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新能源及开发利用技术第一章能源价值及新能源概述一、能源开发利用的意义1、什么是能源？能量：作功的能力。能源：比较集中、而又较易转化的含能物质，或定义为比较集中的含能体，可以直接或经转换，为人类提供光、热、动力等形式的能量的载能体资源。一定的社会发展阶段，人们对物质性质的认识及掌握的能量转换方法不同，能源的定义范畴是不同的。能源的几个时代：第一代能源：柴薪；第二代能源：煤炭；第三代能源石油；第四代能源：天然气。第五能源？天然气水合物？氢能？2、开发利用能源的意义世界的构成：物质、能量和信息。物质：为构成宇宙万物的实物、场等客观事物；是一种客观存在。能量：物理学概念是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度。注意区别广义的能量，如政治能量。信息：以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知识或消息。能源是物质世界发生变化的动力，是人类社会发展的主要推动力。没有能源世界将变成静止状态。二、能源分类1、按来源分：地球外部与内部能源1）地球外部天体，主要来自太阳。太阳直接辐射形成太阳能、风能、水能、生物质能、波浪能等；储存于地球的太阳能，如化石类能源（石油、天然气、煤炭和天然气水合物等）。2）来自于地球内部，如地热能、核燃料。3）与其他球体相互作用形成的能量，如潮汐能。2、按形态分：燃料型和非燃料型燃料型如石油、天然气、煤炭、生物质等；非燃料型：如水能、风能等3、按可否再生分：可再生能源与不可再生能源1）可再生能源：在自然界中可以不断产生，并有规律地得到补充的能源，如太阳能和由太阳能转变而成的水能、风能、生物质能等，都可以循环再生，不会因长期使用而减少。2）不可再生能源：经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，如化石类能源（煤炭、石油、天然气）、核燃料等。不可再生能源随着大规模的开采，储量将越来越少，总有枯竭之时。4、按转换层次分一次能源与二次能源1）一次能源：从自然界取得的未经任何改变或转换的能源,如原油、原煤、天然气、生物质能、水能、核燃料，以及太阳能、地热能、潮汐能等。2）二次能源：一次能源经过加工或转换得到的能源,如煤气、焦碳、汽油、煤油、电力、热水、氢能等。5、按对环境影响程度：清洁能源与非清洁能源1）清洁能源：使用能源过程中不产生CO2、SO2等污染环境的能源，如太阳能、风能、地热能、氢能等。2）非清洁能源：如煤炭、石油、天然气等。6、按开发技术成熟度分为：常规能源与新能源1）常规能源：在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下被人类长期广泛利用的能源，如煤炭、石油、天然气、水力、电力等。2）新能源（替代能源）：一些虽属古老的能源，但只有采用先进的方法才能加以利用，或采用新的科学技术手段才能开发利用的能源；或有些能源近期才被人们所重视而开发利用，而且目前在能源中使用的比例很小，但很有发展前景的能源。如太阳能、地热能、潮汐能、氢能等。常规能源与新能源是相对的。新能源与可再生能源定义：1978年第三十三届联大148号决议：太阳能、地热能、风能、潮汐能、海水温差能、波浪能、木材、木炭、泥炭、生物质转化、畜力、油页岩、焦油砂及水能共14种定义为新能源和可再生能源。1981年联合国新能源与可再生能源会议后，各国共同的认知是：除化石类能源（煤炭、石油、天然气、天然气水合物）和核能外，其他都可称为新能源和可再生能源，主要是：太阳能、风能、地热能、海洋能（包括潮汐与波浪能）、生物质能、氢能和水能。新能源：指一些虽属古老的能源，但需采用先进方法和技术进行开发利用、对环境和生态友好、可持续发展、资源丰富的能源。即：在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。我国定义的新能源：除常规化石类能源和大中型水力发电、核裂变发电之外，太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能、生物质能、小水电、天然气水合物等。核聚变能也作为新能源？注意：新能源，可再生新能源，清洁新能源的区别。能源类别一二三四一次能源可再生能源太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能地热能潮汐能不可再生能源煤炭、石油、天然气、油页岩、天然气水合物核能二次能源焦碳、煤气、电力、蒸汽、沼气、酒精、汽油、柴油、重油、液化气、其它能源分类世界各类能源消费比例新能源特点1)资源丰富，一般具备有可再生特性，可供人类永续利用。2)能量密度低，开发利用需要较大空间；3)不含碳或含碳量很少，对环境影响小；4)分布广，有利于小规模分散利用；5)间断式供应，波动性大，对连续供能不利；6)目前除水电外，可再生新能源的开发利用成本较化石能源高。1、能源计量：用某种常规能源的当量发热量表示。1kg标准煤=29.3MJ=7000kcal（千卡）1kg标准油=41.8MJ=10000kcal（千卡）=1.429kg标准煤1Nm3天然气=39.0MJ=9310kcal(千卡）=1.33kg标准煤1桶原油=158.98升（美制），1吨原油=7.3～7.4桶三、几个基本概念：2、能源弹性系数：能源消费量的增长率与经济总量增长率之比。能源与许多经济现象存在着相互依存和制约的数量关系。能源弹性系数反映出能源的发展与社会经济的发展相互适应的关系以及发展趋势和规律。实际上反映了一个国家的经济增长方式。四、世界能源生产与消费现状（BP-2011）2010年世界一次能源消费总量为120.024亿吨油当量（下同），与上年相比增长5.6%。其中：石油：生产39.14亿吨，增长2.2%；消费40.28亿吨，增长3.1%；占总消费量的32.62%。天然气：生产28.81亿吨，增长7.3%；消费28.58亿吨，增长7.4%；占总消费量的24.01%。煤炭：生产37.31亿吨，增长6.3%；消费35.56亿吨，增长7.6%；占总消费量的31.09%。核电：消费6.26亿吨，增长2.6%；占总消费量的5.21%。水电：消费7.76亿吨，增长5.3%；占总消费量的6.47%。再生能源：消费1.59亿吨，增15.5%；占消费总量1.32%。国家石油天然气煤炭核能消费水电消费可再生能源占世界消费比美国//占本国能源消费比例3.39/8.55.57/6.215.52/5.251.920.5880.39122.85737.19%27.17%22.99%19%德国//占本国能源消费比例0//1.150.09/0.730.44/0.760.0430.1863.19535.99%22.85%23.79%5.82%2.7%英国//占本国能源消费比例0.63/0.740.51/0.840.11/0.310.0082.09135.39%40.17%14.83%1.7%俄罗斯//占本国能源消费比例5.05/1.485.30/3.731.48/0.930.3850.3816.90921.42%53.99%13.46%5.8%日本//占本国能源消费比例0//2.0160//0.850//1.240.6620.1930.0515.00940.25%16.97%24.76%4.2%印度//占本国能源消费比例0.39/1.560.46/0.552.16/2.780.2525.24229.76%10.49%53.03%4.4中国//占本国能源消费比例2.03/4.290.87/0.9818.0/17.20.1671.6310.12124.32217.64%4.03%70.72%0.687%6.71%0.5%20.3%世界消费40.2828.5835.566.2627.7561.586120.024比例33.56%23.82%29.63%5.22%6.46%1.32%单位：亿吨油当量。生产//消费/占本国总能源消费比例世界能源流向2010年人均消费能源（吨当量油）1861-2010年世界石油原油价格中国与部分国家单位GDP能耗比较项目世界中国美国德国日本俄罗斯印度说明人口/亿69.0913.413.100.8481.2741.40412.1619.41%GDP/万亿美圆62.915.8814.533.295.461.481.639.35%人均GDP/美圆8985428347132405124232510521117647.69%耗能/亿吨标油120.024.3222.8573.1955.0096.9095.24220.27%人均消费/吨油1.7371.8147.3733.7683.9324.9210.4311.044%1万美圆GDP消耗标油/吨1.9084.1361.5730.9710.9174.6683.2162.168倍人均用电/kw-h275223281361671858475633854384.59%注：1）世界人均GDP第一为卢森堡104390美元，最低为布隆迪177美元。2）人均用电量第一位冰岛36920kw-h，最低为海地31kw-h。3）中国的人均GDP是美国的1/11；人均能源消耗是美国的1/4；人均用电量是美国的1/6；万元GDP能耗是美国的2.6倍，日本的4.5倍。五、能源发展的战略问题能源是人类文明和社会经济发展的重要物质基础，是国家可持续发展、国家安全和环境质量的根本保障，是每个国家都必须高度重视的战略资源。能源的短缺，无论是数量上还是结构性的，都直接和显著地影响国家经济与社会发展。能源的消耗直接或间接反映出一个国家的发达程度和人民的生活水平。1、中国能源生产与消费面临的主要问题1）工业结构不合理，高耗能产业比例大，初级产品多（包括外商来料加工的外资型企业）。2）能源生产结构不合理，煤炭比例大；电力生产以煤电为主（80%以上）；能源分布与消费布局不合理。3）石油消费自给比例低（小于50%），进口依赖大，石油运输安全存在不确定性，石油储备低。2010年为1个月）。4）化石类能源消费比例高，尤其是相对清洁的能源消费比例低，二氧化碳等大气污染严重，环境保护压力大。5）能源利用效率低，浪费严重。2、产业结构不合理的表现：1）初级产品多：2010年：钢铁产量6亿吨，出口粗钢2000万吨；铝产量1500万吨，出口近200万吨；水泥产量近19亿吨，世界第一出口大国；玻璃6.3亿重箱（50kg/重箱）。2）初级产品出口比例大，如焦炭、钢材、铝材。3）外资来料加工或使用当地资源生产加工比例大，如服装。3、化石类能源对环境的影响：2005年2月生效的《京都议定书》以法规形式限制二氧化碳等6种温室气体排放。温室气体（GreenhouseGas,GHG）或温室效应气体是指大气中促成温室效应的气体成分。部份温室气体自然存在于大气中，另外一些是人为造成，例如燃烧化石燃料-煤产生的CO2等。温室气体包括水汽（H2O），水汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的60-70%，其次是二氧化碳（CO2）大约占26%，其他还有臭氧（O3）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（又称笑气，N2O）、含氯氟碳化合物等。2009年世界二氧化碳排放量313亿吨。世界化石燃料高消费导致每年排放巨量二氧化碳气体，严重超出了大自然的平衡能力，大气层中二氧化碳浓度增加，全球气候变暖在继续。不同燃料发电的二氧化碳排放量：燃料碳强度系数天然气0.19千克CO2/千瓦/小时液化石油气0.21千克CO2/千瓦/小时民用燃料油0.27千克CO2/千瓦/小时煤0.32千克CO2/千瓦/小时汽油2.30千克CO2/升柴油2.63千克CO2/升日常生活中二氧化碳排放量计算：节约1度电=减排0.977kg(CO2)=减排0.272kg碳节约1kg煤=减排2.493kg(CO2)=减排0.684kg碳家用电气：减排CO2（kg)=用电量（kw-h）×0.785汽车：减排CO2=油耗（升）×2.7家用燃气：减排CO2=1标立方米×0.19自来水：减排CO2=吨数×0.91消耗1吨石油，排放二氧化碳2.64-2.77吨。消耗1吨油当量的煤，排放二氧化碳平均为3.7吨；燃烧1吨油当量的天然气，产生的二氧化碳气体排放量约为2.2吨。世界PM2.5污染分布4、我国能源生产情况、供应与战略储备中国天然气资源分布区中国石油进口来源分布中哈石油管道全长962.2公里，2004年9月动工建设，投资7亿元，设计运输