能源开发和利用ppt.ppt

《能源开发和利用ppt.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《能源开发和利用ppt.ppt（83页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、能源开发和利用,医药化工学院：梁华定,本章内容,一、能源的地位与作用 二、能源的分类 三、世界和中国能源的现状与发展趋势 四、解决能源危机的有效途径,第一节、能源的地位与作用,1、能源在人类社会的发展中占据重要地位，它是人类社会发展的基本条件，是发展农业、工业、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源开发利用的广度和深度是衡量一个国家的科技和生产水平的主要标志之一。能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。 2、能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。 能源发展经历三个时期： A、柴草时期：火的发现18世纪产业革命，用于烧制陶瓷和冶炼

2、金属； B、煤炭时期：13世纪开采，18世纪中大规模开采，1769年瓦特发明蒸汽机，产生第一次产业革命； C、石油时期：60年代超过煤。,三次重大突破,A、发明蒸汽机，产生第一次产业革命； B、电力发明使人们的生产活动进入电气时期； C、原子能发明进入时期。,第二节、能源的分类,按来源分： A、来自地球以外的太阳能，如太阳辐射能、煤、石油、天然气、水能、风能、雷电等； B、来自地球本身，如地热能、原子核能； C、来自地球与月球、太阳等天体相互作用产生的能量如潮汐能。 按构成分： A、一次能源，包括常规能源（可再生能源如水能，非再生能源如煤炭、石油、天然气），新能源（可再生能源如太阳能、风能、生

3、物质能，非再生能源如核聚变能,油页岩、油沙）； B、二次能源如煤制品、石油制品、电力、氢能、蒸气等。,第三节、世界和中国能源的现状与发展趋势,1、世界能源的结构与消耗 （1）近一百年世界能源消耗增长了20倍 年份： 1950 1960 1970 1980 1990 世纪末 万吨 标准煤 239194 292420 643956 852391 1147610 20Gt 中国 6968（1955） 30189 29291 60275 98703 能源消耗最多的是美国：人口占4.9，能耗占24.4；印度人口占15.4，能耗占2.3；我国1996年人均能耗1.14吨，排名86（世界人均2.4、北美10

4、、欧洲苏联5） (2)能源结构 19801986年 石油 煤炭 天然气 核能 总计 世界能源消耗增长率 9 24 19 335 2720世纪60年代以前煤是世界最重要能源，后来，石油上升较快，发达国家以石油为主。美国、日本56.3；我国、印度仍以煤为主，我国75.8,印度67.8.,能源形势能源危机,1、化石燃料，有限能源（枯竭）,能源危机迫在眉睫 世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。 然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。,石油储量11801510亿吨，以1995年世界石油的年开采

5、量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050左右年宣告枯竭。 天然气储备估计在131800152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在5765年内枯竭。 煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。 铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。 核聚变到2050年还没有实现的希望。,1995版世界能源大会能源资源调查： 能源 储量 1993年能源产量 储采比 煤 1031.6Gt 4.474Gt 230 石油 140.7Gt 3.197Gt 44（我国23年） 天然气 14.1Tm3 0.2485 T

6、m3 57 核能 2.23Mt 铀 32171t（装机358GW，年发电量2.171012KWh) 水能：理论蕴藏量3.5 1013KWh/a,技术可开发资源1.46 1013KWh/a,经济可开发资源0.9 1013KWh/a,装机7.2 108KW,发电量2.38 1012KWh/a,特别是石油 1953年 1963年 1973年 1993年 年产量 6.49 亿吨 13.8亿吨 28.2亿吨 31.97亿吨,禁运后，石油在两个月内涨价4倍，至1979年涨了近10倍。，至1982年上涨了675。1973年美国缺少1.16亿吨标准煤能源生产损失930亿美元；日本缺少0.6亿吨，损失485亿美

7、元，致使1974年日本国民生产总值下降。（在这之前日本每年递增10）,石油由西方石油公司（“石油七姐妹”）垄断，西方利用廉价石油，改造产业结构，经济繁荣。1973年阿拉伯国家成立“石油输出国组织欧佩克（OPEC）”（中东储量占65，出口占80）向西方强国禁运石油,10月战争？,储量前十名的国家：沙特、伊拉克、科威特、阿联酋、伊朗、委内瑞拉、前苏联、墨西哥、美国、中国。,2、能源对环境污染,（1）化石燃料，产生大量CO2，导致温室效应； （2）化石燃料，产生大量NOX、SO2，导致酸雨； （3）化石燃料及生物质燃料，产生NXO ，导致氧空洞；,SOx、NOx、CO2、CO、THC、PM、水污染、

8、土质。 由于以煤为主，形成了以煤烟型污染为主的严重环境问题。例如：1995年，全国烟尘排放量约1744万吨，其中70来自煤的燃烧；全国SO2排放量约2370万吨，其中85来自煤的燃烧；全国CO2排放量约30亿吨，占全球的14，只比美国的22低，而各列为第二（人均排放量还很低）。而燃煤在我国1/3以上是用于火力发电。由低水平的燃煤所造成的酸雨、光化学雾及温室效应等环境问题日益突出。而在大城市中，机动车排放所造成的环境污染，也日益严重。,（4）热污染，一座1000MW火电厂，排热4.6 1012J/a； （5）放射性污染； （6）影响人体健康。,3、石油、煤是主要化工原料 20世纪是石油化工大发展

9、的一百年，世界年产乙烯5000万吨，100套30万吨年乙烯装置。,2、我国能源的现状,1996年 煤 石油 天然气 水能 能耗 总量 1145亿吨 33亿吨 1.7万米3 2.9亿KW 12.6亿吨居世界位次 3 11 19 1 2 (能耗：美国 28.98亿吨、俄国9.494亿吨 日本0.6838亿吨）,（1）我国能源资源,中国一次能源储量和产量,统计数据显示，中国目前已经成为全球煤炭第一大消费国，基本能源消费占到世界总消费量的十分之一，同时，中国也是继美国之后的世界第二大石油和电力消费大国。 按照专家的估算：,1999年我国石油开采量约1.6亿吨，但是消耗量已上升到1.9亿吨，到2010年

10、预计消耗量将达到3亿吨。,1993年后我国已成为石油净进口国。2000年原油进口已超过7000万吨。天然气近年生产量已有较大幅度增加，新的气田也有所发现，也在计划从俄国（独联体国家）进口一些天然气，西气东输也在实施，但花一千多亿的投资，东输200多亿米3/年天然气。,A、人均能源拥有量低（1996年人均能耗，排名86位）； B、能源生产和消费结构依然以煤为主（75.8年耗13亿吨）煤1/3以上是用来发电的，直接燃烧利用热能为主,(2)我国能源工业面临的问题,中国的能源消费和构成,C、能源资源分布不均匀。（北煤南运，西电东送，南水北调。煤炭集中华北地区，水能集中西南地区）能源产地和主要利用能源的

11、经济发达地区分布不平衡. 地区 华北 东北 西南 西北 华东 中南 能源丰度（吨人）2680 293 1218 1216 141 142,D、能源利用率低，造成的污染严重.单位GPT能耗是日本的6倍，美国的3倍，韩国的4 . 5倍；,目前中国产品能耗极高，主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高，加权平均高出左右。比如，每千克油当量的能源，日本企业平均可以创造出.美元的产值，中国只能创造出.美元。我国单位能源使用产生的，目前只有发达国家平均水平的五分之一至十六分之一左右,E、农村商品能源短缺（人口8.6亿，能耗12.6亿吨，23靠柴薪） F、环境污染严重；由于我国是以煤为主的国家。煤炭的含氢量低

12、，一般来说，相对于天然气，必然会带来 CO2 排放量大的问题。如何在经济发展中，控制 CO2 的排放量，已经成为重要的课题。中国 CO2 排放量已在世界上位居第二，占14%，美国为22%。以煤为主、能效低是主要原因。 G、能源建设周期长，耗能多；能源输送路线比较长，占去国家相当大的运力 H、能源工业装备落后； I、价格末能反映成本不合理,第四节、解决能源危机的有效途径,节能和提高能量利用效率是最主要的。,解决能源危机的措施有,开发和使用新技术。如发电，我国发电终端平均能效只有30%，如果采用IGCC（整体联合循环发电）、超临界发电技术、增压循环流化床等技术，现已可提高到36-46%，今后几年有

13、可能达到56-60%。其中也有大量化学问题要解决，多学科交叉。,提高使用清洁能源（如天然气）的比率。,使用更多的可再生能源（水力、风力、潮汐、地热）。,使是用新能源。太阳能、氢能。,核能,燃料电池技术,1、化石燃料的有效与清洁利用； 2、适度发展核能； 3、开发新能源； 4、改变能源转换途径。,（一）、化石燃料的有效与清洁利用,1、煤 （1）现代成煤理论：植物经脱水、脱CO2、脱CH4形成C 17H24O10C16H18O5 C16H14O3 C15H18O C18H4 植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤 （2）现状效率：我国年耗10亿吨（30发电、炼焦，50锅炉、窑炉，20人民生活）。A、效率低

14、（煤球2030，蜂窝煤50，碎煤20）；B、污染。 （3）提高效率的措施：煤的流体化，包括泥浆混合流体化；煤的气化（气化反应，改性反应）；煤的焦化（干馏）；煤的液化。 （4）煤的液化（加氢法、脱碳法、分解重组法），煤的拔头工艺生产液体燃料（年轻煤种中挥发性组分可提出20左右，其中2为汽油、10为柴油），在21世纪将大有发展前景。,加压气化法城市煤气生,什么是一碳化学,煤化工和天然气化工:一碳化学,煤的气化最主要的反应有:,C+O2-CO C+H2O-CO+H2 CO+H2O-CO2+H2,这个表绘出了一个反应网络。可见由合成气（CO/H2）出发，通过不同的催化剂和反应条件，可以合成一系列当今十

15、分重要的化学品。而这些化工产品其优势是在合成含氧化合物上。它可以使CO中的氧原子全部和部分带入到产物分子中，原料气得到了最充分的应用。这些化学品的生产，目前已经在经济上可与石油化工技术竞争，而具有一定的优势。,这个网络突出表明了由合成气可以通过一定催化反应合成出各种车用燃料和汽油添加剂。这也是当前由煤（或天然气）合成汽车清洁代用燃料的主要途径。我们要知道，一些含氧化合物燃料，如甲醇、乙醇、低碳醇、MTBE等都有很高的辛烷值，是很好的汽油代用品或添加剂，并可使汽车尾气排放的污染量大大减少。而二甲醚又是柴油的替代品，有很高的16烷值。而这些化合物（如甲醇）又可以是将来燃料电池的主要液体燃料，其发展

16、前景是十分广阔的。,下面几张图各给出了一些工艺图表。只是想说明，由于煤化工首先要把煤气化，而当前煤气化的先进技术，可以使尾气中排放的硫等污染物达到很低的标准，而且把硫转化为有用的副产品。但是煤化工的投资额是很高的。60-70是在气化和净化部分（特别是制氧设备）。因此，煤化工应当走多联产的道路，可以和IGCC发电技术相结合，使能源利用效率、投资利用效率等大大提高，使成本有竞争力。,工艺总流程示意图 例一（IGCC与醋酸生产工艺联合）,下面集中讲述催化的基本概念和催化技术在化学工业发展中的关键作用。正是通过催化技术的发展，使得一碳化学能从 CO/H2 这单一原料而产生出如此多种具有重要实用价值和经

17、济竞争力的化工产品。,催化剂能显著改变反应速率，但不影响反应的平衡位置。热力学参数决定了一个反应是否能进行。催化作用是解决动力学问题，也就是这个反应以怎样的速度来进行。,催化剂的突出特点是催化剂降低了化学反应的活化能催化剂开辟了新的反应途径或指定向加快某一反应，有很高的选择性。,根据阿伦尼乌斯公 Arrhenius,固体催化剂的必要条件:,至少有一种反应物分子在催化剂表面活性中心上进行化学吸附。,两个被吸附的分子或气相分子与吸附分子之间进行反应生成产物分子。,产物分子易从催化剂表面脱附，表面活性中心恢复原态。均相络合催化剂定向性更强，选择性高。,催化作用在化学工业、能源工业、环境保护中的重要性

18、,催化剂的研究从“手艺”(Art)逐渐走向科学(Science)。,催化向“分子剪裁”，催化剂设计方向发展。,一碳化学对催化的高要求：高选择性、高收率、低能耗、经济性要求优于石油化工路线。,2、石油 化学家遇到的主要挑战：提取上如何提高采收率（从矿藏中得到更多的油）；精炼（原油转化成更有用的化学形态）；燃烧（使精炼油具更大的热值）,（1）采收率。A、初级开采：靠天然压力，采收率1020；B、二级开采：把水、气和蒸气等注入油井中，提高采收率（美国用此法仅35）；C、三级开采：用新的化学方法开采先入为余下的可贵资源。如表面活性剂及溶液聚合物，可以把油和周围的水分开。 （2）精炼目的是提高辛烷值，采

19、用蒸馏、裂解、重整改变原油的性能。面临的任务是低品质的石油如何转化为高质量的燃料，关键是提高石油精炼技术。 （3）燃烧。一是提高燃烧效率，若提高5，美国获150亿美元的经济效益；二是降低烟雾、酸雨。 3、天然气 关键在天然气产地要先做好脱硫和去除一些含氮杂质。 天然气可作为化工产品生产乙炔等,天然气热裂解制乙炔炉,（二）核能及其风险利弊,1、核能的类型 （1）核裂变、原子弹、核发电 23592U+10n 14456Ba+8956Kr+310n 23592U+10n 14054Xe+9438Sr+210n H=8.21010 J/g 相当于煤的250万倍。 原子弹工作原理：让裂变能量不断积累，最

20、后在瞬间酿成重大的爆炸。,向长屿投弹的斯威尼,投放长屿的原子弹,长屿被炸现场,原子弹：鲜为人知的十件事,1曼哈顿计划 盟军原子弹计划于1942年启动，代号“曼哈顿计划”。这一计划在新墨西哥州偏远的沙漠地带洛斯阿拉莫斯进行，历时4年之久，有20多万人参与，包括十几名已经获得或即将获得诺贝尔奖的科学家。(费米领导) 2开支及成果 曼哈顿计划是二战中最昂贵的计划，5年中耗费了盟军约18亿美元（相当于今天的180亿美元），共研制出4枚原子弹。第一枚于1945年7月16日在新墨西哥州沙漠试爆，爆炸威力是预期威力的4倍，相当于19万吨烈性炸药TNT的威力。,资料,3轰炸目标,广岛和长崎起初都不是原子弹的袭

21、击目标，盟军将领起初选定的袭击目标是古都京都。但这被当时的美国陆军部长亨利史汀生否决掉了，他想把京都保留给子孙后代。被轰炸前不到两个星期长崎才被选定为轰炸目标，部分原因是它是为数不多的几个几乎未受战争破坏的城市之一。 4钚的威力 第一枚落在日本的原子弹代号“小男孩”，它的设计非常独特，是用一台改装过的发炮装置将一块铀235射入另一块铀中。这枚原子弹于1945年8月6日被投在广岛，相当于125万吨TNT爆炸时的威力。3天之后，另一枚原子弹落入长崎，这次采用的是钚，威力是广岛原子弹的两倍。,5伤亡情况,原子弹爆炸那天广岛大约有328万人，其中有20万人在5年之内死于原子弹的影响。广岛三分之二的建筑

22、都被摧毁。而长崎的约259万人中有7万人在同一时期内死去。至少有9人在广岛遭袭后逃到了长崎，并且在第二次原子弹爆炸中幸免于难。 6裕仁天皇的决定 第二枚原子弹爆炸后4天，日本将领仍拒绝投降，并考虑采取包括自杀性袭击在内的一些方案来赢得“必然的胜利”。8月14日，裕仁天皇宣布他不能再眼睁睁看着人民忍受煎熬。第二天，日本无条件投降。这一投降非常及时：盟军正准备在东京投下第三颗原子弹。,7“印第安纳波利斯”灾难,在将“小男孩”的组配件从加州运来之后，美国“印第安纳波利斯”号巡洋舰被一艘日本潜艇击沉。接下来的四天里，850名幸存者遭到鲨群的连续袭击。他们最终被一架过路的飞机发现并营救，只有300人幸存

23、。影片大白鲨中，由罗伯特肖扮演的昆特回忆了沉船及后来的这段故事。 8日本的原子弹计划 战争结束后，盟军调查人员发现日本从1940年就开始自行研制原子弹。日本的物理学家已经准确地算出制造一颗原子弹至少需要10公斤浓缩铀。然而到1943年，日本人弄清要从普通铀矿石中提取这么多浓缩铀远非易事，原子弹计划就此搁置。,9长期影响,科学家们担心原子弹会导致新生婴儿带有先天缺陷。放射性研究机构从1947年开始对幸存者进行跟踪调查。在原子弹爆炸时尚在母腹中的3000名婴儿中，出现了心理和生理方面受损的情况。但是迄今为止还没有发现放射性导致的基因缺陷。 10核武库增加 广岛长崎原子弹爆炸后一年内，美国已储备12

24、枚原子弹。核储备在上个世纪80年代中期达到最高峰，目前世界上的核武器总数估计约为17万个可用核弹头，综合爆炸威力相当于1945年8月毁灭两个日本城市的两枚原子弹的12万倍。,我国1956年2月钱学森建议组建导弹研究所，1958年6月毛主席提出搞原子弹，64年10月16日爆炸试验成功。 核电站工作原理：连续核裂变放出具大的核能，人工加以控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生能量加热水蒸气，推动涡轮机发电。 首要问题是：铀矿中235U（占0.7）与238U的分离。采用UF6气体扩散速度不同进行提纯，富集到93。,（2）核聚变和氢弹,21H + 31H 42He H=5.81011J/g相当煤的1

25、000万倍。 优点：A、聚变产物是稳定的氦核，无放射性污染，没有难处理的废料；B、氘资源丰富，海水中氘：氢 1.51014：1 地球上海水总量1018吨。 核聚变发电困难：A、聚变反应需要非常高温度（109）（太阳辐射出来的巨大能量来源于核变） 如何“点火”？氢弹用一个小的原子弹作引爆装置，产生瞬间高温。有人建议太阳能聚光（世界最大的聚光器有九层楼高，9000块小反射镜组成，总面积达2500米3，焦点处最高温度4000） 考虑化学激光。 B、如何约束：用什么材料制造反应器？考虑耐火陶瓷。并探索“磁笼”约束高温等离子体的逃逸。 探索21H + 63Li 2 42He （温度低些的聚变反应，处于实

26、验室初探阶段）,国际原子能机构副总干事维尔纳布尔卡特2006年10月16日在接受新华社记者专访时说，聚变能的商用化将为满足人类未来能源供应提供解决之道。这一进程有望在30至50年后实现。,世界首个多国合作探索核聚变应用的国际热核实验堆（ITER）将于进入实质启动阶段。这个由欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国七方参与的计划，被布尔卡特视为“一个实现成功控制核聚变梦想的机会”。,当今世界，能源问题已经成为影响人类可持续发展的一个重要话题。国际油价的高涨，石油、煤炭、天然气等不可再生能源获得的有限性以及环境污染的加剧，敦促人类寻找清洁、高效并具备大规模推广潜能的能源。 布尔卡特对聚变能商用化

27、的前景表示乐观。他表示，虽然研发阶段投入较高，但实现商业化后，可以用来发电供热的聚变能却更便宜。,海狼号核动力攻击潜艇,我国1965年1月毛主席提出“原子弹要有，氢弹要快”，王淦昌估计：核聚变发电有望在二三十年代获得成功（核工业西南物理所和中科院合肥所取得瞩目成果）,中国的聚变研究已经有40多年的历史，并先后研制成功了中国环流器一号、中国环流器新一号托卡马克装置，推动了世界对核聚变“磁笼”的探索和研究。,2、利用核能的意义,发展核能是必由之路。 （1）核能是地球上储量最丰富能源，又是高度密集能源。1t铀相当于2 .7Mt煤， 1t氘相当于11Mt煤，每吨海水有3克氘，相当于300吨汽油，海水可

28、耗1000亿年。 （2）核电是较清洁能源，有利于保护环境。每发电1000亿度，放射性排放总剂量1.2J/Kg，火力发电3.5J/Kg。 （3）核电经济性优于火电。发电成本低1550 （4）以核燃烧代替化石燃料，有利于资源的合理利用。 至1995年有476多座热中子堆核电站，总装机3108KW，占总发电量17。 国家 核电比例 核发电量 法国 64.8% 213.1TWh 比利时 59.8% 32TWh 美国 15.5% 383.7TWh 我国有两座：海盐秦山，30万千瓦（1992、7）、60万千瓦；广东大亚湾90万千瓦（19931994两组）；辽宁建新筹建？（台湾有6套，装机489万千瓦，另有

29、两套100万千瓦招标）,3、目前核能利用存在的主要问题有：（1）资源利用率低。工业应用的是热中子反应堆核电站，虽其发电成本低于煤电，但它以铀235为燃料，天然铀中占99.3%的铀238无法利用。 （2）燃烧后的乏燃料中除铀235及钚239外，剩余的高放射性废液含大量“少数锕系核素”（MA）及“裂变产物核素”（FP），其中有一些半衰期长达百万年以上，成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决。（3）反应堆是临界系数大于l的无外源自持系统，其安全问题尚需不断监控及改进。（4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚239受控制。,利用快中子增殖堆可以使天然铀中的铀238转化为钚239

30、，成为裂变燃料。用钚239或铀235装料启动运行数十年后，此系统可以靠铀238达到“自持”，铀资源利用率可提高6070倍。这虽然有利于资源的利用，但另3个问题则面临更严峻的挑战。而且快中子增殖堆的初始装料要以从热中子反应堆乏燃料中提取的大量工业钚库存为依托，如热堆电站未发展到相当的装机容量，快堆是不可能具工业应用规模的，而此时高放射性废液的库存已极大。对高放射性废液的处置方法，目前是将其固化，经包装后埋入稳定的岩层中。这种“后处理一固化一深埋”的处置方式虽然可行，但从长远看它未解决泄入生物圈的问题。 （我国863高科技规划把研究、设计、建造一座2.5104KW快速试验性电站，作为重点项目列入。

31、）因此，理想的核系统应是以天然铀（或贫化铀）作为反应堆的基本装料，并使它所产生的放射性废物在系统中被嬗变为短寿命（半衰期为几十年）或稳定的核素。使系统输出的废料是短寿命低放射性废物。这就是目前世界核科技界大力研究的充分利用铀资源且放射性“洁净”的核能系统。,、废热处理“热污染”：裂变核电站的热效率33比一般电厂多40。废热转移到环境中去，导致热污染。 若采用冷却塔。A、冷却成本高，使电费增加10；B、需水量大得惊人。（1000MW的核电站，几乎与6万人口城市用水量相当） 办法：河水改道流过冷却系统。（温度升高10，生产不连续，物种难适应，生态系统破坏）取暖？,(4)核电站的环境公害。,、放射性

32、,放射性辐射量度：雷姆(rem)，几百个rem 死亡；100200 rem 疾病和恶心；100 rem 遗传突变？ （美国人2000年接受的辐射剂量 mrem ：（X胸透100 mrem次） 自然的 人为的如医疗 放射性散落物 杂项 核电站 合计 130 88 5 2 0.5 225 目前美国规定，居民最大照射水平：170 mrem人年，外加自然的和医疗的。波林研究表明：若每个美国人增加170 mrem人年，死于癌症增加3万，主张标准： 17 mrem人年,燃料棒“燃烧”仅用去约6 23592U ，其中239Pu半衰期超过2.4万年，估计贮存时间必须持续二十万年。,放射性废物的处理和贮藏,在所

33、有拥有核电站的国家，都有旨在保护现代人和所有后代人的有关废物处置的严格法规。例如，如果不能以溶解了的物质通过地下水进入生物圈等最坏的情况为假定条件，并且表明后代的剂量负担很小并大大低于允许标准，那么在今天就不可能取得建造废物处置场址的许可证。有人常说，不能让我们这一代人享用核电站带来的好处，而把处置废物所需的大量费用留给后代。已有几个国家通过法律规定增加每度核电的价格，以留取部分资金用作今后管理和处理放射性废物以及核电站退役的费用。同许多人预料的相反，这些费用不是高得不可接受的。在瑞典，每度核电加价10%。这部分积累资金足以保证将来的需求。,第一项研究表明，在许多铀矿床中，各种物质尽管和地下水

34、直接接触，却仍在原地存在了几百万年。,A、社会组织能否稳定到足以确保在这期间对它们进行妥善处理。或“永久地”贮存好。 B、需要特殊运输窗容器来运输。到2000年，核废物从反京堆运到化学处理厂，将装运700010000次，按目前水平，每年有10次火车出轨。,对于核废物的一种担心是：我们对废物在如此长的时期内的物理特性还缺乏经验。然而，两项研究的结果却给了我们相关的和有趣的答案。,第二项研究同现在加篷境内的奥克劳铀矿床中几百万年前就已运行的天然核反应堆有关。在一个地表富铀矿床中，“自发”产生的链式反应持续了50万年，并产生了6吨裂变物和2吨钚。值得注意的是，这些裂变产物和钚尽管直接和自然环境相接触

35、，没有任何形式的封闭，却仅从生成它们的地方移动了几厘米。这两个例子决不是说可以对长寿命的核废物掉以轻心，但它们确实能说明我们对长远的未来可能发生的事情并非一无所知。,问题：,后来：将废物直接埋入地下。（地下水使放射性物质扩散）或弃于海底（大西洋北部，大平洋北部都有） 最近：回收处理后，深埋在荒无人烟在地质上相对稳定的地层如一千英尺深的“盐层”。（美国开始选址：堪萨斯州莱昂市附近，由于政治压力，1973年迁新址：新墨西哥州。） 唯一解决办法：贮藏在遥远的外层空间和太阳系。（电费上涨30；火箭发射失败而带来公害） 建议：A、把废物埋进南极冰盖中心，离海洋一千英里以外的群山环绕的地方。（技术要求高。

36、发达国家能达到；南极条约不准） B、不必谈论永久贮存问题，等待更好的化学处理技术过关后再说。,处理：40年代废物以液体形式贮存在大罐里但贮藏罐很小用到20年以上，已发生16起贮罐损坏事件。,如果将装机容量为300万千瓦的核电站运行一年所产生的75吨乏燃料不直接贮存而进行后处理，则其高放废物可以浓缩在约9立方米的玻璃体中。这也许能为我们正在讨论的小体积问题提供某些思路。如果将全世界自1987年以来产生的所有乏燃料全部经过后处理，则其玻璃固化的高放废物将只有1,0001,500立方米左右，比两个家庭住房的体积都小。 核电站的运行还将产生一些中低水平、短寿命的放射性废物，如过滤材料、沾污了的衣物、工

37、具和废旧材料。这些废物需贮藏并隔离较长时间。300万千瓦轻水堆运行一年，一般约产生1，500立方米没有经过压缩和浓缩的这类废物，这个体积相当于一个边长为12米的立方体，也相当于两个家庭住房的体积。一些最终处理这类废物的装置已投入运行，如瑞典。,反应堆的安全问题,A、设计中备有一些“太平”装置，会自动关闭反应堆并冷却辅助设施，在所有应急系统全部失灵的事故中，电站还设计了核燃料防事故外壳。（三道安全屏障） 1974年美国原子能委员会用计算机模拟研究的方法提出报告：即便有一百座核电站在运行，一个世纪发生一次事故，最多使一百人死亡（比飞机坠毁机会少得多）；最严重死2300人，损失财产60亿美元（可能性

38、极小，比巨大殒星的可能性小）。除非基本设计错误或阴谋破坏。（1975年3月一核电站，因技工用蜡烛寻找漏气处发生火灾，损毁了数千条电缆，使紧急堆芯系统失灵，损失1000万美元，幸运末熔化。）,1979年3月28日，美国宾夕法尼亚州三岛核电站，反应堆失灵；1986年4月26日苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，至2000年4月3日3万多抡险人员死亡（58死于社会原因，38自杀）还有174万抡险人轴，其中5万人二级残疾。99年7月12日日本泄漏,B、钚扩散。 制造核武器的技术问题主要是如何获得钚有关（美、俄贮存几百吨），世界各国物理学家都知道此技术，关键是要投入大量的资源和经费。 1954年加拿

39、大卖给印度钚，导致1974年印度步入核武器领域。（销售合同在法律上有漏洞）,1、太阳能,取之不竭，使用方便，能再生，无污染。以太阳能的利用为主的可再生能源潜力极大，据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，每年太阳提供的能量是世界人口商品消费量的1.5万倍。 （每秒钟相当于1.3亿亿吨标准煤，即 5.2 1023 KW.h/s，其中122亿传到地球， 2.8 1024 J/a，为目前人类所需能量1万倍）,（1）光热转换。 基本原理：使太阳光聚集，用来加热一些物体获热能。 装置：A、平板型集热器如太阳能热水器；B、抛物面型反射聚光器如太阳能聚光灶，太阳炉。,转换形式,太阳能热水器 600

40、0万平方米,我国十五发展目标,（三）开发新能源,（2）光电转换,基本原理：利用“光电效应”； 装置：太阳能电池如硅电池（转换效率1320）；存在问题：成本高，受昼夜、天气影响，难以大规模使用； 目标：沙漠地带铺设带有硅电池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部辐射能的1，足以供给全世界，我国第一座建在甘肃省。,太阳能发电站,光伏发电达8万千瓦,我国十五发展目标,光伏电力的应用 如在德国每平方米每年的平均日照量为1100千瓦时。电力的总需求量约为5000千瓦时，光伏技术的年平均功率约为太阳辐射量的10%。依*光伏设备生产5000亿千瓦时的电力，需要5000平方公里的光伏转化模板面积。明智的做法是用相

41、关设备安装在建筑物的表面，在德国，这一做法意味着只需不到10%的建筑物顶部。 光热利用 在中欧和北欧等缺少阳光的地区，已经出现了一些完全依赖阳光供暖的建筑物（应用比较理想的热与热交换系统）。,（3）光化学转换,是利用太阳能的最主要、最根本方式。绿色植物的光合作用，但不能完全受人控制。 CO2H2O 糖O2 其核心化合物是叶绿素。 目标：寻找各种“完全可控的”光化学转换方法如模拟光合作用。 设想：建立“宇宙太阳能站”来收集阳光。“同步空间站”（距地面35600千米）太阳能电能微波地面接收站电能,2、生物质能,生物质能是绿色植物经光合作用，将太阳能转化为化学能贮存在生物体内的能量。以ATP形式贮存

42、。 贮量：生物质燃料能源 目前全球农用面积约为1000平方公里。约有4000万平方公里的土地为森林覆盖，荒漠地区的面积约为4900万平方公里。光合作用的年产量（包括自然生长的植物和粮食生产）目前大约是2200亿吨干坏料，相当于3 1021J,这大约相当于每年80亿吨生化资料所提供的能量，只需不到1200平方公里的可耕地和林地面积（不计沼气的能力）。 每年由光合作用所形成的有机质200GT，垃圾27MT；废水450MT；粪便几十亿吨。2T垃圾相当于1T煤，作为能源利用的生物质占总量1，提供能量占总能耗的14。 途径：传统方法是直接燃烧（一是热量利用率低15，利用节柴灶25；二是污染环境。）,合理

43、有效转换是发酵制沼气。（法国罗尔卡公司：垃圾、镍 、轻油在高压反应器内、温度350，反应10分钟，得到燃油。）困难是：反应过程缓慢，而且对溶液的酸碱度很敏感。优点是：CO2含量保持不变。,“石油植物”是生物能源。生物能源是指通过绿色植物，藻类和光合细菌的光合作用，捕获太阳能，经新陈代谢，储存于生物质中的能量。生物质作为能转化为液体燃料的可再生资源正成为各国科学家研究的焦点。 在巴西有一种香胶树割开树皮流出的胶汁般的树汁稍经提炼就能当柴油使用，每株年产50千克胶质（成分与石油相似）柔弱的蒲公英折断它的茎或叶流出的乳白色的液体也含有类似石油的成分。生物学家们给这些可以经提纯或发酵加工后，就可当做“

44、燃料油”或石油产品的植物起了一个很贴切的名字“石油植物”。 地球上存在着许多“石油植物”，主要集中在夹竹桃科、大戟科、菊科以及豆科等，像我们熟知的油菜、蓖麻、小桐子、乌桕、大豆、花生等。科学家们还发现300多种灌木、400多种花卉都含有一定比例的“石油”。 英美等发达国家正在对已发现的40多种“石油植物”进行品种选育和品质优化工作，并准备尽快实现商业化生产。法国、日本、巴西、俄罗斯等国也正在开展“石油植物”的研究和应用。,培育植物新品种。,中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所的张洪霞研究员已经在这方面取得了一定进展。利用转基因技术，将耐盐、抗旱基因导入到油菜中，在原本荒弃的盐碱地上可以种

45、植出灿烂的油菜花，菜籽油经过不太复杂的提炼就可以转化为用于工业的“燃料油”。另外，由于转基因油菜把从土壤中吸收的盐分“聚集”在叶片中，这种耐盐的油菜同时还具有“吸盐”作用，一棵经过基因改造的油菜一年可以从土壤中吸收大约12克的盐分，经过一段时间的改造，盐碱地可以逐步得到改造，新的生态平衡逐渐形成，达到良性发展。 转基因技术的应用彻底改变了原有“石油植物”的遗传性质，将植物的优良品质保留下来，省却了杂交育种中基因分离的烦恼。 发展“石油植物”的主要矛盾是，“石油植物”其含油量还不够高，开发成本还比较高。中科院昆明植物研究所的邱明华研究员说，需要通过转基因和人工育种，进一步改善植物品质。 生物质能

46、源的高效利用，远非易事，必须要有较高的投入和持续的研究，才能将其高效地产业化，真正解决我国、乃至世界的能源危机和生态恶化问题。,美国人工种植黄鼠草每公顷可年产6000千克石油；美国西海岸巨型海藻等。,生物质能 气化发电 8万千瓦秸秆气化、沼气工程年总供气量相当标准煤200万吨,我国十五发展目标,3、风能,我国有9台机组，装机2万千瓦，（括巷山） 问题：A、如何贮存好能量使在无风时也能供电；（解决办法：有风期给蓄电池充电，但费钱；风车的电力电解水制氢气，作燃料）； B、结构设计是建立风力发动机中的另一个问题。,风力发电 丹麦是风力发电大国，现有6300座风力发电机，提供13%的电力需求。,风力发

47、电装机总容量达到150万千瓦左右制造600KW大风力发电机,我国十五发展目标,西藏发电量40是地热电，西藏羊八角地热电站水温150。 分类 A、干蒸汽源：地热蒸汽直接供给涡轮机，电站的建筑成本和电弗比任何别的能源低；B、湿蒸汽热：同时放出蒸汽和热水；C、热若源：地热田没有地下水，用泵把水灌进去加热，然后抽出来进行蒸汽发电。 问题：A、水枯竭是地热干蒸汽和地热湿蒸汽的致命伤；B、地面沉降；C、潜在水污染问题。,4、地热能,地热能 相当100万吨标准煤,我国十五发展目标,潮汐能电站（7个)，1980年建成的温岑江厦电站，世界第三。,5、海洋能,潮汐发电和波力发电 年开发能力达2万千瓦,我国十五发展

48、目标,6、氢能,氢在周期表中是第1号元素，相对原子量是1.000.在标准状态下,它的密度为0.0899g/L, 常温下为无色气体。,1s1,其原子核外的电子排布如右图所示，其核外的电子构型为:,1,氢能优点,作为能源，氢有以下特点： 所有元素中,氢重量最轻 当温度降至-252.7时,可变成液体;若将压力增大到数百个大气压,则液氢就可变为金属氢。 所有气体中,氢气的导热性最好 比多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业氢是极好的传热载体。,氢是自然界存在最普遍的元素 水中制得，永无枯竭之虞； 据估计它构成了宇宙质量的75,除空气中含有单质氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最

49、广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有石化燃料放出的热量还大9000倍。,氢能优点,氢本身无毒,燃烧后产物没有污染 产物水无污染，属“清洁能源”； 由于燃烧产物是水蒸气，不会产生诸如CO、CO2、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，从而也就不会造成酸雨和温室效应。所以，氢是世界上最清洁的能源之一。燃烧生成的水还可继续制氢，循环使用。,氢的燃烧性能好 点燃速度快，与空气混合时有广泛的可燃范围。现有汽车、飞机、舰船及其他运载工具，只需简单改装即可使用氢燃料。,热值高；氢能的燃烧热值远高于一次能源 除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和

50、生物燃料中最高的,达142,351kJ/kg,是汽油发热值的3倍。,氢能要解决的问题,A、廉价的制氢技术 。理想的氢能源循环体系：水在太阳能光分解催化剂的作用下分解成氢和氧；氢气作为燃料电池发电。 现行太阳能制氢技术包括：太阳能分解水制氢；太阳能电解水制氢；太阳能光化学分解水制氢；太阳能太阳能光电分解水制氢；模拟植物光合作用分解水；光合微生物制氢。,氢能氢的制取,随着化石燃料耗量的不断增加,其储量在日益减少,终有一天会枯竭。这就迫切需要寻找一种不依赖化,石燃料并储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种较为理想的新的含能体能源。,电厂用制氢设备,工业氢气净化设备,氢能要解决的问题,B、安全、方便的

51、贮氢技术。（密度小，不利于贮存）单位体积LaNi5贮氢量达88Kg/m3，高于液氢70.6 Kg/m3 由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的另一个关键。,历史上氢气热气球 爆炸事件震惊世界,氢能的规模应用：“零排放”氢燃料电池汽车,2003年起年产30万台氢燃料电池发动机,通用、福特、奔驰、丰田等均展示出FC样车,氢能小轿车,日本本田,德国宝马,1980年我国研制成功第一辆氢能汽车。,氢的其它应用,氢不但是一种优质燃料，还是石油化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。如:合成氨工业要用氢;,用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环

52、发电,其能量转换效率远高于现有的火电厂。,氢燃烧电池,7、海水盐差发电,用一层多孔质隔膜置江河入海口处，二边插入电极，由于渗透压力差而产生电动势。 技术关键：多孔质隔膜如何能将淡水和海水隔开而又形成渗透压,（四）改变能源转换途径,1、现行途径及弊端 途径：化学能热能机械能电能 弊端 ：A、能量利用率低（热机效率限制）：25 B、极大资源浪费（化石燃料是化工原料） C、污染环境（燃烧S、P、N引起烟雾尘等）,化学能电能，理论上能量利用率100，实际80。科学家预言：燃料电池将成为下世纪世界上获得电力的重要途径，是继水力、火力、核能发电之后的第四类。,2、改变新途径：,美国一次能源在发电和交通（汽

53、车）上的应用比率,燃料电池技术,燃料电池技术,燃料电池技术的发展:,固体氧化物型：,熔融碳酸盐型：,磷酸型：,质子膜型:,碱液型：,质子膜燃料电池,燃料电池电动汽车绿色汽车（EEE生命周期评估下的绿色汽车）才是真正的绿色汽车,3、碱性氢氧燃料电池： (-)Ni,H2KOH(30%) O2,Ni(+)美国60年代已用于阿波罗登月飞行和航天飞机、叉车、牵引车等，美CH4O2电池50台，4.8兆瓦。缺点：与CO2反应，K2CO3导电性差。 唯一商业化电池磷酸型燃料电池（磷酸作电解质，碳材料骨架，H2，CH3OH，CH4等为低廉燃料）。 最大优点：它不需CO2处理，代表燃料电池发展方向。,研究表明，大

54、约50年后，人类目前广泛使用的传统能源煤、石油和天然气将面临严重短缺的局面。严峻的能源危机迫使人类将目光转向浩瀚的宇宙，而月球是人类寻找地球以外能源的首选目标。,解决能源危机 把电厂建到月球上,未来月球基地及太阳能发电厂示意图,本来，科学家一直将希望寄托在太阳能和核反应堆上(包括核裂变发电和核聚变发电)。然而，浓密的地球大气层致使在地球上利用太阳能有许多不稳定因素；利用核裂变反应获得电力的方法往往产生大量放射性废料，容易造成严重的环境污染。而目前正加速发展的利用氘和氚热核聚变反应堆生产能源的方法，同样因形成强大的中子辐射而存在放射性问题。,在月球上建太阳能发电厂 由于月球表面几乎没有大气，太阳

55、辐射可以长驱直入。计算表明，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于目前地球上一年消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万倍。按太阳能能量密度为1.353千瓦/平方米计算，假设在月球上使用目前光电转化率为20%的太阳能发电装置，则每平方米太阳能电池每小时可发电2.7千瓦时，若采用1000平方米的电池，则每小时可产生2700千瓦时的电能。 由于月球自转周期恰好与其绕地球公转周期的时间相等，所以月球的白天是14天半，晚上也是14天半，一天相当于地球一个月的长度，这样它就可以获得更多的太阳能。科学家认为，如果在月球表面建立全球性的并联式太阳能发电厂，就可以获得极其丰富而稳定的太阳能

56、，这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，而且随着人类空间转换装置技术和地面接收技术的发展与完善，还可以用微波传输太阳能，为地球提供源源不断的能源。,月壤中富含氦3 现实可行的解决未来能源问题的途径是建造和使用氦3同位素(3He)的热核反应堆，这种反应堆没有中子辐射，不会造成环境危害。但遗憾的是地球上3He储量极为有限，地球天然气中理论上的总含量仅为1015吨，而月壤中富含3He。 除了极少数非常陡峭的撞击坑和火山通道的峭壁可能有裸露的岩石外，整个月球表面都被月壤覆盖，在月海区平均厚约5米，月陆区厚约10米。这些土壤长期接受太阳的照射，富集由太阳风粒子直接注入的挥发性化学元素和同位素，在这些稀

57、有气体中就有大量的3He。据估算，月壤中3He的资源总量可达100万500万吨。3He是一种清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料。据专家计算，如果采用D3He(氘和3He进行核聚变反应产生电能)核聚变发电，美国年发电总量仅需消耗25吨3He；中国1992年的年发电总量只需8吨3He，全世界一年有100吨3He就够了。以目前全球电价和空间运输成本算，1吨3He的价值约40亿美元，而且随着空间技术发展，空间运输成本肯定将大大下降。最近法国科学家宣布，2030年将使利用3He进行核聚变发电商业化。这样，开发利用月壤中的3He将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。,针对中国能源资源和能源应用的特点，你认为应该采取几项主要发展方针？,你认为发展一碳化学对中国来说有何重要意义？,如何认识和解决能源应用和环境保护这一矛盾统一体？,思考题,