化学与能源

化学与能源能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。然而现有的不可再生能源已经被人类过度消费，21世纪，我们需要寻找新能源。地球还有多少矿物燃料石油、煤炭等这些当前人们使用的主要能源都不可再生。在当今世界，矿物燃料提供世界91%的一次商品能源，其中煤炭占28%，石油超过40%。在亚澳地区能源消费结构中，矿物燃料占93.5%，其中煤炭占48.3%，石油占37.3%，天然气占7.9%。然而，地球上矿物燃料的储量是有限的，而且已渐趋于枯竭。人类每年要燃烧40亿吨煤、25亿吨石油，并以每年3%的速度增长。科学家们估计，地球上的煤还可维持二、三百年，其它就只有五、六十年的用量了，包括核能原料铀。一旦石油能源耗尽，以石油化工为基础的三大合成材料：塑料、合成纤维、合成橡胶将退出历史舞台，这会严重影响人们的生活。而且，不加限制地消耗大量的煤和石油等燃料，也带来严重的负面影响，极大地污染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应、酸雨，引起疾病、农业减产等严重问题。因此，世界能源面临着新的转折，向石油等以外的能源物质转换。一次能源、二次能源一次能源：直接来自自然界的未经加工转换的能源，如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水力、风力、太阳能、地热能、海洋能等；二次能源：把一次能源直接或间接转化来的能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤气、电力、汽油、煤油、柴油等。可再生能源和不可再生能源一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源是指在生态循环中能不断再生的能源，具有天然的自我恢复的功能。风能、水能、海洋能、地热能、太阳能、草木燃料等都是可再生能源。而矿物燃料和核燃料难以再生，随着人类的使用而越来越少，最终将耗竭。传统能源和新能源常规能源——是指在目前科学技术条件下，已广泛使用的能源，如煤、油、气、电、水、柴草等；新能源——是指正在研究开发，可以利用的能源，太阳能、氢能、潮汐能、地热能、海洋能等。二者是相对的概念，核能在中国属新能源，在发达国家属常规能源。据专家测算，到2010年，我国一次性能源消费量将达到19亿吨标准煤，其中煤炭18亿吨，石油2.5-2.7亿吨，天然气600-1000亿立方米。而2010年，我国石油产量约1.6-2.1亿吨，天然气约516-713亿立方米，油气资源供需差距很大，需进口补缺。我国能源危机再据《中国能源战略研究(2000-2050)总报告》的预测：到2050年，我国人民生活水平要达到发达国家90年代初的水平，一次能源总需求量需要35-44亿吨标煤，而到2050年我国只能产石油4000-8000万吨，离预测的数字要差六、七亿吨。因此，我国能源供应前景存在着巨大的隐患。解决未来世纪的能源问题成为人类社会面临的头等大事。专家们一方面呼吁发展节能技术，另一方面，从能源系统的角度提出要开发使用新能源，减少或取代对能源矿产的依赖。发展能源新技术，使用清洁新能源专家们预测，以化石能为主的能源格局在相当长时期内还不会改变。特别是中国，一次商品能源以煤为主。因此发展能源矿产新技术，特别是洁净煤技术，减少环境污染，是我国和世界目前面临的重要战略任务。地球上的化石资源终究要枯竭，人们必须想办法寻找新能源。现在，世界上许多国家和地区都致力于用现代化的技术和新材料开发利用新能源和可再生能源，用来取代资源有限、对环境有污染的化石能源。水力是可再生能源中的首选，可以承担发电、灌溉、航运等多种任务。但是由于水资源受地理环境的影响而不稳定，因此利用规模有限。新能源介绍风能的威力也很巨大。据气象学家预测，世界上真正能被利用的风能总量至少有10亿千瓦，其中中国可利用的大约有3亿千瓦。到1992年，全世界风力发电装机达2700万千瓦。生物质是世界上最广泛的一种可再生能源。科学家估算，地球上每年光合作用生成的生物质约1440-1800亿吨，约等于现在世界能源消耗总量的10倍。人们用生物质产生沼气，供炊事照明用；用生物质制造乙醇甲醇，作汽车燃料等；高效生物质燃烧炉热效率可达85%。海洋也是人类使用不完的能源宝库。全世界海洋能的理论可再生总量约为766亿千瓦，现在技术上可以开发的起码有64亿千瓦。中国海洋能据估算可开发量约4.6亿千瓦。巨大的潮汐能、波浪能等均可用来发电，我国已建成1280千瓦时的潮汐电站。地热能资源也非常丰富。初步估算，全世界地热资源的总量约相当于4948亿吨标准煤。中国已查明地热储量相当于31.6亿吨标准煤。地热水可以用来采暖、农畜繁育、水产养殖、疗养旅游等，地热还可发电。广义的水能包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能指河流的水能资源。我国水能资源丰富，水能资源蕴藏量和可开发水能资源，在世界均居第一位。目前我国水能的利用率仅为13％。随着我国能源消耗大幅度增长，常规能源的消耗量越来越大。预计2010年我国大约需要进口1亿t石油。在这样的情势下，发展新能源就显得特别重要而紧迫。其次，发展水电也是环境保护的需要。与热力发电和核能发电相比，水力发电不排放有害的气体、烟尘和灰渣，又没有核辐射污染，是一种清洁的电力生产，具有明显的优势。再次，水力发电经过一个多世纪的发展，其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术于完善，单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉，运行的可靠性高，故其发展极为迅速。我国水能资源的突出特点是河流的河道陡峻，落差巨大，长江、黄河、雅鲁藏布江、澜沧江、怒江等，天然落差都高达5000m左右，这是其他国家所没有的。充分了解我国水能资源的特点，才能在开发过程中因地制宜，合理地充分地利用水能资源。我国水电开发现状：到2000年底，全国规模超过1000MW已建和在建的大水电站（不包括蓄能电站）已有18座。风能风能就是空气的动能。风的能量是由太阳辐射能转化来的。风能的大小决定于风速和空气的密度。大气由气压高的地方向气压低的地方流动。氢和氢能都不是新事物，约150年前，氢获得工业应用。在使用天然气之前，人们就用所谓的城市瓦斯来取暖、做饭或道路照明。那种瓦斯含氢达70%。我国在推广天然气之前，广泛使用的由煤制取的城市煤气中，氢含量高达50%以上。氢能氢气无污染，来源广泛，热值高等优点，缺点是制取成本太高和贮存困难，暂时不能广泛使用。氢能被认为是人类最理想、最长远的能源。作为氢气载体的贮氢合金的研究开发及其产业化是世界性关注的课题。贮氢合金是一种特种金属功能材料，用贮氢合金制作的镍氢电池是一种清洁、高效的绿色能源。我国镍和稀土储量丰富，发展贮氢合金具有资源优势，产业化发展前景乐观。目前上海的一种只以氢和空气为动力的旅游观光车已能实现零污染排放，安全性能好。生物制氢技术与传统的物理化学方法相比，生物制氢具有节能、可再生和不消耗矿物资源等许多突出的优点，在氢生产及其应用技术研究开发中的地位也越来越显著。生物质能生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种可再生能源。从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。生物质液化将固体生物质转化为液体燃料，称为生物质液化。它包括间接液化和直接液化两种。间接液化如乙醇（酒精）、甲醇；直接液化如棉籽油等植物油。生物质汽化将固体生物质转化为气体燃料，称为生物质汽化。其原理是碳在不充分燃烧时，产生出一氧化碳，即煤气。人们故意不给汽化炉足够的空气，让含碳物质不充分燃烧，“焖”出一氧化碳来。沼气利用技术1776年，沃尔塔发现沼泽地里腐烂的生物质发酵，从水底冒出气泡，分析其成分为甲烷和二氧化碳等。1781年，穆拉发明人工沼气发生器。如今全世界约有农村家用沼气池530万个，中国占了92％。农村沼气池的主要填料是猪粪、秸秆、污泥和水等。过时数据全国农村户用沼气已达3050万户，年生产沼气122亿m3，生产沼肥3.85亿吨，相当于替代1850万吨标准煤，减少排放4500万吨CO2，替代薪材相当于1.1亿亩林地蓄积量，每年直接增收节支150亿元。海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐能源世界上的潮汐能约有10亿多万千瓦，如能充分利用，每年可生产124×106亿度电。这些潮汐能主要集中在浅海和狭窄海湾地带，深海大洋的潮汐能都不大。我国的潮汐能约有1.1亿千瓦，可利用装机容量约3500万千瓦（相当于1980年全国总发电量的1/3），每年可发电900亿度。浙江、福建海岸线曲折，潮差较大，潮汐能占全国的80%，浙江省的潮汐能蕴藏量约1000万千瓦。波浪能源海浪对海岸的冲击力每平方米可达20-30t，大的可达60t。巨大的海浪可以把13t重的岩石抛到20m高处，能把1700t重的岩石翻转，能把万吨轮推到岸上去。据计算，海浪每秒钟在1平方公里的海面上就能产生20万千瓦的能量，全世界波浪能约为10-100亿千瓦。波浪发电就是利用波浪的垂直运动来推动装有活塞的浮标，由活塞与浮标的相对运动所产生的压缩空气，就可以推动涡轮机发电了。1965年，日本研究成功小型波浪发电装置，其功率60W或120W，已推广应用到航标，灯塔和观测浮标上。我国近海波浪能丰富，估计波浪能蕴藏量可达1.5亿千瓦，可利用装机容量为3000-5000万千瓦。地热能是来自地球深处的可再生？热能。它源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。通过钻井，地热能可以从储层引入房间、温室和发电站。地热能的储量相当大。不过，因分布分散，开发难度大。如果不是地球把地热能集中在某些地区，以目前的技术水平是无法将其作为一种能源来使用的。新型燃料水煤浆水煤浆是八十年代初出现的一种煤基清洁燃料。它由70%左右的煤，30%水及少量化学添加剂制成，是一种浆体燃料，可以像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧，其热值相当于燃料油的一半，具有燃烧效率高、负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件、节省用煤等优点。21世纪的主要能源——太阳能地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能。没有太阳能，就不会有人类的一切。利用太阳能的三种方法：使太阳能转换成电能，如太阳能电池；使太阳能转变成热能，如太阳能热水器等；使太阳能转变成化学能，如太阳能发动机等。英国研制成功一种太阳能冰箱有九块吸热板，晴天时它可以向冰箱的蓄电池充电，一天的充电量足够冰箱使用五天。瑞士发明了一种太阳能热水瓶，仅重400克，通过装在瓶底部的像镜子似的折叠铝叶板吸收太阳能，用来烧开水。有阳光时，烧一瓶水仅需要半小时左右。我国幅员辽阔，有着得天独厚的太阳能资源，全国大部分省市地区的年日照时间平均可达2000小时以上。太阳每年投射到我国广大国土上的能量，约有一亿亿千瓦时，差不多相当于20000亿吨标准煤所具有的能量。真正到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全世界所有电站发电能力总和的20万倍。地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的200倍。太阳能具有独特的优点：1.它没有矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境。2.到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。3.成本低廉，可以再生。21世纪主要能源核聚变能化石燃料资源有限，污染环境，有温室效应。新能源开发中比较现实的是核能。专家预测，21世纪中后期，核聚变能可能成为核能新秀。核能的释放，通常有两种形式，一种是重核的裂变；另一种是轻核的聚变。理论和实践都证明，轻核聚变比重核裂变释放出的能量要大得多。受控核聚变比受控核裂变要困难得多、复杂得多，因为它必须具备以下3个条件：(1)足够高的点火温度，需要几千万甚至几亿摄氏度的高温；(2)反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；(3)充分约束，能量的约束时间要超过1秒钟。核聚变发电与核裂变发电相比，具有许多优点：1.聚变能比裂变能要大好多倍，30毫克的氘通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量；2.资源蕴藏丰富，核裂变使用的铀，探明储量仅够使用100年，而核聚变用的燃料是海水中的