下一百年的能源課件

大綱能源的基本性人類社會(huì)的能源問(wèn)題能源現(xiàn)狀與困境新能源核能，聚變，燃料循環(huán)蓄能技術(shù)一百年內(nèi)能源預(yù)測(cè)1大綱能源的基本性12能源的基本性相關(guān)概念：能量，時(shí)間，物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)，負(fù)熵，演化，進(jìn)化，發(fā)展……能量是一切變化的基礎(chǔ)，沒(méi)有能量（能源）就沒(méi)有時(shí)間從大爆炸到地球從最簡(jiǎn)單的生物到人類從原始社會(huì)到現(xiàn)代社會(huì)生物進(jìn)化史和社會(huì)發(fā)展史就是能源利用史。從低等生物到高等生物，從原始社會(huì)到現(xiàn)代社會(huì)，雖然能量利用效率不斷提高，但比能量消耗越來(lái)越大。對(duì)于人類社會(huì)，能源消耗總量剛性增加。電力彈性系數(shù)（電力/GDP）一般大于12能源的基本性相關(guān)概念：能量，時(shí)間，物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)，負(fù)熵，演化，人類的生物進(jìn)化史和社會(huì)進(jìn)化史都是能源消耗增加史3人類的生物進(jìn)化史和社會(huì)進(jìn)化史都是能源消耗增加史3世界能源需求（百萬(wàn)噸石油）4世界能源需求（百萬(wàn)噸石油）4二氧化碳排放5二氧化碳排放5能源困境如果沒(méi)有大的變化（政策，技術(shù)，能源消耗模式），到2030年，總能量消耗在2019年基礎(chǔ)上增加45%，化石燃料仍然占80%。到2030年，全球氣溫將升高6度。海平面上升，極端氣候頻繁大量發(fā)展中國(guó)家不太可能得到大規(guī)模先進(jìn)能源供應(yīng)。能源枯竭，社會(huì)動(dòng)亂國(guó)際爭(zhēng)端加劇6能源困境如果沒(méi)有大的變化（政策，技術(shù)，能源消耗模式），到20中國(guó)能源問(wèn)題非常嚴(yán)重煤比重過(guò)大，消耗量占全世界40%，最大煤炭消費(fèi)國(guó)發(fā)電量增加很快。每年一個(gè)法國(guó)，其中90%來(lái)自燃煤環(huán)境污染嚴(yán)重，國(guó)際壓力很大。京都議定書約定發(fā)達(dá)國(guó)家到2019年減少的CO2排放量不足中國(guó)同期增加的零頭石油儲(chǔ)量?jī)H可開(kāi)采18年，煤147年人口眾多，城市化，現(xiàn)代化（家電，交通），工業(yè)用電，人均消耗增加更快能源是國(guó)家重大戰(zhàn)略問(wèn)題，必須很快找到大規(guī)模，安全（技術(shù)與戰(zhàn)略）的替代能源7中國(guó)能源問(wèn)題非常嚴(yán)重788地球能量平衡地球能量平衡9中國(guó)初級(jí)能源類型10中國(guó)初級(jí)能源類型10未來(lái)聚變能世界初級(jí)能源比例未來(lái)聚變能世界初級(jí)能源比例11新能源12新能源12地球每年能源總量能源類型總量（1018J）吸收的太陽(yáng)能3，850，000風(fēng)能2，250生物能3，000人類使用的初級(jí)能源（2019）487人類使用的電能（2019）56.7鈾和釷自然裂變能12，000地球黑體輻射能（288K，地表，黑體）6，307，00013地球每年能源總量能源類型總量（1018J）吸收的太陽(yáng)能3，8可再生能源可再生能源14太陽(yáng)能總量巨大，約為目前人類利用所有能源的5000倍，是地球上幾乎所有生命活動(dòng)的能量來(lái)源，但只占太陽(yáng)總輻射能量的20億分之一密度也不小，全球平均340W/m2，海平面直曬大約1000W/m2，但地面平均僅為200～300，西藏也只有400有效利用方式：制熱（太陽(yáng)灶，熱水器）發(fā)電：熱機(jī)（蒸汽渦輪，斯特林熱機(jī)）光伏，效率低，有效利用時(shí)間短，必須經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能過(guò)程（蓄電池，逆變）局部偏遠(yuǎn)地區(qū)以及有錢環(huán)保人士使用缺點(diǎn)：不穩(wěn)定，能量密度低（光伏發(fā)電平均僅為每平方米數(shù)十瓦），占地，建設(shè)和維護(hù)成本都高優(yōu)點(diǎn)：多種利用方式，曬鹽，殺菌，供暖，制冷，照明，農(nóng)業(yè)太陽(yáng)能總量巨大，約為目前人類利用所有能源的5000倍，是地球15德國(guó)的太陽(yáng)能抽水蓄能系統(tǒng)德國(guó)的太陽(yáng)能抽水蓄能系統(tǒng)16太陽(yáng)能命題現(xiàn)在市場(chǎng)上可以買到的太陽(yáng)能板的平均功率(包括天氣，晝夜等因素）是：40W/m^2.

目前世界能源的消耗是：14TW(1TW=1.0E12W).

如果都用太陽(yáng)能板需要：14E12/40m^2=35萬(wàn)平方公里.

考慮到結(jié)構(gòu)，間隔，和輔助設(shè)備：總用地在50萬(wàn)平方公里左右，即中國(guó)面積的5%，世界

總耕地面積的３％。

世界總農(nóng)業(yè)耕地面積為：1500萬(wàn)平方公里

太陽(yáng)能命題現(xiàn)在市場(chǎng)上可以買到的太陽(yáng)能板的平均功率(包括天氣，17全部使用太陽(yáng)能需要的資源40W/m^2.是太陽(yáng)能板正對(duì)太陽(yáng)時(shí)的發(fā)電量，占地面積是面板面積除以面板與地面夾角的余弦，再考慮太陽(yáng)可利用時(shí)間，這個(gè)占地面積我相信對(duì)于美國(guó)的緯度，應(yīng)該在100萬(wàn)平方公里左右，否則發(fā)電時(shí)間有限制。這個(gè)40W/m^2也不是太陽(yáng)能板的發(fā)電能力，要發(fā)40W/m^2的電，太陽(yáng)能板的銘牌功率至少需要200W/m^2。

按照50萬(wàn)平方公里計(jì)算，如果每平方米的太陽(yáng)能面板，金屬支架，控制轉(zhuǎn)向裝置總重100公斤，50萬(wàn)平方公里需要500億噸材料，大部分將是鋼鐵，比如300億噸，是全世界鋼鐵年總產(chǎn)量的20多倍，單晶硅需要量如果是10億噸，則是全世界單晶硅生產(chǎn)能力的10萬(wàn)倍，全部硅生產(chǎn)能力的1000倍。對(duì)于鋼鐵，還有資源量的問(wèn)題。2019年全球太陽(yáng)能板總產(chǎn)量不到7GW，用15TW除以它再乘以200/40，需要1萬(wàn)多年才能生產(chǎn)出來(lái)，就算再增大10倍生產(chǎn)力，也要1000年。

美國(guó)現(xiàn)在的發(fā)電裝機(jī)容量是1TW，如果要讓美國(guó)白天發(fā)的電，晚上能用，不考慮天氣影

響，至少需要1TWx12小時(shí)的蓄電能力，目前最經(jīng)濟(jì)的蓄電手段仍然是鉛酸蓄電池，1TWx12小時(shí)等于4.3x10^5TJ，需要鉛酸蓄電池3億噸，是全球鉛酸蓄電池生產(chǎn)能力的200倍。

全部使用太陽(yáng)能需要的資源40W/m^2.是太陽(yáng)能板正對(duì)太18塵埃沉積“如果每平方米范圍內(nèi)落下了一層4克重的塵埃，則會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能效率下降40%。在亞利桑那州，每個(gè)月沉積下來(lái)的塵埃則四倍于上述的塵埃量。在澳大利亞、中東以及印度等地，塵埃沉積率則更高”塵埃沉積“如果每平方米范圍內(nèi)落下了一層4克重的塵埃，則會(huì)導(dǎo)致19風(fēng)能與人類活動(dòng)所需能源相比，總量很大美國(guó)大陸48州風(fēng)力資源100億千瓦（現(xiàn)所有電力裝機(jī)10億千瓦，中國(guó)8億千瓦）中國(guó)的風(fēng)力資源數(shù)據(jù)很搞笑（2019，2.53億，2009，22億），除了國(guó)內(nèi)，沒(méi)有任何國(guó)際組織引用。密度也不小，主要資源區(qū)大于1千瓦/m2缺點(diǎn)：實(shí)際發(fā)電量是名義裝機(jī)容量的20～35%，不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)影響大，對(duì)蓄能總量要求太高中國(guó)風(fēng)力調(diào)度能力很強(qiáng)風(fēng)能與人類活動(dòng)所需能源相比，總量很大20下一百年的能源精品課件21風(fēng)力電機(jī)功率-風(fēng)速曲線風(fēng)力電機(jī)功率-風(fēng)速曲線22生物質(zhì)能量不小，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)不實(shí)用，除非是為了消耗，比如陳糧利用秸稈利用（造紙，發(fā)電）因?yàn)樘?yáng)能到生物能轉(zhuǎn)換效率非常低，再轉(zhuǎn)換成燃料還要付出能量及生產(chǎn)成本占用大量土地，不減少排放，影響糧食安全生物質(zhì)能量不小，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)不實(shí)用，除非是為了消耗，比如陳糧利23其它潮汐能：資源量小，能量密度低，局部地區(qū)可以利用地?zé)幔汗┡凸┧诲e(cuò)，供電會(huì)逐年遞減，資源地地質(zhì)不穩(wěn)定。如果有深層地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)技術(shù)出現(xiàn)（有助于防止超級(jí)火山爆發(fā)），總開(kāi)發(fā)量可能大量出現(xiàn)水力：也算傳統(tǒng)能源，有季節(jié)性，滿負(fù)荷出力時(shí)間有限其它潮汐能：資源量小，能量密度低，局部地區(qū)可以利用24裂變核能與一般的看法相反，資源非常豐富，裂變核能對(duì)我們的影響很大。如果地球上鈾和釷的豐度與地殼相同，鈾加釷總量大約為1017噸。板塊運(yùn)動(dòng)，火山，地震，造山運(yùn)動(dòng)的主要能量來(lái)源地球形成以來(lái)，共有約1017噸鈾和釷已衰變，共釋放1.7×1032J，平均功率為1.2×1015W，地球受太陽(yáng)照射總功率1.74×1017W（包括被反射的30%）。目前鈾和釷的自然衰變功率還有約4×1014W礦產(chǎn)資源量：130USD/kg下是550萬(wàn)噸。海洋中有100億噸，目前提取成本不到300

USD/kg，國(guó)際市場(chǎng)上鈾價(jià)格約100美元一公斤作為能源，與常規(guī)能源相比，鈾的價(jià)格非常低（煤約100美元一噸，一公斤鈾熱值相當(dāng)于3千噸煤）如果完成燃料循環(huán)，所有能源有核能提供，全球每年所需鈾或釷不到1萬(wàn)噸25裂變核能與一般的看法相反，資源非常豐富，裂變核能對(duì)我們的影響裂變?nèi)剂蟽r(jià)格世界鈾年產(chǎn)量約4萬(wàn)噸，共有貧鈾存量約100萬(wàn)噸?，F(xiàn)貨價(jià)格不到100USD/kg。產(chǎn)量最高的國(guó)家是哈薩克斯坦，1萬(wàn)余噸/年。26裂變?nèi)剂蟽r(jià)格世界鈾年產(chǎn)量約4萬(wàn)噸，共有貧鈾存量約100萬(wàn)噸。傳統(tǒng)核能利用的問(wèn)題裂變堆，燃料利用率低（1%），高增殖快中子堆尚未實(shí)現(xiàn)商用。必須進(jìn)行乏燃料后處理，燃料增殖原料要濃縮，成本很高廢料難以安全處理本質(zhì)的安全問(wèn)題：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是正反饋的，工作在臨界狀態(tài)，需要機(jī)械裝置精確控制反應(yīng)速度，安全由裝置的可靠性保證。到2020年，中國(guó)要建近100坐新反應(yīng)堆，將帶來(lái)很大的安全問(wèn)題沒(méi)有任何核反應(yīng)堆是絕對(duì)安全的，特別是在故意破壞和軍事打擊之下。切爾諾貝利級(jí)別的事故將疏散一個(gè)省，百年內(nèi)這片土地不能使用解決方案：增殖或聚變驅(qū)動(dòng)（混合堆）27傳統(tǒng)核能利用的問(wèn)題裂變堆，燃料利用率低（1%），高增殖快中子聚變現(xiàn)有方案非常困難，100年之后磁約束裝置龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)能量密度低，ITER僅500MW許多復(fù)雜問(wèn)題尚未解決慣性約束驅(qū)動(dòng)成本高不穩(wěn)定性不好控制（重復(fù)性）還有許多其他問(wèn)題。如果不要求凈能量增益或者自持運(yùn)行，兩種方案都容易實(shí)現(xiàn)得多，現(xiàn)有技術(shù)水平就可實(shí)現(xiàn)28聚變現(xiàn)有方案非常困難，100年之后28聚變驅(qū)動(dòng)亞臨界裂變反應(yīng)堆即混合堆(fusion-fisionhybrid)原理：高能中子與傳統(tǒng)非燃料鈾238和釷232有較高的裂變反應(yīng)截面～1b，14.1MeV->200MeV由裂變提供額外的能量增益（4～100倍），可以大大降低聚變能量得失相當(dāng)或增益的要求50年代就有人提出混合堆的想法，70年代美蘇舉辦過(guò)聯(lián)合討論會(huì)，70年代末80年代初研究比較活躍。后出于核不擴(kuò)散的考慮，停止混合堆研究。2019年后重新重視。我國(guó)混合堆研究始于1980年。IPP和SWIP。將中子壁負(fù)荷要求從10MW/m2降到0.5MW/m2。29聚變驅(qū)動(dòng)亞臨界裂變反應(yīng)堆即混合堆(fusion-fisio優(yōu)點(diǎn)亞臨界，安全。U238和Th232只與高能中子（>2MeV）有較大反應(yīng)截面，對(duì)裂變中子反應(yīng)截面很小，不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)失控。裂變高能中子量小。技術(shù)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。唯一的要求是聚變中子源（<1MW/m2）。中子通量低，對(duì)聚變裝置技術(shù)要求降低。裂變廢料處理。大量快中子可以將99%的長(zhǎng)壽命放射性裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。資源豐富，原料利用效率高裂變?nèi)剂显鲋常║233，Pu239），也可以生產(chǎn)氚30優(yōu)點(diǎn)亞臨界，安全。U238和Th232只與高能中子（>2M方案磁約束或慣性約束聚變+能量增益或增殖包層能源方案：高能量增益。包層采用自然鈾，輕度濃縮鈾，或低增殖鈾(釷)核燃料（Pu239，U233，T）增殖方案第一層采用Pb等非裂變材料，慢化和增殖中子，再用這些中子增殖核燃料需要較高聚變中子通量能源和燃料增殖兼顧31方案磁約束或慣性約束聚變+能量增益或增殖包層31LaserInertialFusion-FissionEnergy32LaserInertialFusion-FissionLIFE（LLNL）33LIFE（LLNL）33LIFE34LIFE34蓄能技術(shù)家用蓄能，電網(wǎng)蓄能大規(guī)模蓄能很難抽水蓄能壓縮空氣飛輪電解產(chǎn)氫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)熱能電池，超級(jí)電容蓄熱，蓄冷效率低能量密度低蓄能技術(shù)家用蓄能，電網(wǎng)蓄能35蓄能技術(shù)一百萬(wàn)千瓦一天約需要60萬(wàn)噸鉛酸電池，或12萬(wàn)噸鈉硫電池，或15萬(wàn)噸鋰電池，或9千萬(wàn)噸水提升100米上海電力負(fù)荷約為2千萬(wàn)千瓦，峰谷相差20%中國(guó)電力裝機(jī)8億千瓦中國(guó)鉛產(chǎn)量每年不到400萬(wàn)噸，鉛酸電池約100萬(wàn)噸上述電池典型放電周期為500～1000次，深度放電將導(dǎo)致電池失效大的電池陣列有負(fù)載和壽命均衡問(wèn)題風(fēng)力或太陽(yáng)能蓄電要蓄很多天蓄能技術(shù)一百萬(wàn)千瓦一天約需要60萬(wàn)噸鉛酸電池，或12萬(wàn)噸鈉硫36家用蓄能電池，鋰基，能量密度0.5～0.7kJ/公斤，相當(dāng)于汽油1%成本仍然很高鋰-空氣電池理論能量密度可以達(dá)到現(xiàn)有鋰電池的10倍以上，需要納米科技家用電動(dòng)汽車推廣后可以一定程度上實(shí)現(xiàn)工業(yè)蓄能家用蓄能電池，鋰基，能量密度0.5～0.7kJ/公斤，相當(dāng)于37一百年內(nèi)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)趨勢(shì)世界及中國(guó)能源需求總量剛性增加，2110年初級(jí)能源消耗將達(dá)到2019年的3倍，增量主要出現(xiàn)在發(fā)展中國(guó)家，人口增加，城市化，供熱供暖能源使用效率提高電動(dòng)汽車普及超大型建筑大量出現(xiàn)陸上大運(yùn)量貨運(yùn)軌道交通一百年內(nèi)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)趨勢(shì)世界及中國(guó)能源需求總量剛性增加，21138百年內(nèi)石油使用發(fā)電，采暖用油下降汽車用油下降飛機(jī)、輪船用油維持用油高峰在2030～40年百年內(nèi)占初級(jí)能源總量低于10%（現(xiàn)接近40%）百年內(nèi)石油使用發(fā)電，采暖用油下降39Hubbert石油儲(chǔ)量預(yù)測(cè)Hubbert石油儲(chǔ)量預(yù)測(cè)40煤炭全球可采儲(chǔ)量?jī)H為1萬(wàn)億噸，產(chǎn)量70億噸，中國(guó)30億噸氣候變化及環(huán)境保護(hù)壓力將導(dǎo)致煤炭開(kāi)采與消費(fèi)量在2020年左右下降，但不會(huì)很快非燃料用途或緩慢上升煤炭全球可采儲(chǔ)量?jī)H為1萬(wàn)億噸，產(chǎn)量70億噸，中國(guó)30億噸41風(fēng)能20年內(nèi)發(fā)展速度最快，將很快成為主要能量來(lái)源之一到2110年風(fēng)電將占總電力的20%左右配套的大規(guī)模蓄能系統(tǒng)出現(xiàn)（2020年）間歇式風(fēng)電利用機(jī)制建立風(fēng)能20年內(nèi)發(fā)展速度最快，將很快成為主要能量來(lái)源之一42太陽(yáng)能主要利用方式是供熱小規(guī)模分散式利用可行，大規(guī)模工業(yè)利用只在局部地區(qū)可行商用光伏發(fā)電效率20年后可以達(dá)到40%左右到2110年各種方式的太陽(yáng)能發(fā)電占總電力消耗1%左右太空太陽(yáng)能發(fā)電傳送回來(lái)再過(guò)100年也不會(huì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能主要利用方式是供熱43核能現(xiàn)在到2030年，總量緩慢發(fā)展2030～50年，增殖堆與廢料處理技術(shù)可用2060～2080年，快中子亞臨界燃燒堆可用限制因素：核擴(kuò)散，核安全中國(guó)現(xiàn)行大規(guī)模發(fā)展核電的政策有很大風(fēng)險(xiǎn)，迫于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化的壓力核能現(xiàn)在到2030年，總量緩慢發(fā)展44聚變能聚變?nèi)菀?，發(fā)電難前景太美好裝置巨大，投入很大2100年也許基本可以開(kāi)始用聚變能聚變?nèi)菀?，發(fā)電難45水電現(xiàn)在很多發(fā)展中國(guó)家還有很多水力資源（巴西，剛果，……）2110年基本開(kāi)發(fā)完畢占總電力消耗小于5%水電現(xiàn)在很多發(fā)展中國(guó)家還有很多水力資源（巴