能源概论__第一章 能源概述

能源概论陶红歌[e-mail]河南农业大学机电工程学院2012.09陶红歌[e-mail]河南农业大学机电工程学院15838027922•能源是国民经济的支柱；希望本课程的开设能够有助于促进学生了解能源利用现状和发展方向；在今后的科研与工作中能够正确把握行业发展方向。•本课程以基本能源常识为背景，结合工程热力学等基础理论知识，希望有助于学生理论联系实际，深入了解能源领域的基本理论与专业知识。课程开设目的与特点2020/2/142课程内容介绍•能源概述：—能源的分类与评价、能源与人类文明、能源资源生产与消费、能源与环境、能源的可持续发展•能量的转换与储存：—能量转换的基本原理、化学能转换为热能、热能转换为机械能或电能、能量的传输、能量的储存；课程内容介绍•常规能源：—煤炭、石油、天然气、水能、二次能源；•新能源—核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能课程内容介绍•节能—节能概述、节约热能、节约煤炭、节约用油、节约用电•能源系统工程—概述、能源系统工程的基本方法、能源系统的预测和规划、能源管理及信息系统教材《能源概论》，黄素逸、高伟编著。北京：高等教育出版社，2004参考书目《新能源概论》，王革华，艾德生。北京：化学工业出版社，2006《可再生能源开发技术》，保罗•克留格尔著，朱红译。北京：科学出版社，2007《可再生能源概论》，左然，等。北京：机械工业出版社，2007《能源与节能技术》，周鸿昌。上海：同济大学出版社，1996教材与参考书目2020/2/146•平时成绩30%•课程考试70%考核方法2020/2/147中国能源科技与可持续发展2020/2/14821世纪前半叶中国的社会经济发展目标：（1）2020年，中国的GDP（grossdomesticproduct）将要比2000年翻两番；（国家统计局数据显示，2000年中国人均GDP为7078元，按当年汇率折算为约856美元。如果2020年实现翻两番，人均GDP将达到3500美元左右。）（2）2050年前后，人均GDP将达10,000美元（中等发达国家水平）。2020/2/149一、背景中国2011年能源消费总量升至34.8亿吨标准煤。其中，煤炭消费量增长9.7%，原油消费量增长2.7%，天然气消费量增长12%。2020/2/14102011年我国能源状况热当量标准：1桶原油＝5800立方英尺天然气（按平均热值计算）1千克原油＝1.4286千克标准煤1立方米天然气＝1.330千克标准煤针对中国的能源消费量，不同统计机构的结论：•国际能源机构(IEA)曾统计，2009年中国就超过美国成为第一大能源消费国；•英国石油(BP)统计显示，2010年中国超过美国成第一大能源消费国。•《2012中国能源发展报告》显示，位于世界能源消费总量第一位的是美国，中国仍居第二。2010、2011年世界能源消耗1234567891011121313个国家总的能源消耗：121.8亿吨标准煤。•工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过度。•为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上。2020/2/1413世界能源发展趋势2020/2/1414世界能源发展趋势（续）化石燃料的峰值在2030年左右；2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半•人均能源消费量与人均GDP的增长有很强的相关性•从世界范围看，人均GDP达1万美元（中等发达国家水平）以前，人均能源消费量增长较快（约为4吨标煤/人），其后增长变缓。•在人均GDP达1万美元阶段，日本人均能源消费量为4.25吨标煤（1980年），韩国为4.07吨标煤（1997年），而美国为8吨标煤（1960年）2020/2/1415世界能源发展趋势（续）2020/2/14162020年，我国一次能源需求值在25~33亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤。煤炭：21~29亿吨石油：4.5~6.1亿吨天然气：1400~1600亿立方米发电装机容量：8.6~9.5亿千瓦2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3吨标煤以上，能源需求总量约为50亿吨标煤。2020/2/1417二、需求预测•《2012中国能源发展报告》显示，中国的人均能源消费量为2.59吨标准煤，仅仅达到了世界平均水平。•我国目前能源供需矛盾尖锐，结构不合理，能源利用效率低；•一次能源消费以煤为主，化石能源的大量消费造成严重的环境污染。•今后10多年，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。2020/2/1419三、面临的挑战•我国正面临着重化工业新一轮增长，国际制造业转移以及城市化进程加速的新情况，经济发展对能源的依赖度增大，能源翻一番保GDP翻两番的任务艰巨。1、能源供需矛盾突出我国人均能源可采储量远低于世界平均水平石油2.6吨，天然气1074立方米，煤炭90吨，分别为世界平均值的11.1%，4.3%，55.4%。我国1999年左右时人均能源消费约为1吨标煤，世界平均值为2.1吨标煤，美国11.7吨标煤，OECD国家6.8吨标煤。2020/2/1421到2050年，我国能源供应将面临更为严峻的挑战，国内常规能源难以满足需求的增长。2、能源安全，尤其是石油安全问题凸现到2020年，我国石油消费量将为4.5~6.1亿吨，届时国内石油产量为1.8~2亿吨，对外依存度将达60%。2020/2/14233、能源利用率低节能潜力大但任务艰巨我国能源效率约为31.4%，与先进国家相差10个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国家高出30%以上。2020/2/14244、环境污染严重，可持续发展面临较大压力•从环境容量看，二氧化硫为1620万吨，氮氧化物为1880万吨，到2020年，如不采取措施，两者的排放将分别达到4000万吨和3500万吨。•我国CO2排放量已居世界第2位，减排CO2的任务十分艰巨。2020/2/1425《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006~2020）能源为重点领域首位，发展思路：（1）坚持节能优先，降低能耗；（2）推进能源结构多元化；（3）促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染；（4）加强对能源装备引进技术的消化、吸收和再创新；（5）提高能源区域优化配置的技术能力。2020/2/1426四、能源可持续发展战略工业节能重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输等主要高耗能领域的节能技术与装备，机电产品节能技术，高效节能、长寿命的半导体照明产品，能源梯级综合利用技术。2020/2/1427优先主题（1）优先主题（1）工业部门：采用先进的节能技术、工艺及设备，到2020年节能潜力约1.5~2亿吨标煤；交通领域：推广节油新技术，开发新型高效汽车，实施车辆油耗限制标准等，到2020年节油潜力约7000万吨；建筑领域：开发和推广新型建材和建筑节能综合技术，实施强化建筑节能标准等，到2020年节能潜力约1.6亿吨标煤。煤的清洁高效开发利用、液化及多联产重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备，重型燃气轮机，整体煤气化联合循环（IGCC），高参数超超临界机组，超临界大型循环流化床等高效发电技术与装备，大力开发煤液化以及煤气化、煤化工等转化技术，以煤气化为基础的多联产系统技术，燃煤污染物综合控制和利用的技术与装备等。2020/2/1429优先主题（2）复杂地质油气资源勘探开发利用重点开发复杂环境与岩性地层类油气资源勘探技术，大规模低品位油气资源高效开发技术，大幅度提高老油田采收率的技术，深层油气资源勘探开采技术。重大专项：大型油气田及煤层气开发2020/2/1430优先主题（3）可再生能源低成本规模化利用重点研究开发大型风力发电设备，沿海与陆地风电场与西部风能资源密集区建设技术与装备，高性价比太阳光伏电池及利用技术，太阳能热发电技术，太阳能建筑一体化技术，生物质和地热等开发利用技术。2020/2/1431优先主题（4）优先主题（4）---近期，重点发展风力发电，生物质能和太阳能建筑一体化技术2020年：实现装机2000万KW（占发电量的1%）（我国有风电资源约10亿kW（陆上2.5亿kW，海上7.5亿kW））2020年：生物质发电和生物质液化利用达到0.5亿吨标煤。（我国有生物质能资源4.5亿吨标煤）---长远，太阳能光伏发电发展潜力巨大，有可能成为满足未来我国能源增长的战略性能源技术国际预测，到2020年，太阳能电池组件价格将从每瓦3.5美元降到1~1.5美元，发电成本约为每度6~8美分。我国太阳能资源十分巨大，可利用广阔戈壁地区发展太阳能规模化发电2020/2/1433超大规模输配电和电网安全保障重点研究开发大容量远距离直流输电技术和特高压交流输电技术与装备，间隙式电源并网及输配技术，电能质量监测与控制技术，大规模互联电网的安全保障技术，西电东输工程的重大关键技术，电网调度自动化技术，高效配电和供电管理信息技术和系统。2020/2/1434优先主题（5）氢能及燃料电池技术重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氢技术，经济高效氢储存和输配技术，燃料电池基础关键部件制备和电堆集成技术，燃料电池发电及车用动力系统集成技术，形成氢能和燃料电池技术规范与标准。2020/2/1435前沿技术前沿技术分布式供能技术分布式供能系统是为终端用户提供灵活、节能型的综合能源服务的重要途径。重点突破基于化石能源的微小型燃气轮机及新型热力循环等终端的能源转换技术、储能技术、热电冷系统综合技术，形成基于可再生能源和化石能源互补、微小型燃气轮机与燃料电池混合的分布式终端能源供给系统。快中子堆技术快中子堆是由快中子引起原子核裂变链式反应，并可实现核燃料增殖的核反应堆，能够使铀资源得到充分利用，还能处理热堆核电站生产的长寿命放射性废弃物。研究并掌握快堆设计及核心技术，相关核燃料和结构材料技术，突破钠循环等关键技术，建成65MW实验快堆，实现临界及并网发电。2020/2/1437前沿技术磁约束核聚变以参加国际热核聚变实验反应堆的建设和研究为契机，重点研究大型超导磁铁技术、微波加热和驱动技术、中性束注入加热技术、包层技术、氚的大规模实时分离提纯技术、偏滤器技术、数值模拟、等离子体控制和诊断技术、示范堆所需关键材料技术，以及深化高温等离子体物理研究和某些以能源为目标的非托克马克途径的探索研究。2020/2/1438前沿技术能源的分类与评价能源的分类•所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。•自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。•为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。能源的分类•由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下六种不同的分类方法：（1）按地球上的能量来源分；（2）按被利用的程度分；（3）按获得的方法分；（4）按能否再生分；（5）按能源本身的性质分；（6）按对环境的污染情况分。按地球上的能量来源分•来自于地球本身：如核能、地热能等；•来自于地球外天体：如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；•来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。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、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，是高品质的能源。按能源能否再生分•可再生能源：即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，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。按能源本身的性质分•含能体能源（燃料能源）：如石油、煤、天然气、氢等，它们可以直接