氢能与燃料电池-课件-第三章-从化石燃料到氢燃料

3.从化石燃料到氢燃料3.1化石燃料2煤“黑色黄金”石油“现代工业的血液”天然气最重要的三种化石燃料——煤、石油、天然气现代工业社会的基础

23.1.1两个世纪的发展1712年，ThomasNewcomen（托马斯

纽科门）发明蒸汽机十八世纪晚期，煤驱动的蒸汽机问世。几十年之后，高压移动式蒸汽机被广泛应用并迅速改变了人类的运输习惯。2两次能源转换蒸汽机的使用极大地推动第一次工业革命的进程，更为重要的是它推动了煤大规模的开采和利用。煤炭在一次能源消耗中所占的比重由1860年的24%一跃上升至1920年的60%，自此世界进入了“煤炭时代”。

19世纪70年代，电力工业快速的发展起来，伴随着电力逐渐取代了蒸汽机，煤在世界能源消费结构中的所占的比例也迅速回落，至1965年被石油所取代，随后进入“石油时代”。直至今日，石油和天然气的消耗在世界能源消费结构中仍然占据着不可动摇的地位。3.1.2化石燃料的优势及应用2低成本和普适性优异的燃烧特性处理、存储和运输方便高能量密度优势液态碳氢化合物:13.1kwh/kg石油:42.7MJ/kg天然气:37MJ/m3煤:25MJ/kg可燃性，火焰传播性，热效应，烟雾，碳化能力…2化石燃料的应用交通运输产生热能发电工业应用化工工业的原材料化石燃料的应用2原油的加工过程加热炉蒸馏装置原油液化石油气汽油煤油柴油燃料油C9-C14C10-C22≤C42石油液体高比能量42Jkg-1应用广泛便于运输丰富的转化产品燃料油溶剂化学原料润滑剂石蜡沥青重燃料油柴油煤油汽油2天然气的优势及其应用优点缺点所有的化石燃料中含碳量最低；燃烧过程最清洁难以储存和运输昂贵的基础设施煤2

不同能量值，种类繁多

地球上含量最多的化石资源

价格相对较低

较低能量值

含有某些有毒组分

煤灰的处理煤空气缺乏焦炭“高炉”2全球超过60％的煤炭生产用于发电。丰富的易开采煤炭储量，保证了煤炭仍将是最重要的能源之一。所有化石能源中含碳量最高较低的能量值

更多的CO2排放缺点：煤的优势及其应用陆地植物泥煤褐煤烟煤无烟煤具有挥发性的碳水化合物逐渐失去第一阶段：腐泥化阶段或泥炭化阶段

第二阶段：

成岩作用（褐煤）

变质作用（烟煤和无烟煤）23.1.3化石燃料的形成与组成煤的形成及必需条件2煤形成必需三个条件：第一，植物条件；第二，气候条件；第三，地质条件。

生物质的分解煤的形成2煤的组成组成氧金属氮氢碳硫煤饱和烃有机以及无机的含氮、含氧组分痕量的金属，如钾、钠、钒、镍硫石油和天然气的形成2海洋海底沉积物沉积层被沉积层所覆盖天然气石油温度和压力升高厌氧菌的生物活性化学过程死亡的海洋生物石油和天然气的形成2在地球形成的早期，后来生成石油的有机物便以甲烷和其他碳氢化合物的形式参与了地球的组成，后来在地球内部热力和压力的促使下，他们从深部释放出来，在某种有利的环境下进一步合成了石油。

至于石油中含有的有机质，无机成因说的主张者们认为，那是原生石油在运移过程中受到了有机物的污染，从而造成了石油成分的复杂化。无机成因说2根据油源的不同，石油的性状从黄色、流动液体到黑色、粘稠的半固体全世界共发现约9000种不同的石油，他们的密度从0.7kg/L到1.0kg/L不等。

石油油源环境海相油陆相油有机质成熟度低成熟油成熟油高成熟油密度轻质原油（<0.87）中质原油（0.87-0.92）重质原油（0.92-1）超重原油（>1）天然气的制备及组成2天然气成分甲烷高碳烃类燃料氮氧化合物碳氧化合物硫化氢生物质厌氧发酵煤床、石油井来源深海中的甲烷水合物2甲烷水合物中

1molCH4～5.75molH2O可燃冰加热减压（能耗小）两种方法提取CH4可燃冰——甲烷水合物内含甲烷分子的晶体结构的冰1L可燃冰→168LCH4(gas)23.1.4全球的储量及产量探明储量（可采储量）控制储量

非常规资源常规

资源储量预测储量在规模化的增产措施或特殊的回收工艺技术的辅助下，不能以具有经济性的流量生产或者不具有经济性产量的石油和天然气的存储。在当前市场条件下可以经济地开采的油（气）储量。2储量和未来产量的预估方法哈伯特(Hubbert)曲线R/P比曲线拟合方法的最新结果表明，与石油储量和未来产量的所有估算存在大量的不确定性。官方统计依赖于探明储量与产量（R/P）的比值。在过去四十年中，这一比例变化很小。2石油的储量和产量截止到2018年底，全球的石油探明储量估计约为2.44×1011吨，其中有近二分之一的储量位于中东。2018年，全球年产油量达到4.47×109吨。欧佩克国家仅生产了41.4％。OrganizationOfPetroleumExportingCountries(OPEC)石油输出国组织简称“欧佩克”R/P=2.44×1011/4.47×109=54.5年2非常规石油资源焦油砂

页岩油重油深水石油常规石油资源

技术革新提取和加工更加的昂贵和困难天然气的储量和产量2截止到2018年底，全球的天然气储量约为1.97×1014立方米。2018年全球的天然气产量达到3.87×1012立方米。R/P=512非常规天然气资源煤层气天然气砂岩甲烷水合物/可燃冰在特定地区，已经可以经济生产

远达不到商业化应用的要求2甲烷水合物中的气体浓度与高度压缩气体的气体浓度相当。一些学者认为，水合物中的能量相当于其他所有化石燃料的两倍。

晶体结构CH4·8H2O甲烷水合物2甲烷水合物主要分布在北极永久冻土地下和深海底部。从甲烷水合物晶体中提取甲烷成本很高，而且技术上具有挑战性。

2煤的储量和产量截至2018年底，全球煤炭的储量为1.05×1012吨，R/P比为132年。所以，世界煤炭储量还可以保证几代人使用。2结论虽然储量有限，但在可预见的未来，预计不会出现化石燃料短缺的情况。23.1.5环境影响破坏自然景观产生大量的工业废物(高酸性,重金属)采煤石油和天然气的生产2石油和天然气生产过程中最重要的环境问题来自加工水，钻井泥浆和化学品的储存，处理和排放。即使直接的环境影响得到妥善管理，石油和天然气开发之后的其他活动（包括土地清理、人类对原始地区的殖民化以及入侵物种的引入）也可能会对环境产生影响，而这些活动是不受其控制的。2石油的泄露在生产、运输和存储过程中的石油泄漏都会对环境产生严重的影响。Ecosystemsensitivity生态系统敏感性Mangrove(红树林)coralreef(珊瑚礁)saltmarsh(盐碱滩)2SOxNOxVOCCO颗粒物1.各种呼吸道&心血管疾病2.致癌物3.全球变暖（温室效应）硫酸盐硝酸盐酸沉积1.呼吸道疾病2.农作物减产3.森林遭受破坏O3化石能源燃烧对环境的影响雾霾及其危害21、影响身体健康引起呼吸系统疾病导致心脑血管疾病增加传染病的风险2、影响心理健康3、影响交通安全4、影响生态环境雾霾是由于大气中存在过量悬浮颗粒而造成的一种空气污染状态。PM是Particulatematter的缩写，指的是颗粒物质，PM2.5指的是粒径小于2.5nm的固体颗粒物质。2课后作业化石燃料的燃烧对环境的影响有哪些？2减少污染的策略改善燃料处理和储存设施优化燃料质量开发引擎和燃烧器技术技术层面排放限值产品规格限制

(硫,芳香族化合物)燃油车禁令政策层面通过优化燃料和发动机来实现空气污染物排放的大幅减少。现在可以在工业界中观察到几乎所有受管制排放物水平的下降。2减少空气污染由于燃料脱硫水平的上升，二氧化硫排放量急剧下降。自20世纪70年代初以来，汽车通过安装尾气催化剂大大降低了的NOx，CO和VOC排放。与此同时，全世界的二氧化碳排放量正在迅速增加。CO2

的排放及温室效应2人类的活动，主要是化石燃料的燃烧，正在更改着自然大气的反应，而这也是导致全球变暖的主要原因。伴随着空气中污染物的降低，二氧化碳的的排放量却快速的增加了。地球的大气吸收长波辐射保持地表温度这样的特性就像一个温室一样，这也就是温室效应这个名字的由来。

2温室效应的危害polarbear1、地球上的病虫害增加；2、海平面上升；3、气候反常，海洋风暴增多；4、土地干旱，沙漠化面积增大；5、动物们失去栖息地。23.1.6未来的趋势经济的发展和人口的增长化石燃料燃烧增加全球变暖能源供应的剧烈变化终有一天会发生。

但是，在短期内，化石燃料仍然是最重要的能源来源。CO2的隔离2二氧化碳的隔离高的CO2排放地下洞穴废弃的油气田储集岩深海目前，二氧化碳地下储存已经商业化证明。然而，这种方法对大气CO2减排的潜力仍存在很大的不确定性。

2化石能源的清洁使用技术通过整体换能效率的提升，改进的发电系统有望进一步降低CO2的排放这不仅可以减少二氧化碳的排放，还可以使焦油、苯酚、苯、微粒和其他的排放也相应减少。煤是所有化石燃料中二氧化碳密集程度最高的一种，因此它具有巨大的改进潜力。现代技术可以通过提高转换效率，使燃煤发电厂能够提供至少相同的电量，同时减少二氧化碳排放。2降低化石能源中的碳含量2.昂贵的车辆改装1.开发单独的燃料分配3.车辆加油基础设施的建设缺点：需要

更低的碳含量LPG天然气和液化石油气技术2天然气液化技术天然气合成气(CO+H2)甲醇氨液态烃燃料不含硫、不含芳族化合物1.显著减少了污染物的排放2.方便运输优势2煤加氢液化煤加氢气化替代天然气高价值化学品煤合成原油液体燃料这项技术的发展取决于未来的环境政策是否会鼓励使用煤来生产运输燃料。生物质燃料和化石燃料2生物乙醇生物柴油

沼气生物质燃料增加了燃料供应的多样性减少CO2排放传统燃料混合短中期时间范围内2氢和燃料电池在更遥远的未来，氢和燃料电池技术有望为能源供应安全和环境保护做出贡献。

目前大多数氢气是通过烃的蒸汽重整制备的。但是，从长远来看，只有可再生能源产生的氢才能真正实现可持续发展。2课后作业化石燃料的优缺点？对于化石燃料带来的问题，我们应该怎么应对？化石燃料的燃烧对我们的社会造成了哪些影响？我们为什么要选择氢燃料？3.2碳循环和生物质能源2总初级生产力，英文grossprimaryproduction，简称GPP，指每年通过植物的光合作用转化的碳的总量。

净初级生产力，英文Netprimaryproduction，简称NPP，指绿色植物在单位时间内所积累的有机物质的总量，是植物总初级生产力（GPP）减去植物的自养呼吸所消耗的，之后剩余的那一部分。23.2碳循环和生物质能源3.2.1碳循环地质储层风化作用沉积火山岩石碳最多的是储存在什么地方?居第二位和第三位的又是哪？埋葬23.2.2生物质作为能源生物质是人类使用的最古老的燃料。全球仍然有大约10％的一次能源属于通常所说的“传统生物质”能源。USES

作为燃料的传统使用方式可持续能源系统中的资源优势1.太阳能的存储形式2.易于转化为热、电和其他二次能源3.适用的气候条件比较宽泛2生物质能源生物质通常被认为是一种碳中性的能源形式。但是，如果快速地提高生物质的使用率，那么这个碳中性就会出现偏移。生物质种植园的建立以及随之而来的土地利用变化可能导致正在转变的土地中的碳储量发生更大的变化。生物质残渣废料的产能潜力2可持续性制约因素能源作物的土地供应与食物和材料生产的竞争碳排放增加straw

manioca麻疯树生物质残余和废弃物所产生的能量不可能满足所有的能量需求。很多生物质产能潜力的研究报道，潜力的预测具有很大的分散性，因为它们包括有关可持续性限制的困难假设23.2.3生物质和氢能生物质的化学组成可以近似用分子式C6H9O4来表示。生物质中碳的氧化态接近于零，这意味着生物质可以被氧化成+4价（CO2），