建筑能源审计的数据统计与分析方法的研究和电化学技术在新能源中的利用

PAGEPAGE1建筑能源审计的数据统计与分析方法的研究武汉科技大学张道军李玉云杨金凤张春枝中南建筑设计院蒋修英摘要文章结合2007年武汉市国家机关办公建筑和大型公共建筑的能源审计，在计量仪表不全的条件下，讨论与分析了各用能系统的能耗统计与分析方法，得出了不同建筑功能能耗基准点的确定方法以及各用能系统的同时使用系数。关键词能源审计基准能耗误差1引言对政府建筑和大型公共建筑推行建筑能源审计,有利于节能管理向经常化和科学化转变；有利于对既有建筑的能源使用情况进行有效的监督和合理的考核；有利于准确合理地分析建筑能源利用状况和水平，查找节能的薄弱环节，明确节能方向，挖掘节能潜力，降低能源消耗和能源成本，提高能源利用效率和经济效益；有利于推进既有建筑节能改造。但从建筑的计量水平，业主提供的能耗数据、设备资料来看，按照《国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则》的标准分类，绝大部分既有建筑难以满足能源审计的最低条件。因此，笔者在参与武汉市国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计中，为了能比较准确的统计各用能系统的能耗，对建筑能源审计的数据统计与分析方法进行了探讨。2建筑能源统计的方法2.1国家机关办公建筑2.1.1空调采暖能耗的统计通过计量仪表计量采暖空调能耗1.制冷空调能耗在一些建筑，电制冷机、冷冻水泵、冷却水泵有专门的变压器，并配有电度表，但末端设备与照明、办公设备公用电度表。对于这一类建筑，制冷空调能耗由下式计算：制冷空调能耗=冷源水系统能耗+末端设备能耗其中，冷源水系统能耗=制冷机耗电量+冷冻水泵耗电量+冷却水泵耗电量+冷却塔耗电量（2-1）对于直燃式（溴化锂主机）制冷机：冷源水系统能耗=燃气量（或燃油量）+冷冻水泵耗电量+冷却水泵耗电量+冷却塔耗电量（2-2）末端设备的能耗=末端设备功率×运行时间×同时使用系数（2-3）同时使用系数根据用户提供的办公室、会议室等确定，一般小于1。制冷机的耗电量由计量表累计，溴化锂主机的耗油量由业主提供；如A1政府办公楼的制冷机耗电量如图1所示。，2005年制冷机累计耗电量为61.86万度，2005年制冷机累计耗电量为61.66万度。2006年节约了0.32%。该大楼的节约是通过行为管理节约，即控制制冷机运行时间。从图中还可以看出，2005年与2006年的8月用电量相差很大，原因是读电表的时间不同引起，也就是说，2005年8月份用电量对应31天，2006年8月用电量对应可能是40天左右。冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的耗电量=额定功率（实际投入的额定功率）×运行时间（2-4）张道军,男,1985年2月生,在读硕士研究生，地址：武汉科技大学洪山校区15＃，邮政编码：430065，电话：，E-mail:zhangdaojun1985@126.com其中，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的运行时间从空调运行记录统计得出；如果是变频控制，则在5月、6月、9月、10月运行期间，根据设备运行情况，乘以系数0.5～0.7，一般取0.5。如果水泵安装有电流表、电压表，水泵的耗电量可按下式计算。冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的耗电量=1.73×运行电流×运行电压×功率因数×运行时间图1A大楼制冷机耗电量2.采暖（空调方式）耗能量的统计图1A大楼制冷机耗电量采暖（空调方式）耗能量等于采暖（空调方式）热水系统耗能量与末端设备耗能量之和。采暖（空调方式）热水系统耗能量由热源耗能和循环泵耗能组成。热水系统热源耗能由下式计算：采暖（空调方式）热水系统耗能量=热源耗能+燃烧器耗电量+循环水泵耗电量（2-5）热源耗能由锅炉的用能确定，有天然气、柴油、电等。天然气一般都有计量表，柴油凭采购的凭证统计。若厨房和锅炉房的燃料耗量由一块计量表计量，则以非采暖季燃料耗量的平均值作为厨房的月燃料耗量，每月燃料耗量与平均值之差即为采暖燃料耗量（未考虑收费时差因素），见表1。循环水泵耗电量、燃烧器耗电量均为额定功率×运行时间，运行时间的亦由运行记录得出，方法与空调系统相同。如果循环泵是变频控制，则在11月和3月运行期间，根据设备运行情况，乘以系数0.5～0.7，一般取0.5。末端设备的耗电量计算与制冷空调季节相同。表1A1办公楼的采暖耗气量的统计日期1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月天然气耗量/m318645276353451657241765137822151294154012841446305504月～11月平均值2081采暖耗气量/m316564255543243528469无计量仪表条件下的采暖空调能耗的统计[1]若该建筑的制冷机耗电量没有用电度表计量或者其空调运行记录不可信或者不齐全，则要选择建筑用能基准点。建筑用能基准点是该建筑不含采暖空调的用能。基准点：上半年一般取4月份耗电量为基准，下半年一般取11月份耗电量为基准，各月耗电量与基准之差，即为各月采暖空调用电量，逐月累计即可得出全年空调采暖耗电量。空调耗电量为制冷月份的差值求和，采暖耗电量为采暖月份的差值求和。采暖燃料耗量的计算方法与第一种方法相同。计算误差工程实例1：A1政府办公楼，冷热源为电制冷+燃油锅炉，末端以新风机组+风机盘管为主，但该大楼的新风机组不运行。2005年：方法一得出的空调采暖能耗为1.62×1010kJ，方法二得出的空调采暖能耗为1.55×1010kJ，二者的相对误差为4.11%；2006年：方法一得出的空调采暖能耗为1.68×1010kJ，方法二得出的空调采暖能耗为1.74×1010kJ，二者的相对误差为-3.46%。工程实例2：A2法院综合楼（风冷热泵）：2006年：方法一得出的空调采暖能耗为1.80×1010kJ，方法二得出的空调采暖能耗为1.76×1010kJ，二者的相对误差为2.36%。通过上面两个例子，可以看出这两种计算方法的误差不大。主要原因是办公楼的作息时间、空调运行时间比较有规律。如果在过渡季节，政府办公大楼不能充分利用自然通风改善室内舒适度，其能耗的统计方法参考写字楼。表2A1办公楼空调采暖能耗误差计算日期1月2月3月4月5月6月7月2005空调采暖总能耗（1）②/kJ1.70E+091.30E+094.85E+080.00E+009.78E+082.35E+092.96E+092005空调采暖总能耗（2）③/kJ1.36E+091.43E+093.41E+080.00E+004.22E+082.13E+093.22E+092006空调采暖总能耗（1）/kJ2.18E+091.99E+095.71E+080.00E+004.57E+082.36E+093.01E+092006空调采暖总能耗（2）/kJ2.09E+091.67E+097.93E+080.00E+000.00E+008.56E+083.20E+09日期8月9月10月11月12月总计误差2005空调采暖总能耗（1）②/kJ2.23E+091.51E+090.00E+003.41E+082.31E+091.62E+104.11%2005空调采暖总能耗（2）③/kJ3.03E+092.46E+088.27E+083.41E+082.17E+091.55E+102006空调采暖总能耗（1）/kJ3.21E+099.58E+080.00E+005.40E+081.57E+091.68E+10-3.46%2006空调采暖总能耗（2）/kJ4.11E+092.02E+094.40E+084.27E+081.84E+091.74E+10①一次能源：1kWh电=11838KJ；1㎏柴油=42652KJ；②主要冷热源有计量仪表计量；③冷热源无计量仪表计量2.1.2其他用能系统耗能量的统计1.电梯电梯的年耗电量的计算方法是：电梯的年耗电量=电梯功率×每天开放时间×年工作日天数×同时使用系数（2-6）式中，每天运行时间一般取9～11小时，年工作日一般取258天。；电梯的同时使用系数根据用户的使用情况确定，一般货梯取0.3，客梯取0.3～0.6，频繁使用的可取0.8，对办公楼内的扶梯取1，但开放时间根据实际情况取5～6小时。2.照明照明一般由三项组成，室内照明、室外照明和亮化工程。（1）室内照明年耗电量的计算方法是：室内照明年耗电量=总功率×每天运行时间×年工作日天数×同时使用系数（2-7）每天运行时间一般取8～9小时，年工作日一般取258天。如果给出的是竣工图照明功率，则同时使用系数取0.3～0.5；如果给出的是实际使用的照明功率，考虑会议室等照明区域，同时使用系数取0.5～1之间，一般小于1。（2）室外照明年耗电量的计算方法是：总功率×每天开放时间×年开放天数。每天开放时间一般取10小时，年开放天数取365天。（3）亮化工程的年耗电量的计算方法是：总功率×年开放时间。年开放时间由业主提供。3.办公设备的年耗电量办公设备的年耗电量计算方法是：办公设备的年耗电量=总功率×每天运行时间×年工作日天数×同时使用系数（2-8）·每天运行时间一般取8～9小时；表3A1办公楼各用能系统耗电量/kWh用途功率/kW天时间/h年运行/d系数耗电量份额/%建筑总用电量258空调采暖89330834.66室内照明31092580.9568382933.68室外照明49.2103651179580亮化工程21.85102114589客梯86102580.61331287.30观光梯22102580.634056货梯9102580.36966会议梯18102580.313932办公设备30.892580.8572142.22生活泵3092580.5348301.35其他53580320.79·年工作日一般取258天；·同时使用系数一般取0.5～0.8。4.生活水泵的年耗电量生活水泵的年耗电量的计算方法是：生活水泵的年耗电量=功率×每天运行时间×年工作日×同时使用系数2-9）·年工作日一般取258天；·每天运行时间和系数的取值按业主描述的实际情况选取。如果是变频控制（无水箱），则再乘以0.5。以上2～4类若业主没有提供功率，则不能计算各用能系统的能耗。（5）厨房用能厨房用能一般按以下两种方法计算：·如果有单独计量，可以计算炊具的用能，但厨房、餐厅的用电量一般无法统计。·如果没有有单独计量，尽量给出用餐人数。A1办公楼的用电量见表3。该表的用能不包括采暖用油、厨房厨具用能。表中的其他用电包括地下室通风、厨房设备用电、餐厅用电、卫生间通风等，从这个数据可看出，这一类就占了20.79%。2.2写字楼写字楼与办公楼比较，具有以下特点：计量水平略高，但各用能系统仍然没有独立的计量仪表，一般每层楼有一块计量仪表，包括空调末端设备、照明、办公设备、电开水器。能源收费方式是按面积分摊+按能量计费。各用能系统的统计原则上与办公楼相同，主要区别点是：（1）由于写字楼的建筑特点，一般过渡季节不能充分利用自然通风，而且室内热源大。这两个因素决定了写字楼的过渡季节存在空调通风耗能。空调通风耗能（风机盘管+新风机组的系统）由下式计算：空调通风耗能=新风机组耗能+风机盘管耗能（2-10）式中，新风机组耗能=新风机组功率×运行时间×同时使用系数；风机盘管耗能=风机盘管功率×运行时间×同时使用系数。详细的运行时间与投入的功率一般没有记录，只能通过与运行人员交谈获得有用的信息。（2）照明有公共照明，各业主或者租赁户所使用的区域照明，而且还有不同的装饰风格以及用途，因此照明与办公设备一般不便于统计其总功率，仅能与动力设备等归为一类[2]。（3）基准点的选择与办公楼不同。基准点=4月（或11月）的耗电量-空调通风耗电量。根据该写字楼在过渡季节空调机组的实际开启情况，得出其过渡季节中空调通风的月耗电量（功率×每天运行时间×该月天数×同时使用系数），再用上半年的较小值和下半年的较小值减去空调通风的月耗电量，即可分别得出上半年和下半年的月耗电量基准。各月的通风空调的耗电量=各月耗电量与基准值之差，通风空调与采暖的总能耗为各月的通风空调与采暖的能耗之和。2.3商场各用能系统能耗的计算方法基本可以参考办公楼与写字楼的计算方法，只是在同时使用系数和基准点的确定上略有不同。2.3.1空调与采暖耗能量统计武汉的商场一般全年需要制冷，但在气温低和客流密度比较小的情况下也采暖。空调与采暖耗能量的统计类同于写字楼。一般有两种方法。（1）冷热源有单独计量根据计量表统计出冷热源的能耗，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和末端能耗均为额定功率乘以运行时间。（2）冷热源无单独计量冷热源无单独计量时，则要确定基准值。空调与采暖耗电量的基准值的选取方法类同写字楼，但上半年的基准点=3月份耗电量-空调通风耗能，下半年仍然取11月份。（3）因为商场一般不采暖，所以大多数商场无采暖能耗；有少数商场采暖，其采暖能耗的计算也可参考办公楼的计算方法。2.3.2电梯系统能耗电梯一般有自动扶梯、客梯、货梯。自动扶梯，每天时间取12小时，工作日天数取365天，系数取0.8～1；客梯的系数取0.6；货梯的系数取0.3～0.4。表4C商场各系统耗能项目建筑空调通风公共区域照明电梯其他耗电量/kWh290583832842490122份额/%35.003.148.995.2947.592.3.3照明系统能耗由于照明系统复杂，照明功率难以统计，较好的情况是能给出公共区域的照明能耗。照明系统的工作日天数取365天，视围护结构、用户的能源管理状况，同时使用系数取0.8～1。表4为C商场各用能系统能耗。酒店酒店的能耗计量与统计比办公楼、商场规范。计算方法可综合参考办公楼和商场的计算方法。但酒店有它的特殊性，应根据实际情况酌情处理。例如，空调采暖能耗，热水系统的能耗。2.4.1空调采暖能耗的计算表5中央空调系统各用能系统耗电量/kWh空调系统新风机组风机盘管空调机组水系统2569656064277035图2D酒店空调系统份额（1）D酒店1＃、2＃变压器的电度表计量了冷水机组、循环水泵、冷却水泵、冷却塔的耗电量，通过电度表可以统计中央空调水系统的耗电量。末端装置的耗电量计算采用式（2-3）。其中风机盘管的总功率为其单台额定功率×台数×客户率（床位数），新风机组和空调机组不需要考虑客户率（床位数）。空调采暖系统的耗电量即为电度表的计量值与新风机组、风机盘管、空调机组的耗电量之和。中央空调系统统计结果见表5。中央空调系统各用能系统的份额见图2。图2D酒店空调系统份额表6建筑物中各用能系统的能耗项目建筑采暖空调电天然气电天然气电/kWh/m3/kWh/m3kWh实物能耗676319442633236312能耗/kJ1.04E+111.31E+102.16E+10份额/%－12.65%20.81%项目电梯厨房蒸汽锅炉其他电天然气天然气电天然气/kWh/m3/m3/kWh/m3实物能耗6819669754325506887396能耗/kJ8.07E+093.26E+098.54E+094.93E+10份额/%7.77%3.14%8.22%47.41%蒸汽锅炉用途：一楼半厨房热水，洗衣房，七楼游泳池，员工澡堂，员工餐厅（2）锅炉房的热水锅炉1）热水锅炉的用途为：采暖和给客房提供生活热水；2）能耗：天然气耗量有计量表计量，但采暖锅炉一般与生活锅炉公用，因为冬季的生活热水需求量比夏季大，故在采暖季中，提供生活热水的天然气的耗量逐月增加1000m3,计量值与生活热水天然气耗量值之差，即为采暖的天然气耗量；2.4.2其他系统的能耗计算其他系统的能耗计算方法可以参考写字楼与办公楼的计算方法。参考文献[1]李玉云,张春枝,曾省稚.武汉市公共建筑集中空调系统能耗分析[J].暖通空调,2002,32(4):85-87[2]娄承芝,杨洪兴,李雨桐,张艺豪.建筑物能源审计研究[J].暖通空调,2006,36(5):44-50

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/千瓦.氢源问题.(4)直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极:催化剂:Pt合金,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含硫酸的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:可移动的小型电子仪器设备动力源优点:比能量高,体积小问题:Pt对甲醇氧化电催化效率低,易被甲醇氧化中间产物毒化,甲醇会透过质子交换膜.(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳极:催化剂:Ni,燃料:氢阴极:催化剂:NiO,氧化剂:氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,不需贵金属催化剂.可用含CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,可达80%.问题:高温下,电解液会腐蚀电极材料.寿命2万小时,商业上要4万小时.(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极:催化剂:NiZrO2,燃料:甲烷,氢阴极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧电解液:ZrO2,CeO2等工作温度:900oC用途:发电站优点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各种燃料气.抗中毒能力强.能量转换率最高,可达80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.5.PEMFC发展现状发展现状(1)世界各国对世界各国对PEMFC的重视世界各国对的重视近十年来,近十年来,PEMFC技术的研究开发受到技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,已出现许多PEMFC电动车样车.电动车样车.已出现许多电动车样车我国计划,年奥运会期间,我国计划,到2008年奥运会期间,将有我年奥运会期间国生产的燃料电池电动车会小批量,国生产的燃料电池电动车会小批量,示范性地行驶在街头.性地行驶在街头.年世博会期间,辆燃料电池公交到2010年世博会期间,20辆燃料电池公交年世博会期间辆燃料电池出租车,车,300辆燃料电池出租车,1000辆电动辆燃料电池出租车辆电动汽车