小，但由于安全方面的原因选址较难。自然能源：CO2排放少，但经济性方面问题较多。,防止地球温暖化对策,出处：气象厅数据、环境省平成18年版环境白皮书,预计今后气温还将继续升高。对环境的影响令人忧虑。,地球平均地表气温的变化,0.5,0.5,（注）表示1971年至2000年间相对于 平均值的偏差情况,据说如果海面上升1米,太平洋上的马绍尔群岛的80%,孟加拉国17.5%,荷兰6%的土地将被海水淹没

13、,世界CO2排放的变化与预测,出处：日本能源经济研究所亚洲世界能源展望2006,导致气温升高的最大因素是CO2排放。我们预测，从2004年到2030年， 该排放增加量中约有一半将会来自亚洲，而中国将占其中的一半。,京都议定书的概要,在1997年的京都会议COP3上得到通过，2005年起生效。 缔约国：162个国家与EU 温室效应气体：CO2、N2O、甲烷及其他3种用于取代含氯氟烃的卤烃等6种 减排目标： 以1990年为基准，至2012年全部发达国家减排约5% (EU-8%、日本、加拿大-6%、(美-7%未批准)、俄0%等) 无义务国家：中国、印度、韩国及其他 京都机制：有减排目标的国家可利用在

14、其他国家的减排成果及排放限额来促进本国目标实现的3大机制（CDM、联合履行、排放贸易） 联合国气候变化框架公约第三次缔约方会议(在日本 京都),为应对此种态势，京都议定书得到通过并生效。,CO2减排技术的重要性,削减CO2排放量的关键在于技术的开发与普及,要在削减CO2排放的同时又保持经济持续增长，技术的开发与普及是关键。 具体来说，下列技术的开发与普及尤为重要。节能新能源原子能 此外，煤炭方面，尽管其储量丰富但由于环境负荷较大，因而也需要开发清洁且有效的煤炭利用技术。 国际方面，重在合作开展“亚太清洁发展与气候新伙伴计划”（APP）所倡导的技术开发、普及和转移。京都议定书中规定负有CO2减排

15、义务的国家的排放量仅占世界总排放量的约3成，美国以及发展中国家的CO2减排也相当重要。,5.各主要国家的能源战略的特点,美国,出处：中国：日本能源经济研究所资料、日本：经济产业省新国家能源战略 韩国：日本能源经济研究所资料、韩国商工能源省资料、印度：日本能源经济研究所资料,从对石油依赖的危机出发,推进了新的石油开发计划 虽然采取了石油代替能源等的政策,但有观点认为,美国联邦政府需要更大的热情和指导方针 还有,联邦政府与州政府之间等.有关方与政府部门之间的意见也不统一,为减少对海外石油的依赖程度,进行了墨西哥湾以及阿拉斯加州在内的国内开发.但因担心对环境造成破坏,对此有不同意见。 为降低对石油的

16、依赖，推进能源的供给多样化，虽然提出了煤炭光伏风力等的计划，但缺少具体的方针。 在能源消费占4成的交通部门的对策方面，对生物乙醇的利用进行了奖励。另一方面，对耗能大的约占销售总量一般的SUV等却没有任何的限制 在防止地球变暖对策方面，联邦政府和州政府之间的分歧呈表面化 包括加利福尼亚州在内的12个州政府制定了二氧化碳减排目标，但联邦政府反对，产生了摩擦。,在美国降低油耗的效果,在美国，过去5年汽车的销售一半是耗油高的SUV(34km/L)假设，如果美国的油耗能达到和欧洲同样水平的话，可节约400万桶/日这个数量是世界第3位石油输出国伊朗的出口量,伊朗的石油出口量（世界第3位的石油出口国）,预期

17、可节能数量400万桶/日,美国车的平均油耗 (7km/L)能达到欧州车的 平均油耗(13km/L) 的话,出处：Financial Times,EU, 非化石能源的利用获得了相当程度的进展 -在德国积极利用太阳能和风能 光伏发电的累计利用量在2000年2005年增长了12.5倍(114MW1,429MW) 风力发电的发电量约265亿kWh(2005年)、占该国电力消耗的4.3% -在英国有回归原子能的动向。今年，时隔17年有提议要建核电站 从俄罗斯进口天然气的不安 -EU对依赖程度高的俄罗斯产天然气，对其生产力等有担心 对俄罗斯的依赖程度、芬兰100%、德国43%、意大利30%、法国26% -

18、加上最近对乌克兰天然气涨价，担心程度加大 2007年7月能源市场自由化，据此能源企业有重组的动向 -德国企业E.ON收购西班牙电力公司Endesa以及法国政府指示该国的电力公司Suez和天然气公司GDF重组。,非化石能源的利用获得了相当程度的进展 对大量依赖从俄罗斯进口天然气感到不安 市场重组扩大到能源市场当中，引发了能源企业的重组和各加盟国的抵制,出处：The Economist,英国政府资料等,8.4 新能源,新能源的特点,新能源举措的关键在于促进技术的开发和引进, 新能源是指非化石能源中，除去核能及水力等传统能源以外的能源。具体有太阳光、生物质、风力等。 要推动新能源的实际应用，积极的技

19、术开发不可或缺，其理由如下：与化石能源相比，新能源的密度较低，需要经济有效的能源提取技术；各种能量源的提取技术各不相同；如果要不受自然条件左右、稳定地利用新能源，有时可能需要与其他能源联合使用。 此外，由于收集能量源需要完善基础设施、同时需要大面积的土地，所以要想保持收支平衡，投资额就必然相应增大，因此在引进新能源时，政府财政上的支持必不可少。,新能源的效果,2030年度的新能源发电量相当于17座标准的核能发电设备的发电量,2030年新能源利用量,（注）标准核能发电设备设定为功率110万km，设备利用率为80%,出处：日本能源经济研究所,新能源基金净值,新能源的特点（光伏发电）, 技术研发的结

20、果，虽然30年间太阳能电池的生产成本降低了1/100，但如果不降低至1/400的话，与化石能源发电的成本相比没有竞争力 截至2005年，世界太阳能电池产量 1728MW中的约半数来自日本（833MW) 可望在中国和亚洲等日照时间长、没有电网的国家和地区普及。 今后的主要研究开发课题如下： 伴随硅供需的日益紧张，开发薄膜化、化合物系、有机系等材料技术； -日本的优势领域 已经产品化的硅系列，为降低成本进行高效化技术研发 -在批量生产方面，日本的单晶硅（18.3%）和多晶硅（14.8)为世界领先水平 在多晶硅方面,目标2020年达到19%,2030年达到22%. 通过与中小水力及生物质能的互补发电

21、、日本优势的并网技术，实现稳定的电力供给。 -在中国的实证例子:光伏发电和风力发电,蓄电池组合系统 (2003年2006年 甘肃省 光伏100kW风力100kW,蓄电池100kW) 从对其他产业能够产生较大连动效果来看，太阳能电池是一项重要的技术。,太阳能电池的技术开发与连动效果,NEDO开发的技术（成果）,原料硅 流动床法 直接还原法 溶融精制法,铸造法 电磁铸造法,基片制造技术 闭光技术、钝化技术、成结技术、微电极印刷技术、BSF构造形成技术,多线锯,模块组装技术,a-硅薄膜大面积、高质量制膜技术、RF等离子体CVD（1m角以上、劣化率10）,微结晶硅薄膜大面积、高速制膜技术、VHF等离子

22、体CVD（1m角以上、2.5nm/sec）,集成构造形成技术 （激光刻蚀）,多晶硅太阳能电池的生产工序及主要开发技术,薄膜硅太阳能电池的制造工序及主要开发技术,太阳能电池产业,（出处）根据关于太阳光发电系统及其相关技术的成果调查报告书（平成18年3月）等制作,NEDO开发的技术（成果）,技术转用,半导体产业,技术转用,液晶产业,KANEKA 三菱重工 日立制作所 （注：数字代表世界生产量排名,夏普 京瓷 三菱电机 三洋电机,部分成果,高质量 玻璃基板,部分成果,加速大面积TFT的产品化,有助于大口径（8inch）晶片的实际应用,新能源的特点（风力发电）,风是自然界的可再生能源，发电时无CO2和

23、废弃物排放，属于绿色能源，因此风力发电系统亟待引进、普及和扩大。 选择风力较强地段并有效承接风力，同时掌握全年正确的风况数据至关重要。 由于能量源为风，易受地形、雷击等自然条件影响而给电力系统带来危害。如何采取对策避免危害是今后的研究课题。 为今后利用与普及风力发电，需要克服的问题如下： -为稳定电源的互补系统 -为缓和风的强弱所带来的影响(频率,电力),需要进行蓄电池系统的开发利用 -与陆地风况相比，海上风力发电系统的开发,风能,风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。 四大优点： 蕴量巨大； 可以再

24、生； 分布广泛； 没有污染。 三大弱点： 1、密度低。 2、不稳定。 3、地区差异大 。,新能源的特点（生物质能）,主要是发电和乙醇使用,目前成本较高 -木质生物质能发电 (是天然气发电的9倍) -生物乙醇价格 (是汽油的2倍) 农业生物质能有望在农业资源丰富的热带和亚热带普及。 通过将废弃物作为能源利用，有助于废弃物对策。 (将畜牧业废弃物发酵生成乙醇，用燃气发动机发电，利用间伐材与煤炭混合发电等) 经济性方面，提高收集运输的效率是关键 技术方面的主要问题有以下几点 -纤维素系生物质能提取乙醇，为降低制造成本，需要简化糖化工艺以及浓缩能源削减技术等的技术开发 -为将废弃食用油作为资源化利用，

25、需要从油脂原料制造生物柴油燃料的化学处理相关技术开发,海洋能,海洋能是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等，更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。海洋能的强度较常规能源低。,地热能,地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。 地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热能是指其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PWh。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。,

26、光伏发电生物质能在内的分散型系统以日本为例,旨在运用先进的并网技术，将多个新能源技术进行组合，从而确立分散型能源供给系统技术。已在爱知万博会上进行了实证实验，能够稳定地向日本政府展馆等供应所需的全部电力（供电量约为全会场的5）。,NEDO展馆,高温燃气化系统 （处理能力20kg/h）,太阳能发电 系统 （合计330kW）,甲烷发酵系统 （处理能力4.8t/日）,NaS电池 （500kW：输入输出容量）,燃料电池（MCFC） （270kW1座,300kW1座）,燃料电池（SOFC） （25kW1座）,燃料电池（PAFC） （200kW4座）,合计供给能力 2,225kW,监视控制室 （能量控制系

27、统）,出处：NEDO资料,8.5 能源开发带来的问题,能源污染与浪费 核能发电的污染 火力发电的污染 化石能源的开发与利用问题 石油污染,煤炭和石油能源开发利用带来的生态问题 煤炭燃烧时有浓烟、烟尘和有毒气体，尤其是二氧化硫，造成严重污染；开采煤炭，尤其是露天开采，严重破坏土地，被破坏的生态系统恢复耗费大，需时长；燃烧废热形成热污染。 相比煤炭而言，石油和天然气的开采，只引起轻微的土地破坏，燃烧时仅有轻度和中度的空气污染，污染程度取决于硫的含量。然而油轮和油井易造成事故性溢油，造成海洋污染。例如中东战争中科威特油井大规模燃烧就造成了严重的环境污染。此外，地球油气储存量十分有限。,你相信吗？地球

28、人类每秒钟释放的二氧化碳超过700吨！ 全球排放的二氧化碳中95以上来自于化石能源的燃烧。煤、石油、天然气等化石燃料是当前人类使用的主要能源，因此节能、改变能源结构、开发新能源就成了人们的重要选择。 对于能源浪费严重、能源效率较低的国家，节能更为重要。我国由于实施了有利的节能政策，1999年，每一元钱产值消耗的能源比1981年下降了60，年均节能率接近5，能源效率从25上升到34。18年间全国节约的煤，相当于减排二氧化碳约5.5亿吨。但这个措施的潜力是有限的，在下一个18年里，我国节能就很难收到这样大的成果了。,不同的化石能源的二氧化碳排放系数不同，煤、石油、天然气的排放系数比为10.80.6

29、。因此，如多用石油、天然气而少用煤炭就可以达到减排的目的。 但是石油、天然气丰富的国家容易做到这一点，煤炭资源丰富的国家多用石油、天然气往往意味着经济上的损失。这个损失获得了环境上的收益，但收益是全世界的，损失却由一个国家来承担。这既不公平，对某些国家来讲也难以承受。并且，化石能源之间的替代只是延缓了二氧化碳的排放，不能从根本上减少二氧化碳的排放。因此替代是解决问题的根本办法。,水电、核电等非化石能源业是当前使用较广的能源，使用过程中几乎不排放温室气体，用它们替代化石能源可以明显减少温室气体排放。但这种替代又受到一些限制，如水电，资源有限，难以满足人类的需求，它还可能引起生态问题、移民问题、文

30、物保护问题等等。 尽管核能几乎是取之不尽、用之不完的，但核能的开发同样受到很多限制，包括资金、技术、安全以及开发成本等等。多数发展中国家在资金上往往难以承受。在当前的技术水平下，人们还无法保证核电站的绝对安全，因此它就像悬在人类头上的一把剑，一旦“出事”，灾难也不会小于气候变化。,核能发电的污染,美国输油管道破裂致原油泄漏污染20多公里河道,火力发电造成的空气污染,温室效应( CO2 ) 至2050年时，地球平均温度将上升2oC ，此结果 会使得全球气候变迁，干旱、暴雨，甚至南北极 冰山融化，造成许多土地将被淹没。,酸雨正常的雨水pH值约5. 6，但由石化及炼油厂排放的硫氧化物、氮气化物及氯化氢等物质，大量扩散至大气层与水蒸气结合，使雨水pH值低于5. 6，而形成所谓的酸雨。 二氧化氮具有刺激性，