【中科院研究生院能源化學(xué)與化工】能源概述2014-09課件

*能源化學(xué)與化工中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院崔麗杰Email:ljcui@科研樓西325*本課內(nèi)容：第一章能源概述

第二章煤化工第三章生物質(zhì)能源

第四章新能源概論

第五章石油天然氣化工*1．袁權(quán)等，《能源化學(xué)進展》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.

2．蘇亞欣等編著，《新能源與可再生能源概論》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2006.

3．李傳統(tǒng)，《新能源與可再生能源技術(shù)》，東南大學(xué)出版社，南京，2005.4．謝克昌等，《煤化工發(fā)展與規(guī)劃》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.

5．翟秀靜等編著，《新能源技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.6．劉榮厚等編著，《生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.

7．樊栓獅編著，《天然氣水合物儲存與運輸技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.主要參考書：*8．賴向軍，戴林編著，《石油與天然氣－機遇與挑戰(zhàn)》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.9．毛宗強編著，《氫能－21世紀的綠色能源》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2006.10．毛宗強等編著，《燃料電池》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005.11．史仲平，華兆哲譯，《生物質(zhì)和生物質(zhì)能源手冊》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2007.12．“十五”國家高技術(shù)發(fā)展計劃能源領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會，《能源發(fā)展戰(zhàn)略研究》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2004.13．中國科學(xué)院能源戰(zhàn)略研究組編，《中國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略－專題研究》，科學(xué)出版社，北京，2006.*第一章能源概述

§1.1

能源的概念§1.2

人類利用能源的歷史和未來§1.3

能源現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*§1.1能源的概念

一、能源的定義

能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源（《科學(xué)技術(shù)百科全書》）；能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術(shù)語，人類用適當?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量（《大英百科全書》）；在各種生產(chǎn)活動中，我們利用熱能、機械能、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（《日本大百科全書》）；能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源。（《能源百科全書》）

確切而簡單地說，能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。*二、能源分類

能源家族從不同的角度可以劃分不同的成員，按其來源可分為四類：第一類是來自地球以外與太陽能有關(guān)的能源；第二類是與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源；第三類是與核反應(yīng)有關(guān)的能源；第四類是與地球－月球－太陽相互聯(lián)系有關(guān)的能源。從其產(chǎn)生的方式可分為一次能源和二次能源。一次能源是指可以從自然界直接獲取的能源。其中煤炭、石油和天然氣是千百萬年前理在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的，又稱為化石能源，它們是當今世界中一次能源的三大支柱，構(gòu)成了全球能源家族結(jié)構(gòu)的基本框架。一次能源中還包括水能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能以及核能等。二次能源是指無法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過一次能源的消耗才能得到的能源。電能是最主要的二次能源。

從能源是否可再利用的角度可分為可再生能源和不可再生能源。*圖1能源分類*氫能氫氣作為燃料釋放的化學(xué)能*沼氣能源沼氣發(fā)酵又叫厭氧消化，是指利用人畜糞便、秸稈、污水等各種有機物在密閉的沼氣池內(nèi)，在厭氧（沒有氧氣）條件下，被種類繁多的沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生沼氣的過程。沼氣是一種混合氣體，可以燃燒，因為這種氣體最先是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣*燃料電池燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池汽車燃料電池（FC）是一種等溫、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地（50-70％）、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。*可燃冰天然氣水合物外觀像冰雪，可以象酒精塊一樣被點燃，所以也叫“可燃冰”。*§1.2人類利用能源的歷史和未來一、火的使用(薪柴時期）

人類用火，始于運城市芮城縣183萬年前的西侯度人，火對人類體質(zhì)和大腦的發(fā)育起到了至關(guān)重要的作用。

從保存自然火種，到若干萬年后鉆木取火、撞擊燧石取火，開創(chuàng)了中華民族取火用火的先河。

火的使用，堪稱人類劃時代的創(chuàng)舉。

*人類以薪柴等生物能作為主要能源經(jīng)歷了漫長的過程。雖然煤作為一種燃料，早在800年前就已經(jīng)開始，但直到18世紀中后期（60年代），世界能源消費結(jié)構(gòu)才轉(zhuǎn)到以煤炭為主。人類學(xué)會了將熱能轉(zhuǎn)換為機械能，發(fā)明了蒸汽機，引起了近代史上的第一次技術(shù)革命，推動了人類歷史進入工業(yè)社會，并促使能源消費結(jié)構(gòu)發(fā)生了一次歷史性的轉(zhuǎn)變。第一次世界大戰(zhàn)前后，煤產(chǎn)量達到高峰。1913年，英國產(chǎn)煤292Mt，為歷史最高水平;世界煤產(chǎn)量為1320Mt，占世界一次能源總產(chǎn)量的92.2％。煤炭無論是對于重工業(yè)，還是輕工業(yè)；無論是能源工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、機械工業(yè)，還是輕紡工業(yè)、食品工業(yè)、交通運輸業(yè)，都發(fā)揮著重要的作用，各種工業(yè)部門都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人稱煤炭是工業(yè)的“真正的糧食”。這段時間稱為“煤炭時代”二、煤炭時期*三、石油的天地1950～1973年，是石油的黃金時代，煤炭在世界能源系統(tǒng)中的地位迅速下降，1966

年被石油超過而退居第二位。這一年石油在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比例達到40.4％，而煤炭所占比例下降到38.8％。石油需求的增長和石油貿(mào)易的擴大起因于石油在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模使用。一戰(zhàn)以前，石油主要被用于照明，主要產(chǎn)油國美國和俄羅斯同時也是主要的消費國。在一戰(zhàn)中，石油的戰(zhàn)略價值已初步顯現(xiàn)出來，由于石油燃燒效能高，輕便，對于軍隊戰(zhàn)斗力的提高具有重大戰(zhàn)略意義。20世紀20年代，由于石油成為內(nèi)燃機的動力，石油需求和貿(mào)易迅速擴大。到20世紀30年代末，美、蘇成為主要的石油出口國，石油國際貿(mào)易開始在全球能源貿(mào)易中占據(jù)顯要位置，推動了能源國際貿(mào)易的迅速增長，并動搖了煤炭在國際能源市場中的主體地位。二戰(zhàn)期間，石油的地位舉足輕重。美國在二戰(zhàn)期間成為盟國的主要能源供應(yīng)者。二戰(zhàn)后，美國一度掌握世界原油產(chǎn)量的2/3。石油成為美國建立世界霸權(quán)道路上的重要助推劑。石油和天然氣取代煤炭，雖為世界普遍趨勢，但各國情況有所不同，這一轉(zhuǎn)變在美國發(fā)生較早，其他發(fā)達國家一般是在50年代～60年代，而在發(fā)展中國家，如我國和印度等國，現(xiàn)仍以煤炭為主要燃料。*四、能源的未來

目前世界一次能源消費結(jié)構(gòu)中仍有石油為首位。由于天然氣及水電、核能以及其他再生能源的興起，人類社會目前正處在新的能源轉(zhuǎn)變的過程中。有關(guān)能源的未來：說法一：1973年-1974年和1979年兩次世界石油危機相繼發(fā)生后，石油的黃金時代逐漸終結(jié)，而新能源由于技術(shù)等原因還未能大量應(yīng)用，煤炭又可能作為代替石油的重要能源，重居世界能源的主要地位。所以，最近國際能源界把煤炭稱為“通向世界未來的橋梁”，世界煤炭重新出現(xiàn)興旺的勢頭，煤炭產(chǎn)量自1975年以來大幅度增長。近年來，世界各國“擺脫石油、轉(zhuǎn)向煤炭”的呼聲愈來愈高，主要產(chǎn)煤國的煤產(chǎn)量增長很快。說法二：石油時代不僅遠未過去，而且天然氣的大規(guī)模開發(fā)和利用又進一步延長了石油天然氣時代。即使將來石油天然氣資源接近于枯竭，人類也不會回到原來的煤炭時代，而只能用更清潔、更高效、更方便的能源來替代?？梢钥闯?，油氣取代煤炭是人類利用能源發(fā)展史上的一種過程、一種趨勢、一種規(guī)律。世界上還沒有幾個國家能抗拒這種消費變化規(guī)律。*§1.3世界能源現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢一、世界能源消費現(xiàn)狀及特點過去30年來，世界能源消費量年均增長率為1.8％左右。1.隨著世界經(jīng)濟規(guī)模的不斷增大，世界能源消費量持續(xù)增長。*表2一次能源消費量*表2續(xù)*表3按燃料劃分的消費量2007年*表3續(xù)*表3續(xù)BPStatisticalReviewofWorldEnergy2012?BP2012PrimaryenergyworldconsumptionMilliontonnesoilequivalentBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Primaryenergyregionalconsumptionpattern2012PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Primaryenergyconsumptionpercapita2012TonnesoilequivalentBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Fossilfuelreserves-to-production(R/P)ratiosYears**2.世界能源消費呈現(xiàn)不同的增長模式，發(fā)達國家增長速率明顯低于發(fā)展中國家3．世界能源消費結(jié)構(gòu)趨向優(yōu)質(zhì)化,但地區(qū)差異仍然很大4．世界能源資源仍比較豐富．但能源貿(mào)易及運輸壓力增大儲采比是指國內(nèi)石油剩余可采儲量與當年采儲量之比，即目前石油剩余可采儲量可供消費的時間。

石油*表4世界石油探明儲量*表4續(xù)BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilreserves-to-production(R/P)ratios

Years2012byregionHistory**BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Distributionofprovedoilreservesin1992,2002and2012

PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilproduction/consumptionbyregion

MillionbarrelsdailyProductionbyregionConsumptionbyregionBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilconsumptionpercapita2012

TonnesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilproductconsumptionbyregion

MillionbarrelsdailyLightdistillatesMiddledistillatesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilproductconsumptionbyregion

MillionbarrelsdailyFueloilOthersBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Source:PlattsRotterdam&GulfCoastproductprices

USdollarsperbarrelRotterdamproductpricesUSGulfCoastproductpricesBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Crudeoilprices1861-2012

USdollarsperbarrel,worldeventsBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Oilrefineryutilization

PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Regionaloilrefiningmargins

USdollarsperbarrelBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Majoroiltrademovements2012

Tradeflowsworldwide(milliontonnes)天然氣**BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Gasreserves-to-production(R/P)ratios

Years2012byregionHistoryBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Distributionofprovedgasreservesin1992,2002and2012PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Gasproduction/consumptionbyregionBillioncubicmetresConsumptionbyregionProductionbyregionBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Source:IncludesdatafromCedigaz.Gasconsumptionpercapita2012TonnesoilequivalentBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Gasprices$/MmbtuBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Source:IncludesdatafromCedigaz,CISStat,GIIGNL,IHSCERA,Poten,Waterborne.Majorgastrademovements2012Tradeflowsworldwide(billioncubicmetres)CoalBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013*BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Coalreserves-to-production(R/P)ratiosYears2012byregionHistoryBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Source:SurveyofEnergyResources2010,WorldEnergyCouncil.Distributionofprovedcoalreservesin1992,2002and2012PercentageBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Coalproduction/consumptionbyregionMilliontonnesoilequivalentProductionbyregionConsumptionbyregionBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013Coalconsumptionpercapita2012

TonnesoilequivalentNuclearEnergyBPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013BPStatisticalReviewofWorldEnergy2013?BP2013NuclearenergyconsumptionbyregionMilliontonnesoilequivalentHyd