第四講能源問題與環(huán)境

1、能源問題與環(huán)境能源問題與環(huán)境 能源與環(huán)境能源與環(huán)境未來能源的供應未來能源的供應一、能源概述（一）能源定義（一）能源定義 能源是指可能為人類利用以獲取有用能量的各種來源，象太陽能、風力、水力、蒸汽、化石燃料及核能、潮汐能等均可稱為能源。能源與環(huán)境離不開能源資源能源資源能能 源源一次能源一次能源二次能源二次能源新能源新能源常規(guī)能源不可再生能源可再生能源：煤炭、石油 天然氣 可再生能源可再生能源：水力不可再生能源可再生能源：核燃料可再生能源可再生能源:太陽能、生物能、風能 地熱能、海洋能（二）能（二）能 源源 的的 分分 類類電力、焦炭、煤氣、沼氣、蒸汽 汽油、柴油、重油、氫、激光按其形態(tài)特征或轉換

2、和利用的層次劃分：根據(jù)能源消費后是否造成環(huán)境污染：污染型能源和清潔型能源。 19941994年年世界能源消費集中在發(fā)達國家世界能源消費集中在發(fā)達國家 發(fā)達國家發(fā)達國家消費了世界一次能源的62.262.2，石油的6464，天然氣的73.273.2，核能的93.893.8，水電的52.852.8，煤炭的4646 OECDOECD（經(jīng)濟合作發(fā)展組織）國家國家消費世界石油的59.259.2 發(fā)展中國家發(fā)展中國家只消費了世界能源的3333，石油28.928.9，天然氣17.717.7，核能6.26.2 世界能源資源不能支撐不能支撐發(fā)達國家式的高消費高消費 能源爭奪集中在優(yōu)質能源優(yōu)質能源方面世界一次能源消

3、費量單位：百萬噸標油單位：百萬噸標油 石油石油 天然氣天然氣 核能核能 水電水電 煤煤世界能源需求預測（國際能源署世界能源需求預測（國際能源署0505年）年）Oil, gas and coal together account for 83% of the growth in energy demand between now and 2030 in the Reference ScenarioCoalOil GasOther renewables Nuclear Hydro 02 0004 0006 0008 00010 00012 00014 00016 00018 00019701980

4、19902000201020202030Mtoe1971三、能源利用對環(huán)境的影響三、能源利用對環(huán)境的影響1.1.化石燃料的影響化石燃料的影響(1)開采過程的環(huán)境影響井下采煤：井下采煤：開采工人事故與職業(yè)性傷亡，易引起地表沉陷，還會使地下水及地表水遭受污染；露天采礦露天采礦:占用農田、草地等，也會污染地下水及地表水，使地面或地面生態(tài)系統(tǒng)破壞?！懊禾拷?jīng)濟”繁榮背后的生態(tài)傷痕原油開采原油開采：水域及農田造成不良影響；井噴事故（人員傷亡，污染農田或海域，破壞生態(tài)平衡）。天然氣開采：天然氣開采：污染大氣（硫化氫）；污染河流（伴生鹽水）；井噴事故。(2)運輸過程的環(huán)境影響 煤運輸耗能大；堆存和裝卸（自燃或

5、揚塵）；浸出水的流失而造成水污染。 石油運輸?shù)挠痛鹿屎陀痛馀畔磁撍斐珊Ｑ笪廴尽?3)加工過程的環(huán)境影響煤加工：煤洗選時排出洗煤水和干燥時產生灰塵、 NOx 和SOx，且煤氣化和液化時會排出污染物。石油加工：比煤氣化和液化排出的廢物多10倍以上；跑油事故。 其它污染物及酸雨其它污染物及酸雨 化石燃料燃燒會向環(huán)境排放大量顆?；覊m、硫化物、氮氧化物、一氧化碳、烴類等空氣污染物，含有懸浮固體硫酸、氟化物、磷酸鹽、硼話務、鉻酸鹽和有機物等廢水，以及爐渣等固體廢物。 美國輸油管道破裂致原油泄漏污染美國輸油管道破裂致原油泄漏污染20多公里河道多公里河道 (4)利用過程的環(huán)境影響利用過程的環(huán)境影響全球氣

6、候變化化石能源燃燒的基本反應如下： C+O2 CO2+熱 熱污染是指日益現(xiàn)代化的工農業(yè)生產和人類生活中排放的各種廢熱所造成的環(huán)境污染。 火力發(fā)電廠、核電站和鋼鐵廠的冷卻系統(tǒng)排出的熱水以及石油、化工、造紙等工廠排出的生產性廢水中均含有大量廢熱。 熱污染 火力發(fā)電廠借助燃燒化石燃料得到熱量，但工作在兩個熱源的熱機不可能是燃料完全轉化為有用功，從而會排放余熱引起熱污染。使用化石燃料會帶來什么問題使用化石燃料會帶來什么問題廣州的空氣污染煙霧是中國北部常見的現(xiàn)象上海的空氣污染問題非常嚴重空氣污染空氣污染中國的大城市如上海、廣州州和北京的污染問題非常嚴重。北京的空氣質量非常惡劣由于煤炭生產的安全和環(huán)保問題

7、，許多發(fā)達國家煤炭工業(yè)萎縮、退出 日本、法國等已經(jīng)停止煤炭生產， 煤炭生產成本高達150英鎊/噸，英國也將放棄 德國煤炭生產成本高達180歐元，大幅度減少硬煤生產 其他國家產量都在很低的生產數(shù)量。2.核電站與環(huán)境 核動力的燃料是核燃料，相比于煤和石油的優(yōu)點：無空氣污染，無漏油問題，無露天礦坑等。 缺點：放射性污染，包括三個方面， (1)慢性輻射問題；(2)放射性廢物的環(huán)境問題； (3)反應堆安全問題。(1) 慢性輻射的問題 生物圈總是在不斷地受到低水平電離輻射的照射，這些輻射大多是天然的，部分是人類活動引起的。 作為核動力的心臟-反應堆正常運轉時會產生低水平的輻射（又稱慢性輻射）。 反應堆正常

8、運轉時的慢性輻射對人有多大的影響？輻射源輻射源劑量劑量磚房磚房(3/4時間在屋內時間在屋內)45毫雷姆毫雷姆/年年木房木房(3/4時間在屋內時間在屋內)35毫雷姆毫雷姆/年年宇宙輻射宇宙輻射60毫雷姆毫雷姆/年年胸部胸部X光透視光透視9毫雷姆毫雷姆/次次胸胃胸胃X光透視光透視210毫雷姆毫雷姆/次次觀看電視觀看電視0.5毫雷姆毫雷姆/小時小時核電站八公里以內居民核電站八公里以內居民 17毫雷姆毫雷姆/年年各種輻射劑量各種輻射劑量注注: :天然本底輻射天然本底輻射95-10595-105毫雷姆毫雷姆/ /年年 核電站對周圍居民的輻核電站對周圍居民的輻射劑量相當于射劑量相當于天然輻射劑天然輻射劑量

9、的量的1/5-1/6，比一次胸胃比一次胸胃X光透視所受劑量光透視所受劑量少少11倍倍，每天看每天看1h電視半年所受劑電視半年所受劑量量超過超過核電站一年的輻射核電站一年的輻射劑量。劑量。 核電站對人體慢性輻射核電站對人體慢性輻射在反應堆的密度不大時可在反應堆的密度不大時可暫不考慮，但是，由反應暫不考慮，但是，由反應堆和核工業(yè)前處理和后處堆和核工業(yè)前處理和后處理車間中釋放的少量放射理車間中釋放的少量放射性會造成人體內的慢性輻性會造成人體內的慢性輻射。射。(2)放射性廢物的環(huán)境問題放射性廢物的環(huán)境問題 反應堆運行過程反應堆運行過程 反應堆中生成的大量反應堆中生成的大量裂變產物裂變產物，一般情況下保

10、留在，一般情況下保留在燃料元件包殼內，當發(fā)生元件包殼破損事故時，會有少燃料元件包殼內，當發(fā)生元件包殼破損事故時，會有少量裂變產物泄漏到冷卻循環(huán)水中。反應堆冷卻循環(huán)水中量裂變產物泄漏到冷卻循環(huán)水中。反應堆冷卻循環(huán)水中的雜質（循環(huán)系統(tǒng)腐蝕產物）受中子照射后也會形成放的雜質（循環(huán)系統(tǒng)腐蝕產物）受中子照射后也會形成放射性的射性的活化產物活化產物，冷卻循環(huán)水也就具有放射性。，冷卻循環(huán)水也就具有放射性。 核燃料后處理過程核燃料后處理過程 大量裂變產物大量裂變產物是核燃料后處理過程的主要廢物。在是核燃料后處理過程的主要廢物。在燃料元件切割溶解時有部分氣體裂變產物（氪燃料元件切割溶解時有部分氣體裂變產物（氪8

11、5、碘、碘129等）從燃料元件中釋放出來，進入廢氣系統(tǒng)。等）從燃料元件中釋放出來，進入廢氣系統(tǒng)。99以上的裂變產物都留在燃料溶解液里。以上的裂變產物都留在燃料溶解液里。 核電站的主要問題是放射性核廢料的處理、核電站的主要問題是放射性核廢料的處理、儲存和最終處置。儲存和最終處置。放射性廢物地下儲存庫放射性廢物地下儲存庫放射性廢物固化處理裝置放射性廢物固化處理裝置(3)反應堆的安全問題反應堆的安全問題 核電廠嚴重事故核電廠嚴重事故是指核反應堆堆芯大面積燃料包殼失效，威脅或破壞核電廠壓力容器或安全殼的完整性，并引發(fā)放射性物質泄漏的一系列過程。 核反應堆嚴重事故可以分為兩大類： 堆芯熔化事故（堆芯熔化

12、事故（CMAsCMAs）：）：由于堆芯冷卻不充分，引起堆芯裸露、升溫和熔化的過程，其發(fā)展較為緩慢，時間尺寸為小時量級。 堆芯解體事故（堆芯解體事故（CDAsCDAs）：）：由于快速引入巨大的反應性，引起功率陡增和燃料碎裂的過程，其發(fā)展非常迅速，時間尺寸為秒量級。 歷史上曾發(fā)生的核電站核泄露事故：歷史上曾發(fā)生的核電站核泄露事故：19791979年年3 3月月1818日，日，美美國三里島核電站堆芯熔毀國三里島核電站堆芯熔毀；是是19861986年年4 4月月2626日，日，前蘇聯(lián)切爾前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站諾貝利核電站4 4號反應堆發(fā)生爆炸。號反應堆發(fā)生爆炸。20112011年年3 3月月1111日

13、日本發(fā)日日本發(fā)生的生的9.09.0級地震引發(fā)了級地震引發(fā)了日本福島第一核電站核泄漏事故。日本福島第一核電站核泄漏事故。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故核事故之后核事故之后 前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故發(fā)前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故發(fā)生后，為生后，為制止制止該電站第該電站第4機組廢墟機組廢墟中殘留的中殘留的核燃料擴散核燃料擴散，有關單位有關單位用厚厚的混凝土堆造了一個有復用厚厚的混凝土堆造了一個有復雜通風系統(tǒng)的雜通風系統(tǒng)的多層大型建筑物多層大型建筑物，把第把第4機組的全部設施埋在其中，機組的全部設施埋在其中，這個建筑物成了這個建筑物成了“石屋石屋”。3.水力發(fā)電對環(huán)境的影響水力發(fā)電對環(huán)境的影響

14、水庫建造的過程與建成之后，對環(huán)境的影響主要包括以下幾個水庫建造的過程與建成之后，對環(huán)境的影響主要包括以下幾個方面：方面： 自然方面：自然方面： 引起地表的活動，甚至誘發(fā)地震。 引起流域水文上的改變：如下游水位降低甚至斷流，從而造成土壤鹽堿化或來自上游的泥沙減少，補償不了海浪對河口一帶的沖刷等。 改變水庫地區(qū)的小氣候：水庫建成后，由于蒸發(fā)量大，氣候涼爽且較穩(wěn)定，降雨量減少。 生物方面：生物方面：對陸生動物而言，水庫建成后可能會造成大量的野生動植物被淹沒死亡，甚至全部滅絕。對水生動物而言，由于上游生態(tài)環(huán)境的改變，會使魚類受到影響，導致滅絕或種群數(shù)量減少。同時，由于上游水域面積的擴大，使某些生物的棲

15、息地點增加，為一些地區(qū)性疾病(如血吸蟲病)的蔓延創(chuàng)造條件。 例如，前蘇聯(lián)伏爾加例如，前蘇聯(lián)伏爾加卡馬河工程導致其漁業(yè)減產卡馬河工程導致其漁業(yè)減產80。埃及阿斯旺高壩建成后，水庫地區(qū)釘螺繁殖，血吸蟲病蔓延。埃及阿斯旺高壩建成后，水庫地區(qū)釘螺繁殖，血吸蟲病蔓延。 地球化學性質方面：地球化學性質方面：流入和流出水庫的水在顏色和氣味等物理化學性質方面發(fā)生改變，且水庫中各層水的密度、溫度、及溶解氧等有所不同。深層水的水溫低且沉積庫底的有機物不能充分氧化而處于厭氧分解。 如巴西的依泰普水庫，因熱帶植物被淹沒腐爛后發(fā)出強烈的硫磺臭味，人們到水庫附近需帶防毒面具，且腐爛的雜草和樹木滋生某些細菌，在它們的作用下

16、湖水產生硫酸，嚴重腐蝕輪船的渦輪漿。 社會經(jīng)濟方面：社會經(jīng)濟方面：修建水庫可以防洪、發(fā)電，也可以改善水的供應和管理，增加農田灌溉。但同時亦有不利之處，如受淹地區(qū)城市搬遷、農村移民安置會對社會結構、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展等產生影響。如果整體、全局計劃不周，社會生產和人民生活安排不當，還會引起一系列的社會問題。如埃及修建阿斯旺水壩時10萬移民糧食安排不周，結果需世界糧食組織進行救濟。 另外，自然景觀和文物古跡的淹沒與破壞，更是文化和經(jīng)濟上的一大損失。 案例：丹江口水利樞紐案例：丹江口水利樞紐 丹江口水利樞紐建成后給我國帶來不少利益，但對環(huán)境也產生丹江口水利樞紐建成后給我國帶來不少利益，但對環(huán)境也產生很大影響

17、：很大影響： （1 1）河流溫度從河流溫度從16.8 16.8 上升到上升到1818 ，使河水的蒸發(fā)量增大。，使河水的蒸發(fā)量增大。夏季氣候涼爽穩(wěn)定，降雨減少，冬季不穩(wěn)，雨量增加。結果改變了夏季氣候涼爽穩(wěn)定，降雨減少，冬季不穩(wěn)，雨量增加。結果改變了水庫地區(qū)的氣候。水庫地區(qū)的氣候。 （2 2）地震活動增加地震活動增加。據(jù)記載從。據(jù)記載從1616世紀到世紀到19591959年的年的300300多年間，多年間，水庫周圍地區(qū)共發(fā)生地震水庫周圍地區(qū)共發(fā)生地震4343次，而次，而19691969以來測得地震以來測得地震426426次。次。 （3 3）河流水質改變河流水質改變。河水增加鎘、汞、硝酸鹽、營養(yǎng)物質

18、等。河水增加鎘、汞、硝酸鹽、營養(yǎng)物質等。 （4 4）造成社會經(jīng)濟方面的損失。造成社會經(jīng)濟方面的損失。為建庫需遷移人口為建庫需遷移人口3838萬，重建萬，重建城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)3 3座，且春秋戰(zhàn)國和漢唐古墓多被淹沒。座，且春秋戰(zhàn)國和漢唐古墓多被淹沒。四、未來的能源供應四、未來的能源供應1 利用生態(tài)學原理解決能源問題利用生態(tài)學原理解決能源問題 控制人口，減少能源消耗控制人口，減少能源消耗太陽能是重要的能源太陽能是重要的能源多渠道解決能源供求的平衡多渠道解決能源供求的平衡充分利用能源并減少浪費充分利用能源并減少浪費2、太陽能（來自地球以外的能源） 是再生資源v優(yōu)點:能量很大沒有污染v缺點：受晝夜和天氣影響目前

19、利用成本高 太陽能是指地球上可以直接接受并利用的太陽輻射能；太陽本身的輻射能量只有22億分之一到達地球大氣層。 太陽能優(yōu)缺點：太陽能直接利用太陽能直接利用 利用太陽能的新技術、新材料和新設備不斷出現(xiàn)，為太陽能的廣泛應用奠定了基礎。目前，直接利用太陽輻射能有兩種方式： 光熱轉換； 光電轉換；太陽能的直接利用與環(huán)境影響太陽能的直接利用與環(huán)境影響太陽能炊具太陽能的間接利用與環(huán)境影響（1）生物質能與沼氣生物體直接或間接吸收太陽能并不斷進行轉化，成為維持生命活動的能源，就是生物質能。生物質能 生物質能是指綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能量； 生物質能種類繁多，目前可被利用的

20、大致有六大類：(1)木材和森林工業(yè)廢棄物（樹枝、樹葉、樹根等）； (2)農業(yè)廢棄物（秸桿、果核、玉米芯等）；(3)水生植物（藻類等）；(4)油料作物（棉籽、麻籽、油桐等）；(5)城市與工業(yè)有機廢棄物（垃圾和食品、屠宰、制酒、制紙工業(yè)的排泄物等）；(6)糞便。生物質能 在世界能耗中，生物質能約占在世界能耗中，生物質能約占14，在不發(fā)達地區(qū)占，在不發(fā)達地區(qū)占60以以上。全世界約上。全世界約25億人的生活能源的億人的生活能源的90以上是生物質能。生物以上是生物質能。生物質能的質能的優(yōu)點是燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點是熱值及熱優(yōu)點是燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點是熱值及熱效率低，體積大而不易運輸

21、。效率低，體積大而不易運輸。直接燃燒生物質的熱效率僅為直接燃燒生物質的熱效率僅為10一一30。目前世界各國正逐步采用如下方法利用生物質能：。目前世界各國正逐步采用如下方法利用生物質能：1熱化學轉換法熱化學轉換法，獲得木炭、焦油和可燃氣體等品位高的能源產品； 2生物化學轉換法，主要指生物質在微生物的發(fā)酵作用下，生成沼氣、酒精等能源產品； 3利用油料植物所產生的生物油； 4把生物質壓制成成型狀燃料(如塊型、棒型燃料)，以便集中利用和提高熱效率。云德村沼氣發(fā)電廠遠景用酒精代替汽油的車款Flex Fuel Vehicle 生質酒精車款（2）風能）風能 由于地球表面各處情況不同，接受太陽輻射能不同，個地

22、區(qū)的溫差和氣壓也不同而形成風。 風能的利用主要靠風力機，風力機是把風能轉化為其他形式能量的旋轉機械； 利用風力可以發(fā)電、提水、助航、制冷、致熱等。 風能優(yōu)點是潔凈的、取之不盡的能源； 風能缺點是分散、間歇、能量密度不高，風力不均等 我國的風能利用極受限制，原因是我國屬季候風國家，風能時效不穩(wěn)定，大小波動及空間差異大。（3）海洋能）海洋能 海洋能是指海水在運動過程中產生的能為人類利用的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等。潮汐能和潮流能來源于太陽和月亮對地球的引力變化，其他均源于太陽輻射。 海洋中除有巨大的海洋能外，還有豐富的海洋礦物資源、海水資源和海洋生物資源。人類有可能在21

23、世紀進入全面、綜合、立體開發(fā)海洋的“海洋經(jīng)濟時代”。海洋能海洋能 潮流發(fā)電研究國際上開始于70年代中期，主要有美國、日本和英國等進行潮流發(fā)電試驗研究，至今尚未見有關發(fā)電實體裝置的報導。我國潮流發(fā)電研究始于70年代末，首先在舟山海域進行了8kW潮流發(fā)電機組原理性試驗。80年代一直進行立軸自調直葉水輪機潮流發(fā)電裝置試驗研究，目前正在采用此原理進行70kW潮流試驗電站的研究工作。在舟山海域的站址已經(jīng)選定。我國已經(jīng)開始研建實體電站，在國際上居領先地位，但尚有一系列技術問題有待解決。 3 未來的核能未來的核能（1）核聚變能及其環(huán)境影響 核聚變是指兩個或兩個以上較輕的原子核聚合成一個較重的原子核的反應；

24、核聚變燃料主要是氫及其同位素氘和氚。 受控核聚變具有以下優(yōu)點：(1)質能比高，是同質量核裂變釋放能量的4倍；(2)原料足，從海水中可大量提取氘和氚； 核聚變能對環(huán)境的影響：當采用氘-氚燃料回路時，放射性氚的儲運是個問題，還有因中子轟擊引起的反應器結構材料的放射性問題。核聚變能和快中子增殖反應堆同屬未來的核能核聚變能和快中子增殖反應堆同屬未來的核能（2）核快中子增殖反應堆 熱中子反應堆對天然鈾的利用率很低（只有0.7%）； 快中子增殖反應堆以钚239為裂變燃料，組成堆芯，以鈾238包圍在堆芯周圍，作為增殖層。可使天然鈾的利用率達到60%-70%。中子能量在2V左右。堆內，每個鈾235核裂變所產生

25、的快中子，可以使12至16個鈾238變成钚239。盡管它一邊在消耗核燃料環(huán)239，但一邊又在產生核燃料钚239，生產的比消耗的還要多，具有核燃料的增殖作用，快中子增殖堆幾乎可以百分之百地利用鈾資源，所以各國都在積極開發(fā)，現(xiàn)在全世界已有幾十座中小型快堆在運行。 快中子增殖反應堆對環(huán)境的影響 增殖堆：也會帶來放射性廢物的運輸和處置的問題，且由于使用年限延長，積存的放射性廢物更多，進行處置就更難。再如冷卻劑流失事故等引起外排放射性的危險。 此外，增殖堆還有自身的特性，使問題更加復雜化。（1）燃料堆芯需用不同的冷卻劑。使用的液鈉冷卻劑變成強放射性物質需特別注意封閉的問題。液鈉能和水發(fā)生激烈反應，并在空

26、氣中自燃可能引起事故。（2）增殖堆沒冷卻劑照樣裂變釋熱可能熔毀，裂變作用失去控制會引起小規(guī)模的核爆炸。（3）生產處理大量钚-239的操作特別危險。（4）钚可能被轉運去秘密制造原子彈的危險。5 地熱能 地球內部蘊藏著的熱能稱為地熱能，來自： (1)高溫巖漿，(2)巖石中放射性元素衰變； 在地球上所有的能源中，地熱能僅次于太陽輻射能，排在第二位； 地熱能廉價、清潔，利用前景十分廣闊。地熱發(fā)電與環(huán)境應用地熱發(fā)電對環(huán)境的影響： 地熱利用率低，以致冷卻水用量多于普通電站，熱污染比較嚴重。 過剩的冷卻水由于含有污染物應注入地下，可能會引起地震。 冷卻塔排放的廢蒸汽和廢水中可能含有硫化氫等有毒氣體。 引起地

27、面沉降中國能源的主要問題：能源需求中國能源的主要問題：能源需求 人口眾多,人均能耗很低（不到世界平均值的50%，約為美國的10%）,導致對中國高能源需求的預期。 資源儲備約束:世界總資源量的4%，探明總儲量(技術可開發(fā))的2.5%和剩余可采儲量(經(jīng)濟可開發(fā))的10%。能源是經(jīng)濟增長的 “硬約束”。 能源的開發(fā)利用與經(jīng)濟增長速度與增長方式：高投入、高消耗、高污染發(fā)展模式。中國正處于環(huán)境與資源壓力上升的時期。 到2020年,中國從人均收入1270美元提高到3000美元，需要進行基礎設施和城市化建設，導致能源需求的持續(xù)增長與”重工化”。 奮起直追，讓綠色能源一路領先。新型工業(yè)逐步取代傳統(tǒng)工業(yè)。 建設節(jié)能型社會，加快走新型工業(yè)化道路步伐建設節(jié)能型社會，加快走新型工業(yè)化道路