新能源发电技术 第2版 教学课件 1能源概述

第1讲能源概述§1.1.1

资源和能源——资源——在一定时期和地点，在一定条件下具有开发价值、能够满足或提高人类当前和未来生存和生活状况的自然因素和条件，

称为自然资源，有时简称资源。包括气候资源、水资源、矿物资源、生物资源、能源，等等。——能源——能源就是能够向人类提供某种形式能量的自然资源，包括所有的燃料、流水、阳光、地热、风等，通过适当的转换手段可使其为人类生产和生活提供所需的能量。例如煤和石油等化石能源燃烧时提供热能，流水和风力可以提供机械能，太阳的辐射可转化为热能或电能。§1.1

能源的概念各种能源均有优点，也各有不足。如何进行评价和比较？(1)能流密度即在单位空间或单位面积内，能够从某种能源获得的功率。化石燃料与核燃料的能流密度大，各种可再生能源的能流密度一般都比较小。能量密度太小，则不利于开发利用，因为经济性太差。能流密度较小的太阳能、风能等可再生能源，小规模应用的技术已经相当成熟，大规模开发时需要安排较大的接收面积。§1.1.2

能源的评价标准煤各种燃料的热值是不同的，在统计能源的生产和消费，特别在计算能耗指标时，常定义一种假想的标准燃料，即标准煤。标准煤的热值为2.9×104kJ/kg。各种燃料均可按平均发热量折算成标准煤。(2)开发费用和设备造价化石能源与核燃料，勘探、开采、加工、运输，都需投入大量人力、物力。而使用天然气和石油的发电设备以及水电设备，单位容量的初期投资较小。太阳能、风能等可再生能源，开发费用主要是开发能源的一次性投资，设备造价比较高；而运营费用很低。(3)存储的可能性与供能的连续性即能源可以连续供应，需要能量时可以马上提供，不用时能够大量存储。化石燃料都比较容易存储，也便于连续供应。太阳能、风能等可再生能源则不易保存，

能量供应也可能有波动性和间断性。(4)运输费用与损耗能源的资源分布与能源利用的需求分布，往往并不一致。从能源开发地点到使用地点，运输过程本身也要投资并消耗能源，远距离运输的成本和损耗会影响能源的使用。太阳能、风能、地热能，是难以运输的。化石燃料可以运输，但要考虑运输的成本和耗能。(5)对环境的影响化石燃料燃烧过程中会排放CO2等温室气体，甚至还有一些有毒的或腐蚀性物质，对环境影响较大。核燃料有放射性污染及废料处理的问题。可再生能源大多是洁净能源，对环境的影响较小。(6)蕴藏量作为可以长期利用的能源，在地球上的蕴藏量要足够丰富。此外，能源的地理分布对其开发利用也有影响。化石燃料等非再生能源，蕴藏量是有限的，总有用完的时候。太阳能、风能等可再生能源，可以循环使用，不断的得到补充，即使每年更新的数量有限，长期来看，也是无穷无尽的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般来说，二次能源要比一次能源品味高。能直接变成机械能和电能的能源（如水力和风能），要比那些必须先经过热利用环节的能源（如化石燃料）的品位高。(1)一次能源vs二次能源（按形成条件）§1.2

能源的分类一次能源：定义：以天然形态存在于自然界中，可直接取得而不需改变其基本形态的能源。举例：太阳能；风能；海洋能(包括潮汐能、波浪能、海水温差能、盐差能、海流能等)；现代生物质能(包括垃圾发电、秸秆发电、沼气发电等)；煤炭；石油；地热能；天然气；水能；核能二次能源：定义：由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源。举例：氢能；电能；蒸汽能一次能源的来源自然界中一次能源的初始来源，大致有三种情况：①来自地球以外天体（主要是太阳）的能量，例如能以光和热的形式直接利用的太阳能，以化石或生物体等物质形式存储的能量，以风、水流、波浪等形式体现的能量；②来自地球内部的能源，主要是核能和地热能；③地球与其他天体相互作用产生的能量，例如月亮、太阳引力变化形成的海洋潮汐能。(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源是指在当前的技术水平和利用条件下，已被人们广泛应用了较长时间的能源，现阶段主要是指煤炭、石油、天然气、水能、核（裂变）能。这类能源，使用较普遍，技术较成熟。目前，世界能源消费绝大部分靠这五大能源来供应。新能源是指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热、生物质、氢能、核聚变能等。这类能源，已经开始或即将被人们推广利用，但目前还没有被大规模使用，有的甚至还处于研发或试用阶段。(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源和新能源的分类是相对的，不同历史时期会变化，这取决于应用历史和使用规模。例如在1950年代，核(裂变)能属于新能源，但随着其开发和利用的日益广泛，世界上不少国家已把它被归为常规能源。有些能源虽然应用的历史很长，但正经历着利用方式的变革，而那些较有发展前途的新型应用方式尚不成熟或规模还小，也被归为新能源，例如太阳能、风能。在中国，新能源指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的一次能源，包括太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能等。(3)非再生能源和可再生能源（按循环恢复能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期内无法恢复），总有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均为非再生能源。据估计，按照现有的探明储量和开采程度，地球上的化石燃料最多还可使用几百年。化石能源的储采比（年）——BP世界能源统计2020煤：132年天然气：49.8年石油：50年(3)非再生能源和可再生能源（按循环恢复能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期内无法恢复），总有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均为非再生能源。据估计，按照现有的探明储量和开采程度，地球上的化石燃料最多还可使用几百年。可再生能源，可以循环使用，能够有规律地不断得到补充，没有使用期限，也不会因长期使用而减少。如太阳能、水能、风能、海洋能、地热能和生物质能，均为可再生能源。大中型水电和传统的生物质能利用为旧的可再生能源，其开发相对比较成熟，但对环境有较大的不利影响。太阳能、风能、地热能、海洋能、现代生物质能、氢能等为可再生新能源。(4)含能体能源和过程性能源(按能源存在和转移形式)含能体能源是指包含着能量的物质或实体。例如化石燃料、核燃料、生物质、地热水和地热蒸汽，等等。这类能源可以直接储存和运输。过程性能源是指随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式存在的能源。如天上刮的风、河里流的水、涨落的海潮、起伏的波浪、地球内部的地热等。这类能源无法直接储存和运输。(5)清洁能源和非清洁能源(按环境污染程度)清洁能源是指对环境没有污染或污染较小的能源，

有时也叫绿色能源。可以是本身就不产生污染物的能源，如太阳能,风能,海洋能；也可以是“变废为宝”，利用能源与环境保护相结合的开发方式，例如垃圾发电、沼气等生物质能利用。非清洁能源是指可能对环境造成较大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清洁与非清洁能源的划分也是相对的。与煤炭相比，过去曾认为石油是清洁能源，而与风能、太阳能等相比，它就显得不够清洁了，也会产生氧化氮、氧化硫等有害物质。塞罕坝风电场，全国首个百万千瓦级风电基地甘肃敦煌100MW熔盐塔式光热电站我国首个双向潮汐能发电站——温岭江厦潮汐电站西藏羊八井地热二分场§1.3.1

常规能源的环境影响任何一种能源的开发利用都会给环境造成一定的影响。（1）大气污染化石燃料的利用过程会产生CO、SO2、NOx等有害气体，不仅能导致生态系统的破坏，还会直接损害人体健康。2017年全球因长期暴露于室外和室内空气污染而死于中风、心脏病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人数达到近500万；而在中国，该数字是120万。在全球范围内，室外和室内空气污染致人均预期寿命缩短达20个月，其影响堪比吸烟。§1.3

能源与环境问题§1.3.1

常规能源的环境影响（2）温室效应大气中CO2的浓度增加一倍，地表平均温度将上升1.5～3℃，在极地可能会上升6～8℃，结果可能导致海平面上升20～140cm，将给许多国家造成严重的经济和社会影响。由于大量化石燃料的燃烧，大气中CO2的浓度不断增加，每100万大气单位中的CO2含量，在工业革命前为280个单位，到1988年增长为349个单位。2018年，全球碳排放为近七年最高增速，能源消费新产生的碳排放达6亿吨，相当于在地球上增加三分之一的乘用车所产生的排放。§1.3.1

常规能源的环境影响温室效应的加剧引发了冰雪圈、生物圈甚至全球性的连锁反应。白化的珊瑚南极思韦茨冰川融化§1.3.1

常规能源的环境影响（3）酸雨SO2、NOx等污染物，经大气传输，在一定条件下形成酸雨，改变酸雨覆盖区的土壤性质，危害农作物和森林生态系统，改变湖泊水库的酸度，破坏了水生生态系统，腐蚀材料，造成重大经济损失。酸雨还导致地区气候改变，造成难以估量的后果。§1.3.1

常规能源的环境影响（4）其它影响若再考虑能源开采、运输和加工过程中的不良影响，

则造成损失将更为严重。平均每开采1万吨煤，受伤人数为15～30人，

可能造成0.2公顷土地塌陷，平均每年塌陷的土地超过200km2。核能的利用虽然不会产生上述污染物，但存在核废料问题。世界范围内的核能利用，将产生成千上万吨的核废料。如果不能妥善处理，放射性的危害或风险将持续几百年。§1.3.2

世界能源与环境问题世界人口从1900年的16亿到目前的60多亿，净增加了2倍多，而能源消耗增加了16倍，说明人类对能源的依赖越来越强烈。目前，石油、煤、天然气这些化石能源在世界能源消费结构中所占的比例仍然很高，且各类燃料需求均处于增长态势。如果没有新的替代能源充分发展，21世纪人类将面临着新的能源危机。另一方面，人类大量使用化石燃料，环境污染日益严重，生态平衡惨遭破坏，直接危及人类的生存和发展。§1.3.2

世界能源与环境问题2019年，全球一次能源消费总量达到583.90EJ(1EJ=1018J)，同比增长1.3%，不到18年增速的一半(2.8%)。2019年全球一次能源消费量(EJ)§1.3.2

世界能源与环境问题从一次能源消费结构看，石油占全部能源消费总量的33.1%，天然气占24.2%，煤炭占27.0%，水电占6.4%，核能占4.3%，可再生能源占5.0%。与上年相比，可再生能源比重提高了0.5个百分点，清洁能源比重提高了0.7个百分点至39.9%。2019年全球一次能源消费结构§1.3.2

世界能源与环境问题从一次能源消费份额看，2019年，全球一次能源消费总量前三甲依次是中国大陆、美国