化学与新能源

化学与新能源
能源工业在很大程度上依赖于化学过程，能源消费的90％以上依靠化学技术。

怎样控制低品位燃料的化学反应，使我们既能保护环境又能使能源的成本合理是化学面临的一大难题。

化石能源的转化及综合利用至关重要。

可再生新能源的开发离不开以化学为核心的技术的发展。

什么是新能源?
1 新能源，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和其他可再生能源。

合理的开发利用新能源，可以改善和优化能源结构，保护环境，提高人民生活质量，促进国民经济和社会可持续发展。

新能源开发利用主要包括新能源技术和产品的科研、实验、推广、应用及其生产、经营活动。

新能源的开发利用，应当与经济发展相结合，遵循因地制宜、多能互补、综合利用、讲求效益和开发与节约并举的原则，宣传群众，典型示范，效益引导，实现能源效益、环境效益、经济效益和社会效益的统一。

2 随着科学技术和社会生产力的不断发展，能源的问题显得越来越重要。

目前，全世界的能源仍以煤、石油和天然气等化石燃料为主。

这些化石燃料储量有限，同时它们又是极其宝贵的化工原料，可以从中提炼和加工出各种化学纤维、塑料、橡胶和化肥等化工产品。

将这样重要的化工原料作为能源来使用实在可惜。

随着社会生产力的发展和人类生活水平的提高，世界能源的消耗量愈来愈大。

据估计，全世界石油、天然气和煤的储量最多只能供给人类使用一、二百年。

因此，摆在人类面前的一项紧迫的战略任务就是探索新能源。

目前研究开发的新能源主要有以下几种：
1．地热能与潮汐能
可利用的地热资源是地下热水、地热蒸气和热岩层。

地下热水层一般在地下两千多米深处，温度80℃左右。

将地下热水降低压力使之变成蒸气(在47.34 kPa 时水80℃沸腾)，可推动汽轮发电机发电。

潮汐能利用的是海水涨落造成的水位差。

此种能量可以作为动力来推动水轮机发电。

地球上潮汐涨落中蕴藏的能量是巨大的，但建造大规模的潮汐电站技术上有很多困难，成本也较高。

2．太阳能
太阳每年辐射到地球表面的能量约为5×10^22J，相当于目前世界能量消耗的1.3万倍，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的无污染的理想能源。

因此，太阳能的收集利用是当代科学家十分感兴趣的问题。

目前太阳能利用主要有三种形式。

一种是直接利用太阳辐射热，建成太阳灶、太阳能热水器，太阳房(用于采暖)和塑料大棚等，或利用太阳能来发电。

太阳能电站是利用集热器吸收太阳辐射的热量，其蓄热材料(液态金属)温度可高达1000℃左右。

所吸收的热量通过热交换器将水变成水蒸气推动汽轮机发电。

这种转换方式称之为光-热转换。

第二种是光-电转换，即利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能。

太阳能电池种类较多，主要有单晶硅电池、砷化镓电池、磷化铟电池和多晶硅电池等。

目前太阳能电池效率还比较低，成本也比较高。

它主要用于人造卫星等宇宙飞行器作为各种仪器设备的动力。

第三种是光-化学转换，即将太阳辐射直接转换成化学能。

绿色植物的光合作用就是光-化学转换，但它还不能完全受人控制。

因此，研究各种完全可控的光-化学转换方法也是当今世界重大的研究课题之一。

近年来发现，太阳能辐射到某一光化学反应体系后，能形成动力学上稳定的光产物，使光能转化为化学能而储存起来。

另外，在催化剂存在时，由太阳光直接分解水而制得氢和氧的方法也是太阳能利用较有发展前途的一条途径。

发展氢能具有独特的优越性。

首先，氢的原料是水，资源丰富。

另外氢燃烧后的热值较高，1g 氢燃烧后可放出143 kJ的热量，而1g煤燃烧只有31～32kJ，1g汽油燃烧也只有48kJ。

还有氢燃烧生成水，它来源于水又还原于水，是顺应自然的一种循环，不会打乱自然界的平衡。

又因燃烧产物无烟尘以及其它污染物，所以氢能又是无污染的清洁能源。

虽然，地球接受太阳的总能量很大，但是由于其能量密度很低，取得单位能量的一次投资大，能量转换效率有待提高。

3．核能
原子核裂变和聚变时都放出巨大的能量。

原子核能是一种比较理想的能源。

(1) 核裂变能
裂变是较重的原子核在足够能量的中子轰击下分裂成较轻原子核的过程。

当235U原子核发生裂变时，分裂成两个不相等的碎片和若干个中子。

裂变过程相
当复杂，已经发现裂变产物有35种元素，放射性核素有200种以上。

下面是235U 裂变中的一种方式：
未来的几种新能源
波能：即海洋波浪能。

这是一种取之不尽，用之不竭的无污染可再生能源。

据推测，地球上海洋波浪蕴藏的电能高达9×104TW。

近年来，在各国的新能源开发计划中，波能的利用已占有一席之地。

尽管波能发电成本较高，需要进一步完善，但目前的进展已表明了这种新能源潜在的商业价值。

日本的一座海洋波能发电厂已运行8年，电厂的发电成本虽高于其它发电方式，但对于边远岛屿来说，可节省电力传输等投资费用。

目前，美、英、印度等国家已建成几十座波能发电站，且均运行良好。

可燃冰：这是一种与水结合在一起的固体化合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰”。

可燃冰在低温高压下呈稳定状态，冰融化所释放的可燃气体相当于原来固体化合物体积的100倍。

据测算，可燃冰的蕴藏量比地球上的煤、石油和天然气的总和还多。

煤层气：煤在形成过程中由于温度及压力增加，在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。

从泥炭到褐煤，每吨煤产生68m3气；从泥炭到肥煤，每吨煤产生130m3气；从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3气。

科学家估计，地球上煤层气可达2000Tm3。

微生物：世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物发酵，可制成酒精，酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”，而且制作酒精的原料丰富，成本低廉。

据报道，巴西已改装“乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆，减轻了大气污染。

此外，利用微生物可制取氢气，以开辟能源的新途径。