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1、能源科学与工程概要（08土木工程二班 * J08*）前言能源也被称为能量资源或能源资源，是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。 在经济高速发展的今天，能源有着任何东西都无法替代的地位，是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用，它是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重
2、要问题。本文通过对能源与经济、能源安全、先进能源技术、可再生能源与新能源及其技术、节能与减排以及中国的能源问题与对策六个方面的一些内容和数据的讲述，主要的写中国的能源情况，将有关能源的影响，它的发展方向，有关的问题，一些新技术及对策的一些信息表述出来，从而来更好地体现出能源的重要性和影响力。一、能源与经济如今正是经济快速发展的时期，作为加快其发展的重要因素之一的能源，当然是与经济有着不可分割的关系，比如说石油价格的大波动，通常使经济遭受大的影响，这是最常见的事实了。能源与经济发展的关系直接表现在能源系统发展与经济增长之间的互动关系上。两者之间存在的是一种相互影响、相互制约、互相促进的辨证关系。
3、能源系统的发展推动了经济增长，反过来，经济增长又为能源系统的发展提供了必要的物质条件和经济基础。能源系统作为社会大系统的重要组成部分，在为社会经济发展提供动力的同时，也需要其它社会系统的支持，其中最重要的就是经济系统的支持。 能源系统对经济增长的促进作用表现在：能源是社会生产的重要生产要素；能源的利用促进了社会生产力的快速发展；能源推动生产的发展和经济规模的扩大；能源系统可以推动技术进步；能源系统可以促进新兴产业的诞生与发展；能源是提高生民生活水平的主要物质保障。相对的，经济增长对于能源系统的促进作用表现在：经济增长产生能源需求，为能源系统的发展提供市场；经济增长为能源系统的发展提供人力、物力
4、、财力等物质基础；科学教育的发展为能源的开发利用提供认识工具；技术进步和社会生产发展为能源系统的发展提供物质手段。 综合一下，可以将经济增长与能源之间的关系为如下3点： （1）经济增长与能源需求总量同方向变化，并且存在着一定的比例关系； （2）经济增长与其对能源品种和结构扩大和更新的需求同方向变化； （3）经济增长对能源质量的需求也是在不断提高的。二、能源安全1、概念的提出。“能源安全”属于现代发展词汇范畴，是随着能源消费水平的提高，能源对经济等各个方面的威胁和影响不断加大的情况下产生的。在20世纪70年代初，集中了世界石油约2/3资源量、1/3产量和3/5出口量的中东地区爆发了所谓的第四战争
5、，战争的结果是，基准原油价格从每桶3.011美元提高到每桶10.651美元，致使世界原油价格上涨2倍多，从而触发了第二次世界大战后极其严重的一次全球经济危机。从此以稳定原油供应价格为中心的国家能源安全概念被正式提出。2、国际情况。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发，这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，
6、世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展，科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。如今在全球化条件下，一国的能源安全不仅是一个经济问题，同时它也是一个政治和军事问题；它不仅与国内供求矛盾及其对外依存度相联系，同时它还与该国对世界资源丰富地区的外交和军事影响和控制力相联系。3、我国的现状。我国化石能源资源总量在世界上还算比较丰富，但是资源呈现多煤、少油和少气的局面，特别是我国是人口大国，我国人均化石资源占有量很低，煤炭约占世界人均水平的1/2，石油约占1/10，天然气约占1/20
7、。原油资源不足，随着我国国民经济的发展。自从1993年我国成为石油净进口国之后，我国石油进口量逐年增加，2004年我国进口石油达到1.2亿吨，预计2020年我国石油消费量将达到4.5亿吨，石油进口量将达到2.5亿吨左右。因此，确保石油供应安全成为我国能源安全的核心任务。缓解我国石油供应紧张的解决路径是“开源节流”。所谓开源，一是进一步增加石油进口量，二是加大石油勘探开发力度并提高石油采收率，三是加大能替代石油的能源技术开发。所谓节流，就是节省石油消耗，开发节油型的用油设备。三、先进能源技术1、先进能源技术发展方向未来能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。第四代核能系统、先
8、进核燃料循环以及聚变能等技术的开发越来越受到关注；氢作为可从多种途径获取的理想能源载体，将为能源的清洁利用带来新的变革；具有清洁、灵活特征的燃料电池动力和分布式供能系统，将为终端能源利用提供新的重要形式。重点研究规模化的氢能利用和分布式供能系统，先进核能及核燃料循环技术，开发高效、清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术，低成本、高效率的可再生能源新技术。 2、前沿能源技术当今的前沿技术呈现百花齐放的现象，各种新技术不断出现，其中进展较大、发展前景比较好的主要有以下几种： （1）氢能及燃料电池技术。重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氢技术，经济高效氢储存和输配技术，燃料电池基础关键
9、部件制备和电堆集成技术，燃料电池发电及车用动力系统集成技术，形成氢能和燃料电池技术规范与标准。 （2）分布式供能技术。分布式供能系统是为终端用户提供灵活、节能型的综合能源服务的重要途径。重点突破基于化石能源的微小型燃气轮机及新型热力循环等终端的能源转换技术、储能技术、热电冷系统综合技术，形成基于可再生能源和化石能源互补、微小型燃气轮机与燃料电池混合的分布式终端能源供给系统。 （3）快中子堆技术。快中子堆是由快中子引起原子核裂变链式反应，并可实现核燃料增殖的核反应堆，能够使铀资源得到充分利用，还能处理热堆核电站生产的长寿命放射性废弃物。研究并掌握快堆设计及核心技术，相关核燃料和结构材料技术，突破
10、钠循环等关键技术，建成65MW实验快堆，实现临界及并网发电。 （4）磁约束核聚变。以参加国际热核聚变实验反应堆的建设和研究为契机，重点研究大型超导磁体技术、微波加热和驱动技术、中性束注入加热技术、包层技术、氚的大规模实时分离提纯技术、偏滤器技术、数值模拟、等离子体控制和诊断技术、示范堆所需关键材料技术，以及深化高温等离子体物理研究和某些以能源为目标的非托克马克途径的探索研究。（5）直接碳燃料电池。直接将固体碳燃料中的化学能高效、清洁地转化为电能，对合理利用煤炭、控制污染物以及减少CO2排放有重要意义。目前已开发出以熔融碳酸盐、熔融氢氧化物和固体氧化物作为电解质的多种DCFC，但与其它燃料电池技
11、术相比，研究尚处于起步阶段。四、可再生能源与新能源及其技术新能源是指传统能源之外的各种能源形式，刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。可再生能源泛指多种取之不竭、可以永续利用的能源资源，如水能、风能、太阳能、生物质能和海洋能等，不存在资源枯竭问题。两者有一定的差异，如核能是新能源但不是可再生的，但是绝大部分是相似的，潜力都是极大的，因此我将这两个方面合起来，不分开来写。可再生能源和新能源主要有如下方面：1、太阳能。科学家研究表明，太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量，其中可开发利用5001000亿
12、度；据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。但因其分布很分散，目前能利用的甚微，方法主要有：太阳电能池，通过光电转换把太阳能转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光加热水；太阳能光伏发电、太阳能水泵等。2、地热能。地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量。其中全球陆地部分3公里深度内、150以上的高温地热能资源为140万吨标准煤，地下10千米厚的一层，储热量相当于9.951015标准煤所释放的热量。地热能在世界很多地区应用相当广泛。3、风能。指利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量。风力发电是主要的风能开
13、发利用方式。世界风能的潜力约3500亿千瓦，中国的风能总储量估计为1.6109千瓦，列世界第三位。但是由于风的方向及大小都变幻不定，今后输能储能技术如有重大改进，风力利用将会增加。4、生物质能。地球上每年植物光合作用固定的碳达21011t，含能量达31021J，每年通过光合作用贮存在植物中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，光合作用的年产量（包括自然生长的植物和粮食生产）目前大约是2200亿吨干坏料，这大约相当于每年80亿吨生化资料所提供的能量。5、海洋能。海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、
14、海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的方式主要是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。6、核能。核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，爱因斯坦的质能方程，蕴含的能量极大，释放主要有核裂变能、核聚变能、核衰变三种形式。前景广阔，但也存在一些问题，如利用率低，核废料处理技术尚未完全解决，成为潜在危害因素，核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大等。中国在这方面的潜力。中国除了水能的可开发装机容量和年发电量均居世界首位之外，太阳能、风能和生物质能等各种可再生能源资源也都非常丰富。中国太阳能较丰富的区域占国
15、土面积的2/3以上，年辐射量超过6000MJ/，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tce的能量；风能资源量约为32亿kW，初步估算可开发利用的风能资源约10亿kW，按德国等风电发展迅速的国家的经验进行类比分析，中国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW；海洋能资源技术上可利用的资源量估计约为4亿-5亿kW；地热资源的远景储量为1353亿tce，探明储量为31.6亿tce；现有生物质能源包括：秸秆、薪柴、有机垃圾和工业有机废物等，资源总量达7亿tce，通过品种改良和扩大种植，生物能的资源量可以在此水平再翻一番。总之中国可再生能源资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，开发利用可再生能
16、源大有可为。五、节能减排1、概念的提出“节能减排”的概念出自我国“十一五”规划纲要，指的是减少能源浪费和降低废气排放。我国在“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20左右、主要污染物排放总量减少10。主要针对我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就的同时，付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈的情况提出的。2、节能减排的原因及现状我国能源资源紧张，人均资源占有率远低于全世界平均水平。建国50年来，我国GDP增长了十几倍，但矿产资源消耗却上升了40多倍，能源等资源的大量消耗与GDP增长不成比例，不实施节能减排、不提高资源的利用率，经济是不可能做到持续发展的。并且我国能源结构以煤为主，占我国一次能源约69%，并造成的生态环境恶化的压力日益增大。如果继续保持目前的废水排放率和能源利
