能源革命(第一部分).ppt
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能源革命,目录,页码,一、能源简介3二、能源革命的缘由7三、能源革命的内容11四、能源生产13五、能源传输40六、能源储存52七、能源消费61,本期介绍前四部分,一、能源简介,物质、能量和信息是构成自然社会的基本要素。
能源是人类活动的物质基础。
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。
”,能源是文明的原动力,能源的利用局限着人类文明的发展,而每一种新能源的发现和利用,又强有力地推动了人类文明的发展,因此能源的变迁史也就是文明的发展史。
能源释义,按产生分为一次能源和二次能源。
一次能源即天然能源,又分为可再生能源和非再生能源。
二次能源指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源。
例如:
电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、激光和沼气等。
非再生能源,煤炭,石油,天然气,太阳能,核能,风能,水能,海洋能、地热能、生物能等,可再生能源,一、能源简介,能源分类,钻木取火是人类对能源最初的主动利用,导致了以薪柴作为主要能源的时代;蒸汽机的发明推动了第一次工业革命的开展,发电机和其他电力技术发明的出现,促进了第二次工业革命的到来,人类的主要能源变为煤炭、石油和天然气等化石能源;新能源的利用是人类的第三次能源革命。
加强可再生能源的开发和利用是人类社会实现可持续发展的必由之路。
一、能源简介,演化变革,在世界能源结构中,化石能源极占绝对主导地位,新能源仅占13%;而中国尤甚,由于资源禀赋、特殊发展阶段和经济运行体制等因素,造成了中国一次能源结构的极不合理状况,即“一煤独大,油气短缺,新能源偏小”。
一、能源简介,当前能源结构,中国现在的能源结构和一百年前世界的能源结构基本相当。
截止2014年底,世界煤炭探明储量为9542亿吨,中国为1145亿吨,占12.8%;世界石油探明储量为2270亿吨,中国为25亿吨,占1.1%;世界天然气探明储量为194万亿立方米,中国为3.5万亿立方米,占1.8%。
二、能源革命的缘由化石能源危机,数据来自BP世界能源统计2015,在不考虑新增探明储量情况下,可用年限估算。
化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物。
亿万年前的生物经过地壳变化,被埋藏在地下,受地层压力和温度的影响,缓慢地形成。
随着人类的不断开采,化石能源的枯竭是不可避免的。
总量有限日益枯竭,以能源之王石油为例,资源分布极不均衡。
中东(沙特、伊朗、伊拉克、科威特、阿联酋等)储量占世界的一半多。
中国比卡塔尔(面积与长沙相当)都要少。
石油输出国组织(OPEC,音译欧佩克)控制了全球石油出口的大部分产量,对油价起支配作用。
而美元作为国际原油价格的计价货币,通过汇率变化影响价格走势。
二、能源革命的缘由化石能源危机,分布不均受制于人,二、能源革命的缘由化石能源危机,主要能源消耗国对外依存度越来越高,经济负担沉重,而进口来源地和海上运输通道也潜在着巨大的风险,一旦发生变局,经济甚至国家安全势必遭受严重冲击。
消耗增加成本高昂,发达国家能源资源消费总量居高不下,美国石油消耗量占全球消耗量的20%,新兴市场国家对能源的需求迅速膨胀,中国、印度等金砖国家经济增长大量进口,人益增长的人口导致能源分配不足,1960(30亿)、1999(60亿)、2011(70亿),以中国为例,2014年进口原油3.1亿吨,对外依存度达到60%,总值为1.4万亿人民币,预计2015年进口量将超越美国,成第一大原油进口国。
奥巴马说:
倘若十三亿中国人都过上美国人民那样的好日子,将会是世界的灾难,这从当前资源能源角度来说有一定道理。
二、能源革命的缘由化石能源危机,化石能源开采、加工破坏环境,更严重的使用过程中的排放,燃烧产生有害气体和温室气体,带来的主要后果是酸雨、温室效应、臭氧层破坏、固体颗粒物对大气的污染(固体颗粒物)等。
未来环境治理成本高于当前发展收益,得不偿失。
环境破坏污染严重,酸雨,温室效应,臭氧层破坏,固体颗粒物(雾霾),三、能源革命的内容,1992年5月,联合国气候变化框架公约通过;1997年12月,京都议定书签署;2015年12月,巴黎气候大会将要召开。
全球聚集热点,国际组织,2014年4月,日本通过了新能源基本计划,推行节能和可再生能源;2014年11月,中国公布能源发展战略行动计划,推进能源生产和消费革命;2015年8月,美国清洁电力计划发布,增加了对可再生能源扶持力度;2015年9月,欧盟推出新版战略能源技术行动计划,加速低碳能源体系转型升级。
主要国家,从生产到消费,能源生产,能源传输,能源储存,能源消费,高效、清洁已经成为世界能源发展的方向,非化石能源在能源结构中的比重越来越大,世界能源将跨入化石能源、新能源并驾齐驱的新时代。
三、能源革命的内容,四、能源生产,新能源兴起,在目前的化石能源消费结构中,石油和天然气作为主要的日常动力燃料,而煤炭作为主要的发电燃料。
在未来的能源消费结构中,洁净电力(新能源发电)将成为能源体系中的关键一极,并逐步取代化石能源。
新能源类型,1980年,联合国对新能源的定义:
以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用,用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源,主要有太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和核能。
优点,资源丰富,具备可再生性,可永续利用,不含碳或含碳量很少,对环境影响很小,总体上分布广,有利于小规模分散利用,不足,能量密度低,开发利用需要较大空间,间断式供应,波动性大,持续供能不利,现开发利用成本较化石能源高(除水电外),四、能源生产,新能源类型,太阳能,风能,有光热转换和光电转换两种方式;,地球表面大量空气流动所产生的动能;,生物质能,唯一一种可再生的碳源;,海洋能,潮汐能、波浪引起的机械能和热能;,地热能,来自地球内部的熔岩的天然热能;,核能,从原子核释放的核裂变能和核聚变能;,个人觉得在现有新能源中太阳能更有前景,独具普遍、巨大、安全三优势,虽然说也受限于夜晚、气候等,但至少阳光普照大地,亘古存在。
风能、海洋能、地热能受限于区域,生物质能总量有限,核裂变能存在安全隐患,也能够成为有益的补充。
在这里我重点介绍太阳能和核能。
四、能源生产,太阳能,就目前的技术而言,转换太阳能的方法有两种,一种是收集热能。
最常见的就是太阳能水热技术和暖通技术,而太阳能光热发电也有望得到广泛利用;另一种是转换光能,利用光生伏特效应,将光能转化为电能,基本装置就是太阳能电池,这就是光伏发电。
太阳能暧通及光热发电,提起太阳能技术,大家一般以为就是光伏发电,其实这是以偏概全,光伏发电只是太阳能技术中的一种,因其产业化程度较高,知名度也广。
太阳能热水器,四、能源生产,太阳能光伏发电,光伏发电技术,它大致分为晶硅电池技术和薄膜电池技术两大类。
目前晶硅电池技术占据着绝对优势,全球90%的光伏电池是晶硅电池,且主要产自亚洲,也就是中国。
而晶硅电池中70%是多晶硅。
晶硅电池技术,多晶硅16%,单晶硅18%,薄膜电池技术,硅基薄膜12%,铜铟镓硒薄膜13%,碲化镉薄膜13%,理论转换效率,单晶硅转换效率最高,成本也最高;薄膜电池成本低,但转换效率有待提升,多晶硅均处于中游水平。
近年来铜铟镓硒薄膜技术(CIGS)提升很快。
产业化转换效率,四、能源生产,晶硅技术原理,晶硅技术是根据光生伏特效应原理(半导体在受到光照射时产生电动势),利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。
大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺,在P型硅片上形成N型区。
P型多空穴,N型多自由电子,出现了浓度差,相互扩散,达到平衡后,形成了一个特殊的薄层产生电势差,这就是P-N结。
太阳光照在半导体P-N结上,形成空穴-电子对,在P-N结电场的作用下,相互扩散流动,接通电路后就形成电流。
四、能源生产,晶硅光伏产业,产业链包括硅料、硅锭、硅片、电池片、电池组件、应用系统6个环节。
上游为硅料、硅片环节;中游为电池片、电池组件环节;下游为应用系统环节。
江西赛维LDK太阳能高科技有限公司江苏中能硅业科技发展有限公司佳科太阳能硅(厦门)有限公司浙江昱辉阳光能源有限公司东方电气集团峨眉半导体材料有限公司江西加威实业有限公司洛阳中硅高科技有限公司江苏顺大半导体发展有限公司上海申和热磁电子有限公司天津中环半导体股份有限公司,保利协鑫能源控股有限公司保定英利绿色能源控股有限公司浙江昱辉阳光能源有限公司台湾绿能科技股份有限公司江西旭阳雷迪高科技股份有限公司江西赛维LDK太阳能高科技有限公司江西晶科能源控股有限公司韩国NexolonCompanyLimited西安隆基硅材料股份有限公司常州天合光能有限公司,无锡尚德电力控股有限公司保定英利绿色能源控股有限公司上海晶澳太阳能有限公司常州天合光能有限公司苏州阿特斯阳光电力科技有限公司韩国韩华新能源有限公司中电电气(南京)光伏有限公司东营光伏太阳能有限公司新奥光伏能源有限公司海润光伏科技股份有限公司,常州天合光能有限公司保定英利绿色能源控股有限公司苏州阿特斯阳光电力科技有限公司江西晶科能源控股有限公司上海晶澳太阳能有限公司日本夏普太阳能公司浙江昱辉阳光能源有限公司美国FirstSolar公司韩国韩华新能源有限公司美国SUNPOWER公司日本京瓷株式会社,硅料硅锭企业,硅片企业,电池片企业,光伏组件企业,四、能源生产,薄膜光伏原理,以硅基薄膜为例,在衬底如玻璃上沉积透明导电膜(TCO),然后依次用等离子体反应沉积P型、I型、N型三层材料,接着再蒸镀金属电极铝(Al),光从玻璃面入射,电池电流从透明导电膜和铝引出,其结构可表示为Glass/TCO/PIN/Al,可以使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等材料当基板来制造。
导电膜,衬底,PIN,电极,薄膜技术也是光生伏特效应原理,基于P-N结构,但运用了非晶硅材料。
薄膜电池厚度不到1m,降低了制造成本,而且具有可透光、可调整色彩、可采用柔性衬底、可弯曲、可粘贴安装、可弱光发电等独有特点,但是缺点也很突出,光电转化效率低,转化出等量的电能所需要的薄膜电池面积巨大,而且稳定性差,其能量转换效率随着辐照时间延长而变化,数百或数千小时候才能稳定。
四、能源生产,中国光伏产业现状,美国、日本、德国、中国等国通过政策扶持、财政投入带动民间资本投入,目前光伏产业已经较为成熟,也是新能源中发展最快的产业。
就中国而言,短短的十二年时间,从无到第一,光伏电池产量占全球市场的60%,缔造了一个产业传奇。
但是需要解决的问题也相当突出。
高能耗高污染,国内应用推广力度进度不够,依赖出口,消耗国家大量优惠政策和资金补贴,消耗国内资源能源,生产出来的绿色产品输出到国外,却将污染留在了国内。
工业硅料的生产是产业链中高能耗、高污染的一环,中国多晶硅生产技术主要基于改良的西门子法,再加上环境保护意识弱,监管不力,环保问题突出。
产业无序竞争,缺乏全局的规划和引导,各地一哄而上竞相上马项目,盲目扩张,导致产业生产力明显过剩,从而陷入低价竞争的困境,议价能力低,抗风险能力低。
国内应用不足,四、能源生产,光伏破产潮,2011年下半年起,由于产能过剩、国内市场推广不利、国外市场需求下降与贸易壁垒(双反)等多重因素叠加,用进入寒冬来形容光伏行业毫不为过。
代表性的事件是2013年3月,无锡尚德宣布破产,2014年7月,超日太阳宣布破产,2015年11月,赛维LDK宣布破产。
目前光伏行业仍面临着原材料、市场“两头在外”的局面,光伏电池及组件主要以加工贸易方式出口,出口占比达到了52%,极易引发外部贸易摩擦。
一连串企业倒闭尤其是大型企业倒闭,可以理解为行业见底的重要标志。
宁夏阳光硅业,恒基光伏,赛维LDK,无锡尚德,上海超日太阳,天威四川硅业,四川新光硅业,四、能源生产,在薄膜光伏产业上,不得不提汉能薄膜发电。
一年来的事件堪称跌宕起伏的惊险悬疑大剧。
汉能股价从2014年5月的1港元多一路飙至2015年3月5日最高点9.07港元;5月7日,李河君以1655亿元的新高身家蝉联新财富500富人榜首富,超过马云、王健林;5月20日,汉能突然跳崖式下跌46.95%,被迫宣布停牌;7月15日,港交所应香港证监会指令停止汉能股份买卖。
汉能提出了“开启移动能源时代,彻底颠覆人类利用能源的方式”这一宏大宣言,从太阳能可穿戴、太阳能汽车、太阳能与建筑一体化等来看,的确是一个好的思路,但如何实现任重道远。
薄膜技术也得到了追捧,10月,中建材下属凯盛科技集团豪掷100亿的1.5GWCIGS薄膜太阳能电池项目正式开工。
汉能薄膜发电,四、能源生产,太阳能光热发电,塔式,根据聚光方式的不同,太阳光热发电技术主要分为四种槽式、塔式、碟式及反射菲涅尔式。
目前槽式、塔式是主流,其中槽式技术成熟,运营多年,塔式发展迅速,效能更高,目前技术尚存在一些不足,成本较高,但未来潜力巨大。
槽式,塔式示意图,四、能源生产,太阳能光热发电现状,目前太阳光热发电技术在西班牙和美国的产业化程度较高。
西班牙2014年光热发电量创新高至5013GW,占当年全国总发电量的2.1%;美国这几年投入巨大,有5座(Ivanpah、Solana、Genesis、CrescentDunes、Mojave)大型光热发电站投入运行。
西班牙安达卢西亚Andasol槽式电站,美国加利福尼亚Ivanpah塔式电站,四、能源生产,中国光热发电产业情况,中控太阳能青海德令哈50MW塔式太阳能热发电站,中国尚存于起步阶段,目前建成电站较少,但规划和建设中的项目正在迅速增加。
正在建设的项目:
中阳张家口64MW槽式光热电站中广核德令哈50MW槽式光热电站首航节能敦煌10MW熔盐塔式电站金钒阿克塞50MW熔盐槽式电站,四、能源生产,光热发电直接输出交流电,不需要逆变器转换,直接无障碍并网;受益于热能的易储存性,光热发电可储能,可调峰,能够实现连续发电;光伏是清洁发电,但硅片生产环节高能耗高污染,光热发电生产与发电环节均无污染。
太阳能光热发电优势,1,2,3,光热发电可以与光伏发电相互补充,个人觉得各有侧重点:
光热发电,晶硅发电,薄膜发电,因为要占用大量场地,光热发电项目适合沙漠地点(荒凉无人、日照充足)集中式大型并网发电。
从目前综合性价比上来看,晶硅技术商业化程度高,在分布式发电方面有优势。
由于柔性化、可弯曲的物点,薄膜技术适合作为移动式的独立能源以及建筑一体化。
50MW光热电站投资情况,四、能源生产,核能,四、能源生产,在二战日本核爆和好莱坞电影的渲染下,大家往往谈核色变,第一反应就是世界“末日”、死亡、辐射、癌症和基因变异之类。
核武器对于文明发展是好是坏我们无法评述,但安全核能的开发利用对人类的未来是一个重大的飞跃。
广岛核爆,切尔诺贝利核电站事故,福岛核电站事故,历史上多次出现核电站泄漏,国际上发生的核事故有13起,最严重的是1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故,最近的是2011日本福岛核电站事故。
核裂变能,四、能源生产,开发核能的途径有两条:
一是重元素的裂变,如铀的裂变;二是轻元素的聚变,如氘、氚等。
重元素的裂变技术己得到应用,目前核电站都是裂变技术,全球核电占总发电量比重为16%(美国、法国、俄罗斯前三);而轻元素聚变技术,能源利用正在研究中。
(氢弹是以原子弹爆炸产生的瞬间高温点火,不受控),热中子轰击铀235原子核后使其分裂成两个较小的原子核,同时产生2到4个中子,释放出约200兆电子伏特的能量,中子再去撞击原子核,从而形成链式反应。
铀元素的核裂变,核裂变发电存在许多不足:
原料铀的储量不多,存在泄漏风险,产生大量废弃物,放射性与危险性大,因此备受争议,不少国家现在已经着手限制和缩减核电站。
核聚变能,四、能源生产,目前我们所说的核聚变一般指热核聚变,这也是恒星如太阳形成及运行的机制,氢分子云由于引力作用不断坍缩,内部压力不断增强,核心温度不断加大,最终达到引发核聚变(氢聚变为氦)的临界值,瞬间发光发亮,太阳形成,并且聚变持续进行。
质量轻的原子(主要指氢的同位素氘和氚,静电斥力最小)在超高温条件下,电子脱离原子核,裸露的原子核自由运动,直接接触互相聚合,生成较重的原子核(氦),并释放出巨大能量。
氘氚元素的核聚变,对比核裂变有许多优势:
轻元素氘、氚在海洋中都有巨大的储藏量,过程安全可靠,产物放射性污染环境问题很少,目前在世界各国的科技研究中都是热点。
核聚变能,四、能源生产,原子核都带有正电,因而会互相排斥(同性相斥),要让两个原子核聚合,需要上亿高温,在这种高温情况下,物质成为等离子体,电子都剥离出来,原子核可以自由移动,而且原子核之间的距离必须在1x10-15米以内才会聚合,因此还需要高压,才能引起热核聚变反应。
由此引出可控热核聚变的技术难点:
如何将氘氚元素加热到这么高的温度,使它成为等离子体?
如何将原子核挤压在一起,使它们足够接近能够聚合?
上亿度这么早的温度没有一种固体物质能够承受,拿什么来装它?
1,2,3,注:
太阳利用本身的质量和重力自然生成高温高压,生成并使得热核聚变反应能够持续进行,,目前世界主要有两种方法:
惯性约束法和磁场约束法。
惯性约束法,四、能源生产,惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内,从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高,达到临界点产生核聚变。
这属于微型核聚变,反应寿命很短,大约只有百万分之一秒,在确保爆炸威力不会对仪器产生太大影响的前提下,释放出内核燃料的能量,因此需要相继点燃多个目标,才能产生持续的能量。
惯性约束法,四、能源生产,2013年,美国劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)的国家点火设施(NIF)将192条激光束聚焦于一点,且聚变产生的能量首次超过了燃料吸收的能量。
我国的神光3号项目目前则正在试验将32个激光器聚焦,下一步目标是48个。
磁场约束法,四、能源生产,磁场约束核聚变是利用超导托卡马克装置,加速器释放出欧姆微波、粒子束及射频波加热气流。
在高温下,气态变为等离子体。
等离子体又受到超导磁体的挤压,进而发生聚变。
磁场约束是通过“磁容器”将高温等离子体约束在一个密闭的环中使其高速旋转,不与固体容器直接接触,从而实现了变相的盛放。
四、能源生产,磁场约束法应该是当前开发核聚变能源中最有希望的途径。
国际上有热核聚变实验堆计划(ITER),合作承担的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,地点位于法国,预计将耗资160亿欧元。
磁场约束法,2006年,我国自主研发了EAST先进实验超导托卡马克装置。
四、能源生产,没有大气层和空气污染的影响,太空中的阳光强度要比地面大5-10倍;绕太阳飞行24小时面对太阳,不受纬度、季度、气候和昼夜影响;面板没有大气中水和氧气的氧化以及电解质的腐蚀,寿命延长;,人类的未来能源,长远来看,个人觉得太空太阳能和冷核聚变是人类的未来能源。
太空太阳能电站部署卫星轨道上,采集太阳能再转变为微波,在空中形成一道无形的微波柱,向地球表面进行无线传输。
地面的网格形天线同步进行接受,转换后即可送往传统的输电网。
优势,四、能源生产,太空太阳能,当前运载火箭运输能力能否将万吨以上电站放上太空?
太空电梯?
微波传输能量的距离能否保证,传输效率如何?
激光传输?
地球公转自转,微波柱与地面天线群如何保持同步?
或全地球覆盖?
1,2,3,未来电力可能类似于通讯信号或无线网络信号,无孔不入地存在于我们周围。
啊,怎么收电费,就和你手机流量一样,这将在能源传输与接收里重点介绍。
四、能源生产,冷核聚变能,1989年的弗莱西曼-庞斯实验作为有名的科研丑闻广为人知,冷核聚变也长期被主流科学批得体无完肤,和永动机一样直接被认为是伪科学和民科。
2012年,美国国家航空航天局(NASA)发布了一个视频,用平实的语言讲述了冷核聚变进展及其未来发展的前景,又重新引起了世界的关注。
意大利科学家安德烈罗西声称实现了冷核聚变罗西E-CAT专利在美国通过(2015),实验装置示意图(到底是骗局还是突破,我也不知道),四、能源生产,冷核聚变能,冷核聚变使用镍粉和氢气在几百摄氏度的情况下发生化学反应,产生能量。
且此化学反应具有良好的自保护功能,当化学反应的温度过高时,镍粉融化,使得反应停止,因此没有危险。
冷核聚变设备体积小,成本低,效率高、无危险,有利于小型化、家用化。
到那一天,我们都可以成为钢铁侠?
星际远航不再是梦?
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