新能源材料概論

新能源材料新能源材料概論了解能源的利用和發(fā)展；1了解能源結(jié)構(gòu)、分布和消費(fèi)2掌握能源材料分類和新能源材料3了解能源材料與環(huán)境關(guān)系4教學(xué)要求1.1能源與化學(xué)概論1.1能源概述

1能源的分類

2世界能源結(jié)構(gòu)與消費(fèi)

3中國(guó)能源現(xiàn)狀及趨勢(shì)

4能源開發(fā)利用

限制并有計(jì)劃的開采石油和天然氣發(fā)展原子能加速開發(fā)利用新能源節(jié)流一、能源定義可以直接或間接提供人類所需的光、熱、電、動(dòng)力等任何形式的載能體資源。新能源化石能源太陽(yáng)能電能生物質(zhì)能能源定義目前約有20種。例如：《科學(xué)技術(shù)百科全書》說：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源”；《大英百科全書》說：“能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”；《日本大百科全書》說：“在各種生產(chǎn)活動(dòng)中，我們利用熱能、機(jī)械能、光能、電能等來作功，可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源”；我國(guó)的《能源百科全書》說：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源?！笨梢?，能源是一種呈多種形式的，且可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。新能源化石能源太陽(yáng)能電能生物質(zhì)能1.1能源與化學(xué)概論CompanyLogo二、能源利用與社會(huì)發(fā)展人類利用能源的歷史，也就是人類認(rèn)識(shí)和征服然的歷史。

(1)火的發(fā)現(xiàn)和利用；

(2)畜力、風(fēng)力、水力等自然動(dòng)力的利用；

(3)化石燃料的開發(fā)和熱的利用；

(4)電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；

(5)原子核能的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；(6)新能源的開發(fā)與利用。人類社會(huì)已經(jīng)歷了三個(gè)能源時(shí)期：

薪柴時(shí)期：主要以薪柴等生物質(zhì)燃料為主要能源的時(shí)代，生產(chǎn)和生活水平極低，社會(huì)發(fā)展緩慢。

煤炭時(shí)期：以煤炭取代薪柴作為主要能源，蒸汽機(jī)成為生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?，工業(yè)迅速發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)力增長(zhǎng)很大。

石油時(shí)期：開始了能源利用的新時(shí)期。近30年來，世界上許多國(guó)家依靠石油和天然氣，創(chuàng)造了人類歷史上空前的物資文明。CompanyLogo三地球能量的來源和分類能源的來源：①來自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能）煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來的。

②地球本身蘊(yùn)藏的能量如原子核能、地?zé)崮艿取?/p>

③地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量如潮汐能。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。CompanyLogo

能源分類1一次能源和二次能源（按獲得的方式）一次能源：是自然界直接提供的能源.二次能源：由自然界提供的能源轉(zhuǎn)化而來的能源.2再生能源和不可再生能源（按是否再生）可再生能源：對(duì)于一次能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等可從自然界源源不斷的得到的能源。不可再生能源：如煤、石油天然氣以及核燃料等一旦消耗很難再生的能源。3清潔能源和非清潔能源（按對(duì)環(huán)境污染）清潔能源：對(duì)環(huán)境無污染或污染很小的能源。如：太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能非清潔能源：對(duì)環(huán)境污染較大的能源。如：煤、石油、天然氣等化石能源4常規(guī)能源和新能源（按利用程度）常規(guī)能源：化石燃料、水流能、風(fēng)能等人類早就應(yīng)用的能源.新能源：核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐能等新近才開始利用的能源CompanyLogo能源分類一次能源二次能源常規(guī)能源化石能源水能、油頁(yè)巖焦炭、汽油、化學(xué)品、電力、蒸汽新能源核能、太陽(yáng)能、地?zé)?、海洋能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能二次電池、氫能清潔能源核能、太陽(yáng)能、地?zé)?、海洋能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能二次電池、氫能可再生能源太陽(yáng)能、地?zé)?、海洋能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能形成條件利用技術(shù)四化石能源：煤、石油和天然氣概述1.煤的種類及主要成分

煤的化學(xué)組成C：主要可燃成分，

C(s)+O2(g)=CO2(g)△rHmθ(298.15k)=-393.5kj·mol-1H：主要可燃元素

有效氫——與CSP結(jié)合，可燃燒化合氫——與O結(jié)合，不能燃燒O,S,N等：有害成分。2.煤的有效潔凈利用——潔凈煤技術(shù)（CleanCoalTechnology簡(jiǎn)稱CCT）

中國(guó)潔凈煤技術(shù)主要技術(shù)領(lǐng)域：煤炭利用前凈化技術(shù)煤炭潔凈燃燒

煤炭的轉(zhuǎn)化技術(shù)污染控制與廢氣、廢物管理

（1）煤的氣化

H2O(g),O2氣化劑

高溫

H2COCH4C

1)C+O2=CO26)CO+H2O=CO2+H22)C+1/2O2=CO7)C+2H2=CH43)C+CO2=2CO8)CO+3H2=

CH4+H2O4)C+H2O=CO

+H29)CO+2H2=

CH45)C+2H2O=CO2+2H210)CO2+4H2=

CH4+2H2O（2）煤的液化煤與石油的區(qū)別：①煤：H:C=0.4~0.8

石油：H:C=1.5~1.8②煤分子量＞石油分子量10倍直接液化法間接液化法煤間接液化工廠

3.石油和天然氣石油的主要組成元素為

CHONS83~87%10~14%0.05~25%0.02~0.25%0.05~8和煤相比（1）石油含氫量高，含氧量低。（2）石油中的碳?xì)浠衔镆灾辨湡N為主。煤中的碳?xì)浠衔镆苑紵N為主。各種石油產(chǎn)品：CompanyLogo現(xiàn)代能源主要出自化石能源(>80%)，一直到本世紀(jì)中，化石能源仍占主導(dǎo)地位，因此提高燃燒效率，減少污染仍為最主要課題。五世界能源形勢(shì)：能源結(jié)構(gòu)、分布與消費(fèi)Fossil-fuelresources:ProvedworldoilreservesCompanyLogo石油區(qū)域1984年1994年2004年中東56.565.061.7歐洲12.77.911.7非洲7.66.59.4中南美洲4.88.08.5北美洲13.48.85.1亞太地區(qū)4.03.83.52004年總儲(chǔ)量為11886億桶（1桶*0.739密度/6.29=0.1175噸）表1世界石油資源探明可采量分布CompanyLogoOilreserves-to-production(R/P)ratios

（儲(chǔ)采比）CompanyLogoMajoroiltrademovements

馬六甲海峽霍爾木茲海峽（石油海峽）CompanyLogoFossil-fuelresources:Provedworldnaturalgas

reservesCompanyLogo天然氣

區(qū)域1984年1994年2004年中東28.431.940.6歐洲43.644.935.6亞太地區(qū)7.37.07.9非洲6.36.47.8北美洲10.95.94.1中南美洲3.44.14.02004年已探明儲(chǔ)量179.53億m3表2世界天然氣資源探明可采量分布CompanyLogoNaturalgasreserves-to-production(R/P)ratiosCompanyLogo天然氣主要貿(mào)易流向CompanyLogo煤區(qū)域探明儲(chǔ)量/億噸占世界比例/%儲(chǔ)采比/年美國(guó)246627.1245俄羅斯157017.3>500中國(guó)114512.659印度92410.2229澳大利亞7858.62152004年世界已探明儲(chǔ)量9091億噸表32004年世界煤炭資源探明可采量分布世界礦物能源面臨枯竭！CompanyLogo區(qū)域石油天然氣煤炭核能水電美國(guó)40.22524.28.12.6日本46.912.623.512.64.4德國(guó)37.423.425.911.41.8英國(guó)35.638.916.88.00.7法國(guó)35.815.34.838.65.6加拿大32.426.29.96.724.8俄羅斯19.254.115.84.86.0印度31.77.754.51.05.1巴西44.99.16.11.438.6中國(guó)22.32.569.00.85.4世界平均36.8423.6721.176.116.20中國(guó)和印度不發(fā)達(dá)國(guó)家，仍然以煤炭為主。表42004年世界主要國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)能源消費(fèi)CompanyLogo全世界化石燃料的消耗情況

化石燃料使用量（換算為石油，2001年預(yù)測(cè)）煤221，200萬噸/年（70.1噸/秒）石油351，100萬噸/年（111.3噸/秒）天然氣223，300萬噸/年（70.8噸/秒）

現(xiàn)代的生活是以迅速地消耗這些寶貴的資源支撐著。如果繼續(xù)以現(xiàn)在的速度使用石油，那么在短短的42年之后，現(xiàn)已探明的石油將被消耗殆盡。

CompanyLogo六我國(guó)能源的利用和發(fā)展

我國(guó)能源的利用特點(diǎn)2007年電能消費(fèi)中國(guó)的能源現(xiàn)狀和構(gòu)成（2002）★標(biāo)準(zhǔn)煤——1kg發(fā)熱量為29260kj的煤例：某原煤的發(fā)熱量為20920kj/kg，則1kg這種原煤相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤：

20920/29260=0.7150kgCompanyLogo人均消費(fèi)量CompanyLogo我國(guó)能源的利用特點(diǎn)能源資源相對(duì)短缺煤炭可采量約1160億噸,人均可采量89.8噸,為世界1/2,石油剩余可采儲(chǔ)量23.8億噸,人均2.6噸,為世界的1/9,天然氣剩余儲(chǔ)量1.23萬億m3,人均1074m3,為世界1/23,水電可開發(fā)容量3.79億千瓦,人均0.29千瓦。石油資源不足

2006年石油生產(chǎn)1.84億噸,消費(fèi)3.2億噸,進(jìn)口已達(dá)1.36億噸,對(duì)外依存度43%。能源生產(chǎn)和消費(fèi)以煤炭為主：消費(fèi)總量占70%左右，污染大，利用率低。能源利用效率低，清潔能源和新能源利用率不高。CompanyLogo我國(guó)能源工業(yè)面臨的問題與改善措施面臨為題：環(huán)境污染嚴(yán)重；人均能耗水平低；能源建設(shè)周期長(zhǎng)，耗能多；新能源占的比例少；能源工業(yè)裝備落后。1、努力改善能源結(jié)構(gòu)；2、提高能源利用率；3、加速實(shí)施潔凈煤技術(shù)；4、合理利用石油和天然氣；5、加快電力發(fā)展速度；6、積極開發(fā)利用新能源；7、建立合理的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)農(nóng)村嚴(yán)重缺能局面；8、改善城市民用能源結(jié)構(gòu)，提高居民生活質(zhì)量；9、重視能源的環(huán)境保護(hù)。CompanyLogo新能源

節(jié)約能源！保護(hù)環(huán)境！開發(fā)新能源！太陽(yáng)能、氫能、二次電池、核能、生物質(zhì)能。電能、風(fēng)能、朝夕能、地?zé)崮艿鹊取?/p>

CompanyLogo1.2

新能源種類

太陽(yáng)能：輻射于地面的太陽(yáng)能1萬倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。太陽(yáng)能可分為光伏能和太陽(yáng)爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能汽車CompanyLogo太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池光利用、電利用、熱利用和化學(xué)利用世界將太陽(yáng)能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，已經(jīng)有300多年的歷史。1615年法國(guó)工程師所羅門.德.考克斯發(fā)明了第一臺(tái)利用太陽(yáng)能加熱空氣使膨脹做功而抽水的機(jī)器.材料類型材料轉(zhuǎn)化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9單晶～20化合物半導(dǎo)體GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化納米染料薄膜（大面積）5有機(jī)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換膜<5幾種成熟和正開發(fā)的光伏轉(zhuǎn)換材料最近美國(guó)加州大學(xué)開發(fā)出多波段半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換率高達(dá)37%CompanyLogo氫能和燃料電池BMW公司于1996年在德國(guó)斯圖加特的世界氫能源會(huì)議上展示了計(jì)算機(jī)控制的新式氫能源汽車，被稱之為“汽車發(fā)展史上的一個(gè)里程碑”。BMW745H上采用了4.4LV8氫/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率達(dá)135kw，最高時(shí)速215km/h最大續(xù)航里程達(dá)到300km。資源無窮無盡－不存在枯竭問題；氫的熱值高；燃燒產(chǎn)物零排放，無污染，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電；氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多－氣體、液體、固體或化合物。CompanyLogo氫能與氫能經(jīng)濟(jì)氫能社會(huì)構(gòu)想氫能氫源：電解水，熱化工轉(zhuǎn)化細(xì)菌分解水等儲(chǔ)氫與氫的運(yùn)輸不同儲(chǔ)氫材料能量密度與汽油的對(duì)比

不同儲(chǔ)氫材料的能量密度最近美國(guó)研制出鋰硼氫化物有可能滿足要求博能燃料電池

功率:200W重量:9kg(19.84lbs)亞太燃料電池功率:3,000W重量:10kg(22lbs)燃料電池

燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫氣的燃燒反應(yīng)。它與一般電不同之處在于燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不斷由外界輸入，因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池CompanyLogo燃料電池汽車本田新型燃料電池車FCXClarity投產(chǎn)

燃料電池：效率高，無污染，用于汽車，但質(zhì)子交換膜與催化劑太貴，目前為$125/kw，內(nèi)燃機(jī)為$30/kw。今后可能會(huì)便宜，因無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單。CompanyLogo核能秦山核電站全景反應(yīng)堆控制棒反應(yīng)堆換料安全方面的擔(dān)心

核廢料處理

核動(dòng)力發(fā)電：一種清潔能源

核能核能仍是重要能源，也是未來能源希望之所在。1、無CO2排放2、安全性正在提高3、資源豐富

全世界產(chǎn)生裂變能的原料U和Th的資源儲(chǔ)量分別為330萬噸和400－600萬噸，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我國(guó)鈾儲(chǔ)量不夠豐富。4、海水中有40萬億噸氘(一升海水中氘的聚變能相當(dāng)于300升汽油)，稱作永恒能源，但難度太大，物理證明可行，工程問題難解決(耐高溫、高通量中子輻射材料)，預(yù)計(jì)50－100年后實(shí)現(xiàn)，目前已組織國(guó)際合作。CompanyLogo據(jù)德國(guó)《汽車與體育》雜志報(bào)道，新一代奔馳CLK>Smart電動(dòng)雙座微型車明年將使用鋰離子電池。目前的車型使用鈉鎳氯化物電池。二次電池CompanyLogo鋰離子電動(dòng)車整車重量<17kg，載重量>75kg，電機(jī)功率180W，鋰離子電池36V-8Ah，最高時(shí)速≤25km/h，行程>=50km混合動(dòng)力公交車

包括太陽(yáng)能在內(nèi)，水電、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可以并稱為可再生能源?？稍偕茉促Y源世界中國(guó)太陽(yáng)能陸地每年接受能量相當(dāng)于標(biāo)煤1.3×106億噸2.4×104億噸水能(萬億千瓦時(shí))技術(shù)可開發(fā)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)13.944.962.221.27生物質(zhì)能(億噸標(biāo)煤)657風(fēng)能(億千瓦)技術(shù)可開發(fā)96陸上2.5，近海7.5地?zé)?億噸標(biāo)煤)總資源量技術(shù)可開發(fā)1400500110－潮汐能(億千瓦)理論資源量技術(shù)資源量76664－1.89世界和中國(guó)可再生能源資源狀況世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(酒精)的發(fā)展趨勢(shì)世界電能分布光伏電能風(fēng)能生物質(zhì)能中國(guó)生物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景1、中國(guó)秸稈7億噸/每年2、高產(chǎn)作物，如玉米、薯類、速生林等3、鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展沼氣4、沙漠地區(qū)的改造：蒙脫土＋生根劑(保水植木)若爾蓋(長(zhǎng)征水草地)采用治沙技術(shù)的效果CompanyLogo1.3能源與材料能源材料：

實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化和利用，以及發(fā)展能源技術(shù)所涉及的關(guān)鍵材料。與能源開發(fā)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換和利用等相關(guān)的材料都屬于能源材料。一、材料對(duì)能源的影響1材料產(chǎn)生新能源2材料提高儲(chǔ)能和能源的轉(zhuǎn)換效率3新材料決定能源技術(shù)的利用和安全性4材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作和加工工藝決定新能源的投資和運(yùn)營(yíng)成本。5清潔材料是清潔能源與能源技術(shù)的基礎(chǔ)。CompanyLogo不同的電池材料CompanyLogo二能源材料的種類

1按材料種類和使用用途來分：燃料（包括常規(guī)燃料、核燃料、合成燃料、炸藥及推進(jìn)劑等）；能源結(jié)構(gòu)材料；能源功能材料。

2按使用目的分

能源工業(yè)材料；新能源材料；節(jié)能材料；儲(chǔ)能材料等。

能源材料的分類在國(guó)際上尚未見有明確的規(guī)定，為敘述方便也經(jīng)常使用混合的分類方法。

CompanyLogo能源材料的種類材料種類應(yīng)用材料實(shí)例高溫能源材料熱機(jī)、熱處理設(shè)備，核反應(yīng)堆高溫合金，ZrC,SiC電極材料電解、電池磷酸鐵鋰，銥鈦涂層電極光伏材料太陽(yáng)能電池單晶、多晶硅半導(dǎo)體核材料和核反應(yīng)堆核燃料、慢化劑，控制材料儲(chǔ)氫材料鎳氫電池納米碳管、儲(chǔ)氫合金表8部分能源材料的種類其他還有生物質(zhì)能材料、風(fēng)能、熱能、磁流體、超導(dǎo)等等。CompanyLogo鋰離子電池正極材料正極材料LiCoO2LiNiO2LiMnO2LiMn2O4LiFePO4密度/gcm-35.14.854.754.313.6理論比容量(mAhg-1)274274286148170實(shí)際比容量(mAhg-1)140190-21020090-120110-165工作電壓(V)~3.6~3.5~3.8~3.8~3.5安全性能一般差好好很好成本高居中低低低CompanyLogo三、能源材料的任務(wù)和課題1資源的合理利用，化石能源節(jié)能減排技術(shù)。2研究新材料、新結(jié)構(gòu)等以提高能源的利用效率。3開發(fā)清潔能源材料。4開發(fā)新能源技術(shù)涉及的關(guān)鍵材料。5能源材料的生產(chǎn)制作和加工工藝。1.4能源材料與環(huán)境能源與環(huán)境污染能源材料與環(huán)境材料清潔能源材料一、能源與環(huán)境：惡化的生態(tài)環(huán)境★溫室效應(yīng)大量CO2：如燃料釋放200億噸/年，總量可達(dá)290億噸/年。帶來的后果：氣候異常，如干旱、洪水、風(fēng)暴、沙暴；作為食物和氧氣源的浮游生物大幅度減少；★大氣臭氧層破壞臭氧洞達(dá)700萬km2

南極臭氧保護(hù)層破壞了60%，北極臭氧保護(hù)層也減薄了至少30%

★NOX、SOX等有害氣體

酸雨帶來的后果：農(nóng)業(yè)問題,森林破壞,建筑物,橋梁,鐵路腐蝕…

★各類固體廢棄物數(shù)量巨大其中僅生活垃圾一項(xiàng)，全球就達(dá)100億噸/年

★水污染越來越嚴(yán)重（河，湖，海，地下水…）1秒鐘世界的變化格林蘭冰川的融化：1.6噸/秒淡水的使用：103m3/秒天然林消失：5,100m2/秒可耕地減少國(guó)：2,300m2/秒沙漠?dāng)U大：

1900m2/秒其中僅我國(guó)就達(dá)78m2/秒我國(guó)天然草原減少：513

m2/秒該圖為包括中國(guó)在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)不同年代CO2排放量的預(yù)測(cè)。From“InterdisciplinaryScienceReviews”,Vol26,No4,2001,P254溫室氣體CO2CH4N2OCFCO3工業(yè)革命前濃度(×10-9)280,000790288010當(dāng)前濃度(×10-9)353,00017203100.2820-40當(dāng)前年增長(zhǎng)率(%)0.50.90.340.2-0.5在大氣中壽命(年)50-2001015060-100數(shù)周到數(shù)月對(duì)溫室效應(yīng)相對(duì)貢獻(xiàn)(%)60155128幾種溫室氣體由于溫室氣體不斷增加，到本世紀(jì)末溫升2.5oC(冰河期與目前溫差5－6oC)，人居環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)，陸地縮小。解決辦法：減少化石能源利用地球綠化面積擴(kuò)大CO2泵入地下(廢礦井、含砂層、頁(yè)巖)，一座100萬千瓦電廠

10年內(nèi)可貯存6000萬噸CO2通過催化劑與生物工程CO2＋H2O糧食二、解決環(huán)境問題的必要性和緊迫性全球氣溫顯著變暖(氣溫升高3℃，海平面上升60cm)全球氣溫變暖（氣溫上升1℃，海平面上升20cm）石油和天然氣枯竭礦物資源枯竭廢棄物問題食物短缺

19902000