化学与生活第三章-化学与能源课件

本章主要内容本章主要内容能源概述常规能源新能源生物质能源化学电源本章主要内容能源概述常规能源新能源生物质能源化学电源第一节第一节 概述概述 能量是物质运动的基础，是物质之所以发生变化的原因第一节 概述 能量是物质运动的基础，是物质之所以发生变化 在自然界中处处充满能源，能量无所不在，如机械能，原子核能，电能，生物质能等，正是由于在这个世界上处处充满着能量，而且这些能量还可以相互转化，所以才使我们这个世界绚丽多彩，充满了生机和活力。在自然界中处处充满能源，能量无所不在，如机械能到底什么叫做能源？到底什么叫做能源？能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式。能源是人类生存和发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的原动力，也是人类社会经济发展水平的重要标志。到底什么叫做能源？能源是指一切能量比能源的分类能源的分类能源种类很多，但按照它们的来源，大体上可分为三大类。一 太阳能二 地球本身蕴藏的能量 三 地球在其它天体的影响下产生的能量 能源的分类能源种类很多，但按照它们的来源，大体上可分为三大类太阳向地球辐射能量1.1.太阳能太阳能太阳向地球辐射能量1.太阳能2.2.地球本身蕴藏的能量地球本身蕴藏的能量 如石油，煤炭，天然气等2.地球本身蕴藏的能量 如石油，煤炭，天然气等3.3.地球在其它天体的影响下产生的能量地球在其它天体的影响下产生的能量 如利用潮汐能进行潮汐发电3.地球在其它天体的影响下产生的能量 如利用潮汐能进行潮汐发 以上三类能源统称为一级能源；而人类依靠一级能源来制造加工出许多适合于生产活动所需的能量形式如电能等，则统称为二级能源。以上三类能源统称为一级能源；而人类对于一级能源和二级能源，依据它们的形成方式、使用性对于一级能源和二级能源，依据它们的形成方式、使用性质、可否再生及使用成熟程度又可将能源作如下分类：质、可否再生及使用成熟程度又可将能源作如下分类：1 1按能源的形成方式可划分为一次能源和二次能源。一次能源是自然界中存在的可直接使用的能源(如煤炭、石油、天然气、太阳能等)。二次能源则是指经加工转化成的能源(如电、煤气、蒸汽等)。2按能源的使用性质可分为含能体能源和过程性能源。含能体能源是指能够提供能量的物质能源(如煤炭、石油等)，其特点是可以保存且可储存运输。而过程性能源是指提供能量的物质运动形式(如太阳能、电能等)，它不能保存，难于储存运输。对于一级能源和二级能源，依据它们的形成方式、使用性质、可否再3按可否再生又可将能源分为再生能源和不可再生能源。再生能源是指不随人类的使用而减少的能源(如太阳能)。不可再生能源则是随着人类使用而逐渐减少的能源(如化石能源)。4按现阶段使用的成熟程度又可将能源划分为常规能源和新能源。前者是指人类已长期使用，且在技术上也比较成熟的能源。而后者是指虽已开发并少量使用，但技术上还未成熟而未被普遍使用、却具有潜在应用价值的能源。3按可否再生又可将能源分为再生能源和不可再生能源。再生能源能源分类图：能源分类图：能源分类图：化学与能源的关系化学与能源的关系 20世纪是化学工业蓬勃发展的世纪，化学工业对能源的发展起到了举足轻重的作用。煤的氧化、加氢，石油的裂解，太阳能蓄热、热发电、光伏发电及光化学发电，原子核发生变化释放的核能等等，无论是常规能源还是新能源的开发、利用和发展，都与化学有着密不可分的关系。化学与能源的关系 20世纪是化学工业能源的变迁能源的变迁1.1.柴草的开发利用柴草的开发利用 从原始社会到18世纪产业革命以前，人类一直以柴草为燃料，依靠人力、畜力，并利用一些简单的水力与风力机械作为动力，从事生产活动，生产和生活水平都很低。这就是人类能源史上经历的柴草时期。能源的变迁1.柴草的开发利用 2 2煤炭的开发利用煤炭的开发利用标志性事件：蒸汽机的发明和利用 到19世纪末，煤炭用于发电，电力应用于生产和生活的各个方面，电动机也逐步代替了蒸汽机，电灯代替了油灯和蜡烛。从19世纪70年代到20世纪初，煤炭在能源构成中的比例从24%上升到95%，从而取代柴草坐上了主要能源的宝座，开始了人类能源史上的煤炭时期。2煤炭的开发利用标志性事件：蒸汽机的发明和利用 3 3石油的开发利用石油的开发利用 石油主要是沉淀在一起的低等动植物等，经过复杂的化学和生物化学作用转化而成的液体有机物。3石油的开发利用 石油主要是沉淀在一 人类利用石油的历史可以追溯到很久以前的古代社会。真正大规模的利用石油资源还是从19世纪开始的，20世纪初，内燃机的发明促使石油被大规模开发利用。同时工业革命诱发了社会对石油的迫切需求，石油取代煤炭成为主要能源，也促成了能源结构的第二次变革。内燃机 人类利用石油的历史可以追溯到很久以4 4新能源的开发利用新能源的开发利用 自1973 年开始，国际上接连出现两次石油危机。人们越来越清醒地认识到，石油是一种蕴藏量极其有限的宝贵能源，必须一方面设法提高其利用率，千方百计节省能源；另一方面也必须考虑寻求新的替代能源。通过研究摸索，我们认为太阳能、核能、氢能等为代表的新能源将成为未来的能源主体。应该说，第三次变革具有划时代意义。因为人类找到了新的“火种”，而且人类看到了最终获得取之不尽的能源的希望之光。4新能源的开发利用 自1973 年（1 1）太阳能的开发利用）太阳能的开发利用 太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.81023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为81013kW，能量相当巨大。（1）太阳能的开发利用 太阳能是太阳内 在近三百多年中，人们逐渐把太阳能作为一种能源使用。例如，1615年发明了太阳能抽水泵，1866年制出了太阳能发动机，1878年推出了以太阳能为动力的印刷机。在20世纪最初的10年中，美国建造了一系列太阳能发电机。1950年前苏联建造了第一座太阳能塔式热电站，1952年法国建造成功50千瓦的太阳炉，1960年美国用太阳能平板集热器建起了世界上第一座氨-水吸式空调系统等。太阳能发电机与利用太阳能的汽车太阳能发电机与利用太阳能的汽车（2 2）核能的开发利用）核能的开发利用 核能就是通常所说的原子能。原子核外电子的变化过程称化学反应，反应过程中释放出来的能量称化学反应热，简称反应热。原子核结构发生变化的过程称核反应，核反应过程中释放出来的能量称核能。1克铀(U)发生原子核裂变反应时可放出8107千焦的热量（相当于3吨煤燃烧时放出的热），放出的热量相当于2万吨黄色炸药(TNT)爆炸时放出的热量。威震四海的原子弹爆炸就是根据这个原理。氘和氚的核聚变反应如果不加控制，可引发氢弹爆炸。它的威力一般要比原子弹大几十到几百倍。（2）核能的开发利用 核能就是通常所原子弹爆炸核潜艇原子弹爆炸核潜艇第二节第二节 常规能源常规能源 定义：在现有经济和技术条件下，已经大规模生产和广泛使用的能源为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能和核裂变能等。第二节 常规能源 定义：在现有经济一一.煤煤 由于成煤植物和生成条件的不同，煤一般分为三大类，它们是腐植煤、残植煤和腐泥煤。一.煤 由于成煤植物和生成条件1 1煤的形成煤的形成 煤是大量植物遗体被堆积、掩埋在地底下，经过泥炭化和煤化作用而形成的固体有机矿物。组成煤的主要化学元素是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)和硫(S)等。其中，碳的含量达到50%97%，故煤又称煤炭。1煤的形成 煤是大量植物遗体被堆积2 2煤的综合利用煤的综合利用 煤的气化煤的气化 :2煤的综合利用 煤的气化:煤的焦化煤的焦化 (干馏干馏)：煤的焦化(干馏)：煤的液化煤的液化 ：煤的液化：化学与生活第三章-化学与能源课件二、石油二、石油 石油(Petroleum)，指气态、液态和固态的烃类混合物，具有天然的产状。原油(Crude Oil)，指石油的基本类型，储存在地下储集层内，在常压条件下呈液态。二、石油 石油(Petroleum)，指气态、液态和固1 1石油储量石油储量 根据2004年BP世界能源统计，截止到2003年底，全世界剩余石油探明可采储量为1565.8亿吨，其中，中东地区占63.3，北美洲占5.5，中南美洲占8.9，欧洲占9.2，非洲占8.9，亚太地区占4.2。1石油储量 根据2004年BP世界2 2石油的重要性石油的重要性 自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长，初期主要是以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的生产与消费持续上升，石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。虽然20世纪70年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。2石油的重要性 自19世纪70年代 到 2003年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7，其中石油占37.3、煤炭占26.5、天然气占23.9。从以上数据可以看出，原油和天然气这两种石油能源占了总能源的60%。据分析，石油能源的优势地位将一直持续到2010年左右。到 2003年底，化石能源仍是世界 我国石油能源在总能源中的比重一直在20%左右，低于世界平均58的水平。我国石油能源在总能源中的比重一直在23 3石油的炼制石油的炼制 石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤，获得了各种燃料和化工产品，有的可直接使用，有的可以进行深加工。3石油的炼制 石油经过分馏、裂化三三.天然气天然气 天然气(Natural Gas)，也是石油的主要类型，呈气相，或处于地下储层条件时溶解在原油内，在常温和常压条件下又呈气态。天然气与煤炭、石油，并称目前世界一次能源的三大支柱。天然气的蕴藏量和开采量都很大，其基本成分是甲烷。由于天然气热值高，燃料产物对环境的污染少，被认为是优质洁净燃料。三.天然气 天然气(Natural 化学与生活第三章-化学与能源课件四四.能源危机能源危机1 1能源的存量能源的存量 石油，煤和天然气都是不可再生能源资源。目前已探明的石油储量将于2010-2035年耗掉80；而天然气和煤，从现在算起，天然气只能再用40-80年，煤只能再用200-300年。四.能源危机1能源的存量 石油，煤和天然气都是不2 2能源开发利用对生态环境的影响能源开发利用对生态环境的影响 能源开发利用不当，将影响生态环境。例如，森林的破坏将减少森林对二氧化碳气体的吸收，从而造成大气中二氧化碳含量增加，大气温室效应加剧。水力发电站选址、设计不当会破化周围的生态环境，造成鱼类减少、土地变质等不良后果。2能源开发利用对生态环境的影响 能源温室效应导致冰水融化能源开发引起的大气污染温室效应导致冰水融化能源开发引起的大气污染3 3能源价格飞涨拖累经济能源价格飞涨拖累经济 新兴市场发展快速、资源不稳定、石油价格飞涨，表明我们正处在一个新的能源时代。数据显示，到2004年，世界对能源的需求量从1.8亿桶增加到了2.5亿桶，由原来的每桶30美元跃升到了现在的每桶超过85美元。石油价格急速高涨，能源价格的波动对世界经济产生强烈影响。新能源的发展、政府和企业如何应对未来能源的挑战已是各国政府不得不面对的重大课题。3能源价格飞涨拖累经济 新兴市场发展第三节第三节 新能源新能源 目前，世界各国所消耗的能源中常规能源占绝大多数，然而，这些矿物燃料既储量有限，又污染环境，从长远来看，为了人类的生存和社会的发展，必须大力开发利用可再生能源。新能源的含义在我国是指除常规能源和大型水力发电之外的太阳能、氢能、核能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。“新”与“常规”相比是一个相对的概念，随着科学技术的进步，它们的内涵将不断发生变化。新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发展的结果，而另一方面也是由于它们在解决能源危机及环境问题方面呈现出新的应用前景。目前最有发展前景的新能源包含太阳能、氢能、核能、风能等。第三节 新能源 目前，世界各国所消耗一一.太阳能太阳能 太阳能是指太阳的辐射能。太阳离地球大约1.5亿千米，其表面温度约6000左右。太阳能的产生主要是因为太阳内部连续不断地发生以氘和氚转变为氦的核聚变反应，好像许多颗巨型氢弹在连续爆炸一样，可以放出惊人的能量。一.太阳能 太阳能是指太阳的辐射能。化学与生活第三章-化学与能源课件太阳能太阳能优优点：点：1.太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富，取之不尽，用之不竭；2.太阳能可就地取用，无需运输；3.太阳能作为一种清洁能源，在开发利用过程中对环境无任何污染；太阳能优点：1.太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰太阳能太阳能缺缺点：点：1.能流密度低；2.其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。太阳能缺点：1.能流密度低；太阳能开发利用太阳能开发利用（1）太阳能的光-热转换 太阳能的光-热转换是太阳能利用中最主要的转换方式。实现这种转换的是各种光-热转换装置，其基本设计思想是先设法把太阳辐射能收集起来，然后利用它来加热。太阳能开发利用（1）太阳能的光-热转换 目前，具有实用价值的光-热转换装置有太阳灶、太阳能热电站、太阳房、太阳能干燥器、太阳能热水器和太阳能航标灯塔等 泥薄壳型太阳灶太阳能热电站太阳房太阳能干燥器太阳能热水器 目前，具有实用价值的光-热转换装置有(2)(2)太阳能的光太阳能的光-电转换电转换 太阳能的光-电转换是把太阳辐射能直接转换成电能。这种转换通常是让太阳的辐射光子通过半导体物质来实现的，在物理学上叫做光生伏打效应。(2)太阳能的光-电转换 太阳能的太阳能航标灯塔利用太阳能人造卫星电视差转台光电水泵太阳能飞机太阳能航标灯塔利用太阳能人造卫星电视差转台光电水泵太阳能飞机(3)(3)太阳能的光太阳能的光-化学转换化学转换 太阳能的光-化学转换是将太阳能直接转换成化学能。这种转换一般通过植物的光合作用和光化学反应实现。(3)太阳能的光-化学转换 太阳能光合作用示意图光合作用示意图二二.氢能氢能 随着常规能源危机出现，人们在开发新的二次能源探索道路上，氢能以其清洁、安全、高效的特点受到了越来越多的关注。二.氢能 随着常规能源危机出现，人们在氢能的氢能的优优点：点：首先，氢能来源广泛，可以从化石能、核能、可再生能源中制取，有利于摆脱对石油的依赖；其次，氢能作为燃料，能在传统的燃烧设备中进行能量转化，与现有能源系统易兼容；第三，氢能通过燃料电池技术转化能量，比利用热机转化效率更高，而且没有环境污染；第四，氢能能够储存，可以与电力并重而且互补。氢能的优点：首先，氢能来源广泛，可清华大学研制的氢燃料电池城市客车清华大学研制的氢燃料电池城市客车 目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：价廉的制氢技术；安全可靠的贮氢和运输氢方法；目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢的制造技术氢的制造技术 氢的制造技术(1)(1)电解水制氢电解水制氢(1)电解水制氢(2)(2)太阳能制氢太阳能制氢 这种所谓“水中取火”的方法是非常诱人的。它只要在水中放入催化剂，在太阳光的作用下就能使水分解放出氢气和氧气。如果这种方法切实可行，人们只要在飞机和汽车的油箱中装满水，再加入一些催化剂，在太阳光的照射下就可以行驶起来。(2)太阳能制氢 这种所谓“水中取火”的方法是非常诱(3)(3)热化学循环分解水热化学循环分解水 纯水的分解需要很高温度(大约4000)。在1960年，科学家们观察到可利用核反应堆的高温来分解水制氢。目前高温石墨反应堆的温度已高于900，而太阳炉的温度可达1200，这将有利于热化学循环分解水工艺的发展。(3)热化学循环分解水 纯水的分热化学循环分解水 热化学循环分解水(4)(4)矿物燃料制氢矿物燃料制氢 目前，制备氢气的最主要方法是以煤、石油及天然气为原料。如水煤气反应：(4)矿物燃料制氢 目前，制备氢气的矿物燃料矿物燃料(5)(5)生物质制氢生物质制氢 生物质可通过气化和微生物法制氢。在生物质气化制氢方面，可将原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉中进行气化或裂解反应可制得含氢的燃料气。(5)生物质制氢 生物质可通过气化生物质制氢生物质制氢(6)(6)其它方法制氢其它方法制氢 在多种化工过程中，如电解食盐制碱过程、发酵制酒过程、合成氨生产化肥过程、石油炼制过程等，均有大量副产物氢气。如果能采取适当的措施对上述副产物进行氢气的分离回收，每年可获得数亿立方米的氢气。制氢研究新进展的取得将会不断地促进氢能源的综合利用与开发。(6)其它方法制氢 在多种化工过程氢的贮存和运输氢的贮存和运输(1)氢的气态贮存。由于氢气密度小、体积大，所以在常温常压下贮存氢气是没有任何实用意义的。一般认为，氢气作为燃料使用时的贮存，应该与天然气的大规模贮存相同，最好贮存在远离城市的地下气体仓库中。在城市中则建立合适的转运、分配系统，以适应不同要求用户的需要。此外，需要特别注意的是防止氢气的渗漏。(2)氢的液态贮存。常用的方法是将氢气深冷液化并罐装运输。但需要零下250的超低温，盛器复杂，价格过于昂贵，而且不安全，一般只用于火箭、宇宙飞船等航天工业。现正在试验把液氢喷气式发动机用于民用航空运输，以制造速度超过超音速飞机68倍的新型飞机。(3)氢的固态贮存。目前，极有前途的一种方法是将氢气以固体金属合金氢化物的形式贮存在金属合金中。非常有趣的是，当氢气遇到某些金属合金时，就像水遇到海绵一样，氢分子会钻进金属合金的晶格里形成金属合金氢化物，从而使氢气固体化贮存起来；当外界条件稍微改变时，所生成的金属合金氢化物就分解放出氢气。故有人把这种金属合金叫做“氢海绵”。氢的贮存和运输(1)氢的气态贮存。由于氢气密度小、体积大，氢能的应用氢能的应用 氢能的应用 燃氢航天飞机燃氢宇宙飞船液态氢动力车氢能发电站燃氢航天飞机燃氢宇宙飞船液态氢动力车氢能发电站 早在第二次世界大战期间，氢即用作A-2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3，这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧作为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450立方米，重约100t。化学与生活第三章-化学与能源课件 现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前已进入样机和试飞阶段。现在科学家们正在研究一种“固态氢”的 氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的加氢、煤的气化、重油的精炼等，化工中制氨、制甲醇也需要氢，氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电，采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将大大提高。许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能成为在世界能源舞台上的一种举足轻重的二次能源。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工三三.核能核能 核能(又称原子能、原子核能)是原子核结构发生变化时放出的能量。核能释放通常有两种方式：一种是重核原子(如铀)分裂成两个或多个较轻原子核，产生链式反应，释放的巨大能量称为核裂变能。另一种是两个较轻原子核(如氢的同位素氘、氚)聚合成一个较重的原子核，释放出的巨大能量则称为核聚变能。三.核能 核能(又称原子能、原子核能235U裂变 中子轰击原子核引发链式裂变反应示意235U裂变 中子轰击原子核引发链式裂变反应示意核聚变反应主要有如下两种：核聚变反应主要有如下两种：核聚变反应主要有如下两种：总之，从重核原子的裂变或轻核原子的聚变均可获得巨大的能量。目前，人类已实现了可控的核裂变反应，并将核裂变能利用来发电；但是到目前为止，人类还未实现可控的核聚变反应。总之，从重核原子的裂变或轻核原子的聚核能的五大优点：核能的五大优点：1.它的能量巨大，而且非常集中；2.运输方便，而且地区适应性强；3.资源丰富。陆地上的核资源相对有限，但海洋中的核资源可谓取之不尽、用之不竭；4.核燃料可以循环使用；5.核燃料可以增殖；核能的五大优点：1.它的能量巨大，而且非常集中；核电站原理与核电现状核电站原理与核电现状 核电站是实现核裂变能转变为电能的装置。它与火电站最主要的不同是蒸汽供应系统。核电站利用核能产生蒸汽的系统称为“核蒸汽供应系统”，这个系统通过核燃料的核裂变能加热外回路的水来产生蒸汽。从原理上讲，核电站实现了核能热能电能的能量转换。从设备方面讲，核电站的反应堆和蒸汽发生器起到了相当于火电站的化石燃料和锅炉的作用。核电站原理与核电现状 核电站是实现核 原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出23个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。原子由原子核与核外电子组成。原子核由 现代核电站与火电厂的构成示意图 现代核电站与火电厂的构成示意图 核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆核反应堆的类型核反应堆的类型 “快堆”和“慢堆”。当前世界上绝大多数反应堆均为热中子反应堆(简称“热堆”或“慢堆”)。“快堆”即“快中子反应堆”，它与“慢堆”的根本区别在于，引起核裂变的“炮弹”是高能的快中子。一般来说，一座快中子反应堆只要运行1520年，它所累积增加的核燃料，就足以装备一座与自身功率相同的新核反应堆。也就是说，一座快中子反应堆，在运行1520年后就变成了两座快中子反应堆。核反应堆的类型 “快堆”和“慢堆”。当前世界上绝大“压水堆”和“沸水堆”。在正常运行条件下，压水反应堆内的水由于受到很高的压力，始终处于“液态”。我国已建成的秦山核电站(一期)和大亚湾核电站以及正在建设的秦山二期、岭澳和田湾核电站均采用压水堆。沸水反应堆内的水则处于气、液两相的状态。“压水堆”和“沸水堆”。在正常运行条件下，压水反应堆内的水“轻水堆”和“重水堆”。自然界的氢有三种同位素：氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。普通水中的氢原子是“氕”，这种水我们称为“轻水”；若水中的氢原子是“氘”，则称为“重水”。“轻水堆”“重水堆”的区别在于反应堆的冷却剂和慢化剂是“轻水”还是“重水”。如秦山三期核电工程采用的是重水堆。“轻水堆”和“重水堆”。自然界的氢有三种同位素：氕(1H)发展核电是可持续发展战略的重要组成部分。目前，除燃烧化石燃料和水力发电外，只有核电是现实可行、技术成熟、具有大规模工业应用成功经验的能源。火电、水电、核电是电能生产的三大支柱。发展核电是可持续发展战略的重要组成 目前我国大陆上有两个核电站、三台核电机组在运行，它们是秦山核电站一台30万千瓦压水堆核电机组、大亚湾核电站两台90万千瓦压水堆核电机组。1999年我国核发电量占总发电量的1.15。秦山核电站大亚湾核电站汽轮机 目前我国大陆上有两个核电站、三台核电未来核聚变能发电未来核聚变能发电 当今核能利用的主要目标是：一是选用快中子增殖堆作为第二代核电站的主要堆型，利用快堆核燃料的增殖效应，缓解核资源的枯竭；二是用核聚变能发电。现在的核电站都是利用核裂变能发电，如果实现了可控核聚变，人类就可以用氘来发电。未来核聚变能发电 当今核能利用的主要未来核聚变能发电 未来核聚变能发电 1升海水可提取0.03克氘，这些氘通过核聚变能释放相当于300升汽油所提供的能量。到那时人类能源问题将获得彻底解决。1升海水可提取0.03克氘，这些氘核聚变与核裂变核聚变与核裂变 核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。核聚变与核裂变 核裂变是一个原子核分裂 而核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。而核聚变的过程与核裂变相反，是几个原核聚变与核裂变相比有四大优点：核聚变与核裂变相比有四大优点：核聚变反应放出的能量比核裂变反应放出的能量更巨大，大约是核裂变能的10倍；核聚变反应是太阳内部发生的主要核反应，所以核聚变技术就是制造一个个小太阳，意义十分重大；核聚变反应堆是在稀薄的气体中持续稳定地运行，因而不可能“失去控制”，因而核聚变反应比核裂变反应更安全；核聚变与核裂变相比有四大优点：核聚变 因为氘和氚的聚变产物只有氦，无污染产生，因而核聚变反应比核裂变反应更清洁；核聚变燃料的资源比核裂变燃料更丰富，因为海水中有着取之不尽的核聚变燃料氘。因为氘和氚的聚变产物只有氦，无污染产要使核聚变反应能顺利进行，必须满足下列要使核聚变反应能顺利进行，必须满足下列四个基本条件：四个基本条件：第一个条件是超高温。加热氘和氚的最低温度是7000万，一般为12亿。这么高的温度比太阳内部的温度还要高出10倍，要使之成为现实谈何容易。第二个条件是高密度。要求中子的密度达到每立方厘米50万亿个，而高密度的中子会引起材料的劣化。要使核聚变反应能顺利进行，必须满足下列四个基本条件：第三个条件是约束时间长。因为在核聚变过程中产生高温等离子体，要使这些等离子体既能装在容器里，又保证它们不与容器壁相碰撞，必须把这些等离子体约束起来，而且约束的时间不能少于1秒钟。这是核聚变技术发展中的又一个重大难点。第四个条件是保持干净。因为杂质会使辐射大大损失，可以使刚升到高温的等离子体冷下来，所以要严防杂质混入等离子体中。因此，原料必须高度纯净，容器必须高度清洁，在装料以前容器的真空度要达到万分之一帕。这样的超净条件也是难以实现的。第三个条件是约束时间长。因为在核聚变过目前已实现的人工热核反应是氢弹爆炸 目前已实现的人工热核反应是氢弹爆炸 国际热核实验反应堆国际热核实验反应堆 尽管实现核聚变控制的难度很大，但人们一直没有放弃研究，近些年取得了一定的进展。2006年6月28日欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国代表在俄罗斯首都莫斯科达成协议，决定法国南部马赛附近的“卡达拉舍”成为国际热核实验反应堆的建设地。国际热核实验反应堆 国际热核实验反应堆计划是一项研究核聚变发电的大型国际科研项目。参与国际热核实验反应堆计划的六方是欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国。据俄原子能署专家介绍，国际热核实验反应堆项目总费用将为130亿美元，其中47亿美元用于反应堆的前期投资。获得第一个热核实验反应堆建造权的国家将承担该项目50的费用，另外五方分别承担10。国际热核实验反应堆计划是一项研究核聚 目前国际热核实验反应堆只是一个研究工具，将来不会连接电网。它的目的是找到聚变的最佳条件，目标是建立一个功率可达500兆瓦，时间持续300秒以上的聚变反应堆。到那时才有可能进入下一个阶段：利用聚变发电。这个目标应由国际热核实验反应堆的接班人来实现，最快也得2035年以后才有望利用核聚变反应堆发出第一度电。目前国际热核实验反应堆只是一个研究工核潜艇核电站核动力核潜艇核电站核动力？思考题：思考题：1.什么是新能源？举例说明。2.简述氢能的优越性。举例说明三种产生氢能的途径。3.核聚变与核裂变有何区别？目前世界上的核电站属于哪一种？4.我们需要修建核电站吗？为什么我们不能完全依靠煤和石油来发电？5.核电站安全吗？核电站会像核弹那样爆炸吗？核电站会放出辐射吗？如何避免核电站的危险？6.你知道如何处理核电站产生的废料吗？7.核反应堆有哪几种类型？“快堆”有什么特点？8.试举三例利用太阳能的设备，并解释其原理。9.简述太阳能的优点与不足，如何有效利用太阳能？思考题：1.什么是新能源？举例说明。第四节第四节 生物质资源生物质资源 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。第四节 生物质资源 生物质能是蕴藏在生 生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：一是木材及森林工业废弃物；二是农业废弃物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工业有机废弃物；六是动物粪便。生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位，在整个能源系统中占有重要地位。到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40以上。生物质能的来源生物质能源的利用过程 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源生物能的生物能的优优点：点：(1)提供低硫燃料；(2)提供廉价能源；(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如垃圾燃料)；(4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。生物能的优点：(1)提供低硫燃料；生物能的生物能的缺缺点：点：（1）利用规模小；(2)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；(3)单位土地的有机物能量偏低；(4)缺乏适合栽种植物的土地；(5)有机物的水分偏多(50%95%)。生物能的缺点：（1）利用规模小；生物质能的生化转化过程生物质能的生化转化过程 （1）厌氧消化 利用微生物将固体有机物转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物；（2）乙醇发酵 如利用糖类作物发酵可制成乙醇；生物质能的生化转化过程（1）厌氧消化 生物质资源利用实例生物质资源利用实例 实例一：由生物质制造汽油 酒精可作为机动车燃料已成为不争的事实。但传统的发酵工艺，以谷物为原料，原料成本高，且利用率低，能耗很大，因此酒精产品成本较高。要想将其大规模用于机动车燃料还必须降低成本。降低成本的办法有二，其一是利用基因工程改进酵母的性能以提高过程效率，其二是采用更为廉价的纤维素原料。日本三得利公司把从霉菌中分离得到的葡萄糖淀粉霉基因克隆到酵母中，可直接发酵生产酒精，省去了淀粉原料蒸煮糊化的传统工序及蒸煮物冷却设备，可减少60%的能耗。目前在美国，酒精燃料已经进入实用化阶段，只要在税收政策上适当给予优惠，就可以大规模用作汽车燃料。生物质资源利用实例 实例一：由生物质制造汽油 实例二：由生物质制天然气 天然气有时也称沼气，其主要成分是甲烷，目前广泛用作发电厂和家庭用燃料，部分天然气还用做化工原料。农、林、畜产的废物和家庭的有机垃圾可通过甲烷发酵过程制取沼气。其过程是，把上述有机废物放在容器中并与细菌混合，细菌便在容器中迅速繁殖起来，细菌在分解过程中释放出甲烷、氨和二氧化碳。据报道，美国俄克拉荷马州的一家热回收处理厂已建成一套5万立方米的沼气，可满足当地近3万户家庭使用。实例二：由生物质制天然气 实例三 由生物质制造生物柴油 目前生物柴油主要是用化学法生产，即用动物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化剂和高温（230250）下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，在经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中可产生10%左右的副产品甘油。实例三 由生物质制造生物柴油 利用油菜籽制备生物柴油生物柴油生产装置生产流程利用油菜籽制备生物柴油生物柴油生产装置生产流程？思考题思考题1.什么是“生物质能”？举例说明。2.为什么把生物质能称为“变废为宝的能源”？介绍两种利用生物质能的方法。3.在我国现阶段，你认为应该如何有效利用生物质能？4.目前有人提倡推广种植“绿色石油”来缓解能源危机，你认为可行吗？为什么？思考题1.什么是“生物质能”？举例说明。第五节第五节 化学电源化学电源 在开发新能源的过程中燃料电池异军突起，燃料电池是一种直接利用氢和氧进行电化学反应的直接发电方式，其发电效率高达4060，预计将来可达7080。化学电源，特别是新型的镍/氢电池、锂电池、燃料电池具有高能量密度的特性，是高效能量储存与转换的应用典范。第五节 化学电源 在开发新能源的过程中化学电池的发展化学电池的发展 化学电源是将物质化学反应所产生的能量直接转化成电能的一种装置。从1839年Willam-Grore发明燃料电池以来，化学电源的研制受人们的关注。如1859年Plante研制了铅酸电池，1868年Leclanche研制了以氯化铵为电解液的锌/二氧化锰电池，1888年Gassner制备了锌/二氧化锰干电池，1895年Junger发明了镍/镉电池，1900年Edison创制了镍/铁电池，以及在20世纪后期形成产业化重点的镍/氢电池和锂(离子和高分子)电池。化学电池的发展 化学电源是将物质化学化学电池分类化学电池分类 化学电池的分类有不同方法，而按化学电池的工作性质及储存方式不同，可将化学电池分为：原电池(一次电池)、蓄电池(二次电池)、储备电池和燃料电池。原电池经过连续放电或间歇放电后，不能用充电的方法将两极的活性物质恢复到初始状态，即反应是不可逆的，因此正、负电极上的活性物质只能利用一次。原电池的特点是小型、携带方便，但放电电流不大，一般用于仪器及各种电子器件。广泛应用的原电池有：锌/锰、锌/汞、锌/银电池等。化学电池分类 化学电池的分类有不同方法，原电池原电池 蓄电池在放电时通过化学反应可以产生电能，而充电(通以反向电流)时则可使体系回复到原来状态，即将电能以化学能形式重新储存起来，从而可循环使用。常用的蓄电池有：铅酸、镍/镉电池、镍/铁电池、镍/氢电池、锂(离子和高分子)电池等。蓄电池在放电时通过化学反应可以产生电蓄电池蓄电池镍/氢电池 镍/氢电池是在研究能源基础上发展起来的一种高科技产品，它是集能源、材料、化学、环境于一身的新型化学能源。这种新型蓄电池以氢氧化镍做正极活性材料，以储氢合金做负极活性材料，以碱性氢氧化钾及氢氧化锂水溶液为电解质。镍/氢电池 镍/氢电池是在研究能源基础上发展锂电池锂电池 锂电池是对采用金属锂做负极活性物质的电池的总称。锂位于元素周期表第一主族的第二位，在已知金属中具有最轻的原子量(6.94)和最负的标准电极电位(-3.045V)，因而锂与适当的正极材料匹配构成的锂电池具有能量密度大、电池电压高的特性。另外，锂电池还具有放电电压平稳、工作温度范围宽、低温性能好、储存寿命长等优点。形式各样的锂电池锂电池 锂电池是对采用金属锂做负 储备电池又称之为激活电池。该类电池的正负极活性物质和电解质在储备期间不直接接触，只有在使用时借助动力源作用于电解质，才使电池激活工作。储备电池的特点是电池在使用前处于惰性状态，因此可储存较长时间(如几年到十几年)。储备电池有：镁/银电池、锌/银电池、铅/高氯酸电池等。储备电池储备电池 储备电池又称之为激活电池。该类电池 燃料电池又称为连续电池，与其他电池相比，它最大的特点是正负极本身不包含活性物质，而活性物质被连续地注入电池，就能够使电池源源不断地进行发电。按使用电解质的不同，燃料电池大体上可分为五大类：碱性燃料电池，高分子电解质(又称质子交换膜)燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及固体氧化物燃料电池。燃料电池又称为连续电池，与其他电池燃料电池 燃料电池是一个电化学系统，它将化学能直接转化为电能且废物排放量很低。燃料电池由3个主要部分组成：燃料电极(正极)、电解液、空气氧气电极(负极)。燃料电池的工作原理燃料电池 燃料电池是一个电化学系统氢动力燃料电池电动汽车氢动力燃料电池电动汽车燃料电池的燃料电池的优优点点 由于燃料电池不会燃烧出火焰，也没有旋转发电机，所以燃料的化学能直接转化为电能。这一过程具有许多重要的优点：这一过程的电效率比任何其它形式的发电技术的电效率都高。废气如SO2，NOx和CO的排放量极低。由于燃料电池中无运动部件，燃料电池工作时很安静且无机械磨损。电与热量可结合起来用(热电联产厂)。燃料电池的工作特性可满足各种负荷水平要求。燃料电池的优点 由于燃料电池不会燃烧出燃料电池的应用燃料电池的应用 目前将质子交换膜燃料电池用于空间飞行、移动式和固定式设备，同时开发小型化的质子交换膜燃料电池系统，作为便携式电源用于笔记本电脑和摄像机等装置。将来，在固定和移动式发电厂中采用燃料电池，可以使对环境的污染减少到现有技术还不能达到的程度。燃料电池的应用 目前将质子交换膜燃料燃料电池应用燃料电池应用？思考题：思考题：1.简述化学电池的分类和主要用途。2.简述燃料电池的工作原理。3.举例说明燃料电池的应用。4.简述化学电池作为新能源的优点和不足。？思考题：1.简述化学电池的分类和主要用途。