电化学技术在新能源中的利用

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1、电化学技术在新能源中的利用电化学技术在新能源中的利用本文由 heshuquan_0 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。电化学技术在新能源 研发中的应用陆天虹中国科学院长春应用化学研究所 南京师范大学化学与环境科学学院一.能源的概况 1.能源的重要性 1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进 社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这 一过程中,能源一直扮演着重要的角色. 从世界经济发展的历史和现状来看,能源 问题已成为社会经济发展中一个具有战略 意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量 一个国家国民经济发展和人民生活水平的 重要标

2、志,能源问题对社会经济发展起着 决定性的作用.2.能源的种类 2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样 的,一般可分为常规能源和新能源 两大类.常规能源包括煤炭,石油, 天然气和水能,而新能源有生物质 能,核能,风能,地热能,海洋能, 太阳能和氢能等.其中煤炭,石油, 天然气被成为化石能源,水能,生 物质能,风能,太阳能和氢能等是 可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺 化石能源的短缺 能源是人类赖以生存和社会发展的重要 物质基础,是国民经济发展的命脉,但 目前主要使用的化石能源的储量不多. 据 2002 年世界探明的化石能源的储量和 使用量统计,世界上煤,石油和天然气 的储采

3、比分别为 204,40 和 60年,中国的 情况更为严峻,据 2002 年统计,中国煤, 石油和天然气的储采比只有 82,15 和 46 年.这表明在人类历史的长河中,只有 很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源 的需求也持续攀升.我国一次能源消费 总量从 1978 年的 5.3 亿吨标准煤,上升 到 2002 年的14.3 亿吨.据估计,我国在 2004,2020 和 2050 年的石油消费量达 3, 4.5 和 6 亿吨,其中进口量分别为 1,2.7 和 4 亿吨.4 亿吨的进口量相当于目前美 国的石油进口量,这不但会制约我国经 济的可持续发展,而且对国家的安全也

4、 十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常 化石燃料造成严重环境污染和气候异常 化石燃料的使用引起的环境污染,排放的 CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有 关机构已向联合国发出警告,如再不对 CO2 的排放采取严厉措施,在 10 年内,世界的 气候将产生不可逆转的变化.我国的环境 污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2 排 放量占世界总排放量的 14%,在美国之后 位居第二,估计到2025 年,将位居第一. 在本世纪初联合国关于环境污染的调查中, 发现在世界上十个环境污染最严重的城市 中,七个在中国.它们是太原,北京,乌 鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4. 21 世纪世界能源

5、发展趋势 世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视 节能技术将备受重视 节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费. 目前节能技术水平已是一个国家能源利用 情况的综合性指标,也是一个国家总体科 学技术水平的重要标志.许多研究报告指 出,依靠节能可以将能源需求量降低 2530%. 我国在能源利用方面的效率很低,我国的 能耗很高,是世界平均水平的 2 倍,发达国 家的 5-10 倍,因此更应重视节能技术,我国 应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革 世界能源系统将发生重大变革 据预测,20 世纪形成的以化石燃料为主 的世界能源系统将在 21世纪转换成以可 再生能源为主的新

6、的世界能源系统.在 20 世纪末,化石燃料的使用量占了世界 一次能源用量的 89.5%.据世界能源委员 会(WEC)和国际应用分析系统研究所的 研究报告认为,在 20 世纪上半叶,化石 燃料仍将是世界一次能源的主体,但到 21 世纪下半叶,太阳能,生物质能,风 能等新能源将占世界能源的 50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视 煤炭将作为过渡能源而受到重视 由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量 相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源 而在 21 世纪上半叶受到重视.主要发展的 技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术. (4)新化石能源的开发将得到强化 新化石能源的开发将得到强化 近年来发现,

7、在海洋 300 米深处有甲烷水合 物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受 到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物 的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量 的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大 的未开发能源开始受到世界各国的高度重 视.(5)核能的利用将进一步得到重视 核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在 20 世纪末,全世界 运行的核电站有436 座,总发电量为 3.5 亿千瓦. 这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等 31 个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全 性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界 安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下 降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋

8、势, 我国准备在今后几年内建造 4 座核电站. 受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在 海水中大约有 23.4 亿万吨氘,如受控核聚变技术 在 21世纪能得到应用,在 21 世纪末,核能可望 占世界一次能源的 30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视 可再生能源的开发将越来越受到重视 鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使 用引起严重的环境污染和气候异常, 人们对新能源的开发越来越重视.其 中水力能,地热能,海洋能和风能的 可利用资源有限,因此,太阳能,生 物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点 . (1)生物质来源丰富 地球上每年生长的生物质总量约 1400

9、1800 亿吨,相当于目前世界总能耗的 10 倍,我国的生物质能也极为丰富,可作 为能源开发的生物质能总量可达 4.5 亿吨 标准煤.加上生物质能可再生.因此, 生物质能的高效,规模化利用可有效缓 解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用 (a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术 成熟,但效率低. (b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取 醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟, 但生产成本较高.生物质制沼气技术相当 成熟.2002 年全国已建 1300 多万个沼气池. (c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等 技术,获得气,液体燃料来发电. (d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经 甲酯

10、化得生物柴油.它有含氧高,含硫低, 分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少 由于生物质利用过程中释放的CO2 是 其生长过程通过光合作用从环境吸收 的,所以生物质能的利用过程不排放 额外的 CO2,而对环境污染少. 生物质能的利用还能降低污染.如可 利用生物质热解汽化技术处理生活垃 圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实 现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题 2.生物质能利用的问题 生物质能利用的缺点主要是生物质分布 广,大面积收集成本高,经济的收集半 径在 50 公里以内,只适合建立小型,分 散的生物质能利用系统.而小型转换系 统的效率低,不提高生物质能的利

11、用效 率就不能获得好的经济效益,这是生物 质能至今未能实现规模化应用的关键问 题之一.因此,如何在小型,分散体系 实现能量的高效,清洁及规模化利用是 迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点 太阳能的优点 (1)太阳能来源丰富 太阳能来源丰富 太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是 一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内 部不停地进行热核反应,释放出巨大的能 量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能 量的极小部分,约 1/22 亿,但地球每年接 收的太阳能至少有 61017 千瓦小时,相当 于 74 万吨标准煤的能量.其中被植物吸收 的仅占 0.015%.可见,开发太阳能利用的 潜力很大.

12、(2)太阳能的使用没有污染问题 太阳能的使用没有污染问题 这也是众所周知的,太阳能的使用 基本上没有污染问题. (3)太阳能可多途径利用 太阳能可多途径利用 (a)太阳能的热利用.如太阳能热水器, 太阳灶,太阳能蓄热池发电等. (b)太阳能发电.如太阳能电池和光电 池. (c)光催化和光电催化制氢.主要用这 两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况 太阳能利用的概况 近年来,太阳能的利用发展很快,据 1997 年的数据,全球太阳能发电量已达 800 兆瓦. 到2000 年,日本已有 7 万个住宅用上太阳能 电池,美国和欧盟计划在2010 年前安装 100 万套太阳能电池.特别是把太

13、阳能电池与 屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已 有 300 套,年发电量为 1 亿千瓦.这种系统 不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿 命可达 25 年. 太阳能的热利用发展更快. 特别在我国,太阳能热水器的年产值已达 60 多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题 太阳能利用的问题 开发太阳能利用的主要问题是如何 提高太阳能的转换效率,其次是降 低成本,这对我国特别重要,目前 我国生产太阳能电池的能力已达几 百兆瓦,但由于价格高,基本上都 销往国外.第三,一些技术,如光 催化和光电催化制氢技术还没成熟, 没有达到实用化的阶段,应该抓紧 这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点 氢能

14、的优点 (1)氢是自然界储量最丰富的元素. (2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料. (3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料. (4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快. (5)氢可用多种方法大规模生产. (6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通 过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视 2002 年加拿大举办了以“氢行星“为主题 的第 14 届世界氢能源大会. 2003 年在华盛顿召开 15 个国家和地区参加 的“国际氢能经济合作伙伴“会议. 冰岛计划用 40 年时间将冰岛建成“氢社 会“. 布什将投资 120 亿美元来促进氢能源的发展. 过去 5 年,工业化国家在氢能开发领域的投 入年均递增

15、 20.5%. 氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界 的主要能源,进入氢能时代已成为近年来 的热门话题,21 世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加 了 2003 年在华盛顿召开的有 15 国家参加 的“国际氢能经济合作伙伴“会议. 2004 和 2005举办了两次关于氢能经济的 中美双边会议.今年一月,中国科学院 院士局召开了关于“石油替代能源“的 研讨会,主要讨论石油资源可持续性分 析,石油的替代能源,氢能燃料和我国 的石油替代能源.并要组织人员进行软 课题研究.3.氢能的问题 3.氢能的问题 (1)氢的价格 氢的制备,储存和运输中的价格 问题,是影

16、响走进氢能时代的很关 键的问题.要降低其价格,必须形 成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题 (2)廉价清洁的制氢技术问题 目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量 的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的 制氢技术是各国科学家共同关心的问题. (a) 化石燃料制氢:目前,96%氢从化石 燃料制备,技术成熟,但要造成环境污 染. (b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多, 价格高.一般每生产 1 立方米的氢气,需要消耗 4.2-6 度的电能,其能量转化率不 到 32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可 储存,碳循环等优点,从中长期看是最 有前途的制氢方式.目前生物质制氢效 率低. (d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌 株工作进展不快,制氢效率低. (e)风能制氢:用风能发电来电解水产生 氢,技术上没有问题,降低成本和风能 发电量少是主要的问题. (f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶 段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题 (3)氢的储运问题 氢的储运技术主要解决储运的安全性和 成本,现在由于储运技术不过关,因此 浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油, 炼焦,氯碱