化學(xué)與能源二能源安全與新能源開發(fā)利.ppt

能源安全與新能源開發(fā)利用,第二部分 化學(xué)與能源（二）,開發(fā)新能源,從資源角度考慮，我國常規(guī)能源相對不足，人均占有量僅為世界平均水平的一半。能源供需矛盾突出。 我國能源以石油和煤炭為主，天然氣的產(chǎn)量近年來有很大增長，可這些主要能源也造成了環(huán)境污染，而且不可再生。 尋找新能源迫在眉睫,新能源：可燃冰,新能源：可燃冰,可燃冰的學(xué)名是天然氣水合物(Gas Hydrates )，這是天然氣和水在特定的條件下所形成的一種透明的冰狀結(jié)晶體,又稱“氣冰”、“固體瓦斯”。是一種清潔高效、使用方便的新能源。 越來越多的科學(xué)家相信未來潔凈能源的最大一部分也許就藏在海底或高緯度永凍區(qū),可燃冰的構(gòu)成,天然氣水合物與天然氣成分相似，且更為純凈，簡單地說，它是天然氣被包進水分子中，在海底低溫和很高壓力下形成的一種冰狀的固態(tài)晶體。 其結(jié)構(gòu)是若干個水分子通過氫鍵構(gòu)成多面體籠子，籠子中包含有客體的天然氣分子，還可以是CO2、N2、H2S等小分子氣體，它們被統(tǒng)稱為氣水化合物。其化學(xué)成分不穩(wěn)定，可用MnH2O表示,從化學(xué)結(jié)構(gòu)來看，天然氣水合物是這樣構(gòu)成的：由水分子搭成像籠子一樣的多面體格架，以甲烷為主的氣體分子被包含在籠子格架中。不同的溫壓條件，具有不同的多面體格架。,可燃冰的性能,能量密度高，燃燒值高。1m3相當(dāng)于164m3的天然氣。 清潔無污染（幾乎不產(chǎn)生任何燃燒廢棄物，SO2比燃燒油或煤低2個數(shù)量級） 使用方便。壓力降低就足以使天然氣水合物晶體分解并釋放出大量甲烷氣體。 注意：甲烷的溫室效應(yīng)是CO221倍，是一種對環(huán)境破壞作用最大的溫室氣體 危險性高,可燃冰的形成條件,被稱為水合甲烷的物質(zhì)大量沉積 低于20oC的溫度 較大的壓力,有專家預(yù)測，可燃冰至少能為人類提供1000年的能源，它將來有望替代煤、石油和天然氣，成為“21世紀(jì)的新能源”。,可燃冰的開發(fā)利用,1810年，英國，達(dá)威在實驗室發(fā)現(xiàn)“天然冰”。雖然是塊香餑餑，但開發(fā)利用仍然很困難： 勘探定位技術(shù)，開采技術(shù) 提制可燃?xì)獾募夹g(shù) 運輸?shù)膯栴} 低成本開發(fā) 其它： 未燃燒的天然氣水合物直接排入大氣產(chǎn)生的強烈溫室效應(yīng) 未燃燒的天然氣水合物對海底已有油氣管道造成危險 對魚的生長的威脅 對航行的威脅 天可燃冰如何保持高壓、低溫狀態(tài)等,新能源：氫理想能源,2000年1月，美國通用汽車推出了使用新能源的汽車氫能概念車，在悉尼奧運會的馬拉松比賽中，通用汽車公司的“氫動1號”作為開道車，出盡了風(fēng)頭。 氫是萬物之主，大約100億年前，大量的氫核遍布太空。 直到現(xiàn)在，太陽總體積80%仍是氫；木星氫占82%；地球上地殼內(nèi)100個原子中有17個氫原子，其數(shù)目僅次于氧而居第二位。,新能源：氫的優(yōu)點,資源豐富。H主要以化合態(tài)存在于水中，地球上水資源豐富， H2燃燒的產(chǎn)物是水，二者無限循環(huán) 氫作為燃料的獨一無二的優(yōu)點是，它的燃燒產(chǎn)物是水，不會污染環(huán)境，燃料循環(huán)與生物圈相吻合。 按重量計算，氫的能量是同量汽油能量的2.5倍左右。如果把噴氣機上的燃料換成同等效能的氫，就會大大節(jié)省重量，這也使氫成為一種航空燃料具有的明顯優(yōu)點。,新能源：氫的優(yōu)點,氫的燃燒值很高，即燃燒時產(chǎn)生的熱量很高，在空氣中燃燒，溫度可達(dá)1000oC。在氧氣中燃燒，可達(dá)2800oC高溫。它產(chǎn)生的熱量比汽油高得多。1gH2燃燒時放熱130KJ，是汽油的34倍 使用方便，現(xiàn)有內(nèi)燃機，稍加改裝就可用氫作燃料，也可通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?氫的運輸和銷售費用要比輸電的便宜，在許多情況下，把現(xiàn)有的天然氣管線改造一下，就能用來運輸氫。運送氫的費用只為遠(yuǎn)距離輸電的八分之一。氫還可能比電更宜于儲存。,新能源：氫的存儲,常溫常壓下，H2的密度小，能量/體積比小，所以必須解決貯存問題 儲氣罐 高壓鋼瓶 液化H2：需要很厚的絕熱保護層。 貯氧合金技術(shù)：金屬與H2充分反應(yīng)，回執(zhí)后釋放H2。 碳納米材料：新型貯氧材料。（1999年我國研制，與克隆羊同時被評為我國十大科技新聞）,大量儲存氫一般有兩種方法： 一種方法是高壓下液化為液氫。但在常壓下，氫氣必須降溫至-252度才能變成液體，這種方法成本高，而且儲存液氫要有極好的絕熱設(shè)備托瓦瓶。液氫易逸散滲漏，會釀成嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故。 另一種方法是用某些金屬或合金來儲存氫。氫有一個奇持的性質(zhì)，它會與某些過渡金屬(如鈀等)或合金形成金屬氫化物，如1體積膠狀銠(Rh)能吸收2900體積氫氣。當(dāng)溫度升高或體系氫壓降低時，它們就放出氫。利用儲氫材料儲氫具有儲存量高、可逆、安全等優(yōu)點。,氫的儲存方法,新能源：氫的制作,實驗室制氫：Na，Ca與H2O反應(yīng)制H2等 工業(yè)制氫：天然氣、石油裂解可制H2，水煤氣可用煤炭制H2，但消耗化石燃料制H2從能源角度講毫無意義。 用H2O制氫： 電解H2O 熱化學(xué)分解 利用太陽能分解水 生物制H2：模擬光合作用,研究新的合理的制氫方法是一項一勞永逸地解決能源問題的研究課題，理想的氫能源如圖所示。,理想的氫能源示意圖,光分解水制氫的研究中已找到一些催化劉，如鈣和聯(lián)吡啶形成的配合物。它吸收的陽光正好近似于水分解成氫和氧所需的能量。另外，二氧化鈦和某些含鈣的化合物也是較適用的催化劑。 有人大膽設(shè)想用城市垃圾和污水來制取氫氣，主要原理是：,日本東京大學(xué)的科學(xué)家在氬和氦的氣流中，將陶瓷CNF加熱至300度，然后用注射針頭向CNF注水制得氫。由于水解后CNF又回到非活化狀態(tài)，所以CNF能反復(fù)使用。在每一次反應(yīng)中，平均每克CNF可產(chǎn)生2至3厘米3H2。 我國在世界上首次完成生物制氫中試實驗。哈爾濱建筑大學(xué)的學(xué)者利用細(xì)茵從污水中分解收集氫氣，并于2000年2月初完成中試實驗。利用含碳水化合物的有機廢水通過生物發(fā)酵制氫，使人類找到了一種新的可再生的潔凈能源。,新能源：氫的利用,直接燃燒 氫能電池,新能源：二甲醚,二甲醚(Dimethyl ether)，簡稱DME，化學(xué)分子式 為CH3OCH3，是一種含氧燃料，它無毒性，常溫常壓下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，具有與液化石油氣相似的物性。 二甲醚無C-C鏈，其十六烷值大于55，具有優(yōu)良的壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)動機，用作為柴油機的代用燃料。而常規(guī)發(fā)動機代用燃料液化石油氣、天然氣、甲醇，它們的十六烷值都小于10，一般只適合于點燃式發(fā)動機。,新能源：二甲醚制備,二甲醚燃料的制取原理可以煤、天然氣、生物有機物等為原料產(chǎn)生合成氣一氧化碳、二氧化碳和氫氣，然后常規(guī)法先制得甲醇，進一步脫水制成二甲醚。,二甲醚的生產(chǎn)方法最早是由高壓甲醇生產(chǎn)中的副產(chǎn)品精餾后制得，隨著低壓合成甲醇技術(shù)的廣泛應(yīng)用，副反應(yīng)大大減少，二甲醚的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)很快發(fā)展到甲醇脫水或合成氣直接合成工藝。近年來，二甲醚的需求量增長較大，各國又相繼開發(fā)投資省、操作條件好、無污染的新工藝，主要包括二步法和一步法，一步法具有流程短、設(shè)備效率高、操作壓力低和CO單程轉(zhuǎn)化率高等特點，合成二甲醚的生產(chǎn)成本較兩步法大幅度降低。因此，一步法經(jīng)濟上更加合理，市場上更具競爭力，總體上來說更具技術(shù)優(yōu)勢。,新能源：二甲醚使用,用于生活：DME在排放與燃燒方面都優(yōu)于LPG，只要有價格優(yōu)勢，DME大量替代LPG是比較容易的。因為LPG的原有設(shè)施完全可以用于DME。 用于燃?xì)廨啓C的燃料：建立以DME為燃料的電廠 替代柴油：這是一個重要領(lǐng)域。因為以超清潔燃料取代柴油是個世界性課題，對中國尤其有挑戰(zhàn)性與迫切性。因為柴油是我國油品中用量最大，也是目前缺口最大的燃料（目前的柴油機難以滿足環(huán)保要求）。 作為高附加值化工產(chǎn)品的中間原料：如CH3OOH(醋酸),LPG,液化石油氣是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯。一種強烈的氣味劑乙硫醇被加入液化石油氣，這樣石油氣的泄漏會很容易被發(fā)覺。液化石油氣是在提煉原油時生產(chǎn)出來的，或從石油或天然氣開采過程揮發(fā)出的氣體。 液化石油氣(LPG)常被人們誤認(rèn)為是丙烷。實際上LPG是石油和天然氣在適當(dāng)?shù)膲毫ο滦纬傻幕旌衔锊⒁猿匾簯B(tài)的方式存在。在美國和加拿大，對這兩種物質(zhì)的混合通常被認(rèn)為主要是由丙烷組成，而在許多歐洲國家其LPG中的丙烷含量都只有50%或更低。,新能源：太陽能（能源之源）,地球上最根本的能源是太陽能。煤、石油中的化學(xué)能是由太陽能轉(zhuǎn)化而成的，風(fēng)能、生物能、海洋能等其實也都來自太陽能。 太陽每年輻射到地球表面的能量為501018kJ，相當(dāng)于目前全世界能量消費的1.3萬倍，真可謂取之不盡用之不竭，因此利用太陽能的前景非常誘人。陽光普照大地，單位面積上所受到輻射熱并不大，如何把分散的熱量聚集在一起成為有用的能量是問題的關(guān)鍵。太陽能的利用方式是光電轉(zhuǎn)化或光化學(xué)轉(zhuǎn)化 。,新能源：太陽能利用,聚集陽光 太陽能的熱利用是通過集熱器進行光熱轉(zhuǎn)化的，集熱器也就是太陽能熱水器。它的板芯由涂了吸熱材料的銅片制成的，封裝在玻璃鋼外殼中。銅片只是導(dǎo)熱體，進行光熱轉(zhuǎn)化的是吸熱涂層，這是特殊的有機高分子化合物。封裝材料也很有講究，既要有高透光率，又要有良好的絕熱性。 隨涂層、材料、封裝技術(shù)和熱水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計等不同，終端使用溫度較低的在100以下，可供生活熱水、取暖等； 中等溫度在100300之間，可供烹調(diào)、工業(yè)用熱等； 高溫的可達(dá)300以上，可以供發(fā)電站使用。,新能源：太陽能利用 光電轉(zhuǎn)換,太陽能也可通過光電池直接變成電能，這就是太陽能電池、光伏打電池。它們具有安全可靠、無噪聲、無污染、不需燃料、無需架設(shè)輸電網(wǎng)、規(guī)?？纱罂尚〉葍?yōu)點，但需要占用較大的面積，因此比較適合陽光充足的邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民或邊防部隊使用。 光電池應(yīng)用范圍很廣，大的可用于微波中繼站、衛(wèi)星地面站、農(nóng)村電話系統(tǒng)，小的可用于太陽能手表、太陽能計算器、太陽能充電器等，這些產(chǎn)品已有廣大市場。,-太陽能庭院燈系列,太陽能電站-,新能源：太陽能利用 光化學(xué)轉(zhuǎn)換:儲存陽光,熔鹽儲能法 太陽能光解H2O制H2 綠色植物光合作用,新能源：海洋能,在地球與太陽、月亮等互相作用下海水不停地運動，站在海灘上，可以看到滾滾海浪，在其中蘊藏著潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等，這些能量總稱海洋能。 主要特點： 可再生性 清潔能源 能量多變，不穩(wěn)定性 能量巨大，頒布分散不均,海洋能潮汐能,潮汐能是以位能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。海水漲落的潮汐現(xiàn)象是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。 在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋轉(zhuǎn)，這種水位的上升以周期為12h25min和振幅小于1m的深海波浪形式由東向西傳播。太陽引力的作用與此相似，但是作用力小些，其周期為12h。 當(dāng)太陽、月球和地球在一條直線上時，就產(chǎn)生大潮；當(dāng)它們成直角時，就產(chǎn)生小潮。除了半日周期潮和月周期潮的變化外，地球和月球的旋轉(zhuǎn)運動還產(chǎn)生許多其他的周期性循環(huán)，其周期可以從幾天到數(shù)年。同時地表的海水又受到地球運動離心力的作用，月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引潮力。,海洋能波浪能,波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面 的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。 波浪能是由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的。能量傳遞速率和風(fēng)速有關(guān)，也和風(fēng)與水相互作用的距離（即風(fēng)區(qū)）有關(guān)。水團相對于海平面發(fā)生位移時，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點的運動，則使波浪具有動能。貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。 深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導(dǎo)致了波浪系統(tǒng)的復(fù)雜性，使它常常伴有局地風(fēng)和幾天前在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的風(fēng)暴的影響。 波浪可以用波高、波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波周期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特征來描述。,海洋能溫差能,溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器。由太陽投射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收，使海洋表層水溫升高。赤道附近太陽直射多，其海域的表層溫度可達(dá)2528，波斯灣和紅海由于被炎熱的陸地包圍，其海面水溫可達(dá)35。而在海洋深處5001000m處海水溫度卻只有36。這個垂直的溫差就是一個可供利用的巨大能源。在大部分熱帶和亞熱帶海區(qū)，表層水溫和1000m深處的水溫相差20以上，這是熱能轉(zhuǎn)換所需的最小溫差。據(jù)估計，如果利用這一溫差發(fā)電，其功率可達(dá)2TW。,海洋能鹽差能,鹽差能是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。 地球上的水分為兩大類：淡水和咸水。全世界水的總儲量為1.4109km3，其中97.2為分布在大洋和淺海中的咸水。在陸地水中，2.15為位于兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水，余下的0.65才是可供人類直接利用的淡水。海洋的咸水中含有各種礦物和大量的食鹽，1km3的海水里即含有3600萬t食鹽,海洋能海流能,海流能是另一種以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。所謂海流主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動。其中一種是海水環(huán)流，是指大量的海水從一個海域長距離地流向另一個海域。 引起因素兩種：首先海面上常年吹著方向不變的風(fēng)，如赤道南側(cè)常年吹著不變的東南風(fēng)，而其北側(cè)則是不變的東北風(fēng)。風(fēng)吹動海水，使水表面運動起來，而水的動性又將這種運動傳到海水深處。隨著深度增加，海水流動速度降低；有時流動方向也會隨著深度增加而逐漸改變，甚至出現(xiàn)下層海水流動方向與表層海水流動方向相反的情況。在太平洋和大西洋的南北兩半部以及印度洋的南半部，占主導(dǎo)地位的風(fēng)系造成了一個廣闊的，也是按反時鐘方向旋轉(zhuǎn)的海水環(huán)流。在低緯度和中緯度海域，風(fēng)是形成海流的主要動力。其次不同海域的海水其溫度和含鹽度常常不同，它們會影響海水的密度。海水溫度越高，含鹽量越低，海水密度就越小。這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造成海水環(huán)流。海水流動會產(chǎn)生巨大能量。,核能（原子能）,原子核是帶正電的質(zhì)子和中子的緊密結(jié)合體，其直徑不及原子直徑的萬分之一，但其質(zhì)量卻占原子質(zhì)量的絕大部分。 為體么帶正電的質(zhì)子少可以緊密的結(jié)合在原子核中？由于核力的存在。當(dāng)兩個核子間距離為310-13cm以內(nèi)時核子間有很強的吸引力（遠(yuǎn)大于靜電排斥力），但一旦超過這一距離，核力則驟減為0。,核子結(jié)合能,當(dāng)核子因彼此間強核力的吸引作用而緊密結(jié)合成穩(wěn)定的原子核時，會釋放巨大的能量，這種能量叫核子結(jié)合能。 結(jié)合能的大小,原子能釋放途徑,原子能釋放途徑主要有兩個 輕核聚變成為一個較重核 重核裂變成兩個質(zhì)量中等的核 在輕核區(qū)，如將平均結(jié)合能小的核聚變成平均結(jié)合能大的核，將釋放巨大的能量。例如，2個2H核，聚變成1個 或1個2H核和3H核聚變成1個 核，并釋放出一個 ,都會釋放巨大能量。這是核聚變反應(yīng)和氫彈研制的理論依據(jù)。 在重核區(qū)，重核的平均結(jié)合能比中等核小，當(dāng)它分裂為兩個中等核時，平均結(jié)合能升高，所以重核裂變時釋放巨大能量，這是制造核能反應(yīng)堆與原子彈的理論根據(jù)。,原子能釋放途徑特點,兩種方法的共同之處是平均結(jié)合能低的核轉(zhuǎn)變成平均結(jié)合能高的核，在轉(zhuǎn)變過程中，出現(xiàn)“質(zhì)量虧損”，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成增加的結(jié)合能釋放出來 物質(zhì)與能量是同一事物的兩個不同方面，物質(zhì)可以消失，但同時會產(chǎn)生一定的能量，能量可以消失但同時會產(chǎn)生一定的物質(zhì)。即使很少量的物質(zhì)也能產(chǎn)生極大的能量。所以物質(zhì)和能量合在一起，既不能創(chuàng)造，也不能被消滅,核裂變能及利用,1938年德國化學(xué)家哈恩與他的助手用中子轟擊鈾原子核后，得到兩個大小相仿的較小的核，并把這種現(xiàn)象稱為裂變，釋放出的能量稱為裂變能。 同一年法國居里夫婦通過實驗發(fā)現(xiàn)一個中子引起一個鈾核裂變的同時，釋放23個中子，新產(chǎn)生的中子以同樣的方式轟擊其他鈾核使其裂變，一變二，二變四，四變八。如不加控制，這種連鎖反應(yīng)越來越激烈，在百萬分子一秒內(nèi)就會把蘊藏在原子核內(nèi)的巨大能量釋放出來。（雪崩式裂變）,核裂變能及利用,通常情況下，這種反應(yīng)不能持續(xù)下去，因為238U會把大部分中子吃下去，235U才是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵。所以要讓反應(yīng)持續(xù)下去， 分離提純235U 使中子減速至 (用重水和石墨) 利用： 1.核彈： 2.核電：和平利用，另外產(chǎn)