第四讲能源问题与环境课件

能源问题与环境

※能源与环境※未来能源的供应能源问题与环境1一、能源概述（一）能源定义

能源是指可能为人类利用以获取有用能量的各种来源，象太阳能、风力、水力、蒸汽、化石燃料及核能、潮汐能等均可称为能源。能源与环境一、能源概述（一）能源定义能源与环境2第四讲能源问题与环境课件3离不开——能源资源离不开——能源资源4能源一次能源二次能源新能源常规能源不可再生能源：煤炭、石油天然气

可再生能源：水力不可再生能源：核燃料可再生能源:太阳能、生物能、风能地热能、海洋能（二）能源的分类电力、焦炭、煤气、沼气、蒸汽汽油、柴油、重油、氢、激光按其形态特征或转换和利用的层次划分：根据能源消费后是否造成环境污染：污染型能源和清洁型能源。能源一次能源二次能源新能源常规能源不可再生能源：煤炭、石油5二

世界能源资源生产与消费

二世界能源资源生产与消费6

1994年世界化石燃料探明可采储量1994年世界化石燃料探明可采储量7世界能源消费集中在发达国家发达国家消费了世界一次能源的62.2％，石油的64％，天然气的73.2％，核能的93.8％，水电的52.8％，煤炭的46％OECD（经济合作发展组织）国家消费世界石油的59.2％发展中国家只消费了世界能源的33％，石油28.9％，天然气17.7％，核能6.2％世界能源资源不能支撑发达国家式的高消费能源争夺集中在优质能源方面世界能源消费集中在发达国家发达国家消费了世界一次能源的62.8世界一次能源消费量单位：百万吨标油

石油天然气核能水电煤世界一次能源消费量单位：百万吨标油石油9世界能源需求预测（国际能源署05年）Oil,gasandcoaltogetheraccountfor83%ofthegrowthinenergydemandbetweennowand2030intheReferenceScenarioCoalOilGasOtherrenewablesNuclearHydro0200040006000800010000120001400016000180001970198019902000201020202030Mtoe1971世界能源需求预测（国际能源署05年）Oil,gasand10三、能源利用对环境的影响1.化石燃料的影响(1)开采过程的环境影响井下采煤：开采工人事故与职业性伤亡，易引起地表沉陷，还会使地下水及地表水遭受污染；露天采矿:占用农田、草地等，也会污染地下水及地表水，使地面或地面生态系统破坏。“煤炭经济”繁荣背后的生态伤痕三、能源利用对环境的影响1.化石燃料的影响“煤炭经济”繁荣背11原油开采：水域及农田造成不良影响；井喷事故（人员伤亡，污染农田或海域，破坏生态平衡）。天然气开采：污染大气（硫化氢）；污染河流（伴生盐水）；井喷事故。海底油田井喷造成的石油污染原油开采：水域及农田造成不良影响；井喷事故（人员伤亡，污染农12(2)运输过程的环境影响

煤运输耗能大；堆存和装卸（自燃或扬尘）；浸出水的流失而造成水污染。

石油运输的油船事故和油船外排洗舱水造成海洋污染。(3)加工过程的环境影响煤加工：煤洗选时排出洗煤水和干燥时产生灰尘、NOx和SOx，且煤气化和液化时会排出污染物。石油加工：比煤气化和液化排出的废物多10倍以上；跑油事故。(2)运输过程的环境影响13③其它污染物及酸雨

化石燃料燃烧会向环境排放大量颗粒灰尘、硫化物、氮氧化物、一氧化碳、烃类等空气污染物，含有悬浮固体硫酸、氟化物、磷酸盐、硼话务、铬酸盐和有机物等废水，以及炉渣等固体废物。③其它污染物及酸雨14

美国输油管道破裂致原油泄漏污染20多公里河道

美国输油管道破裂致原油泄漏污染20多公里河道15(4)利用过程的环境影响①全球气候变化化石能源燃烧的基本反应如下：

C+O2CO2+热温室效应(4)利用过程的环境影响①全球气候变化温室效应16热污染热污染是指日益现代化的工农业生产和人类生活中排放的各种废热所造成的环境污染。火力发电厂、核电站和钢铁厂的冷却系统排出的热水以及石油、化工、造纸等工厂排出的生产性废水中均含有大量废热。

②热污染

火力发电厂借助燃烧化石燃料得到热量，但工作在两个热源的热机不可能是燃料完全转化为有用功，从而会排放余热引起热污染。热污染热污染是指日益现代化的工农业生产和人类生活中排放的各种17使用化石燃料会带来什么问题﹖广州的空气污染烟雾是中国北部常见的现象上海的空气污染问题非常严重空气污染中国的大城市如上海、广州州和北京的污染问题非常严重。北京的空气质量非常恶劣使用化石燃料会带来什么问题﹖广州的空气污染烟雾是中国北部常见18第四讲能源问题与环境课件19由于煤炭生产的安全和环保问题，许多发达国家煤炭工业萎缩、退出日本、法国等已经停止煤炭生产，煤炭生产成本高达150英镑/吨，英国也将放弃德国煤炭生产成本高达180欧元，大幅度减少硬煤生产其他国家产量都在很低的生产数量。由于煤炭生产的安全和环保问题，许多发达国家煤炭工业萎缩、退出202.核电站与环境

核动力的燃料是核燃料，相比于煤和石油的优点：无空气污染，无漏油问题，无露天矿坑等。缺点：放射性污染，包括三个方面，(1)慢性辐射问题；(2)放射性废物的环境问题；(3)反应堆安全问题。2.核电站与环境核动力的燃料是核燃料，21(1)慢性辐射的问题

生物圈总是在不断地受到低水平电离辐射的照射，这些辐射大多是天然的，部分是人类活动引起的。

作为核动力的心脏-----反应堆正常运转时会产生低水平的辐射（又称慢性辐射）。

反应堆正常运转时的慢性辐射对人有多大的影响？(1)慢性辐射的问题

生物圈总是在22辐射源剂量砖房(3/4时间在屋内)45毫雷姆/年木房(3/4时间在屋内)35毫雷姆/年宇宙辐射60毫雷姆/年胸部X光透视9毫雷姆/次胸胃X光透视210毫雷姆/次观看电视0.5毫雷姆/小时核电站八公里以内居民17毫雷姆/年各种辐射剂量注:天然本底辐射95-105毫雷姆/年

核电站对周围居民的辐射剂量相当于天然辐射剂量的1/5-1/6，比一次胸胃X光透视所受剂量少11倍，每天看1h电视半年所受剂量超过核电站一年的辐射剂量。

核电站对人体慢性辐射在反应堆的密度不大时可暂不考虑，但是，由反应堆和核工业前处理和后处理车间中释放的少量放射性会造成人体内的慢性辐射。辐射源剂量砖房(3/4时间在屋内)45毫雷姆/年木房(3/423(2)放射性废物的环境问题

反应堆运行过程

反应堆中生成的大量裂变产物，一般情况下保留在燃料元件包壳内，当发生元件包壳破损事故时，会有少量裂变产物泄漏到冷却循环水中。反应堆冷却循环水中的杂质（循环系统腐蚀产物）受中子照射后也会形成放射性的活化产物，冷却循环水也就具有放射性。核燃料后处理过程

大量裂变产物是核燃料后处理过程的主要废物。在燃料元件切割溶解时有部分气体裂变产物（氪85、碘129等）从燃料元件中释放出来，进入废气系统。99％以上的裂变产物都留在燃料溶解液里。(2)放射性废物的环境问题

反应堆运行过程24

核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终25放射性废物地下储存库放射性废物固化处理装置放射性废物地下储存库放射性废物固化处理装置26(3)反应堆的安全问题

核电厂严重事故是指核反应堆堆芯大面积燃料包壳失效，威胁或破坏核电厂压力容器或安全壳的完整性，并引发放射性物质泄漏的一系列过程。核反应堆严重事故可以分为两大类：

堆芯熔化事故（CMAs）：由于堆芯冷却不充分，引起堆芯裸露、升温和熔化的过程，其发展较为缓慢，时间尺寸为小时量级。

堆芯解体事故（CDAs）：由于快速引入巨大的反应性，引起功率陡增和燃料碎裂的过程，其发展非常迅速，时间尺寸为秒量级。

历史上曾发生的核电站核泄露事故：1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁；是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。2011年3月11日日本发生的9.0级地震引发了日本福岛第一核电站核泄漏事故。(3)反应堆的安全问题

核电厂严重事故是指核反应堆堆芯大面积27前苏联切尔诺贝利核事故1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站发生的事故，位于苏联大城市基辅以北130公里乌克兰大森林地带东部的切尔诺贝利核电站，第四号机组发生了事故，反应堆猛烈爆炸，大火被扑灭后，撤离了核电站毗邻地区及电站周围30公里地带的居民。前苏联切尔诺贝利核事故1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核28核事故之后

前苏联切尔诺贝利核事故发生后，为制止该电站第4机组废墟中残留的核燃料扩散，有关单位用厚厚的混凝土堆造了一个有复杂通风系统的多层大型建筑物，把第4机组的全部设施埋在其中，这个建筑物成了“石屋”。

在距核电站半径30公里以内地区的动植物基因发生了巨大变化，30公里以外地区变化很小。如纳罗季奇区有大约半数儿童甲状腺异常或淋巴腺肥大。成人癌症患者成倍增加。先天性畸形家畜急剧增加。动植物体积竟变得比平常大3倍以上，以致出现“鼠大如猪。”核事故之后前苏联切尔诺贝利核事故发生后，为293.水力发电对环境的影响水库建造的过程与建成之后，对环境的影响主要包括以下几个方面：

自然方面：

引起地表的活动，甚至诱发地震。引起流域水文上的改变：如下游水位降低甚至断流，从而造成土壤盐碱化或来自上游的泥沙减少，补偿不了海浪对河口一带的冲刷等。改变水库地区的小气候：水库建成后，由于蒸发量大，气候凉爽且较稳定，降雨量减少。

3.水力发电对环境的影响水库建造的过程与建成之后，对环境的影30生物方面：对陆生动物而言，水库建成后可能会造成大量的野生动植物被淹没死亡，甚至全部灭绝。对水生动物而言，由于上游生态环境的改变，会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少。同时，由于上游水域面积的扩大，使某些生物的栖息地点增加，为一些地区性疾病(如血吸虫病)的蔓延创造条件。

例如，前苏联伏尔加——卡马河工程导致其渔业减产80％。埃及阿斯旺高坝建成后，水库地区钉螺繁殖，血吸虫病蔓延。

生物方面：对陆生动物而言，水库建31

地球化学性质方面：流入和流出水库的水在颜色和气味等物理化学性质方面发生改变，且水库中各层水的密度、温度、及溶解氧等有所不同。深层水的水温低且沉积库底的有机物不能充分氧化而处于厌氧分解。

如巴西的依泰普水库，因热带植物被淹没腐烂后发出强烈的硫磺臭味，人们到水库附近需带防毒面具，且腐烂的杂草和树木滋生某些细菌，在它们的作用下湖水产生硫酸，严重腐蚀轮船的涡轮浆。

地球化学性质方面：流入和流出水库的水32社会经济方面：修建水库可以防洪、发电，也可以改善水的供应和管理，增加农田灌溉。但同时亦有不利之处，如受淹地区城市搬迁、农村移民安置会对社会结构、地区经济发展等产生影响。如果整体、全局计划不周，社会生产和人民生活安排不当，还会引起一系列的社会问题。如埃及修建阿斯旺水坝时10万移民粮食安排不周，结果需世界粮食组织进行救济。另外，自然景观和文物古迹的淹没与破坏，更是文化和经济上的一大损失。

社会经济方面：修建水库可以防洪、发电，也可以改善水的供应和管33案例：丹江口水利枢纽

丹江口水利枢纽建成后给我国带来不少利益，但对环境也产生很大影响：

（1）河流温度从16.8℃上升到18℃，使河水的蒸发量增大。夏季气候凉爽稳定，降雨减少，冬季不稳，雨量增加。结果改变了水库地区的气候。（2）地震活动增加。据记载从16世纪到1959年的300多年间，水库周围地区共发生地震43次，而1969以来测得地震426次。（3）河流水质改变。河水增加镉、汞、硝酸盐、营养物质等。（4）造成社会经济方面的损失。为建库需迁移人口38万，重建城镇3座，且春秋战国和汉唐古墓多被淹没。案例：丹江口水利枢纽丹江口水利枢纽建成后给我34四、未来的能源供应1利用生态学原理解决能源问题

控制人口，减少能源消耗太阳能是重要的能源多渠道解决能源供求的平衡充分利用能源并减少浪费四、未来的能源供应1利用生态学原理解决能源问题352、太阳能（来自地球以外的能源）

是再生资源优点:

能量很大

没有污染缺点：

受昼夜和天气影响 目前利用成本高

太阳能是指地球上可以直接接受并利用的太阳辐射能；太阳本身的辐射能量只有22亿分之一到达地球大气层。太阳能优缺点：2、太阳能（来自地球以外的能源）36太阳能直接利用

利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出现，为太阳能的广泛应用奠定了基础。目前，直接利用太阳辐射能有两种方式：光——热转换；光——电转换；太阳能的直接利用与环境影响太阳能直接利用利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出37太阳能炊具太阳能炊具38太阳能的间接利用与环境影响（1）生物质能与沼气

生物体直接或间接吸收太阳能并不断进行转化，成为维持生命活动的能源，就是生物质能。太阳能的间接利用与环境影响（1）生物质能与沼气39生物质能生物质能是指绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量；生物质能种类繁多，目前可被利用的大致有六大类：(1)木材和森林工业废弃物（树枝、树叶、树根等）；(2)农业废弃物（秸杆、果核、玉米芯等）；(3)水生植物（藻类等）；(4)油料作物（棉籽、麻籽、油桐等）；(5)城市与工业有机废弃物（垃圾和食品、屠宰、制酒、制纸工业的排泄物等）；(6)粪便。生物质能生物质能是指绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能40生物质能

在世界能耗中，生物质能约占14％，在不发达地区占60％以上。全世界约25亿人的生活能源的90％以上是生物质能。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10％一30％。目前世界各国正逐步采用如下方法利用生物质能：1．热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品；2．生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品；

3．利用油料植物所产生的生物油；4．把生物质压制成成型状燃料(如块型、棒型燃料)，以便集中利用和提高热效率。生物质能在世界能耗中，生物质能约占14％，在不发达41云德村沼气发电厂远景云德村沼气发电厂远景42用酒精代替汽油的车款Flex

Fuel

Vehicle

——生质酒精车款用酒精代替汽油的车款FlexFuelVehicle——43（2）风能

由于地球表面各处情况不同，接受太阳辐射能不同，个地区的温差和气压也不同而形成风。风能的利用主要靠风力机，风力机是把风能转化为其他形式能量的旋转机械；利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。（2）风能44风能优点是洁净的、取之不尽的能源；风能缺点是分散、间歇、能量密度不高，风力不均等我国的风能利用极受限制，原因是我国属季候风国家，风能时效不稳定，大小波动及空间差异大。风能优点是洁净的、取之不尽的能源；45（3）海洋能

海洋能是指海水在运动过程中产生的能为人类利用的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。

海洋中除有巨大的海洋能外，还有丰富的海洋矿物资源、海水资源和海洋生物资源。人类有可能在21世纪进入全面、综合、立体开发海洋的“海洋经济时代”。（3）海洋能46海洋能

潮流发电研究国际上开始于70年代中期，主要有美国、日本和英国等进行潮流发电试验研究，至今尚未见有关发电实体装置的报导。我国潮流发电研究始于70年代末，首先在舟山海域进行了8kW潮流发电机组原理性试验。80年代一直进行立轴自调直叶水轮机潮流发电装置试验研究，目前正在采用此原理进行70kW潮流试验电站的研究工作。在舟山海域的站址已经选定。我国已经开始研建实体电站，在国际上居领先地位，但尚有一系列技术问题有待解决。

海洋能潮流发电研究国际上开始于70年473未来的核能（1）核聚变能及其环境影响核聚变是指两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核的反应；核聚变燃料主要是氢及其同位素氘和氚。受控核聚变具有以下优点：(1)质能比高，是同质量核裂变释放能量的4倍；(2)原料足，从海水中可大量提取氘和氚；核聚变能对环境的影响：当采用氘-氚燃料回路时，放射性氚的储运是个问题，还有因中子轰击引起的反应器结构材料的放射性问题。核聚变能和快中子增殖反应堆同属未来的核能3未来的核能（1）核聚变能及其环境影响核聚变能和快中子增殖48（2）核快中子增殖反应堆热中子反应堆对天然铀的利用率很低（只有0.7%）；快中子增殖反应堆以钚239为裂变燃料，组成堆芯，以铀238包围在堆芯周围，作为增殖层。可使天然铀的利用率达到60%-70%。

中子能量在2ｅV左右。堆内，每个铀235核裂变所产生的快中子，可以使12至16个铀238变成钚239。尽管它一边在消耗核燃料环239，但一边又在产生核燃料钚239，生产的比消耗的还要多，具有核燃料的增殖作用，快中子增殖堆几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在运行。（2）核快中子增殖反应堆热中子反应堆对天然铀的利用率很低（只49快中子增殖反应堆对环境的影响

增殖堆：也会带来放射性废物的运输和处置的问题，且由于使用年限延长，积存的放射性废物更多，进行处置就更难。再如冷却剂流失事故等引起外排放射性的危险。

此外，增殖堆还有自身的特性，使问题更加复杂化。（1）燃料堆芯需用不同的冷却剂。使用的液钠冷却剂变成强放射性物质需特别注意封闭的问题。液钠能和水发生激烈反应，并在空气中自燃可能引起事故。（2）增殖堆没冷却剂照样裂变释热可能熔毁，裂变作用失去控制会引起小规模的核爆炸。（3）生产处理大量钚-239的操作特别危险。（4）钚可能被转运去秘密制造原子弹的危险。快中子增殖反应堆对环境的影响增殖堆：也会带来放505地热能地球内部蕴藏着的热能称为地热能，来自：(1)高温岩浆，(2)岩石中放射性元素衰变；在地球上所有的能源中，地热能仅次于太阳辐射能，排在第二位；地热能廉价、清洁，利用前景十分广阔。5地热能地球内部蕴藏着的热能称为地热能，来自：51地热发电与环境应用地热发电对环境的影响：地热利用率低，以致冷却水用量多于普通电站，热污染比较严重。过剩的冷却水由于含有污染物应注入地下，可能会引起地震。冷却塔排放的废蒸汽和废水中可能含有硫化氢等有毒气体。引起地面沉降地热发电与环境应用地热发电对环境的影响：52中国能源的主要问题：能源需求

人口众多,人均能耗很低（不到世界平均值的50%，约为美国的10%）,导致对中国高能源需求的预期。资源储备约束:世界总资源量的4%，探明总储量(技术可开发)的2.5%和剩余可采储量(经济可开发)的10%。能源是经济增长的“硬约束”。能源的开发利用与经济增长速度与增长方式：高投入、高消耗、高污染发展模式。中国正处于环境与资源压力上升的时期。到2020年,中国从人均收入1270美元提高到3000美元，需要进行基础设施和城市化建设，导致能源需求的持续增长与”重工化”