可再生能源概论左然第一章 能源概论

(5) 按照是否经过加工或转换，能源又分为：

一次能源，指自然界中以天然形态存在，未经任何形式转 换的能源。如原油、原煤、天然气、薪柴、水流、核燃料， 以及太阳辐射、地热、潮汐等。

二次能源，指由一次能源经过加工或转换得到的能源。如 煤气、焦炭、汽油、煤油、热水、电能、氢能等。电能是 最重要、也是最方便的二次能源。
1.1 人类利用能源的历史

人类进化发展的历史，也 是一部不断地向自然界索 取能源的历史。 伴随着能源的开发利用， 人类社会逐渐地从远古的 刀耕火种走向现代文明。

人类使用能源的四个历史时期
1.柴草时期——从远古时代一直到18世纪中叶
大约50万年前，人类学会了使用工具和火。此时的燃料主 要是树枝、杂草等，人类完成了从猿到人的进化，能源利 用进入了柴草时期。 人类以柴草烧饭、取暖和照明，以人力、畜力和极少量水 车、风车为动力，从事手工生产和交通运输。这一时期生 产力低下，人类受制于大自然。
2.煤炭时期——从18世纪中叶到20世纪初，以蒸汽机 的发明为代表
17世纪开始，英国人开始大规模地开采和利用煤。煤气灯的 使用，结束了人类的漫漫长夜。 18世纪中叶，蒸汽机的发明，使煤炭一跃成为第二代主体能 源。 以煤炭作燃料的蒸汽机的广泛应用，使纺织、冶金、采矿、 机械加工等产业获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出 现，使交通运输业得到巨大进步。以煤炭作为主要的动力能 源，人类开始对大自然进行大规模的改造。
（6）存储量。我国煤炭资源和水力资源尽管丰富，但煤炭集中 在北方，水力集中在西部，存在运输问题。我国煤炭储量居世 界第三，产量世界第一（约15亿吨）。水力资源居世界第一位， 但开发率不足5％（水力发电约占20％总发电量，火力发电75 ％），而美国、加拿大、日本等国水力发电开发率为40％以上。 （7）能源品位。较难转化为电能的为低品位能源，即较易转化 为电能的为高品位能源。 *能源的品位高低是相对而言的，例如水力能可直接转化为机 械能，再转化为电能；而化石燃料须先通过燃烧转化为热能， 再转化为机械能，进而到电能。因此水力能更容易转化。
3. 石油时期——从20世纪初至今，以内燃机和电力为 代表
中国人很早就发现石油是一种可燃液体，宋朝的沈括对石油作 了详细的记载。 1854年，美国宾夕法尼亚州打出世界上第一口油井，现代石油 工业由此发端。 1886年，德国人本茨和戴姆勒研制成以汽油为燃料、内燃机驱 动的世界第一辆汽车，开始了利用石油的汽车时代。 19世纪初法拉第发现电磁感应现象，19世纪末爱迪生发明电灯， 作为一次能源的石油和煤炭被转换成更加便于输送和利用的二 次能源—电能。 20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体 能源。以石油和电能为基础，汽车、轮船、飞机、电力机车、 发电站、以及电话、电视、电子计算机等信息设备的发明和使 用，将人类快速推进到现代文明时代。
图1-3. 能量的各种形式和转换
1.4 能源的品质评价
(1)能流密度：即在单位体积或单位面积内从能源获得的功率。 太阳能和风能的能流密度较小，只有几百瓦/平米；常规能源 和核能的能流密度大。能流密度小，是可再生能源的共性。 因此太阳能、风能等可再生能源利用需占用较大的接收面积。 (2)能源开发投资：化石能源与核燃料，从勘测、开采，到加工、 运输，需投入大量人力物力，本身即耗能。太阳能、风能等 可再生能源，由大自然提供，不需能源费用，主要花费是一 次性投资。 *可再生能源设备的一次性投资仍较贵。按目前的技术水平， 太阳能、海洋能等发电设备的价格为每kW上万元到几十万元， 风能则已经降到每kW1万元以下；燃烧天然气和石油的 装臵以及水电设备，价格为每kW几千元。
煤炭 世界总可采储量 中国可采储量 中国所占比例 （ %） 世界储采比 中国储采比 9842亿t 1145亿t 11.6% 218 92
石油 1434亿t 38亿t 2.6% 41 24
天然气 146.4万亿m3 1.37万亿m3 0.9% 63 58
中国产量名次
1
5
19
表1-4 2004年中国主要能源与世界的对比（中国能源网）
1.6 能源与生态环境的关系
（1）温室效应： 大气中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等气体允许来自太阳的 短波辐射通过，却能够吸收地球发出的红外长波辐射，然后 再辐射返还地球。过多的CO2等气体如同温室中的玻璃，阻 挡地球的正常热量散失，这就是温室效应。 研究人员发现，自1840年工业革命以来，大气中CO2的浓度 增加了30％，已经从280ppmv增加到368ppmv，这可能是过去 42万年中的最高值。目前，CO2含量每年增加3％，每年大约 有230亿吨 CO2被释放到地球的大气中，每秒释放的CO2超过 700吨。 如果这种趋势继续下去，将在未来50年内使全球气温将上升 1.5－4.5℃，将使极地冰雪融化，海水升温膨胀，将淹没全 球大多数沿海地区，气候也将发生重大变化。
（6）按照国际能源组织（IEA）的推荐，新能源和可 再生能源又可分为三类：

第一类:大中型水电； 第二类:传统的生物质能利用； 第三类:新的可再生能源。 前两类为旧的可再生能源，因为它们的开发相对较成熟， 而且都对环境有较大的不利影响。 第三类即为新的可再生能源，包括太阳能、风能、现代 生物质能、氢能、地热能、海洋能和小水电等。 *新的可再生能源除了不会耗尽外，也较少污染排放， 对环境最友好。

2002年世界人口62亿，消耗的能源为451EJ（1EJ=1018J），其 中化石能源占总能量的3/4。 据预测，以目前的消耗速度，地球上的煤储藏，大约还能维持 200年，石油最多只有40年xx！天然气约60年！而且全世界的 石油产量，很可能在2010年左右即达到峰值。因此，人类正面 临日益严峻的能源危机！
1.3 能源的定义和分类

什么是能源？广义地讲，能源即能够向人类提供能量的 自然资源。如煤和石油等化石能源提供热能，水力和风 力提供机械能，地热提供热能，太阳提供电磁辐射能 （可转化为热能或电能）。

许多自然过程都产生一定的能量，甚至普通的垃圾也可 以产生能量，但转化的数量和转化的难易程度则差异极 大。
1.5 我国的能源问题
（1）人均能源不足。我国人均能源占有量不到世界平均水平的 一半，人均煤炭储量只相当于世界平均值的1/2，人均石油可采 储量为世界平均值的1/10。人均用电量不足世界人均水平的一 半。能源消耗总量仅低于美国，排世界第二位。 （2）能源分布不均。煤炭、石油和天然气主要集中在东北、华 北和西北，水电集中在西南，然而经济发达、人口集中的东南 沿海能源却严重缺乏。因此，“北煤南运”、“西电东送”的 不合理 格局将长期存在。 （3）能源构成不合理。一次能源构成中，煤炭占70%以上，而 国际上煤炭平均仅占23%。大量燃煤造成严重的空气污染。中国 目前温室气体排放量占全世界总排放量的10％以上，是仅次于 美国的第二大温室气体排放国。 （4）能源效率低。人均能耗水平仍很低，不到1吨标准煤，为 世界平均值的1/2，而单位产值能耗确是世界上最高的国家之 一，据统计，中国每生产一美元GDP，消耗能源是美国的4倍、 德国和法国的7倍、日本的 11倍。


(2) 按照不同的资源形态，能源可分为:
含能体能源：能量存在于物质中，易于储存。包括化石燃 料（煤、石油、天然气）、草木秸秆、核燃料、地热水或 汽、氢能等。 过程性能源：能量存在于运动过程中，无法直接储存。包 括太阳辐射、风、河流、海流、潮汐、波浪、地震、闪电 等。



(3) 按照开发和使用程度，能源可分为:

常规能源：使用较普遍、技术较成熟的能源。如煤、石油、 水力等。 新能源：正在研发利用、但尚未普遍使用的能源。如太阳 能、风能、海洋能等。 *核能曾属于新能源，但随着其广泛的开发程度，已归纳 为常规能源。

（4）按照能否反复使用，能源可分为:

不可再生能源，即只能一次性使用，用完后不可再生的能 源。包括所有化石能和核能。据估计，地球上的石油最多 还可使用40年，天然气还可使用60年，煤还可使用20年。 可再生能源，即可以反复使用，不断再生，不会耗尽的能 源。它包括太阳直接辐射能（以后即称太阳能）、水力能、 风能、海浪能、地热能等。
*因此能源又可定义为较集中而又较容易转化的含能物 质或含能资源。
按照来源的不同，能源可分为:来自太阳的辐射 能、地球内部固有的能、地球与其它天体相互作 用产生的能共三大类。

第一类能源(直接或间接来自太阳辐射) 太阳能、风能、水力能、海浪能、海流能、海水温差能、生物 质能煤、石油、天然气、油页岩、可燃冰 第二类能源(地球内部带来的能量) 地热能、火山、地震、海啸核燃料（铀、钍、钚、氘等） 第三类能源(地球—天体相互作用能) 潮汐能
表1-5 2004年我国能源剩余储量和探明可开采年限（中国能源网）
资源种类
天然气 水力 煤炭（亿吨） 石油（亿吨） （亿立方米） （GW装机）
探明可开采 1,145 量 可开采年限 54~81 2050~2077 年
32,736
15~20
11,704
28~58
353
38~104
可开采到
2011~2016年
4. 可再生能源时期——从21世纪中叶开始，多种能源 的联合利用
进入21世纪，人类将逐渐步入可再生能源时代



传统的化石能源面临枯竭，且具有环境污染，石油、煤、天 然气等化石能源将逐渐推出历史舞台 水力能以及太阳能、风能、海洋能、生物质能等可再生能源 逐渐走上历史舞台，发挥主导作用。 按照目前的发展趋势预测，到21世纪中叶，能源利用很可能 是包括水力能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源以及 核能（核裂变和核聚变）的多种能源联合利用的体系。
表1-2. 一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分 类表
可再生能源 一次 能源 不可再生能源
直接太阳辐射、生物质、风、流水、海浪、 潮汐、海流、海水温差、地热水、地热蒸 汽、热岩层 化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩、 可燃冰）、核燃料（铀、钍、钚、氘等）