【中科院研究生院能源化学与化工课件】能源概述2014-09

00:51能源化学与化工中国科学院大学化学与化学工程学院崔丽杰Email:[e-mail]科研楼西32500:51本课内容：第一章能源概述第二章煤化工第三章生物质能源第四章新能源概论第五章石油天然气化工00:511．袁权等，《能源化学进展》，化学工业出版社，北京，2005.2．苏亚欣等编著，《新能源与可再生能源概论》，化学工业出版社，北京，2006.3．李传统，《新能源与可再生能源技术》，东南大学出版社，南京，2005.4．谢克昌等，《煤化工发展与规划》，化学工业出版社，北京，2005.5．翟秀静等编著，《新能源技术》，化学工业出版社，北京，2005.6．刘荣厚等编著，《生物质热化学转换技术》，化学工业出版社，北京，2005.7．樊栓狮编著，《天然气水合物储存与运输技术》，化学工业出版社，北京，2005.主要参考书：00:518．赖向军，戴林编著，《石油与天然气－机遇与挑战》，化学工业出版社，北京，2005.9．毛宗强编著，《氢能－21世纪的绿色能源》，化学工业出版社，北京，2006.10．毛宗强等编著，《燃料电池》，化学工业出版社，北京，2005.11．史仲平，华兆哲译，《生物质和生物质能源手册》，化学工业出版社，北京，2007.12．“十五”国家高技术发展计划能源领域专家委员会，《能源发展战略研究》，化学工业出版社，北京，2004.13．中国科学院能源战略研究组编，《中国能源可持续发展战略－专题研究》，科学出版社，北京，2006.00:51第一章能源概述§1.1能源的概念§1.2人类利用能源的历史和未来§1.3能源现状及发展趋势00:51§1.1能源的概念一、能源的定义能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源（《科学技术百科全书》）；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（《大英百科全书》）；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（《日本大百科全书》）；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。（《能源百科全书》）确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。00:51二、能源分类能源家族从不同的角度可以划分不同的成员，按其来源可分为四类：第一类是来自地球以外与太阳能有关的能源；第二类是与地球内部的热能有关的能源；第三类是与核反应有关的能源；第四类是与地球－月球－太阳相互联系有关的能源。从其产生的方式可分为一次能源和二次能源。一次能源是指可以从自然界直接获取的能源。其中煤炭、石油和天然气是千百万年前理在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，又称为化石能源，它们是当今世界中一次能源的三大支柱，构成了全球能源家族结构的基本框架。一次能源中还包括水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。二次能源是指无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。电能是最主要的二次能源。从能源是否可再利用的角度可分为可再生能源和不可再生能源。00:51图1能源分类00:51氢能氢气作为燃料释放的化学能00:51沼气能源沼气发酵又叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气00:51燃料电池燃料电池发电系统燃料电池汽车燃料电池（FC）是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地（50-70％）、环境友好地转化为电能的发电装置。00:51可燃冰天然气水合物外观像冰雪，可以象酒精块一样被点燃，所以也叫“可燃冰”。00:51§1.2人类利用能源的历史和未来一、火的使用(薪柴时期）人类用火，始于运城市芮城县183万年前的西侯度人，火对人类体质和大脑的发育起到了至关重要的作用。从保存自然火种，到若干万年后钻木取火、撞击燧石取火，开创了中华民族取火用火的先河。火的使用，堪称人类划时代的创举。00:51人类以薪柴等生物能作为主要能源经历了漫长的过程。虽然煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始，但直到18世纪中后期（60年代），世界能源消费结构才转到以煤炭为主。人类学会了将热能转换为机械能，发明了蒸汽机，引起了近代史上的第一次技术革命，推动了人类历史进入工业社会，并促使能源消费结构发生了一次历史性的转变。第一次世界大战前后，煤产量达到高峰。1913年，英国产煤292Mt，为历史最高水平;世界煤产量为1320Mt，占世界一次能源总产量的92.2％。煤炭无论是对于重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。这段时间称为“煤炭时代”二、煤炭时期00:51三、石油的天地1950～1973年，是石油的黄金时代，煤炭在世界能源系统中的地位迅速下降，1966年被石油超过而退居第二位。这一年石油在一次能源消费结构中的比例达到40.4％，而煤炭所占比例下降到38.8％。石油需求的增长和石油贸易的扩大起因于石油在工业生产中的大规模使用。一战以前，石油主要被用于照明，主要产油国美国和俄罗斯同时也是主要的消费国。在一战中，石油的战略价值已初步显现出来，由于石油燃烧效能高，轻便，对于军队战斗力的提高具有重大战略意义。20世纪20年代，由于石油成为内燃机的动力，石油需求和贸易迅速扩大。到20世纪30年代末，美、苏成为主要的石油出口国，石油国际贸易开始在全球能源贸易中占据显要位置，推动了能源国际贸易的迅速增长，并动摇了煤炭在国际能源市场中的主体地位。二战期间，石油的地位举足轻重。美国在二战期间成为盟国的主要能源供应者。二战后，美国一度掌握世界原油产量的2/3。石油成为美国建立世界霸权道路上的重要助推剂。石油和天然气取代煤炭，虽为世界普遍趋势，但各国情况有所不同，这一转变在美国发生较早，其他发达国家一般是在50年代～60年代，而在发展中国家，如我国和印度等国，现仍以煤炭为主要燃料。00:51四、能源的未来目前世界一次能源消费结构中仍有石油为首位。由于天然气及水电、核能以及其他再生能源的兴起，人类社会目前正处在新的能源转变的过程中。有关能源的未来：说法一：1973年-1974年和1979年两次世界石油危机相继发生后，石油的黄金时代逐渐终结，而新能源由于技术等原因还未能大量应用，煤炭又可能作为代替石油的重要能源，重居世界能源的主要地位。所以，最近国际能源界把煤炭称为“通向世界未来的桥梁”，世界煤炭重新出现兴旺的势头，煤炭产量自1975年以来大幅度增长。近年来，世界各国“摆脱石油、转向煤炭”的呼声愈来愈高，主要产煤国的煤产量增长很快。说法二：石油时代不仅远未过去，而且天然气的大规模开发和利用又进一步延长了石油天然气时代。即使将来石油天然气资源接近于枯竭，人类也不会回到原来的煤炭时代，而只能用更清洁、更高效、更方便的能源来替代。可以看出，油气取代煤炭是人类利用能源发展史上的一种过程、一种趋势、一种规律。世界上还没有几个国家能抗拒这种消费变化规律。00:51§1.3世界能源现状和发展趋势一、世界能源消费现状及特点过去30年来，世界能源消费量年均增长率为1.8％左右。1.随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。00:51表2一次能源消费量00:51表2续00:51表3按燃料划分的消费量2007年00:51表3续00:51表3续BPStatisticalReviewofWorldEnergy2012©BP2012PrimaryenergyworldconsumptionMilliontonnesoilequivalentBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Primaryenergyregionalconsumptionpattern2012PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Primaryenergyconsumptionpercapita2012TonnesoilequivalentBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Fossilfuelreserves-to-production(R/P)ratiosYears00:5100:512.世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家3．世界能源消费结构趋向优质化,但地区差异仍然很大4．世界能源资源仍比较丰富．但能源贸易及运输压力增大储采比是指国内石油剩余可采储量与当年采储量之比，即目前石油剩余可采储量可供消费的时间。石油00:51表4世界石油探明储量00:51表4续BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Oilreserves-to-production(R/P)ratiosYears2012byregionHistory00:5100:51BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Distributionofprovedoilreservesin1992,2002and2012PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Oilproduction/consumptionbyregionMillionbarrelsdailyProductionbyregionConsumptionbyregionBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Oilconsumptionpercapita2012TonnesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013OilproductconsumptionbyregionMillionbarrelsdailyLightdistillatesMiddledistillatesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013OilproductconsumptionbyregionMillionbarrelsdailyFueloilOthersBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Source:PlattsRotterdam&GulfCoastproductpricesUSdollarsperbarrelRotterdamproductpricesUSGulfCoastproductpricesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Crudeoilprices1861-2012USdollarsperbarrel,worldeventsBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013OilrefineryutilizationPercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013RegionaloilrefiningmarginsUSdollarsperbarrelBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Majoroiltrademovements2012Tradeflowsworldwide(milliontonnes)天然气00:5100:51BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013©BP2013Gasreserves-to-production(R/P)ratiosYears2012byregi