清洁能源的发展现状

清洁能源开发利用现状

学院：材料科学与工程学院

班级：高分子 081 班

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[摘要] 随着现代工业的快速发展，人们生活水平日益提高，家用汽车的保有量逐步增多，化石燃料的消耗和环境污染日益

加剧，气候的极端变化频繁发生。开发清洁能源、降低污染物的排放、保护环境已成为当前科技工作者关注的焦点。清洁能源天然

气、二甲醚、燃料乙醇、生物柴油等的开发和利用以及节能减排技术对降低化石燃料的消耗、缓解能源压力、保护环境、实现低碳

经济具有重要的意义。

[关键词] 清洁能源；化石燃料；环境污染；低碳经济

引言:由于科学技术和经济发展情况的制约，我国目前能源仍以煤炭、石油和天然气等天然化石能源为主。我国是石油资源相对贫乏的国家，石油稳定供给不会超过20 年。据国际能源署(IEA)预测[1]，在2010 年和2020 年中国石油进口依存度将分别达到61.0%和76.9%，进口量和进口依存度的迅速攀升给中国石油安全带来了严重的影响，能源消耗造成的环境压力可想而知。若不开发新型能源，很可能在实现全面小康的2020 年，就是石油供给丧失平衡的“拐点年”[2]。因此，清洁能源的研究与开发对我国的化石燃料的消耗和经济可持续发展具有举足轻重的作用[3-5]。近年来,开发的清洁能源有天然气、氢气、二甲醚、太阳能、风能、核能、燃料乙醇和生物柴油等新型能源。本文主要以天然气、燃料乙醇和生物柴油为例，简述我国新型能源的发展情况。

1 天然气

天然气的主要成分为甲烷，由于燃烧后不产生二氧化硫和粉尘，可以减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，有助于减少酸雨形成，延缓温室效应，改善环境质量，因此，天然气是一种清洁能源。天然气作为一种新型高效能源，其储量巨大、分布广泛、热值高、污染少而被广泛用于工业和民用燃料。据估计，20.7%的陆地和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物的有利条件[6]。预计2020 年后，天然气将作为首席能源，进入一个全新的发展时期。新一轮油气资源评价数据显示，从总量上来看我国堪称天然气资源大国[7]。但目前我国能源结构中天然气的比例仅占3.8%，远低于24%的世界水平。因此，近年来我国政府加大天然气的设备投入，促进洁净能源的利用，西气东输等骨干管道的建成为天然气的使用提供了有力条件。我国的天然气正在进入快速发展的新阶段，据估计，到2020 年需求量达到2 100 亿m3/a，2030年达到2 380 亿m3/a，届时天然气在一次能源消费结构中有望超过10%。

2 二甲醚

二甲醚(DME)是一种无色气体，易液化，无毒、无腐蚀性和致癌性，燃烧性能好、热效率高、储运安全，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、NO 排量低，具有较高的十六烷值[8]，良好的可压缩性，生产原料来源丰富，是一种理想的清洁能源。含量高于95%的二甲醚可替代液化气作为民用燃料，也是理想的柴油替代品。二甲醚作为清洁的替代燃料已经得到国内外广泛关注，特别是其替代城市燃气和柴油方面所具有巨大的市场潜力。因此，生产二甲醚工艺是国内外工艺技术开发的热点之一。目前工业上制取二甲醚的生产方法主要有以下 3 种:(1)甲醇脱水法；(2)合成气直接合成二甲醚；(3)甲酸甲酯催化分解。气相甲醇脱水法是将甲醇蒸气通过固体催化剂发生非均相反应，甲醇脱水生成二甲醚。此法操作简便、污染少、可连续生产。液相甲醇脱水法是将甲醇与H2SO4 的混合物加热至140 ℃，甲醇脱水生成二甲醚。该反应的特点是反应温度低、选择性好、转化率高，但设备腐蚀严重，废水对环境污染严重，产品后处理比较困难。目前,国内只有武汉硫酸厂用此法生产二甲醚。直接合成法

是将反应混合气体(CO+H2)在220 ℃，催化剂存在的条件下直接合成二甲醚。杭州大学催化剂研究所已成功开发了直接合成二甲醚所用的催化剂，选择性几乎达100%，CO 转化率在85%以上[9]。但生产过程中有1/3 的CO 转化为CO2，不仅造成资源浪费，而且增加环境温室气体的浓度。为解决这一问题,研究者致力开发CO2 催化加氢合成二甲醚[10]，这一技术的应用将缓解温室气体CO2 浓度的升高。目前对CO2 加氢合成二甲醚的研究受到前所未有的重视。二甲醚具有广阔的市场前景，发展二甲醚工业将为我国合理地利用煤炭和天然气资源、改善环境开辟一条新路。

3 生物质能源

生物质能是植物利用光合作用将太阳能储存在地球上的一种能源，是惟一可运输并储存的可再生能源。生物质能产生NOx 和SOx 等污染物少，并且来源丰富，地球上每年生长的生物质总量为1 400～1 800亿t 干物质，相当于目前世界总能耗的10 倍。但生物质作为能源利用的只有1%[11]，热利用率低，造成能源的极大浪费，秸秆等生物质废弃物带来的环境污染问题日显突出。因此,开发生物质能源是国内外学者研究的热点[12]。目前,开发的生物质液体燃料主要是生物乙醇和生物柴油。

3. 1 生物乙醇

生物乙醇即燃料酒精主要通过植物发酵获得。目前可用来生产燃料酒精的原料有很多，如谷类、薯类、甘蔗、甜菜及藻类外，还有生产乳酪及多种饮料的废液、资源丰富的农作物秸秆、植物纤维、林业的废料及城市垃圾等[13]。巴西是生产生物乙醇最早的国家，主要原料是甘蔗。美国是生物乙醇产量最大的国家，主要原料是玉米。2006 年美国消耗玉米8 100 万t，生产乙醇199 亿L，占世界生物乙醇产量的38.7%。我国燃料乙醇起步较晚，但发展迅速。我国生产燃料乙醇的原料主要是利用粮食发酵，不具有经济效益。研究表明，用生物质材料的废弃物、农作物秸秆、工业有机垃圾等来制造燃料乙醇更具有环境意义和社会价值。近年来开发研制的以秸秆为原料生产乙醇的成本低于用粮食发酵法生产乙醇的成本[13]。乙醇燃料成本的降低为替代石油燃料开辟更好的前景，预计2015 年燃料乙醇的成本比现在降低36%，达到与石油

竞争水平。

3. 2 生物柴油

生物柴油也称为再生燃料，它具有十六烷值高、安全性能好、能耗低,运输、储存、使用方面安全,燃烧性能好于柴油等优点；无毒，能生物降解，基本无硫和氮的氧化物生成。作为石油柴油代用品，使用时柴油机不需作任何改动。生产生物柴油的主要原料是废食用油、甘蔗、油菜（欧洲）、大豆等。我国成功地利用菜籽油、大豆油、米糠油脚、工业猪油、牛油及野生植物小桐籽油等原料经预酯化和再酯化生产生物柴油。据专家估算，我国麻疯树、黄连木等油料植物可满足年产上千万吨生物柴油的原料需要，废弃动、植物油回收可年产500万t 生物柴油[1]。从理论上讲，我国生物燃料的发展潜力很大。但由于我国生物燃料发展还处于起步阶段，其发展规模和技术面临许多困难和问题。

4 风能、水能、太阳能和海洋能

风能、水能、太阳能、海洋能和核能也是可再生的清洁能源。世界上很多国家利用水力发电、风能发电、太阳能发电和生物质能发电。

4. 1 水能发电

世界上已经有20 多个国家水电能源占国家总能源的90%以上，如巴西和挪威；50 多个国家水电能源占50%以上，如加拿大、瑞典、瑞士等。我国水电在2008 年底装机1.72 亿kW，发电量可以满足大约7%的一次能源需求，预计在2020 年装机达到3～3.5亿kW。