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当前位置:首页 > 行业资料 > 能源与动力工程 > 1.第七章--新能源材料
新能源及其新材料主要内容新能源材料储氢材料新型二次电池材料燃料电池材料太阳能电池材料核能材料什么是能源?能源是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量过程(如风和潮汐),能到达地球表面的,都叫做地球上的能源。能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换或提炼)可再生能源非再生能源风能,水能,太阳能,地热,海洋能,生物能化石燃料(煤,石油,天然气)铀电能,氢能,汽油,柴油等能源的分类一级能源第一类能源(来自地球以外)太阳辐射能煤,石油,油页岩,天然气,草木燃料,沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。风,流水,海流,波浪海洋热能,直接太阳能宇宙射线,流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源(来自地球内部)地球热能地震,火山活动地下热水和地热蒸气(包括温泉和沸泉)热岩层原子能铀,钍,硼,氘第三类能源(来自地球和其它天体的相互作用)潮汐能二级能源电能,氢能,煤油,汽油,柴油,酒精,甲醇,丙烷,苯胺,肼,氨,硝化棉和硝化甘油,黑色火药等能源按被利用的程度分常规能源如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等;新能源如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等,另外还有核能。按获得的方法分一次能源即可供直接利用的能源,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,它们使用方便,易于利用,是高品质的能源。按能否再生分可再生能源即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少,如水能、风能、潮汐能、太阳能等;非再生能源它随人类的利用而越来越少,如石油、煤、天然气、核燃料等。按对环境的污染分清洁能源即对环境无污染或污染很小的能源,如太阳能、水能、海洋能等;非清洁能源即对环境污染较大的能源,如煤、石油等。•生态环境严重破坏:1952年12月,伦敦烟雾;酸雨;河流干涸;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%污染现状能源结构发生变化世界能源消费结构的特点半个世纪来,世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势,70年代起石油已在世界能源消费中占第一位。水能和核能的利用,主要表现在水电及核电的比例上。电能是现代化所必须的高级二次能源。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%。能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代文明的三大支柱之一。目前,世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主,不但严重破坏生态环境,而且矿物能源不可再生,能源枯竭已成为共识。煤炭开采海上石油开采平台严重的生态破坏矿物能源面临枯竭。(1992世界能源大会)石油/年天然气/年煤/年铀/年世界495726260中国236110230煤碳(GT)石油(GT)天然气(TM3)世界总计1043.86世界总计137.3世界总计14.11前苏联241.01沙特25.71前苏联5.62美国240.562伊拉克13.42伊朗2.13中国114.53科威特13.33卡塔尔0.714澳大利亚90.944阿联酋12.74阿联酋0.535德国60.075伊朗12.25沙特0.536印度69.596委内瑞拉9.36美国0.467南非55.337前苏联7.87委内瑞拉0.388波兰42.18墨西哥7.38阿尔及利亚0.369美国3.89尼日利亚0.3410中国3.310伊拉克0.3111中国0.171994年3.矿物能源面临枯竭世界化石燃料探明可采储量巨大的能源危机: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。科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术(MaximumEnergyandResourcesUtilization---MERU技术)环境最小负荷技术(MinimumEnvironmentalImpact---MEI技术)新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。新能源材料新能源包括太阳能生物质能核能风能地热海洋能氢能太阳能氢能风能潮汐能地热核能2009年,世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都,与四川大学生命科学学院洽谈,希望能将四川的麻风树引进到巴西种植。麻风树是世界上公认的生物能源树,其果实可全部用来炼取生物柴油,而且在“碳汇交易”市场上具有巨大潜力,麻风树种植麻风树果实-小桐子2011年11月,从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公司合作完成,我校陈放教授应邀参加。试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力,这对于促进生物燃料应用,应对气候变化、解决能源问题具有重要意义。新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料,主要包括:储氢合金为代表的储氢材料锂离子电池为代表的二次电池材料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料硅半导体为代表的太阳能电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料-------------主要特点新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源;新能源材料可提高贮能效率,有效进行能量转换;新能源材料可以增加能源利用的新途径。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器新能源的应用2.1材料的作用(4)材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。例如,太阳电池所用的材料决定着光电转换效率,燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命,而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本。因此,这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键。2.2新能源材料的任务及面临的课题为了发挥材料的作用,新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分,新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点,新能源材料研究开发的重点有以下几方面。2.2新能源材料的任务及面临的课题1)研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。例如,研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率,研究不同的半导体材料及各种结构(包括异质结、量子阱)以提高太阳电池的效率、寿命与耐辐照性能等。2.2新能源材料的任务及面临的课题2)资源的合理利用新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题。例如,太阳电池若能部分地取代常规发电,所需的半导体材料要在百万吨以上,对一些元素而言(如镓、铟等)是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素,如硅等;另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如,燃料电池要使用铂作触媒,其取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时,还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。2.2新能源材料的任务及面临的课题3)安全与环境保护这是新能源能否大规模应用的关键。例如,锂电池具有优良的性能,但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件,以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧,因而影响了应用。为此,研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池,使上述问题得以避免,现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染;还有服务期满后的废弃物,如核能废弃物,会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题。2.2新能源材料的任务及面临的课题4)材料规模生产的制作与加工工艺在新能源的研究开发阶段,材料组成与结构的优化是研究的重点;而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备;到了工程化的阶段,材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在许多情况下,需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括:①大的处理量;②高的成品率;③高的劳动生产率;④材料及部件的质量参数的一致性、可靠性;⑤环保及劳动防护;⑤低成本。2.2新能源材料的任务及面临的课题例如:在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍材的制作技术;开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳电池方面,为了进一步降低成本,美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”(PhotovoltaicManufacturingTechnology)的项目,力求通过完善大规模生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。2.2新能源材料的任务及面临的课题5)延长材料的使用寿命现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑,要降低成本,一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力;另一方面还要靠延长材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料性能退化的原理着手,采取相应措施,包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等;并要选择合理的使用条件,如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。储氢材料氢能是人类未来的理想能源。氢能热值高,如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ,相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量;资源丰富,地球表面有丰富的水资源,水中含氢量达到11.1%;干净、清洁,燃烧后生成水,不产生二次污染;应用范围广,适应性强,可作为燃料电池发电,也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。氢密度很小,单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内,氢气重量不到钢瓶重量的1/100,且有爆炸危险,很不方便。为解决氢的储存和运输问题,人们研发了相应的储氢材料,主要包括活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢材料。常用高压氢气瓶活性炭储氢活性炭比表面积可达2000m2/g以上,低温加压可吸附储氢。活性炭原料易得,吸附储氢和放氢操作都比较简单。富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高,H2的吸附量可达5%-10%(质量分数),有望成为新一代储氢材料。富勒烯C60碳纳迷管无机化合物储氢某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢,然后在一定条件下分解可放氢。利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化,吸氢和放氢反应为:以活性炭作载体,在Pd或PdO的催化作用下,以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂,储氢量约为2%(质量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好,但储氢量比较小,催化剂价格较贵。释氢,70℃,0.1MPa吸氢,35℃,2.0MPaOHHCO2223HHCO有机液体氢化物储氢借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现,包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大,环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19%和6.18%(质量分数),比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用,其储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大,储氢操作比较复杂。其中R=H、CH4H2,供用户使用H2,制氢工厂储存、运输储
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