第一讲新能源材料

新能源材料授课老师：闫翠霞2019/10/62•能源和材料是社会发展的物质基础。新能源（主要指绿色的可再生能源）具有分布普遍、储量丰富、可以互补、对环境和生态影响小等一系列特点。新能源开发和有效利用的关键之一是与其相应的材料。•本课程•首先通览能源面临的形式，发展新能源及新能源材料的必要性，与取得的主要进展，•然后从分析各种新能源（热能、氢能、太阳能、二次能源、燃料电池等）的特点出发，学习各种新材料在能源转换中的应用，存在的问题，相关的研究及材料基础理论在其中的应用和发展，有关的能源政策。2019/10/64•第1讲能源导论•第2讲我国材料发展战略和新能源材料产业简介•第3讲储氢材料与氢能•第4讲镍氢电池材料•第5讲锂离子电池材料•第6讲光伏产业介绍•第7讲太阳能材料•第8讲半导体照明及半导体照明材料•第9讲燃料电池材料•第10讲风能材料•第11讲核能材料•课堂发表，课程论文选题，提交课程论文2019/10/6Prof.GANGuoyou,SchoolofMSE,KMUST5课程考核要求•平时出席/作业35%；•课堂发表（5-10分钟）20%；•个别讨论15%；•课程论文30%。2019/10/6Prof.GANGuoyou,SchoolofMSE,KMUST6第一讲能源导论能源应用现状新能源及其发展现状能源定义可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的载能体资源。新能源化石能源太阳能电能生物质能能源定义目前约有20种。例如：《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。新能源化石能源太阳能电能生物质能人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。(1)火的发现和利用；(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；(3)化石燃料的开发和热的利用；(4)电的发现及开发利用；(5)原子核能的发现及开发利用；(6)新能源的开发与利用。地球能量的来源和分类能源的来源：①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。②地球本身蕴藏的能量如原子核能、地热能等。③地球和其他天体相互作用而产生的能量如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。能源分类1一次能源和二次能源（按获得的方式）一次能源：是自然界直接提供的能源.如煤、石油、天然气、风能、水能等二次能源：即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等2再生能源和不可再生能源（按是否再生）可再生能源：对于一次能源，如太阳能、风能等可从自然界源源不断的得到的能源。不可再生能源：如煤、石油天然气以及核燃料等一旦消耗很难再生的能源。3清洁能源和非清洁能源（按对环境污染）清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如：太阳能、水能、风能非清洁能源：对环境污染较大的能源。如：煤、石油、天然气等化石能源4常规能源和新能源（按利用程度）常规能源：化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源.新能源：核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源能源分类一次能源二次能源常规能源化石能源水能、油页岩焦炭、汽油、化学品、电力、蒸汽新能源核能、太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能二次电池、氢能清洁能源核能、太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能二次电池、氢能可再生能源太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能形成条件利用技术化石能源：煤、石油和天然气无烟煤烟煤褐煤泥煤含碳量/%85~9570~8550~70501.煤的种类及主要成分煤的化学组成元素CHONS含量/%85.05.07.60.71.7C：主要可燃成分，C(s)+O2(g)=CO2(g)△rHmθ(298.15k)=-393.5kj·mol-1H：主要可燃元素有效氢——与CSP结合，可燃烧化合氢——与O结合，不能燃烧O,S,N等：有害成分。石油和天然气石油的主要组成元素为CHONS83~87%10~14%0.05~25%0.02~0.25%0.05~8和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主。煤中的碳氢化合物以芳烃为主。各种石油产品：(1)人类社会对能源的需求不断增加。能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。能源应用现状我国石油产品需求预测2010年，万吨2020年，万吨汽、煤、柴油17750-1890021700-28800润滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油产品合计31300-3350038800-47700国内石油需求3.3-3.5亿吨4.1-5.0亿吨其它：LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万吨(合计1.5亿吨)2004年，产量500万辆，到2010年预计汽车年产量达到800到1000万辆2020年原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5亿吨，对外依存度65%区域石油天然气煤炭核能水电美国40.22524.28.12.6日本46.912.623.512.64.4德国37.423.425.911.41.8英国35.638.916.88.00.7法国35.815.34.838.65.6加拿大32.426.29.96.724.8俄罗斯19.254.115.84.86.0印度31.77.754.51.05.1巴西44.99.16.11.438.6中国22.32.569.00.85.4世界平均36.8423.6721.176.116.20中国和印度不发达国家，仍然以煤炭为主。表42004年世界主要国家能源消费结构(2)能源结构发生变化。我国能源的利用特点•能源资源相对短缺煤炭可采量约1160亿吨,人均可采量89.8吨,为世界1/2,石油剩余可采储量23.8亿吨,人均2.6吨,为世界的1/9,天然气剩余储量1.23万亿m3,人均1074m3,为世界1/23,水电可开发容量3.79亿千瓦,人均0.29千瓦。•石油资源不足2006年石油生产1.84亿吨,消费3.2亿吨,进口已达1.36亿吨,对外依存度43%。•能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。•能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。20•我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%。(3)能源应用形态有所改变。小型的可移动电源的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。(4)矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）石油/年天然气/年煤/年铀/年世界495726260中国23611023023•巨大的能源危机：已开采800亿吨石油，按现在的开采速度，地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年;已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400年;已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。(5)矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO）（植被、土壤；气候；健康）2010550ppm从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出：很明显，近20年来，CO2的浓度上升迅速非常迅速，2010年将接近550ppm。而且，主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60-80度处。二氧化碳是化石能源的最终排放形态表3全球各国CO2排放量比较排行在北京、上海等大城市，空气污染的60%来自汽车排放二氧化碳的全球排放量中，中国居第二生态环境恶化★温室效应大量CO2：如燃料释放200亿吨/年，总量可达290亿吨/年。带来的后果：气候异常，如干旱、洪水、风暴、沙暴；作为食物和氧气源的浮游生物大幅度减少；★大气臭氧层破坏臭氧洞达700万km2南极臭氧保护层破坏了60%，北极臭氧保护层也减薄了至少30%★NOX、SOX等有害气体酸雨带来的后果：农业问题,森林破坏,建筑物,桥梁,铁路腐蚀…★各类固体废弃物数量巨大其中仅生活垃圾一项，全球就达100亿吨/年★水污染越来越严重（河，湖，海，地下水…）世界十大严重污染城市中国占：个7!因二氧化硫排放每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)占全国排放比例：燃煤污染物SO2－85%CO2－85%NOx－60%粉尘－70%污染现状温室效应“温室效应”使地球变暖带来的严重后果A、根据IPCC的预测，2050年地球的平均气温将增加2.5±1℃B、专家认为：近100年来，全球年平均气温上升了0.6℃。预计到2100年，全球年平均气温将比1990年上升1.5－3.5℃C、美国皮尤全球气候变化研究中心发表的一份报告估计，到2100年全球气温将升高1.3-4.6摄氏度，并导致海平面升高17-99厘米。D、全球森林面积迅速下降，现有森林已无法吸收各国所排放的二氧化碳，已使大气层中二氧化碳含量迅速增加，整个气候状况已经进入恶性循环状态。E、气候变暖有可能导致极地冰帽迅速融化，进而使海平面上升，引发大规模洪水。在地球历史上发生于15万年前的冰川期则只是因为在2万年内地球气温升高5℃所造成的。F.温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石流等“非常事件”将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，衡量气候变化的“非常事件指数”（ExtrenmeEventlndex）不断攀高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。G.温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重1秒钟世界的变化格林兰冰川的融化：1.6吨/秒•淡水的使用：103m3/秒•天然林消失：5,100m2/秒•可耕地减少国：2,300m2/秒•沙漠扩大：1900m2/秒其中仅我国就达78m2/秒•我国天然草原减少：513m2/秒全球气温显著变暖(气温升高3℃，海平面上升60cm)全球气温变暖（气温上升1℃，海平面上升20cm）石油和天然气枯竭矿物资源枯竭废弃物问题食物短缺1990200020502100世界人口(100亿)1999年世界人口(62亿)国家人数中国3千万印度3千万孟加拉1千5百万埃及1千4百万其它三角地区和沿海地区1千万岛国1百万农业贫困地区5千万移民总数1.5亿据测算，到2050年，部分国家因环境恶化不得不移民的人数是惊人的！！★环境难民(Bo.R.DooS,GlobalEnvirnmentalChange,1997,7(1):41)★人类生存面临危机应对气候变化的国际行动为应对全球气候变化，国际社会制定了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》。许多国家和非政府组织相应建立了碳