何强环境学导论课件-第6章

9未来的能源供应•9.1利用生态学原理解决能源问题•9.2太阳能的利用•9.3未来的核能•9.4地热能•思考题与习题9.1利用生态学原理解决能源问题1控制人口，减少能源消耗必须控制人口的增长，同时也要控制个人的能量消耗，不能无节制地提高生活水平或追求个人舒适与方便，这样才能使能耗与环境所能提供的能量相协调。3多渠道解决能源供求的平衡4充分利用能源并减少浪费2太阳能是重要的能源自然生态系统维持正常运转所需要的能量，全部来自太阳。太阳能是洁净的、用之不尽的可再生能源。因此它仍不失为人类社会极其重要的能源。但是太阳能也有其缺点。首先，它的能量分散，能量密度平均仅约1kW／m2；而且其数值还因地而异，变化辐度很大。最有利于收集和开发太阳能的地方限于南、北纬35°之间，这些地区太阳能的入射量是1.25～2.5×104KJ/（m2·d），每年接受日照的时间是2000～2500h。此外，太阳能投射到地表的过程中，还常受到不可预测的因素的干扰，具有不连续和不稳定的性质。9.2太阳能的直接利用太阳辐射自然过程工艺技术热光电有用能工艺技术植物大气水圈海洋风能水能生物质能海流波浪温差图9－1太阳能利用形式概念图1太阳能的直接利用与环境影响太阳辐射是地球上生物得以存在得重要因素。直接利用太阳能的主要设备有太阳能集热器、蓄热水箱、太阳灶、太阳屋、太阳能热电转换系统和光电转换系统等。（1）无有毒气体排出，也无可能影响地球气候的二氧化碳排出。（2）占地面积与化石燃料及核能电站相当。（3）余热的排出低干其他热电站。（4）太阳能集热系统吸收太阳能后，减少了地面、建筑物等反射回空间的能量，结果影响了大气中的温度梯度、大气组成、云层、风等。（5）巨大的集热系统、聚光装置，严重影响景观，以致改变建筑风格和建筑设计规范。太阳能利用系统对环境的影响2太阳能的间接利用与环境影响1）生物质能与沼气（1）生物质能。生物体直接或间接吸收太阳能并不断进行转化，成为维持生命活动的能源，就是生物质能。通常作能源消耗掉的生物质能，包括薪柴、木炭、农副产品的下脚料或废弃物（如谷壳、甘蔗渣、秸杆）、能源树、杂草、人畜粪便，以及上述物质经过一定的工艺过程而制成的醇类、沼气等。（2）沼气。它是利用城市垃圾、污水、污泥、人畜粪便、庄稼秸杆、杂草等废弃物经好氧分解和厌氧分解二个阶段而得到的混合气体(见表9-3)。沼气的热值视其中甲烷的含量而定，一般为（2～2.6)×107J/m3。图9-2表示出沼气的形成过程。组成甲烷二氧化碳氮氢氧硫化氢体积分数/％55～6535～450～30～10～10～1表9－3沼气的组成麦芽糖葡萄糖乙醛乳酸丙酸乙酸甲酸甘油低级脂肪酸乙醛脂肪酸乙酸丙酸尿素氨基酸亚胺酸丙酮醋酸乙酸甲烷二氧化碳水有机废物淀粉脂肪蛋白质好氧分解厌氧分解图9－2沼气的形成过程影响生酸菌与甲烷菌平衡的参数有4个：①温度：分中温和高温两种沼气化过程。②密封、缺氧。③pH6.7～7.0④要有足够的营养素氮与磷。除上述因素外，沼气的产量还受其原材料的影响。在城市也可以利用有机废物产生沼气。图9－3是城市制取沼气的流程图。其他耗能加温装置肥料沼气混合垃圾预处理设施好氧消化厌氧消化能量转换装置污水污泥粪便食物下脚其他图9－3城市制取沼气流程图（1）优点：洁净；取之不尽（2）缺点：分散、间歇、能量密度不高，风力不均匀（3）风能利用的环境影响：噪声；风车布置不当时，也会影响景观，甚至造成鸟类撞击伤亡而破坏生态平衡。巨型风车会因桨叶强度不够，或受飓风袭击，部件外抛造成事故等。这些情况均需加以周密考虑。风能2）3）海洋能海洋能波浪能海洋温差能潮流能盐浓度梯度中的能量9.3未来的核能1快中子增殖反应堆（fast-breeder-reactors）及其环境影响（1）增殖堆的核反应过程利用中子轰击产生裂变同位素的反应式如下：（2）增殖堆的操作特点与安全问题（1）燃料堆芯需用不同的冷却剂（2）轻水堆在水冷却剂发生流失事故时，因缺少慢化剂，堆便自动停车（3）生产和处理大量钚－239的操作特别危险（4）钚的生产是原子弹制造中最重要的一个步骤，大约7～10kg钚即足够制造一颗原子弹23.5minβ2.35dβ90PuNpUnU239942399323993238922核聚变能及其环境影响1）核聚变反应62D4He+2p+2n+43.1MeV2）核聚变的优点聚变能对环境也有影响。聚变反应不产生裂变碎片。所以其放射性问题不如裂变反应那样严重。在安全方面，聚变反应堆不象裂变反应堆那样存在着偏离额定值的所谓功率聚增事故，12也不存在象钚那样转变为核武器材料的问题。更不存在来自阴谋破坏和天然灾难所造成的危险。由于氘－氚聚变反应的热利用率为50％～60％，它的热污染问题较其它任何发电方法为少。此外，还可以不通过蒸汽回路直接利用聚变能发电。综上所述，由此看来，聚变反应也是较有希望的一种新的能源。核聚变能极可能成为未来的最终能源，至少在发电方面是这样的。聚变能发电不但在燃料供应上不受限制，而且对环境的影响也较少。不过，通过核聚变能发出的电量，已经在当今电力供应中占有越来越大的比重。9.4地热能西藏羊八井地热发电厂1地热的来源与分类地热蒸汽是地下水在某种地质条件下受地热的作用而产生的(见图9－4)。2地热发电站截至2001年底，全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1×104MW，分布在20多个国家，其中美国占40％。3地热发电与环境应用地热发电对环境的影响有下述几方面：（1）地热蒸汽的温度和压力都不如火力发电站高，因此地热利用率低，象盖塞斯老发电机组的热效率只有14.3％，以致冷却水用量多于普通电站，热污染也比较严重。（2）地热电站也可利用冷却塔将余热释放到大气中，以避免上述的热污染。（3）从冷却塔排出的废蒸汽和废水产可能含有H2S等有毒气体，应予重视并及时加以处理，以免污染厂区附近的空气。（4）地热属于再生比较慢的一种资源。01002003004005007～15km10005000深度/m图9－4地表水的蒸汽来源思考题与习题1）你认为该如何利用生态学原理解决人类的能源供应问题？2）你认为人类未来的能源主要有哪些？这些能源的开发利用对环境有什么影响？3）增殖反应堆为什么能使“燃料”增殖？4）试述获取核聚变能的基本原理。5）试举几种利用生物质能的例子，并分析其在人类能源供应与解决环境问题中的地位与作用。6）试计算1L海水中蕴藏的核聚变能，相当于多少升石油燃油产生的能量？