新能源材料概论

新能源材料新能源材料概论了解能源的利用和发展；1了解能源结构、分布和消费2掌握能源材料分类和新能源材料3了解能源材料与环境关系4教学要求1.1能源与化学概论1.1能源概述

1能源的分类

2世界能源结构与消费

3中国能源现状及趋势

4能源开发利用

限制并有计划的开采石油和天然气发展原子能加速开发利用新能源节流一、能源定义可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的载能体资源。新能源化石能源太阳能电能生物质能能源定义目前约有20种。例如：《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。新能源化石能源太阳能电能生物质能1.1能源与化学概论CompanyLogo二、能源利用与社会发展人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服然的历史。

(1)火的发现和利用；

(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；

(3)化石燃料的开发和热的利用；

(4)电的发现及开发利用；

(5)原子核能的发现及开发利用；(6)新能源的开发与利用。人类社会已经历了三个能源时期：

薪柴时期：主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。

煤炭时期：以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很大。

石油时期：开始了能源利用的新时期。近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。CompanyLogo三地球能量的来源和分类能源的来源：①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。

②地球本身蕴藏的能量如原子核能、地热能等。

③地球和其他天体相互作用而产生的能量如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。CompanyLogo

能源分类1一次能源和二次能源（按获得的方式）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转化而来的能源.2再生能源和不可再生能源（按是否再生）可再生能源：对于一次能源，如太阳能、风能等可从自然界源源不断的得到的能源。不可再生能源：如煤、石油天然气以及核燃料等一旦消耗很难再生的能源。3清洁能源和非清洁能源（按对环境污染）清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如：太阳能、水能、风能非清洁能源：对环境污染较大的能源。如：煤、石油、天然气等化石能源4常规能源和新能源（按利用程度）常规能源：化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源.新能源：核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源CompanyLogo能源分类一次能源二次能源常规能源化石能源水能、油页岩焦炭、汽油、化学品、电力、蒸汽新能源核能、太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能二次电池、氢能清洁能源核能、太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能二次电池、氢能可再生能源太阳能、地热、海洋能、风能、潮汐能、生物质能形成条件利用技术四化石能源：煤、石油和天然气概述1.煤的种类及主要成分

煤的化学组成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

有效氢——与CSP结合，可燃烧化合氢——与O结合，不能燃烧O,S,N等：有害成分。2.煤的有效洁净利用——洁净煤技术（CleanCoalTechnology简称CCT）

中国洁净煤技术主要技术领域：煤炭利用前净化技术煤炭洁净燃烧

煤炭的转化技术污染控制与废气、废物管理

（1）煤的气化

H2O(g),O2气化剂

高温

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）煤的液化煤与石油的区别：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倍直接液化法间接液化法煤间接液化工厂

3.石油和天然气石油的主要组成元素为

CHONS83~87%10~14%0.05~25%0.02~0.25%0.05~8和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主。煤中的碳氢化合物以芳烃为主。各种石油产品：CompanyLogo现代能源主要出自化石能源(>80%)，一直到本世纪中，化石能源仍占主导地位，因此提高燃烧效率，减少污染仍为最主要课题。五世界能源形势：能源结构、分布与消费Fossil-fuelresources:ProvedworldoilreservesCompanyLogo石油区域1984年1994年2004年中东56.565.061.7欧洲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亚太地区4.03.83.52004年总储量为11886亿桶（1桶*0.739密度/6.29=0.1175吨）表1世界石油资源探明可采量分布CompanyLogoOilreserves-to-production(R/P)ratios

（储采比）CompanyLogoMajoroiltrademovements

马六甲海峡霍尔木兹海峡（石油海峡）CompanyLogoFossil-fuelresources:Provedworldnaturalgas

reservesCompanyLogo天然气

区域1984年1994年2004年中东28.431.940.6欧洲43.644.935.6亚太地区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年已探明储量179.53亿m3表2世界天然气资源探明可采量分布CompanyLogoNaturalgasreserves-to-production(R/P)ratiosCompanyLogo天然气主要贸易流向CompanyLogo煤区域探明储量/亿吨占世界比例/%储采比/年美国246627.1245俄罗斯157017.3>500中国114512.659印度92410.2229澳大利亚7858.62152004年世界已探明储量9091亿吨表32004年世界煤炭资源探明可采量分布世界矿物能源面临枯竭！CompanyLogo区域石油天然气煤炭核能水电美国40.22524.28.12.6日本46.912.623.512.64.4德国37.423.425.911.41.8英国35.638.916.88.00.7法国35.815.34.838.65.6加拿大32.426.29.96.724.8俄罗斯19.254.115.84.86.0印度31.77.754.51.05.1巴西44.99.16.11.438.6中国22.32.569.00.85.4世界平均36.8423.6721.176.116.20中国和印度不发达国家，仍然以煤炭为主。表42004年世界主要国家能源消费结构能源消费CompanyLogo全世界化石燃料的消耗情况

化石燃料使用量（换算为石油，2001年预测）煤221，200万吨/年（70.1吨/秒）石油351，100万吨/年（111.3吨/秒）天然气223，300万吨/年（70.8吨/秒）

现代的生活是以迅速地消耗这些宝贵的资源支撑着。如果继续以现在的速度使用石油，那么在短短的42年之后，现已探明的石油将被消耗殆尽。

CompanyLogo六我国能源的利用和发展

我国能源的利用特点2007年电能消费中国的能源现状和构成（2002）★标准煤——1kg发热量为29260kj的煤例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则1kg这种原煤相当于标准煤：

20920/29260=0.7150kgCompanyLogo人均消费量CompanyLogo我国能源的利用特点能源资源相对短缺煤炭可采量约1160亿吨,人均可采量89.8吨,为世界1/2,石油剩余可采储量23.8亿吨,人均2.6吨,为世界的1/9,天然气剩余储量1.23万亿m3,人均1074m3,为世界1/23,水电可开发容量3.79亿千瓦,人均0.29千瓦。石油资源不足

2006年石油生产1.84亿吨,消费3.2亿吨,进口已达1.36亿吨,对外依存度43%。能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。CompanyLogo我国能源工业面临的问题与改善措施面临为题：环境污染严重；人均能耗水平低；能源建设周期长，耗能多；新能源占的比例少；能源工业装备落后。1、努力改善能源结构；2、提高能源利用率；3、加速实施洁净煤技术；4、合理利用石油和天然气；5、加快电力发展速度；6、积极开发利用新能源；7、建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；8、改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；9、重视能源的环境保护。CompanyLogo新能源

节约能源！保护环境！开发新能源！太阳能、氢能、二次电池、核能、生物质能。电能、风能、朝夕能、地热能等等。

CompanyLogo1.2

新能源种类

太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！太阳能热水器太阳能汽车CompanyLogo太阳能太阳能电池光利用、电利用、热利用和化学利用世界将太阳能作为一种能源和动力加以利用，已经有300多年的历史。1615年法国工程师所罗门.德.考克斯发明了第一台利用太阳能加热空气使膨胀做功而抽水的机器.材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9单晶～20化合物半导体GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化纳米染料薄膜（大面积）5有机太阳能转换膜<5几种成熟和正开发的光伏转换材料最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%CompanyLogo氢能和燃料电池BMW公司于1996年在德国斯图加特的世界氢能源会议上展示了计算机控制的新式氢能源汽车，被称之为“汽车发展史上的一个里程碑”。BMW745H上采用了4.4LV8氢/汽油双燃料发动机，输出功率达135kw，最高时速215km/h最大续航里程达到300km。资源无穷无尽－不存在枯竭问题；氢的热值高；燃烧产物零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电；氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物。CompanyLogo氢能与氢能经济氢能社会构想氢能氢源：电解水，热化工转化细菌分解水等储氢与氢的运输不同储氢材料能量密度与汽油的对比

不同储氢材料的能量密度最近美国研制出锂硼氢化物有可能满足要求博能燃料电池

功率:200W重量:9kg(19.84lbs)亚太燃料电池功率:3,000W重量:10kg(22lbs)燃料电池

燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。燃料电池CompanyLogo燃料电池汽车本田新型燃料电池车FCXClarity投产

燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。CompanyLogo核能秦山核电站全景反应堆控制棒反应堆换料安全方面的担心

核废料处理

核动力发电：一种清洁能源

核能核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。1、无CO2排放2、安全性正在提高3、资源丰富

全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400－600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富。4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50－100年后实现，目前已组织国际合作。CompanyLogo据德国《汽车与体育》杂志报道，新一代奔驰CLK>Smart电动双座微型车明年将使用锂离子电池。目前的车型使用钠镍氯化物电池。二次电池CompanyLogo锂离子电动车整车重量<17kg，载重量>75kg，电机功率180W，锂离子电池36V-8Ah，最高时速≤25km/h，行程>=50km混合动力公交车

包括太阳能在内，水电、风能和生物质能等可以并称为可再生能源。可再生能源资源世界中国太阳能陆地每年接受能量相当于标煤1.3×106亿吨2.4×104亿吨水能(万亿千瓦时)技术可开发经济可开发13.944.962.221.27生物质能(亿吨标煤)657风能(亿千瓦)技术可开发96陆上2.5，近海7.5地热(亿吨标煤)总资源量技术可开发1400500110－潮汐能(亿千瓦)理论资源量技术资源量76664－1.89世界和中国可再生能源资源状况世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势世界电能分布光伏电能风能生物质能中国生物质能有更大的发展前景1、中国秸秆7亿吨/每年2、高产作物，如玉米、薯类、速生林等3、乡镇大力发展沼气4、沙漠地区的改造：蒙脱土＋生根剂(保水植木)若尔盖(长征水草地)采用治沙技术的效果CompanyLogo1.3能源与材料能源材料：

实现能源的转化和利用，以及发展能源技术所涉及的关键材料。与能源开发、运输、转换和利用等相关的材料都属于能源材料。一、材料对能源的影响1材料产生新能源2材料提高储能和能源的转换效率3新材料决定能源技术的利用和安全性4材料的组成、结构、制作和加工工艺决定新能源的投资和运营成本。5清洁材料是清洁能源与能源技术的基础。CompanyLogo不同的电池材料CompanyLogo二能源材料的种类

1按材料种类和使用用途来分：燃料（包括常规燃料、核燃料、合成燃料、炸药及推进剂等）；能源结构材料；能源功能材料。

2按使用目的分

能源工业材料；新能源材料；节能材料；储能材料等。

能源材料的分类在国际上尚未见有明确的规定，为叙述方便也经常使用混合的分类方法。

CompanyLogo能源材料的种类材料种类应用材料实例高温能源材料热机、热处理设备，核反应堆高温合金，ZrC,SiC电极材料电解、电池磷酸铁锂，铱钛涂层电极光伏材料太阳能电池单晶、多晶硅半导体核材料和核反应堆核燃料、慢化剂，控制材料储氢材料镍氢电池纳米碳管、储氢合金表8部分能源材料的种类其他还有生物质能材料、风能、热能、磁流体、超导等等。CompanyLogo锂离子电池正极材料正极材料LiCoO2LiNiO2LiMnO2LiMn2O4LiFePO4密度/gcm-35.14.854.754.313.6理论比容量(mAhg-1)274274286148170实际比容量(mAhg-1)140190-21020090-120110-165工作电压(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、能源材料的任务和课题1资源的合理利用，化石能源节能减排技术。2研究新材料、新结构等以提高能源的利用效率。3开发清洁能源材料。4开发新能源技术涉及的关键材料。5能源材料的生产制作和加工工艺。1.4能源材料与环境能源与环境污染能源材料与环境材料清洁能源材料一、能源与环境：恶化的生态环境★温室效应大量CO2：如燃料释放200亿吨/年，总量可达290亿吨/年。带来的后果：气候异常，如干旱、洪水、风暴、沙暴；作为食物和氧气源的浮游生物大幅度减少；★大气臭氧层破坏臭氧洞达700万km2

南极臭氧保护层破坏了60%，北极臭氧保护层也减薄了至少30%

★NOX、SOX等有害气体

酸雨带来的后果：农业问题,森林破坏,建筑物,桥梁,铁路腐蚀…

★各类固体废弃物数量巨大其中仅生活垃圾一项，全球就达100亿吨/年

★水污染越来越严重（河，湖，海，地下水…）1秒钟世界的变化格林兰冰川的融化：1.6吨/秒淡水的使用：103m3/秒天然林消失：5,100m2/秒可耕地减少国：2,300m2/秒沙漠扩大：

1900m2/秒其中仅我国就达78m2/秒我国天然草原减少：513

m2/秒该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。From“InterdisciplinaryScienceReviews”,Vol26,No4,2001,P254温室气体CO2CH4N2OCFCO3工业革命前浓度(×10-9)280,000790288010当前浓度(×10-9)353,00017203100.2820-40当前年增长率(%)0.50.90.340.2-0.5在大气中寿命(年)50-2001015060-100数周到数月对温室效应相对贡献(%)60155128几种温室气体由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5ºC(冰河期与目前温差5－6ºC)，人居环境灾难频发，陆地缩小。解决办法：减少化石能源利用地球绿化面积扩大CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂

10年内可贮存6000万吨CO2通过催化剂与生物工程CO2＋H2O粮食二、解决环境问题的必要性和紧迫性全球气温显著变暖(气温升高3℃，海平面上升60cm)全球气温变暖（气温上升1℃，海平面上升20cm）石油和天然气枯竭矿物资源枯竭废弃物问题食物短缺

19902000