2003年3月榆林高等专科学校学报Mar.2003 第13卷 第1期JOURNALOFYULINCOLLEGEVol.13No.1
21世纪的新能源及其开发和利用
韩志萍,霍文兰
(榆林高等专科学校 化学系,陕西榆林 719000)
摘 要:21世纪最有发展前途的新能源,包括氢能、、,了解其在世界范围内的开发和利用的现状和前景,。
关键词:新能源;开发;利用;前景
中图分类号:X24 文献标识码2003)01—0037—03
,。当代新能源是指氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、。、可以再生、没有污染或很少污染。研究和开发清洁,是21世纪发展的首要任务,将为人类可持续发展作出贡献。
1、氢能
这是未来最理想的能源。这种质量很轻的气体是宇宙中最丰富的元素,它能够从水中制得。它出奇地洁净,燃烧时排放出基本上是新鲜的水蒸汽。当被输入到产生电力的燃料电池中时,它提供空前的效率———这些电化学反应堆从燃料中所摄取的有用能量高达内燃机的两倍。目前,世界上氢的年产量是3600万吨,但绝大多数是从石油、煤炭和天然气中制取:由水电解制氢技术上是成熟的,但因消耗电能太多,经济上不合算。
目前,研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研究课题。据有关资料报道,日本宇宙开发事业集团和激光综合技术研究所开始共同研究开发利用太阳光制氢的技术。通过在宇宙空间建起巨大的集光装置,把太阳光变成激光,投向装置在海上的光催化剂装置(含二氧化钛或某些含钙化合物),使水有效地分解为氢和氧。美国田纳西大学环境生物研究中心的研究人员提出并论证了通过改变光合作用的方向来生产氢气的可能性。酶催化水解制氢亦是一种可能的途径,已经发现一些微生物,
通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合而产生氢气。
若将电解装置与可再生能源技术结合,譬如以风力涡轮机和太阳能电池板为动力,将使人类永远可以各取所需地消耗电能。在这方面工业发达地区已做出有重大意义的尝试。2002年,斯堪的纳维亚的三个主要能源公司计划修建一座实验性工厂,以采用风能制造氢。氢较电易于大量存储,斯堪的纳维亚人计划把它用于装备了燃料电池的楼房和车辆中———譬如戴姆勒—克莱斯勒公司期望于2002年在欧洲推出以氢为动力的大轿车。实验证实,使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的30%,造成的大气污染仅为内燃机的5%。
氢气被大规模地生产,运送,制成燃料电池所需要的基础设施进行全面建设可能将耗费几十年的时间和几百亿美元。但它的前景仍被能源业看好,许多最大的石油公司和制造商,包括联合技术公司、通用电气公司、杜邦公司等,纷纷加大投资,以求尽早占有新的能源市场。这将使能源工业的结构发生重大的变化。
2、太阳能
地球上最根本的能源是太阳能。传统能源如煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的;风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018KJ,相当于目前全世界能量消费的113万倍,因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地,单位面积上的辐射并不大,如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能源是有效利用太阳能的关键。
收稿日期:2002—01—20
),女,陕西榆林人,讲师1作者简介:韩志萍(1966—
・38・榆林高等专科学校学报 2003年第1期(总第42期)太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的,集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成,封装在玻璃钢外壳中。铜片只是导热体,进行光热转化的是吸热涂层,这是特殊的有机高分子化合物。70年代石油危机以后,这类热水器曾有蓬勃发展,特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用太阳能热水器的住宅达到10%—15%。80年代在美国已建成若干示范性的太阳能发电站,用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到发电机进行发电。光电转化主要通过光电池,即太阳能电池,这是一种能把光能转变为电能的能量转换器。利用“光生伏打效应”原理,当半导体材料受到光照射时,物体内产生电动势或电流,多晶硅、单晶硅(掺入少量硼、砷)、碲化镉、好,光电转化率高,性能稳定可靠,使用寿命长。电池中,大的可用于微波中继站、卫星地面站、,、太阳能计算器、太阳能充电器等,这些产品已有广大市场。
利用阳光发电,在美国有,,德国有ELDURADO计划。日本通产省计划在今后十年内,,将其光电转换效率提高,30,到年使日本的太阳能发电量增加到500万千瓦。我国自80年代起,已有小批量的生产,受到西藏无电地区牧民们的欢迎。尽管太阳能成本近年不断下降,,因而不能对电网所供应的电力构成重大挑战。
3、风能
这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术,也是一种可以再生的清洁能源。按人均风电装机容量算,丹麦遥遥领先,已经从风能中获得其电力的将近15%,其次是美国和荷兰。庞大的1615亿千瓦涡轮机的问世及其它进展,使风能的成本从1980年以来已经下降了90%。在一些地方,风力发电比石油或天然气火力发电所产生的电力要便宜。据设在华盛顿的思想库世界观察研究所说,10年来,全世界的风力发电量一直以每年25%的平均速度递增,超过了任何其它的能源。
4、地热能
地热主要由地幔的岩浆作用或火山的运动而形成。地热资源丰富的地区可将其作为最有价值的绿色能源之一,广泛用于发电、供暖、旅游、医疗,并从地热泉中提取矿藏。全球地质资料表明,世界上存在两大地热带
。一是地中海———喜玛拉雅地热带,包括意大利、我国青藏高原、菲律宾、印度尼西亚,直到南太平洋的新西兰。另一个地热带是环太平洋地热带,包括美国西海岸、冰岛、日本等地。我国的地热资源较丰富,主要分布在青藏高原,占全国地热总量的80%,尤其是高温地热。我国从60年代开始地热的研究与开发。西藏的地热发电总量,占拉萨电网的40%,其发电成本只有水利发电的一半。
5、海洋能
在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动,其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等,这些能量总称海洋能。从60年代起法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建成潮汐能发电站,波浪能发电和温差能发电的示范装置也都已问世。盐差能是以化学能形态出现的,在江河入海口处,大量淡水不停地流向大海,海水中的咸水盐含量很高,在交界外形成盐浓度差,含盐浓度高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散,由渗透压力差产生能量。这项技术的关键在于找到合适的多孔质隔膜置于海水和淡水之间,将二者隔开又形成渗透压。这种海水盐差发电技术和装置将是21世纪发展能源的一个研究方面。我国在东南沿海先后建成7个小型潮汐能电站,其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具有代表性,它建成于1980年,至今运行状况良好,并且还在海湾两侧围垦农田,种植柑橘,养殖水产,取得很好的综合效益。
另外,科学家已经探明,海底埋藏着大量的甲烷,总储量估计是诸如石油和煤炭等其他矿物燃料总储量的2倍以上。在深海压力和低温条件下形成白色冰状的甲烷水合物,1m3甲烷水合物释放出使人难以置信的164m3甲烷。作为有价值的气体能源,它既能直接燃烧提供热能,又能作为燃料电池的动力。如何安全经济的加以开发和利用海底甲烷将是又一新的研究课题。
6、生物质能源
光合作用创造的绿色植物是取之不竭的生物资源。它们主要由碳氢化合物组成,也是一种可供人们利用的能源。稻草、劈柴、秸秆等农牧业废弃物是古老的传统燃料,在广大农村仍是主要能源。但这些燃料直
韩志萍霍文兰:21世纪的新能源及其开发和利用・39・接燃烧时,热量利用率低,对环境污染较大。目前所指的生物质新能源是指将它们转化成为可燃性的液体或气态化合物,即把生物能转化为化学能,然后再利用燃烧放热。农牧业废料、高产生物(如甘蔗、高粱、甘薯等)、速生树木等,经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。在巴西有800万辆小汽车用乙醇做燃料,在美国有许多汽车使用含局醇的汽油作为燃料,欧共体已建成几座由木屑制甲醇的工厂。这类生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体,这些气体可用来发电。生物质还可在厌氧条件下生成沼气,这种气化的效率虽然不高,但其综合效益很好。沼气的主要成分是CH4,作为燃料不仅热值高并且干净,沼渣、沼液是优质速效肥料,,清洁了环境。此外,有若干植物新品种,如巴西的香胶树(亦称石油树),质。美国人工种植的黄鼠草,每公顷可年产6000千克石油,燃料油。7、燃料电池
燃料电池被称为是除火电、。从原理上来讲属化学电池,,。这种电池的集中研究只有二三十年的历史。,由正极、负极和正负极中间的电解质板组成。与干电池和蓄电池不同,,而是储存在电池外部。可以按电池的需要,源源不断地提供化学燃料,就像在燃气锅炉中添加煤和油一样。燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能。其发电效率比现在应用的火力发电还高,同时还可得到优质水蒸气,达到发电又供热的目的,其总热效率可达到80%
。按所用的电解质材料可分为五类:碱溶液型、磷酸型、熔化碳酸盐型、固体电解质型和固体高分子型。其中磷酸型和固体电解质型已达到实用化水平。与其它发电方式相比,燃料电池有无需燃烧,无转动部件,无噪声,效率高,机动灵活,燃料多样,运行寿命长,可靠性高,维护性能好,无污染等优点,实际效率能达到普通内燃机的3到5倍,是一种非常清洁高效的能源。但目前成本过高,经济效益不如其它发电方式,未能得到推广。
但作为一种新型能源,其清洁、可再生、无排放的特征,为能源工业看好,工业发达国家均投入较大资金进行研制和开发,使其发展速度大大加快。按一些国家的计划,2000年日本的燃料电池发电量达到2200兆瓦,美国达到500—2000兆瓦,欧洲达到500—900兆瓦,到2010年全世界的燃料电池总装机容量将达到60000兆瓦。随着氢能源的不断开发,据估计,两年后,以氢动力燃料电池为基础的产品的第一次浪潮将冲击市场,其中包括以燃料电池为动力的轿车和大轿车,以及用于商业大楼和住宅的小型发电机。最终,燃料电池技术的发展,将结束内燃机一百年的统治,使传统能源结构被以氢能源为主体的新能源所取代。
应该指出,新能源的开发和利用有着广阔的前景,但目前技术难度较大,对基础研究的投资要求较高,有些示范装置效能虽好,但成本过高,难以推广。新能源的开发还有待于化学、物理学、数学、地质学、电子、机械、仪表控制等多学科的发展和相互促进,人类社会可持续发展的迫切要求必将推动新技术、新能源的快速发展。据英荷壳牌石油公司预测,到2050年,世界全部能源供应的大约一半完全可能来源于可再生物质。人类将逐步摆脱对于化石燃料的依赖,因地制宜地利用和各种新能源,使世界能源结构走向多样化。参考文献:
[1]中国科学院化学学部1展望21世纪的化学[M].北京:化学工业出版社,2000.
[2]唐有祺,王夔1化学与社会[M].北京:高等教育出版社,1997.
[3]黄宝圣121世纪的新能源[J].化学教育,2001,(4).
(责任编辑:邵治亮)
2003年3月榆林高等专科学校学报Mar.2003 第13卷 第1期JOURNALOFYULINCOLLEGEVol.13No.1
21世纪的新能源及其开发和利用
韩志萍,霍文兰
(榆林高等专科学校 化学系,陕西榆林 719000)
摘 要:21世纪最有发展前途的新能源,包括氢能、、,了解其在世界范围内的开发和利用的现状和前景,。
关键词:新能源;开发;利用;前景
中图分类号:X24 文献标识码2003)01—0037—03
,。当代新能源是指氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、。、可以再生、没有污染或很少污染。研究和开发清洁,是21世纪发展的首要任务,将为人类可持续发展作出贡献。
1、氢能
这是未来最理想的能源。这种质量很轻的气体是宇宙中最丰富的元素,它能够从水中制得。它出奇地洁净,燃烧时排放出基本上是新鲜的水蒸汽。当被输入到产生电力的燃料电池中时,它提供空前的效率———这些电化学反应堆从燃料中所摄取的有用能量高达内燃机的两倍。目前,世界上氢的年产量是3600万吨,但绝大多数是从石油、煤炭和天然气中制取:由水电解制氢技术上是成熟的,但因消耗电能太多,经济上不合算。
目前,研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研究课题。据有关资料报道,日本宇宙开发事业集团和激光综合技术研究所开始共同研究开发利用太阳光制氢的技术。通过在宇宙空间建起巨大的集光装置,把太阳光变成激光,投向装置在海上的光催化剂装置(含二氧化钛或某些含钙化合物),使水有效地分解为氢和氧。美国田纳西大学环境生物研究中心的研究人员提出并论证了通过改变光合作用的方向来生产氢气的可能性。酶催化水解制氢亦是一种可能的途径,已经发现一些微生物,
通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合而产生氢气。
若将电解装置与可再生能源技术结合,譬如以风力涡轮机和太阳能电池板为动力,将使人类永远可以各取所需地消耗电能。在这方面工业发达地区已做出有重大意义的尝试。2002年,斯堪的纳维亚的三个主要能源公司计划修建一座实验性工厂,以采用风能制造氢。氢较电易于大量存储,斯堪的纳维亚人计划把它用于装备了燃料电池的楼房和车辆中———譬如戴姆勒—克莱斯勒公司期望于2002年在欧洲推出以氢为动力的大轿车。实验证实,使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的30%,造成的大气污染仅为内燃机的5%。
氢气被大规模地生产,运送,制成燃料电池所需要的基础设施进行全面建设可能将耗费几十年的时间和几百亿美元。但它的前景仍被能源业看好,许多最大的石油公司和制造商,包括联合技术公司、通用电气公司、杜邦公司等,纷纷加大投资,以求尽早占有新的能源市场。这将使能源工业的结构发生重大的变化。
2、太阳能
地球上最根本的能源是太阳能。传统能源如煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的;风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018KJ,相当于目前全世界能量消费的113万倍,因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地,单位面积上的辐射并不大,如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能源是有效利用太阳能的关键。
收稿日期:2002—01—20
),女,陕西榆林人,讲师1作者简介:韩志萍(1966—
・38・榆林高等专科学校学报 2003年第1期(总第42期)太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的,集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成,封装在玻璃钢外壳中。铜片只是导热体,进行光热转化的是吸热涂层,这是特殊的有机高分子化合物。70年代石油危机以后,这类热水器曾有蓬勃发展,特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用太阳能热水器的住宅达到10%—15%。80年代在美国已建成若干示范性的太阳能发电站,用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到发电机进行发电。光电转化主要通过光电池,即太阳能电池,这是一种能把光能转变为电能的能量转换器。利用“光生伏打效应”原理,当半导体材料受到光照射时,物体内产生电动势或电流,多晶硅、单晶硅(掺入少量硼、砷)、碲化镉、好,光电转化率高,性能稳定可靠,使用寿命长。电池中,大的可用于微波中继站、卫星地面站、,、太阳能计算器、太阳能充电器等,这些产品已有广大市场。
利用阳光发电,在美国有,,德国有ELDURADO计划。日本通产省计划在今后十年内,,将其光电转换效率提高,30,到年使日本的太阳能发电量增加到500万千瓦。我国自80年代起,已有小批量的生产,受到西藏无电地区牧民们的欢迎。尽管太阳能成本近年不断下降,,因而不能对电网所供应的电力构成重大挑战。
3、风能
这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术,也是一种可以再生的清洁能源。按人均风电装机容量算,丹麦遥遥领先,已经从风能中获得其电力的将近15%,其次是美国和荷兰。庞大的1615亿千瓦涡轮机的问世及其它进展,使风能的成本从1980年以来已经下降了90%。在一些地方,风力发电比石油或天然气火力发电所产生的电力要便宜。据设在华盛顿的思想库世界观察研究所说,10年来,全世界的风力发电量一直以每年25%的平均速度递增,超过了任何其它的能源。
4、地热能
地热主要由地幔的岩浆作用或火山的运动而形成。地热资源丰富的地区可将其作为最有价值的绿色能源之一,广泛用于发电、供暖、旅游、医疗,并从地热泉中提取矿藏。全球地质资料表明,世界上存在两大地热带
。一是地中海———喜玛拉雅地热带,包括意大利、我国青藏高原、菲律宾、印度尼西亚,直到南太平洋的新西兰。另一个地热带是环太平洋地热带,包括美国西海岸、冰岛、日本等地。我国的地热资源较丰富,主要分布在青藏高原,占全国地热总量的80%,尤其是高温地热。我国从60年代开始地热的研究与开发。西藏的地热发电总量,占拉萨电网的40%,其发电成本只有水利发电的一半。
5、海洋能
在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动,其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等,这些能量总称海洋能。从60年代起法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建成潮汐能发电站,波浪能发电和温差能发电的示范装置也都已问世。盐差能是以化学能形态出现的,在江河入海口处,大量淡水不停地流向大海,海水中的咸水盐含量很高,在交界外形成盐浓度差,含盐浓度高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散,由渗透压力差产生能量。这项技术的关键在于找到合适的多孔质隔膜置于海水和淡水之间,将二者隔开又形成渗透压。这种海水盐差发电技术和装置将是21世纪发展能源的一个研究方面。我国在东南沿海先后建成7个小型潮汐能电站,其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具有代表性,它建成于1980年,至今运行状况良好,并且还在海湾两侧围垦农田,种植柑橘,养殖水产,取得很好的综合效益。
另外,科学家已经探明,海底埋藏着大量的甲烷,总储量估计是诸如石油和煤炭等其他矿物燃料总储量的2倍以上。在深海压力和低温条件下形成白色冰状的甲烷水合物,1m3甲烷水合物释放出使人难以置信的164m3甲烷。作为有价值的气体能源,它既能直接燃烧提供热能,又能作为燃料电池的动力。如何安全经济的加以开发和利用海底甲烷将是又一新的研究课题。
6、生物质能源
光合作用创造的绿色植物是取之不竭的生物资源。它们主要由碳氢化合物组成,也是一种可供人们利用的能源。稻草、劈柴、秸秆等农牧业废弃物是古老的传统燃料,在广大农村仍是主要能源。但这些燃料直
韩志萍霍文兰:21世纪的新能源及其开发和利用・39・接燃烧时,热量利用率低,对环境污染较大。目前所指的生物质新能源是指将它们转化成为可燃性的液体或气态化合物,即把生物能转化为化学能,然后再利用燃烧放热。农牧业废料、高产生物(如甘蔗、高粱、甘薯等)、速生树木等,经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。在巴西有800万辆小汽车用乙醇做燃料,在美国有许多汽车使用含局醇的汽油作为燃料,欧共体已建成几座由木屑制甲醇的工厂。这类生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体,这些气体可用来发电。生物质还可在厌氧条件下生成沼气,这种气化的效率虽然不高,但其综合效益很好。沼气的主要成分是CH4,作为燃料不仅热值高并且干净,沼渣、沼液是优质速效肥料,,清洁了环境。此外,有若干植物新品种,如巴西的香胶树(亦称石油树),质。美国人工种植的黄鼠草,每公顷可年产6000千克石油,燃料油。7、燃料电池
燃料电池被称为是除火电、。从原理上来讲属化学电池,,。这种电池的集中研究只有二三十年的历史。,由正极、负极和正负极中间的电解质板组成。与干电池和蓄电池不同,,而是储存在电池外部。可以按电池的需要,源源不断地提供化学燃料,就像在燃气锅炉中添加煤和油一样。燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能。其发电效率比现在应用的火力发电还高,同时还可得到优质水蒸气,达到发电又供热的目的,其总热效率可达到80%
。按所用的电解质材料可分为五类:碱溶液型、磷酸型、熔化碳酸盐型、固体电解质型和固体高分子型。其中磷酸型和固体电解质型已达到实用化水平。与其它发电方式相比,燃料电池有无需燃烧,无转动部件,无噪声,效率高,机动灵活,燃料多样,运行寿命长,可靠性高,维护性能好,无污染等优点,实际效率能达到普通内燃机的3到5倍,是一种非常清洁高效的能源。但目前成本过高,经济效益不如其它发电方式,未能得到推广。
但作为一种新型能源,其清洁、可再生、无排放的特征,为能源工业看好,工业发达国家均投入较大资金进行研制和开发,使其发展速度大大加快。按一些国家的计划,2000年日本的燃料电池发电量达到2200兆瓦,美国达到500—2000兆瓦,欧洲达到500—900兆瓦,到2010年全世界的燃料电池总装机容量将达到60000兆瓦。随着氢能源的不断开发,据估计,两年后,以氢动力燃料电池为基础的产品的第一次浪潮将冲击市场,其中包括以燃料电池为动力的轿车和大轿车,以及用于商业大楼和住宅的小型发电机。最终,燃料电池技术的发展,将结束内燃机一百年的统治,使传统能源结构被以氢能源为主体的新能源所取代。
应该指出,新能源的开发和利用有着广阔的前景,但目前技术难度较大,对基础研究的投资要求较高,有些示范装置效能虽好,但成本过高,难以推广。新能源的开发还有待于化学、物理学、数学、地质学、电子、机械、仪表控制等多学科的发展和相互促进,人类社会可持续发展的迫切要求必将推动新技术、新能源的快速发展。据英荷壳牌石油公司预测,到2050年,世界全部能源供应的大约一半完全可能来源于可再生物质。人类将逐步摆脱对于化石燃料的依赖,因地制宜地利用和各种新能源,使世界能源结构走向多样化。参考文献:
[1]中国科学院化学学部1展望21世纪的化学[M].北京:化学工业出版社,2000.
[2]唐有祺,王夔1化学与社会[M].北京:高等教育出版社,1997.
[3]黄宝圣121世纪的新能源[J].化学教育,2001,(4).
(责任编辑:邵治亮)