第一讲能源与可再生能源概述

分布式发电技术导论能源概述第1讲能源、电力与可再生能源概述分布式发电技术导论杭州电子科技大学章坚民教授能源概述分布式发电技术导论能源概述§1能源概述关注的问题什么是能源？能源有哪些类型？怎么评价能源的优劣？人类面临着什么样的能源和环境问题？新能源利用可以发展起来吗？分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。几个发展阶段(1)天然能源的原始利用几十万年以前人类学会了用火，在漫长的岁月里，一直以柴草为生活能量的主要来源，燃火用于烧饭、取暖和照明。后来逐渐学会将畜力、风力、水力等自然动力用于生产和交通运输。这种初级形式的能源利用直到19世纪中期都没有太大突破。在1860年的世界能源消费结构中，薪柴和农作物秸秆仍占能源消费总量的73.8%。分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。几个发展阶段(2)煤炭2000多年以前人类就知道煤炭可以作为燃料。14世纪的中国、17世纪的英国采煤业都已相当发达，但煤炭长期未能在世界能源消费结构中占据主导地位。18世纪70年代，英国的瓦特发明以煤炭作燃料的蒸汽机。蒸汽机的广泛应用使煤炭迅速成为第二代主体能源。煤炭在世界一次能源消费结构中所占的比重，从1860年的25％，上升到1920年的62％。分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史(3)石油人类很早就发现了石油，《汉书》、《梦溪笔谈》有描述。直到19世纪，石油工业才逐渐兴起。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，是现代石油工业的开端。1886年德国人本茨和戴姆勒研制出第一辆以汽油为燃料、由内燃机驱动的汽车，进入大规模使用石油的汽车时代。石油和天然气逐渐取代煤炭，在世界能源消费构成中占据主要地位。1965年，在世界能源消费结构中，石油首次超过煤炭占居首位，成为第三代主体能源。到1979年，石油所占的比重达到54%，相当于煤炭的三倍。分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史(4)电力1881年，美国建成世界上第一个发电站，同时还研制出电灯等实用的用电设备。从此以后，电力的应用领域越来越广，发展规模也越来越大，人类社会逐步进入电气化时代。石油、煤炭、天然气等化石燃料被转换成更加便于输送和利用的电能，进一步推动工业革命，带来了巨大的技术进步。分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史(5)核能和可再生能源1942年美国建立世界上第一座核反应堆，1954年前苏联建成世界第一座发电的反应堆并正式启用，1956年美国的核电站投入运行，核能利用迅速发展起来，在世界能源结构中占据重要位置。到20世纪90年代，核能发电所提供的电力占全世界发电总量的17%左右。进入21世纪以来，太阳能、风能、海洋能、生物质能等可再生新能源发展很快，并且逐渐走向成熟和规模化，所占的比重也有望大幅度提高，为人类解决能源和环保问题开辟了新的天地。分布式发电技术导论能源概述§1.1能源利用的历史最广泛的利用方式电能最成熟的利用方式热能分布式发电技术导论能源概述§1.2.1资源和能源——资源——在一定时期和地点，在一定条件下具有开发价值、能够满足或提高人类当前和未来生存和生活状况的自然因素和条件，称为自然资源，有时简称资源。包括气候资源、水资源、矿物资源、生物资源、能源，等等。——能源——能源就是能够向人类提供某种形式能量的自然资源，包括所有的燃料、流水、阳光、地热、风等，通过适当的转换手段可使其为人类生产和生活提供所需的能量。例如煤和石油等化石能源燃烧时提供热能，流水和风力可以提供机械能，太阳的辐射可转化为热能或电能。§1.2能源的概念分布式发电技术导论能源概述能源种类很多，通常按其形态特征或转换与应用的层次分类。(1)一次能源和二次能源（按形成条件）以天然形态存在于在自然界中，可直接取得而不需改变其基本形态的能源，称为一次能源。简单说，一次能源就是自然界中现成存在的天然能源。如煤炭、石油，及风能、地热能等。为了满足生产和生活的需要，有些能源通常需要经过加工进行直接或间接的转换才能使用。由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源，称为二次能源。如沼气、酒精、汽油，以及蒸汽、氢能等。电能是最重要的二次能源。§1.2.2能源的分类分布式发电技术导论能源概述一次能源的来源自然界中一次能源的初始来源，大致有三种情况：①来自地球以外天体（主要是太阳）的能量，例如能以光和热的形式直接利用的太阳能，以化石或生物体等物质形式存储的能量，以风、水流、波浪等形式体现的能量；②来自地球内部的能源，主要是核能和地热能；③地球与其他天体相互作用产生的能量，例如月亮、太阳引力变化形成的海洋潮汐能。分布式发电技术导论能源概述(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源是指在当前的技术水平和利用条件下，已被人们广泛应用了较长时间的能源，现阶段主要是指煤炭、石油、天然气、水能、核（裂变）能。这类能源，使用较普遍，技术较成熟。新能源是指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热、生物质、氢能等。这类能源，已经开始或即将被人们推广利用，但目前还没有被大规模使用，有的甚至还处于研发或试用阶段。分布式发电技术导论能源概述(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源和新能源的分类是相对的，不同历史时期会变化，这取决于应用历史和使用规模。例如在1950年代，核(裂变)能属于新能源，现在有些国家已把它被归为常规能源。有些能源虽然应用的历史很长，但正经历着利用方式的变革，而那些较有发展前途的新型应用方式尚不成熟或规模还小，也被归为新能源，例如太阳能、风能。在中国，新能源指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的一次能源。分布式发电技术导论能源概述(3)非再生能源和可再生能源（按循环恢复能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期内无法恢复），总有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均为非再生能源。据估计，按照现有的探明储量和开采程度，地球上的化石燃料最多还可使用几百年。可再生能源，可以循环使用，能够有规律地不断得到补充，没有使用期限，也不会因长期使用而减少。如太阳能、水能、风能、海洋能、地热能和生物质能，均为可再生能源。分布式发电技术导论能源概述(4)含能体能源和过程性能源(按能源存在和转移形式)含能体能源是指包含着能量的物质或实体。例如化石燃料、核燃料、生物质、地热水和地热蒸汽，等等。这类能源可以直接储存和运输。过程性能源是指随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式存在的能源。如风、水、海潮、波浪、地热等。这类能源无法直接储存和运输。分布式发电技术导论能源概述(5)清洁能源和非清洁能源(按环境污染程度)清洁能源是指对环境没有污染或污染较小的能源，有时也叫绿色能源。如太阳能,风能,海洋能；垃圾发电、沼气等。非清洁能源是指可能对环境造成较大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清洁与非清洁能源的划分也是相对的。分布式发电技术导论能源概述各种能源均有优点，也各有不足。如何进行评价和比较？(1)能流密度即在单位空间或单位面积内，能够从某种能源获得的功率。化石燃料与核燃料的能流密度大，各种可再生能源的能流密度一般都比较小。能量密度太小，则不利于开发利用，因为经济性太差。§1.2.3能源的品质分布式发电技术导论能源概述标准煤各种燃料的热值是不同的，在统计能源的生产和消费，特别在计算能耗指标时，常定义一种假想的标准燃料，即标准煤。标准煤的热值为2.9×104kJ/kg。各种燃料均可按平均发热量折算成标准煤。分布式发电技术导论能源概述(2)开发费用和设备造价化石能源与核燃料，探、采、加工、运输，需投入大量人力、物力。发电设备单位容量的初期投资较小。可再生能源，开发费用主要是开发能源的一次性投资，设备造价比较高；而运营费用很低。(3)存储的可能性与供能的连续性化石燃料都比较容易存储，也便于连续供应。太阳能、风能等可再生能源则不易保存，能量供应也可能有波动性和间断性。分布式发电技术导论能源概述(4)运输费用与损耗运输过程本身也要投资并消耗能源，远距离运输的成本和损耗会影响能源的使用。太阳能、风能、地热能难以运输。化石燃料可以运输，但要考虑运输的成本和耗能。(5)对环境的影响化石燃料燃烧过程中会排放CO2等温室气体，甚至还有一些有毒的或腐蚀性物质，对环境影响较大。核燃料有放射性污染及废料处理的问题。可再生能源大多对环境的影响较小。分布式发电技术导论能源概述(6)蕴藏量化石燃料等非再生能源，蕴藏量是有限的，总有用完的时候。太阳能、风能等可再生能源，可以循环使用，不断的得到补充，即使每年更新的数量有限，长期来看，也是无穷无尽的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般来说，二次能源要比一次能源品味高。能直接变成机械能和电能的能源（如水力和风能），要比那些必须先经过热利用环节的能源（如化石燃料）的品位高。分布式发电技术导论能源概述§1.3.1常规能源的环境影响（1）大气污染化石燃料的利用过程会产生CO、SO2、NOx等有害气体，不仅能导致生态系统的破坏，还会直接损害人体健康。在很多国家和地区，因大气污染造成的直接和间接损失已经相当严重。§1.3能源与环境问题分布式发电技术导论能源概述§1.3.1常规能源的环境影响（2）酸雨SO2、NOx等污染物，经大气传输，在一定条件下形成酸雨，危害农作物和森林生态系统，破坏水生生态系统，腐蚀材料，造成重大经济损失。酸雨还导致地区气候改变。分布式发电技术导论能源概述§1.3.1常规能源的环境影响（3）温室效应大气中CO2的浓度增加，地表平均温度将上升，尤其在极地，结果可能导致海平面上升，将给许多国家造成严重的经济和社会影响。由于大量化石能源的燃烧，大气中CO2浓度不断增加。分布式发电技术导论能源概述§1.3.1常规能源的环境影响（4）其它影响若再考虑能源开采、运输和加工过程中的不良影响，则造成损失将更为严重。如煤炭开采会有人员伤亡和土地塌陷。核能的利用虽然不会产生上述污染物，但存在核废料问题。世界范围内的核能利用，将产生成千上万吨的核废料。如果不能妥善处理，放射性的危害或风险将持续几百年。分布式发电技术导论能源概述§1.3.2世界能源与环境问题世界人口从1900年到目前，净增加了2倍多，而能源消耗增加了16倍，说明人类对能源的依赖越来越强烈。目前化石能源在世界能源消费结构中所占的比重仍然很高。如果没有新的替代能源充分发展，按目前的消耗情况估算，21世纪人类又将面临着新的能源危机。另一方面，人类大量使用化石燃料，环境污染日益严重，生态平衡惨遭破坏，直接危及人类的生存和发展。分布式发电技术导论能源概述可持续发展联合国世界环境与发展委员会完成调查报告《我们共同的未来》，提出了可持续发展概念。这一概念及其构想在1992年联合国环境与发展大会上得到世界一百多个国家的认同。可持续发展就是“满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能力的发展”。分布式发电技术导论能源概述§1.4.1欧美新能源发展战略美国：2007年，布什总统签署新的能源法案，资助可再生能源的研究和开发。2009年，奥巴马政府提出能源新政，大力发展清洁能源，每年拨款……，鼓励可再生能源利用。§1.4新能源发展战略欧洲：1997年可再生能源发展白皮书。2000年能源安全绿皮书。2003生物液体燃料发展规划，2005年生物质能发展行动计划。2006建立欧洲可持续、可竞争、安全的能源战略绿皮书。分布式发电技术导论能源概述§1.4.2我国新能源发展战略1995年《电力法》明确宣布，国家鼓励和支持利用可再生能源和清洁能源来发电。强调指出，农村利用太阳能、风能、地热能、生物质能和其他能源进行农村电力建设，增加农村电力供应，将得到国家的支持和鼓励。1997年《节约能源法》再次肯定了新能源对于节能减排、改善环境的重要战略作用和地位。一些地方政府也制定并出台了关于新能源和可再生能源的法律、法规和条例。§1.4新能源发展战略分布式发电技术导论能源概述§