电化学技术在新能源中的利用

本文由ｈｅｓｈｕｑｕａｎ＿０贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 电化学技术在新能源 研发中的应用 陆天虹 中国科学院长春应用化学研究所 南京师范大学化学与环境科学学院 一．能源的概况 １．能源的重要性 １．能源的重要性 自古以来，人类就为改善生存条件和促进 社会经济的发展而不停地进行奋斗．在 这 一过程中，能源一直扮演着重要的角色． 从世界经济发展的历史和现状来看，能源 问题已成为社会经济发展中一个具有战略 意义的问题，能源的消耗水平已成为衡量 一 个国家国民经济发展和人民生活水平的 重要标志，能源问题对社会经济发展起着 决定 性的作用． ２．能源的种类 ２．能源的种类 大自然赋予人类的能源是多种多样 的，一般可分为常规能源和新能源 两大类．常 规能源包括煤炭，石油， 天然气和水能，而新能源有生物质 能，核能，风能，地热能，海洋 能， 太阳能和氢能等．其中煤炭，石油， 天然气被成为化石能源，水能，生 物质能，风能 ，太阳能和氢能等是 可再生能源． ３．化石能源的问题 （１）化石能源的短缺 化石能源的短缺 能源是人类赖以生存和社会发展的重要 物 质基础，是国民经济发展的命脉，但 目前主要使用的化石能源的储量不多． 据２００２年世 界探明的化石能源的储量和 使用量统计，世界上煤，石油和天然气 的储采比分别为２０ ４，４０和６０年，中国的 情况更为严峻，据２００２年统计，中国煤， 石油和天然气的储采比只 有８２，１５和４６ 年．这表明在人类历史的长河中，只有 很短的一段时间能使用化石能源．
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我国，太阳能热水器的年产值已达 ６０多亿元，居世界首位． ３．太阳能利用的问题 太阳能利用的问题 开发太阳能利用的主要问题是如何 提 高太阳能的转换效率，其次是降 低成本，这对我国特别重要，目前 我国生产太阳能电池 的能力已达几 百兆瓦，但由于价格高，基本上都 销往国外．第三，一些技术，如光 催化 和光电催化制氢技术还没成熟， 没有达到实用化的阶段，应该抓紧 这方面的研究和发 展． 四．氢能的利用 １．氢能的优点 氢能的优点 （１）氢是自然界储量最丰富的元素． （２）氢是除核燃料 外发热量最大的燃料． （３）氢燃烧生成水，是世界上最清洁的燃料． （４）燃烧性能好，可 燃范围大，燃烧速度快． （５）氢可用多种方法大规模生产． （６）氢的利用形式多，可通过 燃烧发电，通 过燃料电池发电等． ２．对氢能利用的重视 ２００２年加拿大举办了以＂氢行星＂为主题 的第１４届世界氢能 源大会． ２００３年在华盛顿召开１５个国家和地区参加 的＂国际氢能经济合作伙伴＂会议． 冰岛计划用４０年时间将冰岛建成＂氢社 会＂． 布什将投资１２０亿美元来促进氢能源的发 展． 过去５年，工业化国家在氢能开发领域的投 入年均递增２０．５％． 氢将取代天然气，油 和煤而成为未来世界 的主要能源，进入氢能时代已成为近年来 的热门话题，２１世纪将 是氢能世纪． 布什举着使用氢燃料的照相机 我国对发展氢能经济也开始重视，参加 了２００３年在华盛顿召开的有１５国家参加 的＂国际氢能经济合作伙伴＂会议． ２００４和２００５举办了两次关于氢能经济的 中美双边会 议．今年一月，中国科学院 院士局召开了关于＂石油替代能源＂的 研讨会，主要讨论石油 资源可持续性分 析，石油的替代能源，氢能燃料和我国 的石油替代能源．并要组织人员 进行软 课题研究． ３．氢能的问题 ３．氢能的问题 （１）氢的价格 氢的制备，储存和运输中的价格 问题 ，是影响走进氢能时代的很关 键的问题．要降低其价格，必须形 成氢的制备，储存和运 输的网络． （２）廉价清洁的制氢技术问题 （２）廉价清洁的制氢技术问题 目前制氢效率很低， 氢的制取要消耗大量 的能量，因此寻求大规模的廉价清洁的 制氢技术是各国科学家共 同关心的问题． （ａ） 化石燃料制氢：目前，９６％氢从化石 燃料制备，技术成熟，但要造成 环境污 染． （ｂ）电解水制氢：技术成熟，但耗能多， 价格高．一般每生产１立方米的氢气 ，需 要消耗４．２－６度的电能，其能量转化率不 到３２％． （ｃ）生物质制氢：有可再生，产量大，可 储存，碳循环等优点，从中长期看是最 有前 途的制氢方式．目前生物质制氢效 率低． （ｄ）生物制氢：国内外在选育高效产氢菌 株工 作进展不快，制氢效率低． （ｅ）风能制氢：用风能发电来电解水产生 氢，技术上没有问题 ，降低成本和风能 发电量少是主要的问题． （ｆ）太阳能制氢：该法还处在基础研究阶 段 ，离商业化还有较远的距离． （３）氢的储运问题 （３）氢的储运问题 氢的储运技术主要解决储运的安全性和 成 本，现在由于储运技术不过关，因此 浪费了许多氢．许多工业过程，如炼油， 炼焦，氯碱 ，合成氨，合成甲醇及煤气 制造等多有大量的副产品氢气，只是由 于储运技术的问题而 不能被利用．我国 每年放空和烧掉的氢气至少在１０１０标立方 米以上．因此解决氢的储 运问题也是走 进氢能时代的一个很关键的问题．目前 氢的储运还有很大问题． （ａ）高压储氢：储氢量少，只有１％左右， 还有不安全的问题． （ｂ） 液氢储氢：很不方 便，储氢设备大， 蒸发损失大． （ｃ）吸附储氢：这是目前的研究热点，但 储氢容量还较低 ，一般不超过２％．镁合 金储氢在３％，但储放不可逆．热门一时 的纳米碳管储氢也已没有 了希望，最终 的储氢量也只有１％左右． （ｅ）化合物储氢：放氢不容易． （４）燃料电池还没有商品化 用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢 能利用的重 要原因．近年来，由于化石 燃料资源短缺和环境污染日趋严重，各 国对燃料电池的研究 十分重视．美国 《时代周刊》把燃料电池列为２１世纪十 大高新科技之首，燃料电池已 被认为是２１世纪极具应用前景的一种新型能源系 统．虽然燃料电池有很诱人的优点，而 且燃料电池的发展已有１００多年的历史， 但至今还没有一种燃料电池已经真正商 品化 ，因此，燃料电池何时才能商品化 是一个与氢能利用密切相关的问题． ４．反对氢能的意见 ４．反对氢能的意见 （ａ）氢以化合物形式存在，制氢要消耗能源
随着我国经济的持续高速增长，对能源 的需求也持续攀升．我国一次能源消费 总 量从１９７８年的５．３亿吨标准煤，上升 到２００２年的１４．３亿吨．据估计，我国在 ２００４，２０２０和 ２０５０年的石油消费量达３， ４．５和６亿吨，其中进口量分别为１，２．７ 和４亿吨．４亿吨的进口 量相当于目前美 国的石油进口量，这不但会制约我国经 济的可持续发展，而且对国家 的安全也 十分不利． （２）化石燃料造成严重环境污染和气候异常 化石燃料造成严重环境污染和气候异 常 化石燃料的使用引起的环境污染，排放的 ＣＯ２会造成温室效应，使全球气候变暖．有 关机构已向联合国发出警告，如再不对ＣＯ２ 的排放采取严厉措施，在１０年内，世界的 气 候将产生不可逆转的变化．我国的环境 污染问题更是日趋严重，目前，我国ＣＯ２排 放量 占世界总排放量的１４％，在美国之后 位居第二，估计到２０２５年，将位居第一． 在本世纪初 联合国关于环境污染的调查中， 发现在世界上十个环境污染最严重的城市 中，七个在 中国．它们是太原，北京，乌 鲁木齐，兰州，重庆，济南和石家庄． ４． ２１世纪世界能源发展趋势 世纪世界能源发展趋势 （１）节能技术将备受重视 节能技术将备受重视 节能就是提高能源利用率，减少能 源的浪费． 目前节能技术水平已是一个国家能源利用 情况的综合性指标，也是一个国 家总体科 学技术水平的重要标志．许多研究报告指 出，依靠节能可以将能源需求量降 低２５３０％． 我国在能源利用方面的效率很低，我国的 能耗很高，是世界平均水平的２倍， 发达国 家的５－１０倍，因此更应重视节能技术，我国 应该充分重视化石能源的高效利用 ． （２）世界能源系统将发生重大变革 世界能源系统将发生重大变革 据预测，２０世纪 形成的以化石燃料为主 的世界能源系统将在２１世纪转换成以可 再生能源为主的新的 世界能源系统．在 ２０世纪末，化石燃料的使用量占了世界 一次能源用量的８９．５％．据世 界能源委员 会（ＷＥＣ）和国际应用分析系统研究所的 研究报告认为，在２０世纪上半叶，化 石 燃料仍将是世界一次能源的主体，但到 ２１世纪下半叶，太阳能，生物质能，风 能等新 能源将占世界能源的５０％左右． （３）煤炭将作为过渡能源而受到重视 煤炭将作为过渡能源而受到重视 由于石油 和天然气的储量较少，而煤炭储量 相对较多，因此煤炭将作为一种过渡能源 而在２１世 纪上半叶受到重视．主要发展的 技术是洁净煤技术，煤液化和汽化技术． （４）新化石能
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源的开发将得到强化 新化石能源的开发将得到强化 近年来发现，在海洋３００米深处有 甲烷水合 物存在．目前，甲烷水合物的开发已经受 到特别的关注．据估计，世界甲烷水 合物 的储量可能超过石油，天然气和煤炭储量 的总和．因此，甲烷水合物作为储量巨大 的未开发能源开始受到世界各国的高度重 视． （５）核能的利用将进一步得到重视 核能的利用将进一步得到重视 据国际原子能机构统计，在２０世纪末，全世界 运行的核电站有４３６座，总发电量为 ３．５亿千瓦． 这些电站主要分布在美，法，日，英，俄等３１ 个国家，近年来，由于担心核电 站运转的安全 性，核废料对环境的影响和核技术扩散对世界 安全性的影响，核能的发 展在发达国家已有下 降趋势，但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势， 我国准备在今后几 年内建造４座核电站． 受控核聚变是一直受人们关心的技术，因为在 海水中大约有２３． ４亿万吨氘，如受控核聚变技术 在２１世纪能得到应用，在２１世纪末，核能可望 占世界一 次能源的３０％左右． （６）可再生能源的开发将越来越受到重视 可再生能源的开发将越来越受到重视 鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使 用引起严重的环境污染和气候异常， 人们对新能 源的开发越来越重视．其 中水力能，地热能，海洋能和风能的 可利用资源有限，因此，太 阳能，生 物质能和氢能的利用将倍受关注． 二．生物质能的利用 １．生物质能的优点 ． （１）生物质来源丰富 地球上每年生长的生物质总量约１４００ １８００亿吨，相当于目前世界总能耗的１０ 倍，我国的生物质能也极为丰富，可作 为能源开 发的生物质能总量可达４．５亿吨 标准煤．加上生物质能可再生．因此， 生物质能的高效 ，规模化利用可有效缓 解世界能源供需矛盾． （２）生物质能可多途径利用 （ａ）直接燃烧．其热能和蒸汽可发电，技术 成熟，但效 率低． （ｂ）生物转化．包括制沼气和水解发酵制取 醇类．生物质制甲醇和乙醇技术基本 成熟， 但生产成本较高．生物质制沼气技术相当 成熟．２００２年全国已建１３００多万个沼气 池． （ｃ）光热转化．通过气化，裂解，光催化等 技术，获得气，液体燃料来发电． （ｄ）生物 柴油．从油料植物提取植物油，经 甲酯化得生物柴油．它有含氧高，含硫低， 分解性能好 ，燃烧效率高等优点． （３）生物质能利用的环境污染少 由于生物质利用过程中释放的ＣＯ２是 其生长过程 通过光合作用从环境吸收 的，所以生物质能的利用过程不排放 额外的ＣＯ２，而对环境污 染少． 生物质能的利用还能降低污来自百度文库．如可 利用生物质热解汽化技术处理生活垃 圾等 ，可得到以甲烷为主的燃气，实 现垃圾的减量化，无害化，资源化． ２．生物质能利用的问题 ２．生物质能利用的问题 生物质能利用的缺点主要是生物 质分布 广，大面积收集成本高，经济的收集半 径在５０公里以内，只适合建立小型，分 散 的生物质能利用系统．而小型转换系 统的效率低，不提高生物质能的利用效 率就不能 获得好的经济效益，这是生物 质能至今未能实现规模化应用的关键问 题之一．因此，如 何在小型，分散体系 实现能量的高效，清洁及规模化利用是 迫切需要解决的问题． 三．太阳能的利用 １．太阳能的优点 太阳能的优点 （１）太阳能来源丰富 太阳能来源丰富 太阳能来 源丰富是众所周知的，这似乎是 一种用之不绝，取之不尽的能源．太阳内 部不停地进行 热核反应，释放出巨大的能 量，辐射到地球上的能量只占起辐射总能 量的极小部分，约 １／２２亿，但地球每年接 收的太阳能至少有６×１０１７千瓦小时，相当 于７４万吨标准煤的能 量．其中被植物吸收 的仅占０．０１５％．可见，开发太阳能利用的 潜力很大． （２）太阳能的使用没有污染问题 太阳能的使用没有污染问题 这也是众所周知的 ，太阳能的使用 基本上没有污染问题． （３）太阳能可多途径利用 太阳能可多途径利用 （ａ）太阳能的热利用．如太阳能热水器， 太阳灶，太阳能蓄热池发电等． （ｂ）太阳能发电 ．如太阳能电池和光电 池． （ｃ）光催化和光电催化制氢．主要用这 两种技术从水或生物 质中制得氢气． ２．太阳能利用的概况 太阳能利用的概况 近年来，太阳能的利用发展很快，据１９９ ７ 年的数据，全球太阳能发电量已达８００兆瓦． 到２０００年，日本已有７万个住宅用上太阳 能 电池，美国和欧盟计划在２０１０年前安装１００ 万套太阳能电池．特别是把太阳能电池与 屋顶瓦结合成光电发电系统，目前欧洲已 有３００套，年发电量为１亿千瓦．这种系统 不 但可供应清洁能源，而且美观耐用，寿 命可达２５年． 太阳能的热利用发展更快． 特别在