第一章能源概論第一章能源概論11.能源、社會(huì)與環(huán)境能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類從事任何生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。能源的開發(fā)利用程度標(biāo)志著人類社會(huì)進(jìn)化和發(fā)展的程度。能源對于現(xiàn)代社會(huì)的重要性如同糧食對于人類的重要性。

----沒有糧食，人類將不能生存；

----沒有能源，現(xiàn)代社會(huì)將陷入癱瘓，人類只能回到遠(yuǎn)古的刀耕火種時(shí)代。1.能源、社會(huì)與環(huán)境能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類從事任2能源的消費(fèi)水平，是衡量國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志。近200年來，人類的能源消耗增長速度大大超過了人口增長速度。在20世紀(jì)的一百年中，世界人口從16億增長到60億，約增長3倍；而同一時(shí)期，世界一次能源的年消耗量從20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長到200億噸，增長了10倍。

能源的消費(fèi)水平，是衡量國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志。3人類正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)2002年世界人口62億，消耗的能源為451EJ（1EJ=1018J），其中化石能源占總能量的3/4。據(jù)預(yù)測，以目前的消耗速度，地球上的煤儲(chǔ)藏，大約還能維持200年，石油最多只有40年！天然氣約60年！而且全世界的石油產(chǎn)量，很可能在2010年左右即達(dá)到峰值。因此，人類正面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)！

人類正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)2002年世界人口62億，消耗的能41.1人類利用能源的歷史人類進(jìn)化發(fā)展的歷史，也是一部不斷地向自然界索取能源的歷史。伴隨著能源的開發(fā)利用，人類社會(huì)逐漸地從遠(yuǎn)古的刀耕火種走向現(xiàn)代文明。1.1人類利用能源的歷史5人類使用能源的四個(gè)歷史時(shí)期

1.柴草時(shí)期——從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到18世紀(jì)中葉

大約50萬年前，人類學(xué)會(huì)了使用工具和火。此時(shí)的燃料主要是樹枝、雜草等，人類完成了從猿到人的進(jìn)化，能源利用進(jìn)入了柴草時(shí)期。人類以柴草燒飯、取暖和照明，以人力、畜力和極少量水車、風(fēng)車為動(dòng)力，從事手工生產(chǎn)和交通運(yùn)輸。這一時(shí)期生產(chǎn)力低下，人類受制于大自然。人類使用能源的四個(gè)歷史時(shí)期1.柴草時(shí)期——從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到62.煤炭時(shí)期——從18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，以蒸汽機(jī)

的發(fā)明為代表17世紀(jì)開始，英國人開始大規(guī)模地開采和利用煤。煤氣燈的使用，結(jié)束了人類的漫漫長夜。18世紀(jì)中葉，蒸汽機(jī)的發(fā)明，使煤炭一躍成為第二代主體能源。以煤炭作燃料的蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，使紡織、冶金、采礦、機(jī)械加工等產(chǎn)業(yè)獲得迅速發(fā)展。同時(shí)，蒸汽機(jī)車、輪船的出現(xiàn)，使交通運(yùn)輸業(yè)得到巨大進(jìn)步。以煤炭作為主要的動(dòng)力能源，人類開始對大自然進(jìn)行大規(guī)模的改造。

2.煤炭時(shí)期——從18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，以蒸汽機(jī)

73.石油時(shí)期——從20世紀(jì)初至今，以內(nèi)燃機(jī)和電力為代表

中國人很早就發(fā)現(xiàn)石油是一種可燃液體，宋朝的沈括對石油作了詳細(xì)的記載。1854年，美國賓夕法尼亞州打出世界上第一口油井，現(xiàn)代石油工業(yè)由此發(fā)端。1886年，德國人本茨和戴姆勒研制成以汽油為燃料、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的世界第一輛汽車，開始了利用石油的汽車時(shí)代。19世紀(jì)初法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，19世紀(jì)末愛迪生發(fā)明電燈，作為一次能源的石油和煤炭被轉(zhuǎn)換成更加便于輸送和利用的二次能源—電能。20世紀(jì)60年代，全球石油的消費(fèi)量超過煤炭，成為第三代主體能源。以石油和電能為基礎(chǔ)，汽車、輪船、飛機(jī)、電力機(jī)車、發(fā)電站、以及電話、電視、電子計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備的發(fā)明和使用，將人類快速推進(jìn)到現(xiàn)代文明時(shí)代。

3.石油時(shí)期——從20世紀(jì)初至今，以內(nèi)燃機(jī)和電力為代表中84.可再生能源時(shí)期——從21世紀(jì)中葉開始，多種能源的聯(lián)合利用

進(jìn)入21世紀(jì)，人類將逐漸步入可再生能源時(shí)代傳統(tǒng)的化石能源面臨枯竭，且具有環(huán)境污染，石油、煤、天然氣等化石能源將逐漸推出歷史舞臺(tái)水力能以及太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等可再生能源逐漸走上歷史舞臺(tái)，發(fā)揮主導(dǎo)作用。按照目前的發(fā)展趨勢預(yù)測，到21世紀(jì)中葉，能源利用很可能是包括水力能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源以及核能（核裂變和核聚變）的多種能源聯(lián)合利用的體系。4.可再生能源時(shí)期——從21世紀(jì)中葉開始，多種能源的聯(lián)合利91.3能源的定義和分類什么是能源？廣義地講，能源即能夠向人類提供能量的自然資源。如煤和石油等化石能源提供熱能，水力和風(fēng) 力提供機(jī)械能，地?zé)崽峁崮埽柼峁╇姶泡椛淠埽赊D(zhuǎn)化為熱能或電能）。許多自然過程都產(chǎn)生一定的能量，甚至普通的垃圾也可以產(chǎn)生能量，但轉(zhuǎn)化的數(shù)量和轉(zhuǎn)化的難易程度則差異極大。

*因此能源又可定義為較集中而又較容易轉(zhuǎn)化的含能物質(zhì)或含能資源。

1.3能源的定義和分類什么是能源？廣義地講，能源即能夠向人10第一類能源(直接或間接來自太陽輻射) 太陽能、風(fēng)能、水力能、海浪能、海流能、海水溫差能、生物質(zhì)能、煤、石油、天然氣、油頁巖、可燃冰第二類能源(地球內(nèi)部帶來的能量) 地?zé)崮?、火山、地震、海嘯、核燃料（鈾、釷、钚、氘等）第三類能源(地球—天體相互作用能) 潮汐能

按照來源的不同，能源可分為:來自太陽的輻射

能、地球內(nèi)部固有的能、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能共三大類。第一類能源(直接或間接來自太陽輻射) 按照來源的不同，能源可11(2)按照不同的資源形態(tài)，能源可分為:含能體能源：能量存在于物質(zhì)中，易于儲(chǔ)存。包括化石燃料（煤、石油、天然氣）、草木秸稈、核燃料、地?zé)崴蚱?、氫能等。過程性能源：能量存在于運(yùn)動(dòng)過程中，無法直接儲(chǔ)存。包括太陽輻射、風(fēng)、河流、海流、潮汐、波浪、地震、閃電等。(2)按照不同的資源形態(tài)，能源可分為:含能體能源：能量存在12(3)按照開發(fā)和使用程度，能源可分為:常規(guī)能源：使用較普遍、技術(shù)較成熟的能源。如煤、石油、水力等。新能源：正在研發(fā)利用、但尚未普遍使用的能源。如太陽能、風(fēng)能、海洋能等。

*核能曾屬于新能源，但隨著其廣泛的開發(fā)程度，已歸納為常規(guī)能源。(3)按照開發(fā)和使用程度，能源可分為:常規(guī)能源：使用較普遍13（4）按照能否反復(fù)使用，能源可分為:不可再生能源，即只能一次性使用，用完后不可再生的能源。包括所有化石能和核能。據(jù)估計(jì)，地球上的石油最多還可使用40年，天然氣還可使用60年，煤還可使用20年。可再生能源，即可以反復(fù)使用，不斷再生，不會(huì)耗盡的能源。它包括太陽直接輻射能（以后即稱太陽能）、水力能、風(fēng)能、海浪能、地?zé)崮艿?。?）按照能否反復(fù)使用，能源可分為:14(5)按照是否經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換，能源又分為：一次能源，指自然界中以天然形態(tài)存在，未經(jīng)任何形式轉(zhuǎn)換的能源。如原油、原煤、天然氣、薪柴、水流、核燃料，以及太陽輻射、地?zé)?、潮汐等。二次能源，指由一次能源?jīng)過加工或轉(zhuǎn)換得到的能源。如煤氣、焦炭、汽油、煤油、熱水、電能、氫能等。電能是最重要、也是最方便的二次能源。(5)按照是否經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換，能源又分為：一次能源，指自然15（6）按照國際能源組織（IEA）的推薦，新能源和可

再生能源又可分為三類：第一類:大中型水電；第二類:傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用；第三類:新的可再生能源。前兩類為舊的可再生能源，因?yàn)樗鼈兊拈_發(fā)相對較成熟，而且都對環(huán)境有較大的不利影響。 第三類即為新的可再生能源，包括太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、海洋能和小水電等?/p>

*新的可再生能源除了不會(huì)耗盡外，也較少污染排放，對環(huán)境最友好。（6）按照國際能源組織（IEA）的推薦，新能源和可

16表1-2.一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類表一次能源可再生能源直接太陽輻射、生物質(zhì)、風(fēng)、流水、海浪、潮汐、海流、海水溫差、地?zé)崴?、地?zé)嵴羝釒r層不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然氣、油頁巖、可燃冰）、核燃料（鈾、釷、钚、氘等）二次能源電能、氫能、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、焦炭、硝化棉、硝化甘油等表1-2.一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類17圖1-3.能量的各種形式和轉(zhuǎn)換圖1-3.能量的各種形式和轉(zhuǎn)換181.4能源的品質(zhì)評價(jià)(1)能流密度：即在單位體積或單位面積內(nèi)從能源獲得的功率。太陽能和風(fēng)能的能流密度較小，只有幾百瓦/平米；常規(guī)能源和核能的能流密度大。能流密度小，是可再生能源的共性。因此太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用需占用較大的接收面積。(2)能源開發(fā)投資：化石能源與核燃料，從勘測、開采，到加工、運(yùn)輸，需投入大量人力物力，本身即耗能。太陽能、風(fēng)能等可再生能源，由大自然提供，不需能源費(fèi)用，主要花費(fèi)是一次性投資。

*可再生能源設(shè)備的一次性投資仍較貴。按目前的技術(shù)水平，太陽能、海洋能等發(fā)電設(shè)備的價(jià)格為每kW上萬元到幾十萬元，風(fēng)能則已經(jīng)降到每kW1萬元以下；燃燒天然氣和石油的裝置以及水電設(shè)備，價(jià)格為每kW幾千元。1.4能源的品質(zhì)評價(jià)(1)能流密度：即在單位體積或單位面積19(3)能源供應(yīng)的連續(xù)性和存儲(chǔ)的可能性。各種化石燃料和核燃料則比較容易實(shí)現(xiàn)這兩方面的要求?？稍偕茉慈缣柲?、風(fēng)能則難以貯存，也難以連續(xù)供應(yīng)。(4)運(yùn)輸費(fèi)用和損耗。太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿入y以運(yùn)輸；石油和天然氣可以用管道從產(chǎn)地輸送到用戶；由于煤是固體，運(yùn)輸則困難得多；水力發(fā)電站若遠(yuǎn)離用戶，遠(yuǎn)距離輸電損失也很大。(5)對環(huán)境的影響。環(huán)境污染已成為影響全球的重大問題。幾種主要能源對環(huán)境的影響：核電站：放射線污染、核廢料。燃煤電站：溫室效應(yīng)、酸雨、污染物排放。水電站：淹沒土地、影響水生動(dòng)物生存、引發(fā)地震、土地鹽堿化、妨礙灌溉與航運(yùn)。太陽能、風(fēng)能、潮汐能、海浪能：對環(huán)境無直接污染，但可能占用大量陸地或海面。風(fēng)能對鳥類、海洋能對魚類及航運(yùn)都有部分影響。廢棄的太陽電池如不及時(shí)回收，也會(huì)造成污染。第1章-能源概論-課件20（6）存儲(chǔ)量。我國煤炭資源和水力資源盡管豐富，但煤炭集中在北方，水力集中在西部，存在運(yùn)輸問題。我國煤炭儲(chǔ)量居世界第三，產(chǎn)量世界第一（約15億噸）。水力資源居世界第一位，但開發(fā)率不足5％（水力發(fā)電約占20％總發(fā)電量，火力發(fā)電75％），而美國、加拿大、日本等國水力發(fā)電開發(fā)率為40％以上。（7）能源品位。較難轉(zhuǎn)化為電能的為低品位能源，即較易轉(zhuǎn)化為電能的為高品位能源。

*能源的品位高低是相對而言的，例如水力能可直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能；而化石燃料須先通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而到電能。因此水力能更容易轉(zhuǎn)化。

（6）存儲(chǔ)量。我國煤炭資源和水力資源盡管豐富，但煤炭集中在北211.5我國的能源問題1.5我國的能源問題22（1）人均能源不足。我國人均能源占有量不到世界平均水平的一半，人均煤炭儲(chǔ)量只相當(dāng)于世界平均值的1/2，人均石油可采儲(chǔ)量為世界平均值的1/10。人均用電量不足世界人均水平的一半。能源消耗總量僅低于美國，排世界第二位。（2）能源分布不均。煤炭、石油和天然氣主要集中在東北、華北和西北，水電集中在西南，然而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口集中的東南沿海能源卻嚴(yán)重缺乏。因此，“北煤南運(yùn)”、“西電東送”的不合理格局將長期存在。（1）人均能源不足。我國人均能源占有量不到世界平均水平的23（3）能源構(gòu)成不合理。一次能源構(gòu)成中，煤炭占70%以上，而國際上煤炭平均僅占23%。大量燃煤造成嚴(yán)重的空氣污染。中國目前溫室氣體排放量占全世界總排放量的10％以上，是僅次于美國的第二大溫室氣體排放國。（4）能源效率低。人均能耗水平仍很低，不到1噸標(biāo)準(zhǔn)煤，為世界平均值的1/2，而單位產(chǎn)值能耗確是世界上最高的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每生產(chǎn)一美元GDP，消耗能源是美國的4倍、德國和法國的7倍、日本的11倍。（3）能源構(gòu)成不合理。一次能源構(gòu)成中，煤炭占70%以上，而24表1-42004年中國主要能源與世界的對比（中國能源網(wǎng)）煤炭石油天然氣世界總可采儲(chǔ)量9842億t1434億t146.4萬億m3中國可采儲(chǔ)量1145億t38億t1.37萬億m3中國所占比例（%）11.6%2.6%0.9%世界儲(chǔ)采比2184163中國儲(chǔ)采比922458中國產(chǎn)量名次1519表1-42004年中國主要能源與世界的對比（中國能源網(wǎng)）25表1-52004年我國能源剩余儲(chǔ)量和探明可開采年限（中國能源網(wǎng)）資源種類煤炭（億噸）石油（億噸）天然氣（億立方米）水力（GW裝機(jī)）探明可開采量1,14532,73611,704353可開采年限54~8115~2028~5838~104可開采到2050~2077年2011~2016年2024~2054年2034~2100年表1-52004年我國能源剩余儲(chǔ)量和探明可開采年限資源種26（5）農(nóng)村能源嚴(yán)重短缺。農(nóng)村生活用能2/3依靠薪材和秸稈。每年砍伐薪柴3000萬噸，森林年生長率3億立方米，而年消耗量4億立方米。我國單位面積糧食作物的能源投入超過以“石油農(nóng)業(yè)”著稱的美國。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高能耗、低效益。（6）能源過度依賴進(jìn)口。從1993年起，我國就成為石油凈進(jìn)口國，已成為僅次于美國的第二大石油進(jìn)口國，我國石油對外依存度為50％以上。2002年中國進(jìn)口石油達(dá)7000多萬噸。（7）我國環(huán)境污染極為嚴(yán)重。生態(tài)平衡脆弱，污染排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境容量和承載能力。土地荒漠化和沙化仍在擴(kuò)大，大氣空氣質(zhì)量繼續(xù)降低，水污染嚴(yán)重。（5）農(nóng)村能源嚴(yán)重短缺。農(nóng)村生活用能2/3依靠薪材和秸稈。271.6能源與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系1.6能源與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系28（1）溫室效應(yīng)：大氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等氣體允許來自太陽的短波輻射通過，卻能夠吸收地球發(fā)出的紅外長波輻射，然后再輻射返還地球。過多的CO2等氣體如同溫室中的玻璃，阻擋地球的正常熱量散失，這就是溫室效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，自1840年工業(yè)革命以來，大氣中CO2的濃度增加了30％，已經(jīng)從280ppmv增加到368ppmv，這可能是過去42萬年中的最高值。目前，CO2含量每年增加3％，每年大約有230億噸CO2被釋放到地球的大氣中，每秒釋放的CO2超過700噸。如果這種趨勢繼續(xù)下去，將在未來50年內(nèi)使全球氣溫將上升1.5－4.5℃，將使極地冰雪融化，海水升溫膨脹，將淹沒全球大多數(shù)沿海地區(qū)，氣候也將發(fā)生重大變化。（1）溫室效應(yīng)：29圖1-5兩千年來大氣中的CO2濃度趨勢

圖1-5兩千年來大氣中的CO2濃度趨勢30（2）大氣污染大氣污染包括硫氧化物(SO2)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)以及粉塵等有害物。原因主要是大量使用化石燃料、大規(guī)模燒毀森林、以及工業(yè)廢氣排放造成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1百萬千瓦的煤電站年排煙塵（粉塵、CO等）100萬噸，二氧化硫6萬噸，強(qiáng)致癌物苯并芘630kg，形成酸雨，不僅破壞森林、莊稼，而且污染水源，動(dòng)物和人。北京大氣中顆粒濃度約是東京的15倍，倫敦的2倍（1990年），肺癌發(fā)病率是全國平均值的3倍。在世界衛(wèi)生組織公布的全世界20大空氣污染最嚴(yán)重的城市中，中國占16個(gè)。

（2）大氣污染31中國———世界第二大石油進(jìn)口國和世界

第二位CO2排放國中國———世界第二大石油進(jìn)口國和世界

第32擁擠的交通和汽車尾氣擁擠的交通和汽車尾氣33（3）水污染全世界都面臨著嚴(yán)峻的水資源短缺問題，在我國尤甚。我國有世界第一的水力資源，卻是貧水大國，人均水資源為世界平均的1/4，美國的1/7，俄國的1/5。隨著人口的進(jìn)一步膨脹，我們的生存空間將更加狹窄，人均耕地為世界平均的1/3，在世界140個(gè)國家中排126位。全國30條主要河流，從東北的松花江、遼河，到中華民族的母親河—黃河、長江，一直到南方的長江、珠江，都已受到嚴(yán)重污染。工業(yè)和生活污水排放，全國只有5％經(jīng)過處理，其它未經(jīng)任何處理即排放到江河湖海中。以“三湖”（滇池、太湖和巢湖）為代表的湖泊富營養(yǎng)化污染相當(dāng)嚴(yán)重，許多地區(qū)的地 下水和飲用水源受到嚴(yán)重污染，對人體健康造成極大危害。（3）水污染34太湖藍(lán)藻太湖藍(lán)藻35工業(yè)和生活污水工業(yè)和生活污水36（4）森林砍伐森林是人類的自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，提供野生動(dòng)物棲息地，涵養(yǎng)水源，防風(fēng)固沙，調(diào)解氣候，保持水土，凈化大氣，吸收大量CO2，放出O2。熱帶雨林被稱作“地球的肺部”，提供全球50％的新鮮氧氣，并抵消溫室效應(yīng)的影響，自1945年以來，世界上一半以上的雨林被毀壞，目前覆蓋率不到地球的10％，大多數(shù)分布在南美的巴西亞馬遜流域，少數(shù)分布在東南亞的印尼等國家。我國是貧林大國，森林砍伐的情況相當(dāng)嚴(yán)重。森林覆蓋率僅有12％，為世界平均的1/2，森林總面積占世界的4％，排在140個(gè)國家中的107位。自1980年以來，我國原有森林面積減少23％，從東北到西南，森林遭到嚴(yán)重破壞，東北大興安嶺森林的大量砍伐，使黑龍江省年降水量由過去的600mm降至380mm，過去罕見的春旱、伏旱現(xiàn)在常有發(fā)生。（4）森林砍伐37第1章-能源概論-課件38（5）臭氧空洞臭氧層位于距地面30公里左右的平流層內(nèi)，對太陽紫外線有極強(qiáng)的吸收作用，能夠吸收99％以上對人類有害的太陽紫外線，是地球上生命的天然屏障。1985年一支英國南極考察隊(duì)發(fā)現(xiàn)南極上空臭氧層出現(xiàn)空洞，該處O3含量僅為正常值的40％～50％，面積相當(dāng)于一個(gè)美國。其后北極上空也發(fā)現(xiàn)了空洞。科學(xué)家認(rèn)為，O3減少1％，射到地面上的紫外輻射增加2％，皮膚癌、白內(nèi)障發(fā)病率都將增加，海洋浮游生物無法進(jìn)行光合作用，一旦食物鏈?zhǔn)茏瑁Ｑ笊飳⒚媾R滅絕。臭氧層破壞的主因是人類排放的氟氯烴（CFCl）、甲烷等，上述物質(zhì)存在于冰箱、空調(diào)、滅火器、噴霧劑和化工生產(chǎn)中。臭氧層要完全恢復(fù)需要100年的時(shí)間。（5）臭氧空洞39（6）固體垃圾污染據(jù)國家環(huán)保部門統(tǒng)計(jì)，全國工業(yè)固體廢棄物總量（不含鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)）為每年7億噸以上，綜合利用率僅為30％左右。累計(jì)積存量已超過66億噸，2/3的城市陷入垃圾包圍之中。全國城市生活垃圾每年一億多噸，并且以每年6％～7％的速度增長，無害化處理率不足20%。大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢渣和城市垃圾堆存于城郊等地，成為嚴(yán)重的二次污染源。據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告，全世界每年死亡的4500萬人中，有3/4是由于環(huán)境惡化所至。中國近20年來經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，但環(huán)境惡化。因此我們每個(gè)人都應(yīng)關(guān)心自己周圍環(huán)境的改善?。?）固體垃圾污染40第1章-能源概論-課件41第1章-能源概論-課件42第1章-能源概論-課件43第1章-能源概論-課件44第1章-能源概論-課件451.7可再生能源的應(yīng)用和前景化石能源的大量開發(fā)和使用，是造成環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主因。如何保護(hù)好我們賴以生存的地球環(huán)境與生態(tài)，已經(jīng)成為一個(gè)全球性的重大課題，而大力開發(fā)和利用可再生能源是人類走出困境的唯一出路。在人類利用能源的歷史長河中，石油、天然氣、煤炭等化石燃料畢竟是短暫的；只有太陽能、風(fēng)能、水力能、生物質(zhì)能、海浪能、潮汐能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉床湃≈槐M、用之不竭。所有的可再生能源，除了潮汐能和地?zé)崮芡?，都來自太陽輻射的巨大能量。太陽還能存在50億年，對于人類，可以認(rèn)為是不會(huì)枯竭的。地球表面每年來自太陽的能量為5.45×1024J，大約為全世界目前能量消耗的2萬倍?？稍偕茉幢举|(zhì)上不會(huì)耗盡，它們的使用過程中產(chǎn)生極低的溫室氣體和其它污染氣體排放，對地球上的生態(tài)系統(tǒng)和人類的健康影響很小，因此，在國際上受到愈來愈多的重視。1.7可再生能源的應(yīng)用和前景化石能源的大量開發(fā)和使用，是造46開發(fā)和利用可再生能源———解決能源與環(huán)境

問題的唯一途徑

新的可再生能源=太陽能+風(fēng)能+海洋能+小水能

+生物質(zhì)能+氫能開發(fā)和利用可再生能源———解決能源與環(huán)境

47第一章能源概論第一章能源概論481.能源、社會(huì)與環(huán)境能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類從事任何生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。能源的開發(fā)利用程度標(biāo)志著人類社會(huì)進(jìn)化和發(fā)展的程度。能源對于現(xiàn)代社會(huì)的重要性如同糧食對于人類的重要性。

----沒有糧食，人類將不能生存；

----沒有能源，現(xiàn)代社會(huì)將陷入癱瘓，人類只能回到遠(yuǎn)古的刀耕火種時(shí)代。1.能源、社會(huì)與環(huán)境能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類從事任49能源的消費(fèi)水平，是衡量國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志。近200年來，人類的能源消耗增長速度大大超過了人口增長速度。在20世紀(jì)的一百年中，世界人口從16億增長到60億，約增長3倍；而同一時(shí)期，世界一次能源的年消耗量從20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長到200億噸，增長了10倍。

能源的消費(fèi)水平，是衡量國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志。50人類正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)2002年世界人口62億，消耗的能源為451EJ（1EJ=1018J），其中化石能源占總能量的3/4。據(jù)預(yù)測，以目前的消耗速度，地球上的煤儲(chǔ)藏，大約還能維持200年，石油最多只有40年！天然氣約60年！而且全世界的石油產(chǎn)量，很可能在2010年左右即達(dá)到峰值。因此，人類正面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)！

人類正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)2002年世界人口62億，消耗的能511.1人類利用能源的歷史人類進(jìn)化發(fā)展的歷史，也是一部不斷地向自然界索取能源的歷史。伴隨著能源的開發(fā)利用，人類社會(huì)逐漸地從遠(yuǎn)古的刀耕火種走向現(xiàn)代文明。1.1人類利用能源的歷史52人類使用能源的四個(gè)歷史時(shí)期

1.柴草時(shí)期——從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到18世紀(jì)中葉

大約50萬年前，人類學(xué)會(huì)了使用工具和火。此時(shí)的燃料主要是樹枝、雜草等，人類完成了從猿到人的進(jìn)化，能源利用進(jìn)入了柴草時(shí)期。人類以柴草燒飯、取暖和照明，以人力、畜力和極少量水車、風(fēng)車為動(dòng)力，從事手工生產(chǎn)和交通運(yùn)輸。這一時(shí)期生產(chǎn)力低下，人類受制于大自然。人類使用能源的四個(gè)歷史時(shí)期1.柴草時(shí)期——從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到532.煤炭時(shí)期——從18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，以蒸汽機(jī)

的發(fā)明為代表17世紀(jì)開始，英國人開始大規(guī)模地開采和利用煤。煤氣燈的使用，結(jié)束了人類的漫漫長夜。18世紀(jì)中葉，蒸汽機(jī)的發(fā)明，使煤炭一躍成為第二代主體能源。以煤炭作燃料的蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，使紡織、冶金、采礦、機(jī)械加工等產(chǎn)業(yè)獲得迅速發(fā)展。同時(shí)，蒸汽機(jī)車、輪船的出現(xiàn)，使交通運(yùn)輸業(yè)得到巨大進(jìn)步。以煤炭作為主要的動(dòng)力能源，人類開始對大自然進(jìn)行大規(guī)模的改造。

2.煤炭時(shí)期——從18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，以蒸汽機(jī)

543.石油時(shí)期——從20世紀(jì)初至今，以內(nèi)燃機(jī)和電力為代表

中國人很早就發(fā)現(xiàn)石油是一種可燃液體，宋朝的沈括對石油作了詳細(xì)的記載。1854年，美國賓夕法尼亞州打出世界上第一口油井，現(xiàn)代石油工業(yè)由此發(fā)端。1886年，德國人本茨和戴姆勒研制成以汽油為燃料、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的世界第一輛汽車，開始了利用石油的汽車時(shí)代。19世紀(jì)初法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，19世紀(jì)末愛迪生發(fā)明電燈，作為一次能源的石油和煤炭被轉(zhuǎn)換成更加便于輸送和利用的二次能源—電能。20世紀(jì)60年代，全球石油的消費(fèi)量超過煤炭，成為第三代主體能源。以石油和電能為基礎(chǔ)，汽車、輪船、飛機(jī)、電力機(jī)車、發(fā)電站、以及電話、電視、電子計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備的發(fā)明和使用，將人類快速推進(jìn)到現(xiàn)代文明時(shí)代。

3.石油時(shí)期——從20世紀(jì)初至今，以內(nèi)燃機(jī)和電力為代表中554.可再生能源時(shí)期——從21世紀(jì)中葉開始，多種能源的聯(lián)合利用

進(jìn)入21世紀(jì)，人類將逐漸步入可再生能源時(shí)代傳統(tǒng)的化石能源面臨枯竭，且具有環(huán)境污染，石油、煤、天然氣等化石能源將逐漸推出歷史舞臺(tái)水力能以及太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等可再生能源逐漸走上歷史舞臺(tái)，發(fā)揮主導(dǎo)作用。按照目前的發(fā)展趨勢預(yù)測，到21世紀(jì)中葉，能源利用很可能是包括水力能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源以及核能（核裂變和核聚變）的多種能源聯(lián)合利用的體系。4.可再生能源時(shí)期——從21世紀(jì)中葉開始，多種能源的聯(lián)合利561.3能源的定義和分類什么是能源？廣義地講，能源即能夠向人類提供能量的自然資源。如煤和石油等化石能源提供熱能，水力和風(fēng) 力提供機(jī)械能，地?zé)崽峁崮?，太陽提供電磁輻射能（可轉(zhuǎn)化為熱能或電能）。許多自然過程都產(chǎn)生一定的能量，甚至普通的垃圾也可以產(chǎn)生能量，但轉(zhuǎn)化的數(shù)量和轉(zhuǎn)化的難易程度則差異極大。

*因此能源又可定義為較集中而又較容易轉(zhuǎn)化的含能物質(zhì)或含能資源。

1.3能源的定義和分類什么是能源？廣義地講，能源即能夠向人57第一類能源(直接或間接來自太陽輻射) 太陽能、風(fēng)能、水力能、海浪能、海流能、海水溫差能、生物質(zhì)能、煤、石油、天然氣、油頁巖、可燃冰第二類能源(地球內(nèi)部帶來的能量) 地?zé)崮堋⒒鹕?、地震、海嘯、核燃料（鈾、釷、钚、氘等）第三類能源(地球—天體相互作用能) 潮汐能

按照來源的不同，能源可分為:來自太陽的輻射

能、地球內(nèi)部固有的能、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能共三大類。第一類能源(直接或間接來自太陽輻射) 按照來源的不同，能源可58(2)按照不同的資源形態(tài)，能源可分為:含能體能源：能量存在于物質(zhì)中，易于儲(chǔ)存。包括化石燃料（煤、石油、天然氣）、草木秸稈、核燃料、地?zé)崴蚱淠艿?。過程性能源：能量存在于運(yùn)動(dòng)過程中，無法直接儲(chǔ)存。包括太陽輻射、風(fēng)、河流、海流、潮汐、波浪、地震、閃電等。(2)按照不同的資源形態(tài)，能源可分為:含能體能源：能量存在59(3)按照開發(fā)和使用程度，能源可分為:常規(guī)能源：使用較普遍、技術(shù)較成熟的能源。如煤、石油、水力等。新能源：正在研發(fā)利用、但尚未普遍使用的能源。如太陽能、風(fēng)能、海洋能等。

*核能曾屬于新能源，但隨著其廣泛的開發(fā)程度，已歸納為常規(guī)能源。(3)按照開發(fā)和使用程度，能源可分為:常規(guī)能源：使用較普遍60（4）按照能否反復(fù)使用，能源可分為:不可再生能源，即只能一次性使用，用完后不可再生的能源。包括所有化石能和核能。據(jù)估計(jì)，地球上的石油最多還可使用40年，天然氣還可使用60年，煤還可使用20年。可再生能源，即可以反復(fù)使用，不斷再生，不會(huì)耗盡的能源。它包括太陽直接輻射能（以后即稱太陽能）、水力能、風(fēng)能、海浪能、地?zé)崮艿?。?）按照能否反復(fù)使用，能源可分為:61(5)按照是否經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換，能源又分為：一次能源，指自然界中以天然形態(tài)存在，未經(jīng)任何形式轉(zhuǎn)換的能源。如原油、原煤、天然氣、薪柴、水流、核燃料，以及太陽輻射、地?zé)?、潮汐等。二次能源，指由一次能源?jīng)過加工或轉(zhuǎn)換得到的能源。如煤氣、焦炭、汽油、煤油、熱水、電能、氫能等。電能是最重要、也是最方便的二次能源。(5)按照是否經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換，能源又分為：一次能源，指自然62（6）按照國際能源組織（IEA）的推薦，新能源和可

再生能源又可分為三類：第一類:大中型水電；第二類:傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用；第三類:新的可再生能源。前兩類為舊的可再生能源，因?yàn)樗鼈兊拈_發(fā)相對較成熟，而且都對環(huán)境有較大的不利影響。 第三類即為新的可再生能源，包括太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、海洋能和小水電等?/p>

*新的可再生能源除了不會(huì)耗盡外，也較少污染排放，對環(huán)境最友好。（6）按照國際能源組織（IEA）的推薦，新能源和可

63表1-2.一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類表一次能源可再生能源直接太陽輻射、生物質(zhì)、風(fēng)、流水、海浪、潮汐、海流、海水溫差、地?zé)崴?、地?zé)嵴羝?、熱巖層不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然氣、油頁巖、可燃冰）、核燃料（鈾、釷、钚、氘等）二次能源電能、氫能、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、焦炭、硝化棉、硝化甘油等表1-2.一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類64圖1-3.能量的各種形式和轉(zhuǎn)換圖1-3.能量的各種形式和轉(zhuǎn)換651.4能源的品質(zhì)評價(jià)(1)能流密度：即在單位體積或單位面積內(nèi)從能源獲得的功率。太陽能和風(fēng)能的能流密度較小，只有幾百瓦/平米；常規(guī)能源和核能的能流密度大。能流密度小，是可再生能源的共性。因此太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用需占用較大的接收面積。(2)能源開發(fā)投資：化石能源與核燃料，從勘測、開采，到加工、運(yùn)輸，需投入大量人力物力，本身即耗能。太陽能、風(fēng)能等可再生能源，由大自然提供，不需能源費(fèi)用，主要花費(fèi)是一次性投資。

*可再生能源設(shè)備的一次性投資仍較貴。按目前的技術(shù)水平，太陽能、海洋能等發(fā)電設(shè)備的價(jià)格為每kW上萬元到幾十萬元，風(fēng)能則已經(jīng)降到每kW1萬元以下；燃燒天然氣和石油的裝置以及水電設(shè)備，價(jià)格為每kW幾千元。1.4能源的品質(zhì)評價(jià)(1)能流密度：即在單位體積或單位面積66(3)能源供應(yīng)的連續(xù)性和存儲(chǔ)的可能性。各種化石燃料和核燃料則比較容易實(shí)現(xiàn)這兩方面的要求。可再生能源如太陽能、風(fēng)能則難以貯存，也難以連續(xù)供應(yīng)。(4)運(yùn)輸費(fèi)用和損耗。太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿入y以運(yùn)輸；石油和天然氣可以用管道從產(chǎn)地輸送到用戶；由于煤是固體，運(yùn)輸則困難得多；水力發(fā)電站若遠(yuǎn)離用戶，遠(yuǎn)距離輸電損失也很大。(5)對環(huán)境的影響。環(huán)境污染已成為影響全球的重大問題。幾種主要能源對環(huán)境的影響：核電站：放射線污染、核廢料。燃煤電站：溫室效應(yīng)、酸雨、污染物排放。水電站：淹沒土地、影響水生動(dòng)物生存、引發(fā)地震、土地鹽堿化、妨礙灌溉與航運(yùn)。太陽能、風(fēng)能、潮汐能、海浪能：對環(huán)境無直接污染，但可能占用大量陸地或海面。風(fēng)能對鳥類、海洋能對魚類及航運(yùn)都有部分影響。廢棄的太陽電池如不及時(shí)回收，也會(huì)造成污染。第1章-能源概論-課件67（6）存儲(chǔ)量。我國煤炭資源和水力資源盡管豐富，但煤炭集中在北方，水力集中在西部，存在運(yùn)輸問題。我國煤炭儲(chǔ)量居世界第三，產(chǎn)量世界第一（約15億噸）。水力資源居世界第一位，但開發(fā)率不足5％（水力發(fā)電約占20％總發(fā)電量，火力發(fā)電75％），而美國、加拿大、日本等國水力發(fā)電開發(fā)率為40％以上。（7）能源品位。較難轉(zhuǎn)化為電能的為低品位能源，即較易轉(zhuǎn)化為電能的為高品位能源。

*能源的品位高低是相對而言的，例如水力能可直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能；而化石燃料須先通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而到電能。因此水力能更容易轉(zhuǎn)化。

（6）存儲(chǔ)量。我國煤炭資源和水力資源盡管豐富，但煤炭集中在北681.5我國的能源問題1.5我國的能源問題69（1）人均能源不足。我國人均能源占有量不到世界平均水平的一半，人均煤炭儲(chǔ)量只相當(dāng)于世界平均值的1/2，人均石油可采儲(chǔ)量為世界平均值的1/10。人均用電量不足世界人均水平的一半。能源消耗總量僅低于美國，排世界第二位。（2）能源分布不均。煤炭、石油和天然氣主要集中在東北、華北和西北，水電集中在西南，然而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口集中的東南沿海能源卻嚴(yán)重缺乏。因此，“北煤南運(yùn)”、“西電東送”的不合理格局將長期存在。（1）人均能源不足。我國人均能源占有量不到世界平均水平的70（3）能源構(gòu)成不合理。一次能源構(gòu)成中，煤炭占70%以上，而國際上煤炭平均僅占23%。大量燃煤造成嚴(yán)重的空氣污染。中國目前溫室氣體排放量占全世界總排放量的10％以上，是僅次于美國的第二大溫室氣體排放國。（4）能源效率低。人均能耗水平仍很低，不到1噸標(biāo)準(zhǔn)煤，為世界平均值的1/2，而單位產(chǎn)值能耗確是世界上最高的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每生產(chǎn)一美元GDP，消耗能源是美國的4倍、德國和法國的7倍、日本的11倍。（3）能源構(gòu)成不合理。一次能源構(gòu)成中，煤炭占70%以上，而71表1-42004年中國主要能源與世界的對比（中國能源網(wǎng)）煤炭石油天然氣世界總可采儲(chǔ)量9842億t1434億t146.4萬億m3中國可采儲(chǔ)量1145億t38億t1.37萬億m3中國所占比例（%）11.6%2.6%0.9%世界儲(chǔ)采比2184163中國儲(chǔ)采比922458中國產(chǎn)量名次1519表1-42004年中國主要能源與世界的對比（中國能源網(wǎng)）72表1-52004年我國能源剩余儲(chǔ)量和探明可開采年限（中國能源網(wǎng)）資源種類煤炭（億噸）石油（億噸）天然氣（億立方米）水力（GW裝機(jī)）探明可開采量1,14532,73611,704353可開采年限54~8115~2028~5838~104可開采到2050~2077年2011~2016年2024~2054年2034~2100年表1-52004年我國能源剩余儲(chǔ)量和探明可開采年限資源種73（5）農(nóng)村能源嚴(yán)重短缺。農(nóng)村生活用能2/3依靠薪材和秸稈。每年砍伐薪柴3000萬噸，森林年生長率3億立方米，而年消耗量4億立方米。我國單位面積糧食作物的能源投入超過以“石油農(nóng)業(yè)”著稱的美國。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高能耗、低效益。（6）能源過度依賴進(jìn)口。從1993年起，我國就成為石油凈進(jìn)口國，已成為僅次于美國的第二大石油進(jìn)口國，我國石油對外依存度為50％以上。2002年中國進(jìn)口石油達(dá)7000多萬噸。（7）我國環(huán)境污染極為嚴(yán)重。生態(tài)平衡脆弱，污染排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境容量和承載能力。土地荒漠化和沙化仍在擴(kuò)大，大氣空氣質(zhì)量繼續(xù)降低，水污染嚴(yán)重。（5）農(nóng)村能源嚴(yán)重短缺。農(nóng)村生活用能2/3依靠薪材和秸稈。741.6能源與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系1.6能源與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系75（1）溫室效應(yīng)：大氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等氣體允許來自太陽的短波輻射通過，卻能夠吸收地球發(fā)出的紅外長波輻射，然后再輻射返還地球。過多的CO2等氣體如同溫室中的玻璃，阻擋地球的正常熱量散失，這就是溫室效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，自1840年工業(yè)革命以來，大氣中CO2的濃度增加了30％，已經(jīng)從280ppmv增加到368ppmv，這可能是過去42萬年中的最高值。目前，CO2含量每年增加3％，每年大約有230億噸CO2被釋放到地球的大氣中，每秒釋放的CO2超過700噸。如果這種趨勢繼續(xù)下去，將在未來50年內(nèi)使全球氣溫將上升1.5－4.5℃，將使極地冰雪融化，海水升溫膨脹，將淹沒全球大多數(shù)沿海地區(qū)，氣候也將發(fā)生重大變化。（1）溫室效應(yīng)：76圖1-5兩千年來大氣中的CO2濃度趨勢

圖1-5兩千年來大氣中的CO2濃度趨勢77（2）大氣污染大氣污染包括硫氧化物(SO2)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)以及粉塵等有害物。原因主要是大量使用化石燃料、大規(guī)模燒毀森林、以及工業(yè)廢氣排放造成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1百萬千瓦的煤電站年排煙塵（粉塵、CO等）100萬噸，二氧化硫6萬噸，強(qiáng)致癌物苯并芘630kg，形成酸雨，不僅破壞森林、莊稼，而且污染水源，動(dòng)物和人。北京大氣中顆粒濃度約是東京的15倍，倫敦的2倍（1990年），肺癌發(fā)病率是全國平均值的3倍。在世界衛(wèi)生組織公布的全世界20大空氣污染最嚴(yán)重的城市中，中國占16個(gè)。

（2）大氣污染78中國———世界第二大石油進(jìn)口國和世界

第二位CO2排放國中國———世界第二大石油進(jìn)口國和世界

第79擁擠的交通和汽車尾氣擁擠的交通和汽車尾氣80（3）水污染全世界都面臨著嚴(yán)峻的水資源短缺問題，在我國尤甚。我國有世界第一的水力資源，卻是貧水大國，人均水資源為世界平均的1/4，美國的1/7，俄國的1/5。隨著人口的進(jìn)一步膨脹，我們的生存空間將更加狹窄，人均耕地為世界平均的1/3，在世界140個(gè)國家中排126位。全國30條主要河流，從東北的松花江、遼河，到中華民族的母親河—黃河、長江，一直到南方的長江、珠江，都已受到嚴(yán)重污染。工業(yè)和生活污水排放，全國只有5％經(jīng)過處理，其它未經(jīng)任何處理即排放到江河湖海中。以“三湖”（滇池、太湖和巢湖）為代表的湖泊富營