新能源材料概論

新能源材料新能源材料概論了解能源的利用和發(fā)展；1了解能源結(jié)構(gòu)、分布和消費2掌握能源材料分類和新能源材料3了解能源材料與環(huán)境關(guān)系4教學(xué)要求1.1能源與化學(xué)概論1.1能源概述

1能源的分類

2世界能源結(jié)構(gòu)與消費

3中國能源現(xiàn)狀及趨勢

4能源開發(fā)利用

限制并有計劃的開采石油和天然氣發(fā)展原子能加速開發(fā)利用新能源節(jié)流一、能源定義可以直接或間接提供人類所需的光、熱、電、動力等任何形式的載能體資源。新能源化石能源太陽能電能生物質(zhì)能能源定義目前約有20種。例如：《科學(xué)技術(shù)百科全書》說：“能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源”；《大英百科全書》說：“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風(fēng)的術(shù)語，人類用適當?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”；《日本大百科全書》說：“在各種生產(chǎn)活動中，我們利用熱能、機械能、光能、電能等來作功，可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源”；我國的《能源百科全書》說：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源?！笨梢?，能源是一種呈多種形式的，且可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。新能源化石能源太陽能電能生物質(zhì)能1.1能源與化學(xué)概論CompanyLogo二、能源利用與社會發(fā)展人類利用能源的歷史，也就是人類認識和征服然的歷史。

(1)火的發(fā)現(xiàn)和利用；

(2)畜力、風(fēng)力、水力等自然動力的利用；

(3)化石燃料的開發(fā)和熱的利用；

(4)電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；

(5)原子核能的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；(6)新能源的開發(fā)與利用。人類社會已經(jīng)歷了三個能源時期：

薪柴時期：主要以薪柴等生物質(zhì)燃料為主要能源的時代，生產(chǎn)和生活水平極低，社會發(fā)展緩慢。

煤炭時期：以煤炭取代薪柴作為主要能源，蒸汽機成為生產(chǎn)的主要動力，工業(yè)迅速發(fā)展，勞動生產(chǎn)力增長很大。

石油時期：開始了能源利用的新時期。近30年來，世界上許多國家依靠石油和天然氣，創(chuàng)造了人類歷史上空前的物資文明。CompanyLogo三地球能量的來源和分類能源的來源：①來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。

②地球本身蘊藏的能量如原子核能、地?zé)崮艿取?/p>

③地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量如潮汐能。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。CompanyLogo

能源分類1一次能源和二次能源（按獲得的方式）一次能源：是自然界直接提供的能源.二次能源：由自然界提供的能源轉(zhuǎn)化而來的能源.2再生能源和不可再生能源（按是否再生）可再生能源：對于一次能源，如太陽能、風(fēng)能等可從自然界源源不斷的得到的能源。不可再生能源：如煤、石油天然氣以及核燃料等一旦消耗很難再生的能源。3清潔能源和非清潔能源（按對環(huán)境污染）清潔能源：對環(huán)境無污染或污染很小的能源。如：太陽能、水能、風(fēng)能非清潔能源：對環(huán)境污染較大的能源。如：煤、石油、天然氣等化石能源4常規(guī)能源和新能源（按利用程度）常規(guī)能源：化石燃料、水流能、風(fēng)能等人類早就應(yīng)用的能源.新能源：核能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等新近才開始利用的能源CompanyLogo能源分類一次能源二次能源常規(guī)能源化石能源水能、油頁巖焦炭、汽油、化學(xué)品、電力、蒸汽新能源核能、太陽能、地?zé)?、海洋能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能二次電池、氫能清潔能源核能、太陽能、地?zé)帷⒑Ｑ竽?、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能二次電池、氫能可再生能源太陽能、地?zé)帷⒑Ｑ竽?、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能形成條件利用技術(shù)四化石能源：煤、石油和天然氣概述1.煤的種類及主要成分

煤的化學(xué)組成C：主要可燃成分，

C(s)+O2(g)=CO2(g)△rHmθ(298.15k)=-393.5kj·mol-1H：主要可燃元素

有效氫——與CSP結(jié)合，可燃燒化合氫——與O結(jié)合，不能燃燒O,S,N等：有害成分。2.煤的有效潔凈利用——潔凈煤技術(shù)（CleanCoalTechnology簡稱CCT）

中國潔凈煤技術(shù)主要技術(shù)領(lǐng)域：煤炭利用前凈化技術(shù)煤炭潔凈燃燒

煤炭的轉(zhuǎn)化技術(shù)污染控制與廢氣、廢物管理

（1）煤的氣化

H2O(g),O2氣化劑

高溫

H2COCH4C

1)C+O2=CO26)CO+H2O=CO2+H22)C+1/2O2=CO7)C+2H2=CH43)C+CO2=2CO8)CO+3H2=

CH4+H2O4)C+H2O=CO

+H29)CO+2H2=

CH45)C+2H2O=CO2+2H210)CO2+4H2=

CH4+2H2O（2）煤的液化煤與石油的區(qū)別：①煤：H:C=0.4~0.8

石油：H:C=1.5~1.8②煤分子量＞石油分子量10倍直接液化法間接液化法煤間接液化工廠

3.石油和天然氣石油的主要組成元素為

CHONS83~87%10~14%0.05~25%0.02~0.25%0.05~8和煤相比（1）石油含氫量高，含氧量低。（2）石油中的碳氫化合物以直鏈烴為主。煤中的碳氫化合物以芳烴為主。各種石油產(chǎn)品：CompanyLogo現(xiàn)代能源主要出自化石能源(>80%)，一直到本世紀中，化石能源仍占主導(dǎo)地位，因此提高燃燒效率，減少污染仍為最主要課題。五世界能源形勢：能源結(jié)構(gòu)、分布與消費Fossil-fuelresources:ProvedworldoilreservesCompanyLogo石油區(qū)域1984年1994年2004年中東56.565.061.7歐洲12.77.911.7非洲7.66.59.4中南美洲4.88.08.5北美洲13.48.85.1亞太地區(qū)4.03.83.52004年總儲量為11886億桶（1桶*0.739密度/6.29=0.1175噸）表1世界石油資源探明可采量分布CompanyLogoOilreserves-to-production(R/P)ratios

（儲采比）CompanyLogoMajoroiltrademovements

馬六甲海峽霍爾木茲海峽（石油海峽）CompanyLogoFossil-fuelresources:Provedworldnaturalgas

reservesCompanyLogo天然氣

區(qū)域1984年1994年2004年中東28.431.940.6歐洲43.644.935.6亞太地區(qū)7.37.07.9非洲6.36.47.8北美洲10.95.94.1中南美洲3.44.14.02004年已探明儲量179.53億m3表2世界天然氣資源探明可采量分布CompanyLogoNaturalgasreserves-to-production(R/P)ratiosCompanyLogo天然氣主要貿(mào)易流向CompanyLogo煤區(qū)域探明儲量/億噸占世界比例/%儲采比/年美國246627.1245俄羅斯157017.3>500中國114512.659印度92410.2229澳大利亞7858.62152004年世界已探明儲量9091億噸表32004年世界煤炭資源探明可采量分布世界礦物能源面臨枯竭！CompanyLogo區(qū)域石油天然氣煤炭核能水電美國40.22524.28.12.6日本46.912.623.512.64.4德國37.423.425.911.41.8英國35.638.916.88.00.7法國35.815.34.838.65.6加拿大32.426.29.96.724.8俄羅斯19.254.115.84.86.0印度31.77.754.51.05.1巴西44.99.16.11.438.6中國22.32.569.00.85.4世界平均36.8423.6721.176.116.20中國和印度不發(fā)達國家，仍然以煤炭為主。表42004年世界主要國家能源消費結(jié)構(gòu)能源消費CompanyLogo全世界化石燃料的消耗情況

化石燃料使用量（換算為石油，2001年預(yù)測）煤221，200萬噸/年（70.1噸/秒）石油351，100萬噸/年（111.3噸/秒）天然氣223，300萬噸/年（70.8噸/秒）

現(xiàn)代的生活是以迅速地消耗這些寶貴的資源支撐著。如果繼續(xù)以現(xiàn)在的速度使用石油，那么在短短的42年之后，現(xiàn)已探明的石油將被消耗殆盡。

CompanyLogo六我國能源的利用和發(fā)展

我國能源的利用特點2007年電能消費中國的能源現(xiàn)狀和構(gòu)成（2002）★標準煤——1kg發(fā)熱量為29260kj的煤例：某原煤的發(fā)熱量為20920kj/kg，則1kg這種原煤相當于標準煤：

20920/29260=0.7150kgCompanyLogo人均消費量CompanyLogo我國能源的利用特點能源資源相對短缺煤炭可采量約1160億噸,人均可采量89.8噸,為世界1/2,石油剩余可采儲量23.8億噸,人均2.6噸,為世界的1/9,天然氣剩余儲量1.23萬億m3,人均1074m3,為世界1/23,水電可開發(fā)容量3.79億千瓦,人均0.29千瓦。石油資源不足

2006年石油生產(chǎn)1.84億噸,消費3.2億噸,進口已達1.36億噸,對外依存度43%。能源生產(chǎn)和消費以煤炭為主：消費總量占70%左右，污染大，利用率低。能源利用效率低，清潔能源和新能源利用率不高。CompanyLogo我國能源工業(yè)面臨的問題與改善措施面臨為題：環(huán)境污染嚴重；人均能耗水平低；能源建設(shè)周期長，耗能多；新能源占的比例少；能源工業(yè)裝備落后。1、努力改善能源結(jié)構(gòu)；2、提高能源利用率；3、加速實施潔凈煤技術(shù)；4、合理利用石油和天然氣；5、加快電力發(fā)展速度；6、積極開發(fā)利用新能源；7、建立合理的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)農(nóng)村嚴重缺能局面；8、改善城市民用能源結(jié)構(gòu)，提高居民生活質(zhì)量；9、重視能源的環(huán)境保護。CompanyLogo新能源

節(jié)約能源！保護環(huán)境！開發(fā)新能源！太陽能、氫能、二次電池、核能、生物質(zhì)能。電能、風(fēng)能、朝夕能、地?zé)崮艿鹊取?/p>

CompanyLogo1.2

新能源種類

太陽能：輻射于地面的太陽能1萬倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。太陽能可分為光伏能和太陽爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！太陽能熱水器太陽能汽車CompanyLogo太陽能太陽能電池光利用、電利用、熱利用和化學(xué)利用世界將太陽能作為一種能源和動力加以利用，已經(jīng)有300多年的歷史。1615年法國工程師所羅門.德.考克斯發(fā)明了第一臺利用太陽能加熱空氣使膨脹做功而抽水的機器.材料類型材料轉(zhuǎn)化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9單晶～20化合物半導(dǎo)體GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化納米染料薄膜（大面積）5有機太陽能轉(zhuǎn)換膜<5幾種成熟和正開發(fā)的光伏轉(zhuǎn)換材料最近美國加州大學(xué)開發(fā)出多波段半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換率高達37%CompanyLogo氫能和燃料電池BMW公司于1996年在德國斯圖加特的世界氫能源會議上展示了計算機控制的新式氫能源汽車，被稱之為“汽車發(fā)展史上的一個里程碑”。BMW745H上采用了4.4LV8氫/汽油雙燃料發(fā)動機，輸出功率達135kw，最高時速215km/h最大續(xù)航里程達到300km。資源無窮無盡－不存在枯竭問題；氫的熱值高；燃燒產(chǎn)物零排放，無污染，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電；氫的儲運方式多－氣體、液體、固體或化合物。CompanyLogo氫能與氫能經(jīng)濟氫能社會構(gòu)想氫能氫源：電解水，熱化工轉(zhuǎn)化細菌分解水等儲氫與氫的運輸不同儲氫材料能量密度與汽油的對比

不同儲氫材料的能量密度最近美國研制出鋰硼氫化物有可能滿足要求博能燃料電池

功率:200W重量:9kg(19.84lbs)亞太燃料電池功率:3,000W重量:10kg(22lbs)燃料電池

燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是氫氣的燃燒反應(yīng)。它與一般電不同之處在于燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不斷由外界輸入，因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池CompanyLogo燃料電池汽車本田新型燃料電池車FCXClarity投產(chǎn)

燃料電池：效率高，無污染，用于汽車，但質(zhì)子交換膜與催化劑太貴，目前為$125/kw，內(nèi)燃機為$30/kw。今后可能會便宜，因無轉(zhuǎn)動部件，構(gòu)造簡單。CompanyLogo核能秦山核電站全景反應(yīng)堆控制棒反應(yīng)堆換料安全方面的擔(dān)心

核廢料處理

核動力發(fā)電：一種清潔能源

核能核能仍是重要能源，也是未來能源希望之所在。1、無CO2排放2、安全性正在提高3、資源豐富

全世界產(chǎn)生裂變能的原料U和Th的資源儲量分別為330萬噸和400－600萬噸，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我國鈾儲量不夠豐富。4、海水中有40萬億噸氘(一升海水中氘的聚變能相當于300升汽油)，稱作永恒能源，但難度太大，物理證明可行，工程問題難解決(耐高溫、高通量中子輻射材料)，預(yù)計50－100年后實現(xiàn)，目前已組織國際合作。CompanyLogo據(jù)德國《汽車與體育》雜志報道，新一代奔馳CLK>Smart電動雙座微型車明年將使用鋰離子電池。目前的車型使用鈉鎳氯化物電池。二次電池CompanyLogo鋰離子電動車整車重量<17kg，載重量>75kg，電機功率180W，鋰離子電池36V-8Ah，最高時速≤25km/h，行程>=50km混合動力公交車

包括太陽能在內(nèi)，水電、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可以并稱為可再生能源?？稍偕茉促Y源世界中國太陽能陸地每年接受能量相當于標煤1.3×106億噸2.4×104億噸水能(萬億千瓦時)技術(shù)可開發(fā)經(jīng)濟可開發(fā)13.944.962.221.27生物質(zhì)能(億噸標煤)657風(fēng)能(億千瓦)技術(shù)可開發(fā)96陸上2.5，近海7.5地?zé)?億噸標煤)總資源量技術(shù)可開發(fā)1400500110－潮汐能(億千瓦)理論資源量技術(shù)資源量76664－1.89世界和中國可再生能源資源狀況世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(酒精)的發(fā)展趨勢世界電能分布光伏電能風(fēng)能生物質(zhì)能中國生物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景1、中國秸稈7億噸/每年2、高產(chǎn)作物，如玉米、薯類、速生林等3、鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展沼氣4、沙漠地區(qū)的改造：蒙脫土＋生根劑(保水植木)若爾蓋(長征水草地)采用治沙技術(shù)的效果CompanyLogo1.3能源與材料能源材料：

實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化和利用，以及發(fā)展能源技術(shù)所涉及的關(guān)鍵材料。與能源開發(fā)、運輸、轉(zhuǎn)換和利用等相關(guān)的材料都屬于能源材料。一、材料對能源的影響1材料產(chǎn)生新能源2材料提高儲能和能源的轉(zhuǎn)換效率3新材料決定能源技術(shù)的利用和安全性4材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作和加工工藝決定新能源的投資和運營成本。5清潔材料是清潔能源與能源技術(shù)的基礎(chǔ)。CompanyLogo不同的電池材料CompanyLogo二能源材料的種類

1按材料種類和使用用途來分：燃料（包括常規(guī)燃料、核燃料、合成燃料、炸藥及推進劑等）；能源結(jié)構(gòu)材料；能源功能材料。

2按使用目的分

能源工業(yè)材料；新能源材料；節(jié)能材料；儲能材料等。

能源材料的分類在國際上尚未見有明確的規(guī)定，為敘述方便也經(jīng)常使用混合的分類方法。

CompanyLogo能源材料的種類材料種類應(yīng)用材料實例高溫能源材料熱機、熱處理設(shè)備，核反應(yīng)堆高溫合金，ZrC,SiC電極材料電解、電池磷酸鐵鋰，銥鈦涂層電極光伏材料太陽能電池單晶、多晶硅半導(dǎo)體核材料和核反應(yīng)堆核燃料、慢化劑，控制材料儲氫材料鎳氫電池納米碳管、儲氫合金表8部分能源材料的種類其他還有生物質(zhì)能材料、風(fēng)能、熱能、磁流體、超導(dǎo)等等。CompanyLogo鋰離子電池正極材料正極材料LiCoO2LiNiO2LiMnO2LiMn2O4LiFePO4密度/gcm-35.14.854.754.313.6理論比容量(mAhg-1)274274286148170實際比容量(mAhg-1)140190-21020090-120110-165工作電壓(V)~3.6~3.5~3.8~3.8~3.5安全性能一般差好好很好成本高居中低低低CompanyLogo三、能源材料的任務(wù)和課題1資源的合理利用，化石能源節(jié)能減排技術(shù)。2研究新材料、新結(jié)構(gòu)等以提高能源的利用效率。3開發(fā)清潔能源材料。4開發(fā)新能源技術(shù)涉及的關(guān)鍵材料。5能源材料的生產(chǎn)制作和加工工藝。1.4能源材料與環(huán)境能源與環(huán)境污染能源材料與環(huán)境材料清潔能源材料一、能源與環(huán)境：惡化的生態(tài)環(huán)境★溫室效應(yīng)大量CO2：如燃料釋放200億噸/年，總量可達290億噸/年。帶來的后果：氣候異常，如干旱、洪水、風(fēng)暴、沙暴；作為食物和氧氣源的浮游生物大幅度減少；★大氣臭氧層破壞臭氧洞達700萬km2

南極臭氧保護層破壞了60%，北極臭氧保護層也減薄了至少30%

★NOX、SOX等有害氣體

酸雨帶來的后果：農(nóng)業(yè)問題,森林破壞,建筑物,橋梁,鐵路腐蝕…

★各類固體廢棄物數(shù)量巨大其中僅生活垃圾一項，全球就達100億噸/年

★水污染越來越嚴重（河，湖，海，地下水…）1秒鐘世界的變化格林蘭冰川的融化：1.6噸/秒淡水的使用：103m3/秒天然林消失：5,100m2/秒可耕地減少國：2,300m2/秒沙漠擴大：

1900m2/秒其中僅我國就達78m2/秒我國天然草原減少：513

m2/秒該圖為包括中國在內(nèi)的幾個國家和地區(qū)不同年代CO2排放量的預(yù)測。From“InterdisciplinaryScienceReviews”,Vol26,No4,2001,P254溫室氣體CO2CH4N2OCFCO3工業(yè)革命前濃度(×10-9)280,000790288010當前濃度(×10-9)353,00017203100.2820-40當前年增長率(%)0.50.90.340.2-0.5在大氣中壽命(年)50-2001015060-100數(shù)周到數(shù)月對溫室效應(yīng)相對貢獻(%)60155128幾種溫室氣體由于溫室氣體不斷增加，到本世紀末溫升2.5oC(冰河期與目前溫差5－6oC)，人居環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)，陸地縮小。解決辦法：減少化石能源利用地球綠化面積擴大CO2泵入地下(廢礦井、含砂層、頁巖)，一座100萬千瓦電廠

10年內(nèi)可貯存6000萬噸CO2通過催化劑與生物工程CO2＋H2O糧食二、解決環(huán)境問題的必要性和緊迫性全球氣溫顯著變暖(氣溫升高3℃，海平面上升60cm)全球氣溫變暖（氣溫上升1℃，海平面上升20cm）石油和天然氣枯竭礦物資源枯竭廢棄物問題食物短缺

19902000