能源開發(fā)與利用中的化學(xué)問(wèn)題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)能源開發(fā)與利用中的化學(xué)問(wèn)題 學(xué) 院： 化學(xué)化工 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 唐有根 能源開發(fā)與利用中的化學(xué)問(wèn)題（湖南長(zhǎng)沙 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 ）摘要：在社會(huì)越來(lái)越發(fā)展的今天，能源問(wèn)題也凸顯的越來(lái)越明顯。人們?cè)谔岣邆鹘y(tǒng)能源的利用率的同時(shí)，也在尋找著可以替代傳統(tǒng)能源的可再生能源。但是，在可再生能源的開發(fā)與利用中，存在著很多的問(wèn)題。本文主要討論在能源開發(fā)利用中面臨的化學(xué)問(wèn)題。關(guān)鍵詞：能源開發(fā) 化學(xué) 風(fēng)能 氫能 太陽(yáng)能前言能源問(wèn)題一直是困擾著人們的一個(gè)亟待解決

2、的問(wèn)題之一。煤礦資源的過(guò)度開采，石油資源的逐漸匱乏，這些都使得人們開始不得不面對(duì)傳統(tǒng)能源的持續(xù)使用以及新能源的開發(fā)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的研究與開發(fā)，氫能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等新能源，也稱之為可再生能源開始登上歷史的舞臺(tái)。雖然人們已經(jīng)找到了開發(fā)和使用這些能源的方法，但是，怎么最大限度的使用這些能源，使得能源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染減到最少，這其中仍然存在很多的問(wèn)題。眾所周知，風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源的利用，有著時(shí)間和空間上的問(wèn)題，對(duì)于怎么儲(chǔ)存這些能源，人們已經(jīng)找到了比較好的媒介電池。但是不同的能源其性質(zhì)也不相同，所以電池的種類、形式、結(jié)構(gòu)等等也不盡相同。怎樣研究出分別適用于不同能源的電池成為了能源開發(fā)

3、中的化學(xué)問(wèn)題。2.能源開發(fā)中的化學(xué)問(wèn)題2.1傳統(tǒng)能源開發(fā)中的化學(xué)問(wèn)題曾經(jīng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)能源都在能源利用中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，在傳統(tǒng)能源的開發(fā)中，也存在著很多的化學(xué)問(wèn)題。比如，煤炭開采中，礦井中的瓦斯爆炸問(wèn)題，水污染問(wèn)題，大量堆積的煤矸石散發(fā)的氣體對(duì)空氣質(zhì)量的影響，對(duì)地表地下水的污染；石油開采中，尤其是海上石油的開采中，原油的泄漏，對(duì)海水中的生物的影響；再者，傳統(tǒng)能源常有燃燒不完全，以致排放的CO、NO等對(duì)大氣造成很大的污染，使用不當(dāng)還會(huì)危及人身安全。所以，如何安全開采？開采中不能完全利用的煤矸石等這類物質(zhì)如何處理？如何安全使用？怎樣使得這些能源得到最大限度的利用？這些都是傳統(tǒng)能源開發(fā)與

4、利用中需要解決的化學(xué)問(wèn)題。2.2可再生能源開發(fā)利用中的化學(xué)問(wèn)題2.2.1風(fēng)能開發(fā)利用中的化學(xué)問(wèn)題 風(fēng)能發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)模化發(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響，必須要有先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)作支撐。 研究表明，如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)總量的比例在10以內(nèi)，依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全；但如果所占比例達(dá)到20甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當(dāng)于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機(jī)保護(hù)收風(fēng)葉用。 電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風(fēng)電發(fā)展

5、的瓶頸。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾越來(lái)越突出。如果需要平滑風(fēng)電90以上的電力輸出，需要為風(fēng)電場(chǎng)配置20左右額定功率的儲(chǔ)能電池；如果希望風(fēng)電場(chǎng)還能具有削峰填谷的功能，將需要配備相當(dāng)于40-50%功率的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池；如果風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。 風(fēng)機(jī)現(xiàn)在使用的鉛酸電池容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染大。雖然目前來(lái)講釩電池所具備的優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，成為風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主體，但是研制出低成本、高能量密度的釩電池，還需要一定的研究發(fā)展。2.2.2氫能開發(fā)利用中的化學(xué)問(wèn)題由于氫燃燒或催化氧化后的產(chǎn)物為水，其與化石能源諸如煤炭、石油等相比不會(huì)對(duì)環(huán)

6、境造成污染；又由于其具有來(lái)源豐富、質(zhì)量輕、能量密度高、綠色環(huán)保、儲(chǔ)存方式與利用形式多樣化等特點(diǎn)，使得氫能的開發(fā)利用成為一項(xiàng)人們熱衷于的科研課題。由氫能作為動(dòng)力的電動(dòng)自行車、汽車1-2，是將來(lái)氫能應(yīng)用的一個(gè)重要方面。但是，如何獲取氫能，以及車載氫能的儲(chǔ)氫材料，是需要攻克的難題。（1）氫氣的制取3-4 目前來(lái)說(shuō)，氫氣的制取主要方法有，化石燃料(石油、煤和天然氣)的裂解、電解水和生物制氫。制氫所需的原材料一般為碳?xì)浠衔锖退?。工業(yè)用氫的制備方法主要是化石燃料的熱分解，包括天然氣的重整、碳?xì)浠衔锏牟糠盅趸兔旱钠?，產(chǎn)氫的成本較低。然而，這些技術(shù)嚴(yán)重依賴化石燃料資源且排放二氧化碳。近年來(lái)也發(fā)展了從化

7、石燃料產(chǎn)氫而不釋放二氧化碳的方法，即直接熱分解和催化裂解碳?xì)浠衔?，這種方法已經(jīng)被用于制備碳，但相對(duì)于制氫成本較高，因此，如何研制出低成本的制氫方法，是化石燃料制氫重要問(wèn)題，但是，這種方法中氫能的來(lái)源主要還是依靠化石燃料，所以，人們更傾向于通過(guò)電解水來(lái)制氫。但是電解水制氫又有另外一個(gè)問(wèn)題，電解效率太低，容易造成能源的浪費(fèi)。而生物制氫與前兩者相比，具有能耗低，污染小的特點(diǎn)，引起了科學(xué)家們極大的興趣，也是未來(lái)很有可能的制氫方向。（2）儲(chǔ)氫技術(shù)5-7 儲(chǔ)氫技術(shù)按氫的聚集狀態(tài)可分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫以及固體儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫。與前兩種方法相比，一些固體儲(chǔ)氫材料可以可逆地吸放氫。在固體儲(chǔ)氫材料的研究中

8、有儲(chǔ)氫合金體系，有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫體系、碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料體系，研究表明，堿金屬、堿土金屬化合物中Mg(NH2)2一LiH系統(tǒng)在120200內(nèi)可逆吸放氫的量高達(dá)7。然而，這些固體儲(chǔ)氫材料系統(tǒng)或多或少地存在問(wèn)題，難以實(shí)際應(yīng)用，如氮基化物系統(tǒng)在釋放氧的同時(shí)會(huì)伴有氨氣，后者會(huì)危害燃料電池的壽命；同時(shí)也會(huì)降低該系統(tǒng)的儲(chǔ)氫量；而其它系統(tǒng)存在吸放氫動(dòng)力學(xué)較慢、可逆性較差或者吸放氫條件較為苛刻等其它問(wèn)題。因此，如何繼續(xù)研究具有高儲(chǔ)氫量、可逆性好的儲(chǔ)氫材料是解決氫能開發(fā)中的問(wèn)題的關(guān)鍵。2.2.3太陽(yáng)能開發(fā)利用中的化學(xué)問(wèn)題我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富8，全國(guó)年接受太陽(yáng)輻射總量平均值為5851061dm2，特別是我國(guó)的北方大

9、部分地區(qū)及云貴高原等地。太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要形式就是太陽(yáng)能發(fā)電。太陽(yáng)能發(fā)電中，光電轉(zhuǎn)換材料十分關(guān)鍵。目前，光伏發(fā)電主要技術(shù)為晶體硅光伏電池。但是近來(lái)也有一些新型電池得到發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，如薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池。 （1）晶體硅太陽(yáng)能電池 雖然目前為止，發(fā)展最為成熟的光伏電池是晶體硅太陽(yáng)能電池，且也已產(chǎn)業(yè)化。由于太陽(yáng)能電池的成本主要來(lái)源于硅片材料，且在短時(shí)間內(nèi)硅材料成本下降速度緩慢，所以，即使晶體硅太陽(yáng)能技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基于成本問(wèn)題，不斷提高太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)、研制高轉(zhuǎn)換效率、低成本的光電轉(zhuǎn)換材料仍是亟待解決的問(wèn)題。（2）薄膜太陽(yáng)能電池9 薄膜太陽(yáng)能電池主要以其轉(zhuǎn)化效率高和制作成本相對(duì)

10、較低而走入研究者的視線。目前開發(fā)研制的薄膜太陽(yáng)能電池中硅基薄膜和多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池效率較高，但受材料制約，與其他薄膜太陽(yáng)能電池相比成本相對(duì)較高。納米晶薄膜太陽(yáng)能電池和有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池原料易得、成本低，但目前轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性不夠好，所以研制新的低成本光電材料、開發(fā)新的大面積薄膜電池制備工藝以提高納米晶薄膜太陽(yáng)能電池和有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率仍是未來(lái)薄膜太陽(yáng)能電池的研究熱點(diǎn)。（3）染料敏化太陽(yáng)能電池10-12 染料敏化太陽(yáng)能電池是基于納米材料發(fā)展的一種新型太陽(yáng)能電池，比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池具有更大的優(yōu)越性，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池是將吸附了染料的寬禁帶半導(dǎo)體

11、納米晶薄膜作為正極表面鍍有一層鉑的導(dǎo)電玻璃為對(duì)電極，正極和對(duì)電極之間加入氧化一還原電解質(zhì)形成的。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、成本低廉，對(duì)溫度變化和光強(qiáng)度變化不敏感，光穩(wěn)定性好，光電轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境污染小，雖然染料敏化太陽(yáng)能電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它的發(fā)展仍然面臨很多挑戰(zhàn)：高效電極(光陽(yáng)極和對(duì)電極)的低溫制備和柔性化；廉價(jià)、穩(wěn)定的全光譜染料的設(shè)計(jì)和開發(fā)；液體電解質(zhì)的封裝和高效固態(tài)電解質(zhì)的制備及相關(guān)問(wèn)題的解決等。目前，人們已經(jīng)可以制備出柔性的染料敏化電極材料，但是制備過(guò)程比較麻煩，電極材料性質(zhì)也不夠理想。所以，尋找一種能在低溫條件下，低成本地制備出柔性基底的染料敏化材料，是人們今后需要解決的問(wèn)題。另外，染

12、料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的電極需要昂貴的金屬鉑作為對(duì)電極表面的涂覆材料，這就使得這種電池的成本增加了，因此，還需要繼續(xù)開發(fā)能替代金屬鉑作為對(duì)電極表面涂覆的物質(zhì)來(lái)降低成本。3.結(jié)語(yǔ)隨著常規(guī)資源的不斷消耗，以石油、煤炭等等為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)將越來(lái)越不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要。可再生能源必然會(huì)在不久的將來(lái)在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)不小的地位。然而，雖然前景是可觀的，但是在這些能源的應(yīng)用中，也面臨著不少問(wèn)題。諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能這樣的有著明顯時(shí)間和空間性質(zhì)的能源，其能得到普遍應(yīng)用的一種方式就是借助電池這一媒介。在能源應(yīng)用中，成本和效率是首要考量的因素。如何研究出低成本、高效率的電池電極材料，成為了這類能源發(fā)展利用中的主

13、要問(wèn)題。只有解決了這些問(wèn)題，可再生能源才能越來(lái)越多的應(yīng)用到日常生活中來(lái)，才有可能，在替代傳統(tǒng)能源的道路上越走越遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)馮文,王淑娟,倪維斗等.燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003,24(3)孫永江.氫能燃料電池電動(dòng)自行車A.上海市老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集C.2009.劉慶賓.氫的制取及儲(chǔ)存技術(shù)探討J.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2011,(17)張軻,劉述麗,劉明明等.氫能的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào),2011,25(9)蘇海燕.儲(chǔ)氫材料研究進(jìn)展A.2005天然氣化工與一碳化工技術(shù)信息交流會(huì)論文集C.2005.許煒,陶占良,陳軍.儲(chǔ)氫研究進(jìn)展J.化學(xué)進(jìn)展,2006,18(2)唐文靜,傅和青,黃洪等.新型能源載體-儲(chǔ)氫材料研究進(jìn)展J.化工新型材料,2006,34(10)劉洋.