1、新能源材料,,新能源材料概论,教学要求,1.1 能源与化学概论,1.1 能源概述1 能源的分类2 世界能源结构与消费3 中国能源现状及趋势4 能源开发利用限制并有计划的开采石油和天然气 发展原子能 加速开发利用新能源 节流,一、 能源定义可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的载能体资源。,能源定义目前约有20种。例如：科学技术百科全书说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；大英百科全书说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；日本大百科全书说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作
2、功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的能源百科全书说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。,新能源,化石能源,太阳能,电能,生物质能,1.1 能源与化学概论,,Company Logo,二、能源利用与社会发展,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服然的历史。(1)火的发现和利用；(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；(3)化石燃料的开发和热的利用；(4)电的发现及开发利用；(5)原子核能的发现及开发利用；(6)新能源的开发与利用。,人类社会已经历了三个能源时期
3、：薪柴时期：主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的 时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。煤炭时期：以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很大。石油时期：开始了能源利用的新时期。近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。,,Company Logo,三 地球能量的来源和分类,能源的来源： 来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。地球本身蕴藏的能量
4、如原子核能、地热能等。地球和其他天体相互作用而产生的能量如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。,,Company Logo,能源分类,1 一次能源和二次能源（按获得的方式） 一次能源：是自然界直接提供的能源. 二次能源：由自然界提供的能源转化而来的能源. 2 再生能源和不可再生能源（按是否再生） 可再生能源：对于一次能源，如太阳能、风能等可从自然界源源不断的得到的能源。 不可再生能源：如煤、石油天然气以及核燃料等一旦消耗很难再生的能源。 3 清洁能源和非清洁能源（按对环境污染） 清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如：太阳能、水能、风能 非清洁能源：对环境污染较大的能源。如：煤
5、、石油、天然气等化石能源 4 常规能源和新能源（按利用程度） 常规能源：化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源. 新能源：核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源,,Company Logo,能源分类,形成条件,利用技术,四 化石能源：煤、石油和天然气概述,1. 煤的种类及主要成分,煤的化学组成,C：主要可燃成分，C (s) + O2 (g) = CO2 (g) rHm(298.15k)= -393.5 kjmol-1 H：主要可燃元素 有效氢与C S P结合，可燃烧化合氢与O 结合，不能燃烧 O , S, N等：有害成分。,2. 煤的有效洁净利用洁净煤技术 （Clean Coa
6、l Technology 简称 CCT）,中国洁净煤技术主要技术领域：煤炭利用前净化技术煤炭洁净燃烧煤炭的转化技术污染控制与废气、废物管理,（1） 煤的气化,1) C + O2 = CO2 6) CO + H2O = CO2 + H22) C + 1/2 O2 = CO 7) C + 2H2 = CH43) C + CO2 = 2CO 8) CO + 3H2 = CH4+ H2O4) C + H2O = CO + H2 9) CO + 2H2 = CH45) C + 2H2O = CO2 + 2H2 10) CO2 + 4H2 = CH4+ 2H2O,（2）煤的液化,煤与石油的区别： 煤： H
7、 : C = 0.40.8石油： H : C = 1.51.8 煤分子量石油分子量10倍,直接液化法 间接液化法,煤间接液化工厂,3. 石油和天然气,石油的主要组成元素为 C H O N S8387% 1014% 0.0525% 0.020.25% 0.058,和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主。煤中的碳氢化合物以芳烃为主。,各种石油产品：,,Company Logo,现代能源主要出自化石能源(80%)，一直到本世纪中，化石能源仍占主导地位，因此提高燃烧效率，减少污染仍为最主要课题。,五 世界能源形势：能源结构、分布与消费,Fossil-fuel res
8、ources: Proved world oil reserves,,Company Logo,石油,表1 世界石油资源探明可采量分布,,Company Logo,Oil reserves-to-production (R/P) ratios （储采比）,,Company Logo,Major oil trade movements,马六甲海峡,霍尔木兹海峡 （石油海峡）,,Company Logo,Fossil-fuel resources: Proved world natural gas reserves,,Company Logo,天然气,表2 世界天然气资源探明可采量分布,,Comp
9、any Logo,Natural gas reserves-to-production (R/P) ratios,,Company Logo,天然气主要贸易流向,,Company Logo,煤,表3 2004 年世界煤炭资源探明可采量分布,世界矿物能源面临枯竭！,,Company Logo,表4 2004年世界主要国家能源消费结构,能源消费,,Company Logo,全世界化石燃料的消耗情况,化石燃料使用量 （换算为石油，2001年预测）煤 221，200万吨/年 （70.1吨/秒） 石油 351，100万吨/年 （111.3吨/秒） 天然气 223，300万吨/年 （ 70.8吨/秒） 现
10、代的生活是以迅速地消耗这些宝贵的资源支撑着。如果继续以现在的速度使用石油，那么在短短的42年之后，现已探明的石油将被消耗殆尽。,,Company Logo,六 我国能源的利用和发展,我国能源的利用特点,2007年电能消费,中国的能源现状和构成（2002）, 标准煤1kg发热量为29260kj的煤 例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则1kg这种原煤相当于标准煤：20920/29260 = 0.7150kg,,Company Logo,人均消费量,,Company Logo,我国能源的利用特点,能源资源相对短缺煤炭可采量约1160 亿吨, 人均可采量89.8 吨, 为世界1/2, 石油剩余
11、可采储量23.8亿吨, 人均2.6吨, 为世界的1/9, 天然气剩余储量1.23万亿m3,人均1074m3, 为世界1/23, 水电可开发容量3.79 亿千瓦,人均0.29千瓦。石油资源不足 2006 年石油生产1. 84 亿吨, 消费3. 2亿吨, 进口已达1.36 亿吨, 对外依存度43 %。能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。,,Company Logo,我国能源工业面临的问题与改善措施,面临为题：环境污染严重； 人均能耗水平低； 能源建设周期长，耗能多； 新能源占的比例少； 能源工业装备落后。,1、努力改善能源结
12、构； 2、提高能源利用率； 3、加速实施洁净煤技术； 4、合理利用石油和天然气； 5、加快电力发展速度； 6、积极开发利用新能源； 7、建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面； 8、改善城市民用能源结构，提高居民生活质量； 9、重视能源的环境保护。,,Company Logo,新能源,节约能源！保护环境！ 开发新能源！,太阳能、氢能、二次电池、核能、生物质能。 电能、风能、朝夕能、地热能等等。,,Company Logo,1.2 新能源种类,太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。太阳能可分为光伏能和太阳炉，光
13、电转换效率不高！,太阳能热水器,太阳能汽车,,Company Logo,太阳能,太阳能电池,光利用、电利用、热利用和化学利用,世界将太阳能作为一种能源和动力加以利用，已经有300多年的历史。1615年法国工程师所罗门.德.考克斯发明了第一台利用太阳能加热空气使膨胀做功而抽水的机器.,几种成熟和正开发的光伏转换材料,最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%,,Company Logo,氢能和燃料电池,BMW公司于1996年在德国斯图加特的世界氢能源会议上展示了计算机控制的新式氢能源汽车，被称之为“汽车发展史上的一个里程碑”。 BMW745H上采用了4.4LV8氢/汽油双
14、燃料发动机，输出功率达135kw，最高时速215km/h最大续航里程达到300km。,资源无穷无尽不存在枯竭问题； 氢的热值高； 燃烧产物 零排放，无污染 ，可循环利用 氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电； 氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物。,,Company Logo,氢能与氢能经济,氢能社会构想,氢能,氢源：电解水，热化工转化细菌分解水等 储氢与氢的运输,不同储氢材料能量密度与汽油的对比,博能燃料电池 功率: 200W 重量: 9kg (19.84 lbs),亚太燃料电池 功率: 3,000W 重量: 10kg (22lbs),燃料电池,燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应
15、。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。,燃料电池,,Company Logo,燃料电池汽车,本田新型燃料电池车FCX Clarity投产,燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。,,Company Logo,核能,秦山核电站全景,反应堆 控制棒,反应堆换料,安全方面的担心,核废料处理,
16、核动力发电：一种清洁能源,核能,核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。,1、无CO2排放 2、安全性正在提高 3、资源丰富全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富。 4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50100年后实现，目前已组织国际合作。,,Company Logo,据德国汽车与体育杂志报道，新一代奔驰CLKSmart 电动双座微型车
17、明年将使用锂离子电池。目前的车型使用钠镍氯化物电池。,二次电池,,Company Logo,锂离子电动车,整车重量75kg，电机功率180W，锂离子电池36V-8Ah，最高时速25km/h，行程=50km,混合动力公交车,包括太阳能在内，水电、风能和生物质能等可以并称为可再生能源。,可再生能源,世界和中国可再生能源资源状况,世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势,世界电能分布,光伏电能,风能,生物质能,中国生物质能有更大的发展前景,1、中国秸秆7亿吨/每年 2、高产作物，如玉米、薯类、速生林等 3、乡镇大力发展沼气 4、沙漠地区的改造：蒙脱土生根剂(保水植木),若尔盖(长征水草地)采用
18、治沙技术的效果,,Company Logo,1.3 能源与材料,能源材料：实现能源的转化和利用，以及发展能源技术所涉及的关键材料。与能源开发、运输、转换和利用等相关的材料都属于能源材料。一、材料对能源的影响1 材料产生新能源 2 材料提高储能和能源的转换效率 3 新材料决定能源技术的利用和安全性 4 材料的组成、结构、制作和加工工艺决定新能源的投资和运营成本。 5 清洁材料是清洁能源与能源技术的基础。,,Company Logo,不同的 电池材料,,Company Logo,二 能源材料的种类,1 按材料种类和使用用途来分：燃料（包括常规燃料、核燃料、合成燃料、炸药及推进剂等）；能源结构材料；
19、能源功能材料。2按使用目的分能源工业材料；新能源材料；节能材料；储能材料等。能源材料的分类在国际上尚未见有明确的规定，为叙述方便也经常使用混合的分类方法。,,Company Logo,能源材料的种类,表8 部分能源材料的种类,其他还有生物质能材料、风能、热能、磁流体、超导等等。,,Company Logo,锂离子电池正极材料,,Company Logo,三、能源材料的任务和课题,1 资源的合理利用，化石能源节能减排技术。2 研究新材料、新结构等以提高能源的利用效率 。3 开发清洁能源材料。4 开发新能源技术涉及的关键材料。5 能源材料的生产制作和加工工艺。,1.4 能源材料与环境,能源与环境污
20、染 能源材料与环境材料 清洁能源材料,一、能源与环境：恶化的生态环境,温室效应大量CO2：如燃料释放200亿吨/年，总量可达 290亿吨/年。带来的后果： 气候异常，如干旱、洪水、风暴、沙暴； 作为食物和氧气源的浮游生物大幅度减少； 大气臭氧层破坏臭氧洞达700万km2南极臭氧保护层破坏了60%，北极臭氧保护层也减薄了至少30%NOX、SOX等有害气体酸雨 带来的后果：农业问题,森林破坏,建筑物,桥梁,铁路腐蚀各类固体废弃物数量巨大其中仅生活垃圾一项，全球就达100亿吨/年 水污染越来越严重（河，湖，海，地下水）,1秒钟世界的变化,格林兰冰川的融化： 1.6 吨/秒 淡水的使用 ： 103 m
21、3/秒 天然林消失： 5,100 m2/秒 可耕地减少国 ： 2,300 m2/秒 沙漠扩大 ： 1900 m2/秒其中仅我国就达78 m2/秒 我国天然草原减少 ： 5 13 m2/秒,该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。,From “Interdisciplinary Science Reviews”, Vol26, No4, 2001,P254,几种温室气体,由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5C(冰河期与目前温差56C)，人居环境灾难频发，陆地缩小。,解决办法：,二、解决环境问题的必要性和紧迫性,据测算，到2050年，部分国家因环境恶化不得不移民的人数是
22、惊人的！, 环境难民,(Bo.R.DooS,Global Envirnmental Change,1997,7(1):41), 人类生存面临危机,解决地球环境问题的途径,即实现资源、环境与材料的可持续发展,国外环境材料示例,名称：非导向的电钢片 材料：钢 公司：Nippon Steel 说明： 具有重量轻、高感应的特点 用于高频发动机中； 该钢片的采用能提高发动机效率0.5% 。 约节省能量4亿千瓦/年。,Website:http:/www.nsc.co.jp,国外生态环境材料示例,名称：Folium-光催化剂涂层 材料：无机物质 公司： Kawasaki Heavy Industries,L
23、td(JAPAN) 说明： Folium是一种二氧化钛光催化剂涂层，主要用于建筑物及交通系统中； 能够防止污染；分解臭味与细菌；分解有毒物质（甲醛，NOx，SOx） 在紫外光的照射下，大约20分钟内甲醛的浓度可下降到接近零的程度。,Website:http:/www.khi.co.jp,用植物纤维或淀粉制作的餐具,The products of Companies in Jiangxi Province, Hunan Province ,Fujian Province, and Beijing City,,Company Logo,三、 能源材料与环境污染,1 能源材料利用造成环境污染矿物燃料燃烧是环境污染重要来源能源利用的废弃物。 2 能源材料与环境污染控制环境污染控制材料：环境净化材料、环境修复材料、环境替代材料。 3 清洁能源材料的再生和循环清洁能源材料与技术：环保材料、清洁能源利用 材料。,
