化学和能源省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

化学与能源化学与能源第第1页页汉书汉书：“王者以民为天，而民以食为天。王者以民为天，而民以食为天。”家用能量除电饭锅、电磁炉等电器外，大部家用能量除电饭锅、电磁炉等电器外，大部分来自于火，火是饮食烹饪之根本，有了火分来自于火，火是饮食烹饪之根本，有了火才有了饮食文化。才有了饮食文化。能源：提供能量自然资源。能源：提供能量自然资源。第第2页页能源与社会发展能源与社会发展当代社会动力起源，主要来自于矿物燃料燃烧，都是以当代社会动力起源，主要来自于矿物燃料燃烧，都是以固体、液体和气体燃料燃烧产生热能为动力固体、液体和气体燃料燃烧产生热能为动力能源是人类社会存在和发展基础能源是人类社会存在和发展基础能源消费环境压力与日俱增能源消费环境压力与日俱增第第3页页能源分类及组成1.能源分类能源分类能源包含化石能源、水能、核能、风能、太阳能、生能源包含化石能源、水能、核能、风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、潮汐能等。能够分为一次能源物质能、地热能、海洋能、潮汐能等。能够分为一次能源和二次能源、常规能源和新能源、再生能源和非再生能源。和二次能源、常规能源和新能源、再生能源和非再生能源。第第4页页3.再生能源和非再生能源再生能源和非再生能源在在一一次次能能源源中中，不不会会随随人人们们使使用用而而降降低低能能源源称称为为再生能源。再生能源。4.常规能源和新能源常规能源和新能源常常规规能能源源是是当当前前广广泛泛使使用用且且量量大大能能源源，新新能能源源是是指在新技术基础上加以开发能够利用能源。指在新技术基础上加以开发能够利用能源。2.一次能源和二次能源一次能源和二次能源一次能源是从自然界取得未经加工能源，二次能源一次能源是从自然界取得未经加工能源，二次能源是一次能源经加工和转化后得到能源。是一次能源经加工和转化后得到能源。第第5页页在在相相当当长长时时间间内内，以以燃燃烧烧矿矿物物燃燃料料提提供供能能源源占占主主导导地地位位，其其百百分分比比在在80%85%之之间间。其其中中石石油油又又占占矿矿物燃料物燃料50%，成为世界能源主要起源。，成为世界能源主要起源。世界一次能源消费结构（世界一次能源消费结构（%）第第6页页化学与能源关系：能源开发与发展离不开化学。化学与能源关系：能源开发与发展离不开化学。能源变迁：能源变迁：1.柴草时期柴草时期：从火发觉到18世纪产业革命期间（柴草、畜粪、秸秆）2.煤炭时期：煤炭时期：煤炭开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界主要能源则是18世纪中叶第第7页页3.石油时期：石油时期：第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地域相继发觉了大油田及伴生天然气，每吨原油产生热量比每吨煤高一倍。4.常规能源向新能源过渡常规能源向新能源过渡我国能源结构以煤炭为主情况可能还要延续相当时间我国能源结构以煤炭为主情况可能还要延续相当时间第第8页页能源利用，其实就是能量转化过程。能源利用，其实就是能量转化过程。柴草、煤炭、石油和天然气等惯用能源所提供能量柴草、煤炭、石油和天然气等惯用能源所提供能量都是随化学改变而产生，各种新能源利用也与化学都是随化学改变而产生，各种新能源利用也与化学改变相关。改变相关。第第9页页v石油：石油：“工业血液工业血液”，二次能源主，二次能源主要原料。要原料。三大化石燃料三大化石燃料v煤：煤：“工业粮食工业粮食”，是人类历史上，是人类历史上最古老化石燃料之一。最古老化石燃料之一。v天然气：地下自然形成可燃性气体，天然气：地下自然形成可燃性气体，主要成份是甲烷主要成份是甲烷（CH4)一、矿物能源一、矿物能源第第10页页v在在20世纪中期，人类使用能源主要世纪中期，人类使用能源主要是原油、天然气和煤炭。依据国际能源机是原油、天然气和煤炭。依据国际能源机构统计，这三种能源能供人类开采年限，构统计，这三种能源能供人类开采年限，分别只有分别只有40年、年、50年和年和240年了。化石燃年了。化石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重影响。产生严重影响。v我们已经面临能源危机！我们已经面临能源危机！第第11页页1900-间全球温度改变间全球温度改变n资源问题资源问题：经济增：经济增加对能源需求不停扩加对能源需求不停扩大，而传统能源供给大，而传统能源供给有限，传统能源价格有限，传统能源价格不停走高，拖累经济不停走高，拖累经济增加，带来滞涨隐忧。增加，带来滞涨隐忧。n环境问题环境问题：温室气：温室气体排放给环境造成很体排放给环境造成很大压力，全球变暖趋大压力，全球变暖趋势正在摧毁地球人势正在摧毁地球人“绿色家园绿色家园”梦想；为梦想；为使全球平均气温升幅使全球平均气温升幅不超出工业化之前不超出工业化之前2，要在，要在2050年前年前实现全球二氧化碳排实现全球二氧化碳排放量比放量比1990年降低年降低50以上。以上。第第12页页vv中国能源现实状况和组成中国能源现实状况和组成中国能源现实状况和组成中国能源现实状况和组成第第13页页第第14页页v煤炭煤炭是地球上蕴藏量最丰富分布地域是地球上蕴藏量最丰富分布地域最广化石燃料。世界七位储量最大国家依最广化石燃料。世界七位储量最大国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰。南非和波兰。v 中国煤炭资源分布面广，除上海中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国市外，全国3030个省、市、自治区都有不一个省、市、自治区都有不一样数量煤炭资源。样数量煤炭资源。第第15页页第第16页页v碳碳元素元素 Cv氢氢元素元素 Hv氧氧元素元素 Ov氮氮元素元素 Nv硫硫元素元素 S第第17页页v煤炭分子式煤炭分子式第第18页页v煤主体是三维空间高分子化合物。煤组煤主体是三维空间高分子化合物。煤组成并非是均一单体聚合物，而是由许多结构相成并非是均一单体聚合物，而是由许多结构相同结构单元经过桥键联结而成。同结构单元经过桥键联结而成。第第19页页v煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成有机生物岩。成有机生物岩。第第20页页v煤炭大量使用，产生大量煤炭大量使用，产生大量CO2和和SO2，而而SO2在日光催化下与烟尘结合，经过一系列在日光催化下与烟尘结合，经过一系列化学转化，形成二次污染物化学转化，形成二次污染物H2SO4，其毒性比，其毒性比SO2大大10倍以上。倍以上。v（酸雨）（酸雨）第第21页页v洁净煤技术洁净煤技术v1、燃烧前脱硫技术燃烧前脱硫技术：采取物理方法对原煤进：采取物理方法对原煤进行清洗，将煤中硫去除。行清洗，将煤中硫去除。v2、燃烧中脱硫技术燃烧中脱硫技术：在炉内燃烧同时，向炉：在炉内燃烧同时，向炉内喷脱硫剂（常见石灰石、白云石、熟石灰等）。脱内喷脱硫剂（常见石灰石、白云石、熟石灰等）。脱硫剂与硫剂与SO2和和SO3发生反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，发生反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰形式排出炉外。以灰形式排出炉外。v3、烟气脱硫技术烟气脱硫技术：干法脱硫技术干法脱硫技术脱硫脱硫吸收剂和产物均在干状态下进行，如电子射线辐射、吸收剂和产物均在干状态下进行，如电子射线辐射、氧化铜硫化床脱硫等。氧化铜硫化床脱硫等。半干法脱硫技术半干法脱硫技术脱硫吸脱硫吸收剂在湿状态下脱硫，在干状态下处理脱硫产物，如收剂在湿状态下脱硫，在干状态下处理脱硫产物，如喷雾干燥法等。喷雾干燥法等。湿法脱硫技术湿法脱硫技术液体或浆状吸收液体或浆状吸收剂在湿状态下脱硫。剂在湿状态下脱硫。第第22页页v1)C+O2=CO26)CO+H2O=CO2+H2v2)C+1/2O2=CO7)C+2H2=CH4v3)C+CO2=2CO8)CO+3H2=CH4+H2Ov4)C+H2O=CO+H29)CO+2H2=CH4v5)C+2H2O=CO2+2H210)CO2+4H2=CH4+2H2OvH2O(g),O2气气 化化剂剂vH2，CO，CH4vCv高温高温v煤煤气气化化：使使煤煤在在氧氧气气不不足足情情况况下下进进行行部部分分氧氧化化，使煤中有机物转变为可燃气体过程。使煤中有机物转变为可燃气体过程。煤煤综综合合利利用用第第23页页v煤焦化：也称煤干馏，煤隔绝空气加热，分解生煤焦化：也称煤干馏，煤隔绝空气加热，分解生成固态焦炭、液态煤焦油和气态焦炉气。成固态焦炭、液态煤焦油和气态焦炉气。u焦炉气焦炉气：含：含H2、CO、CO2、CH4、C2H4、NH3、H2S、N2、O2、苯蒸气、苯蒸气等等u煤煤焦油：单环芳烃、稠环芳烃、沥青焦油：单环芳烃、稠环芳烃、沥青u焦炭：冶金、电石、电极焦炭：冶金、电石、电极这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。合成纤维、炸药、染料、医药等。第第24页页v煤煤液化液化煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由由C，H，O等元素组成有机物，但煤平均表现分子量大等元素组成有机物，但煤平均表现分子量大约是石油约是石油10倍，煤含氢量比石油低得多。所以煤加热裂解，倍，煤含氢量比石油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂作用下加氢使大分子变小，然后在催化剂作用下加氢(450480，12MPa一一30MPa)能够得到各种燃料油。能够得到各种燃料油。u直接液化法：直接液化法：煤加热裂解然后在催化剂作用下加氢。煤加热裂解然后在催化剂作用下加氢。u间接液化法：间接液化法：是先使煤气化得到是先使煤气化得到CO和和H2等气体等气体小分子，然后在一定温度、压力和催化剂作用下合成小分子，然后在一定温度、压力和催化剂作用下合成各种烷烃、烯烃和乙醇、乙醛等各种烷烃、烯烃和乙醇、乙醛等第第25页页煤成因、存在与开采煤成因、存在与开采视频视频：http:/ CHCH3 3O OC(CHC(CH3 3)3 3，又名，又名MTBE MTBE 作为高辛烷作为高辛烷值组分。当前，我国使用车用汽油标号就是按照汽油辛烷值组分。当前，我国使用车用汽油标号就是按照汽油辛烷值大小划分，比如值大小划分，比如9090号汽油表示该汽油辛烷值不低于号汽油表示该汽油辛烷值不低于9090。第第37页页2、裂化、裂化用上述加热蒸馏方法所得轻油约占原油用上述加热蒸馏方法所得轻油约占原油1314。但社会需要大量分子量小各种烃类，。但社会需要大量分子量小各种烃类，采取催化裂化法，能够使碳原子数多碳氢化合物采取催化裂化法，能够使碳原子数多碳氢化合物裂解成各种小分子烃类，如：裂解成各种小分子烃类，如：第第38页页3、催化重整、催化重整在一定温度压力下，汽油中直链烃在催化剂表面上进行在一定温度压力下，汽油中直链烃在催化剂表面上进行结构结构“重新调整重新调整”，转化为带支链烷烃异构体，这就能，转化为带支链烷烃异构体，这就能有效地提升汽油辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，有效地提升汽油辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，这是原油中含量极少而只靠从煤焦油中提取不能满足生这是原油中含量极少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要化工原料，能够说是一举两得。产需要化工原料，能够说是一举两得。第第39页页4、加氢精制、加氢精制这是提升油品质量过程。经过以上方法得到各种油都含这是提升油品质量过程。经过以上方法得到各种油都含N、S有机物，燃烧中会生成有机物，燃烧中会生成N、S氧化物污染环境，所氧化物污染环境，所以用催化剂使以用催化剂使H2和和N、S生成生成NH3、H2S而分离，留在油而分离，留在油品中只是碳氢化合物。品中只是碳氢化合物。石石油油经经过过分分馏馏、裂裂化化、重重整整、精精制制等等步步骤骤，取取得得了了各各种种燃燃料料和和化化工工产产品品。有有可可直直接接使使用用，有有还还能能够够进进行行深深加加工工。所以炼油厂总是和几个化工厂组成石油化工联合企业。所以炼油厂总是和几个化工厂组成石油化工联合企业。第第40页页天然气天然气主要是由碳和氢组成气态碳氢化合物，主要是由碳和氢组成气态碳氢化合物，其中最主要是甲烷（其中最主要是甲烷（CH4）v池塘里沼气池塘里沼气第第41页页第第42页页“西气东输西气东输”是开发大西北一项重大工程，该工程将天然气从新疆塔是开发大西北一项重大工程，该工程将天然气从新疆塔里木输送至上海西郊，输气管道全长里木输送至上海西郊，输气管道全长4200多千米，横跨多千米，横跨9个省、市、自治区。这一重大工程实施，将取代部分个省、市、自治区。这一重大工程实施，将取代部分工业和居民使用煤炭和燃油，有效改进大气环境，提升工业和居民使用煤炭和燃油，有效改进大气环境，提升人民生活质量。人民生活质量。第第43页页第第44页页“瓦斯瓦斯”是一个有毒混合气体，主要含是一个有毒混合气体，主要含CH4和和CO，常产生在矿井，常产生在矿井之中，是从煤岩裂缝中喷出，遇明火，可燃烧，发生之中，是从煤岩裂缝中喷出，遇明火，可燃烧，发生“瓦斯瓦斯”爆炸，直接威胁矿工生命安全。爆炸，直接威胁矿工生命安全。瓦斯爆炸：一个热一链式反应。当爆炸混合物吸收引火瓦斯爆炸：一个热一链式反应。当爆炸混合物吸收引火源给予热能，分子链断裂，离解成多个游离基（也叫自源给予热能，分子链断裂，离解成多个游离基（也叫自由基），化学活性高，每一个游离基深入分解，产生更由基），化学活性高，每一个游离基深入分解，产生更多游离基。循环不已，游离基越多，化学反应速度越快，多游离基。循环不已，游离基越多，化学反应速度越快，发展为燃烧或爆炸式氧化反应。发展为燃烧或爆炸式氧化反应。瓦斯爆炸是一定浓度甲烷和空气中氧气在一定温度作用瓦斯爆炸是一定浓度甲烷和空气中氧气在一定温度作用下产生激烈氧化反应。下产生激烈氧化反应。第第45页页v可燃冰可燃冰是一个天然气是一个天然气水合物，埋藏在海底岩石中，水合物，埋藏在海底岩石中，在低温高压条件下，一体积在低温高压条件下，一体积可燃冰能够储载可燃冰能够储载100-200倍倍体积甲烷气体，含有能量高，体积甲烷气体，含有能量高，燃烧值大等优点。燃烧值大等优点。第第46页页1立方米可燃冰可转化为立方米可燃冰可转化为164立方米天然气和立方米天然气和0.8立方米立方米水。科学家预计，海底可燃冰分布范围约水。科学家预计，海底可燃冰分布范围约4000万平方公万平方公里，占海洋总面积里，占海洋总面积10%，海底可燃冰储量，海底可燃冰储量够人类使用够人类使用10。可燃冰发觉，让陷可燃冰发觉，让陷入能源危机人类看入能源危机人类看到新希望。到新希望。第第47页页但人类要开采埋藏于深海可燃冰，尚面临着许多新问题。但人类要开采埋藏于深海可燃冰，尚面临着许多新问题。可燃冰矿藏哪怕受到最小破坏，都足以造成甲烷气体可燃冰矿藏哪怕受到最小破坏，都足以造成甲烷气体大量泄漏。在造成全球气候变暖方面，甲烷所起作用比大量泄漏。在造成全球气候变暖方面，甲烷所起作用比二氧化碳要大二氧化碳要大1020倍。倍。陆缘海边可燃冰开采起来十陆缘海边可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。所以，可燃冰在作为未来新能源同时，海水毒化等灾害。所以，可燃冰在作为未来新能源同时，也是一个危险能源。可燃冰开发利用就像一柄也是一个危险能源。可燃冰开发利用就像一柄“双刃剑双刃剑”，需要小心对待。，需要小心对待。第第48页页v管道煤气管道煤气可燃成份：氢气、一氧化碳和甲烷，分别可燃成份：氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占约占48%48%50%50%，10%10%15%15%和和13%13%18%18%v液化气液化气又叫液化石油气，主要成份中又叫液化石油气，主要成份中C3C3、C4C4烃是沸烃是沸点较低成份丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。点较低成份丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。v天然气天然气主要成份是甲烷，还有少许其它气态烃，天主要成份是甲烷，还有少许其它气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。可用作家庭燃气。家庭燃气分类家庭燃气分类第第49页页化学电源（电池）化学电源（电池）借助于化学改变将化学能转化为电能装置称化借助于化学改变将化学能转化为电能装置称化学电源。可分为：学电源。可分为：原电池原电池(一次性电池一次性电池)；蓄电池蓄电池(二次性电池，可逆电池二次性电池，可逆电池)；燃料电池燃料电池第第50页页原电池原电池原电池通常由正极、负极、电解液以及容原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成，它可表示为：负极器和隔膜等组成，它可表示为：负极/电解液电解液/正极正极。原电池示意图原电池示意图第第51页页电电池符号：池符号：（）（）Zn ZnCl2，NH4Cl(糊糊)MnO2 C(石墨石墨)（）（）锌锌-锰干电池锰干电池负极负极负极负极是锌做圆筒是锌做圆筒是锌做圆筒是锌做圆筒正极正极正极正极是一根探棒，周是一根探棒，周是一根探棒，周是一根探棒，周围被二氧化锰、碳粉围被二氧化锰、碳粉围被二氧化锰、碳粉围被二氧化锰、碳粉和氯化铵混合剂包围和氯化铵混合剂包围和氯化铵混合剂包围和氯化铵混合剂包围第第52页页干电池发电时反应以下：干电池发电时反应以下：干电池发电时反应以下：干电池发电时反应以下：负极：负极：负极：负极：Zn-2eZn-2eZn-2eZn-2e-=Zn=Zn=Zn=Zn2+2+2+2+正极：正极：正极：正极：2NH2NH2NH2NH4 4 4 4+MnO+MnO+MnO+MnO2 2 2 2+2e+2e+2e+2e-=2NH=2NH=2NH=2NH3 3 3 3+MnO+H+MnO+H+MnO+H+MnO+H2 2 2 2O O O O电池反应电池反应电池反应电池反应:Zn+2NH:Zn+2NH:Zn+2NH:Zn+2NH4 4 4 4Cl+MnOCl+MnOCl+MnOCl+MnO2 2 2 2=ZnCl2+2NH=ZnCl2+2NH=ZnCl2+2NH=ZnCl2+2NH3 3 3 3+MnO+HMnO+HMnO+HMnO+H2 2 2 2O O O O 使用过程中，负极锌筒逐步消耗以致使用过程中，负极锌筒逐步消耗以致穿漏，正极处穿漏，正极处MnOMnO2 2活性逐步衰减，最终干活性逐步衰减，最终干电池不再供电而失效。电池不再供电而失效。第第53页页钮扣式电池钮扣式电池中常见为银锌电中常见为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是稳，工作电压是1.6伏，广泛伏，广泛应用于对体积和重量有严格要应用于对体积和重量有严格要求场所，但价格昂贵。求场所，但价格昂贵。第第54页页蓄电池（蓄电池（铅蓄电池）蓄电池又称二次电池，能蓄电池又称二次电池，能蓄电池又称二次电池，能蓄电池又称二次电池，能够经过充电使活性物质再生。够经过充电使活性物质再生。够经过充电使活性物质再生。够经过充电使活性物质再生。蓄电池两极均以铅板为骨架，蓄电池两极均以铅板为骨架，蓄电池两极均以铅板为骨架，蓄电池两极均以铅板为骨架，正极正极正极正极铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，负极负极负极负极铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。内部结构内部结构内部结构内部结构外部结构外部结构外部结构外部结构第第55页页蓄电池放电时发生以下反应：蓄电池放电时发生以下反应：蓄电池放电时发生以下反应：蓄电池放电时发生以下反应：负极负极负极负极(Pb):Pb+SO(Pb):Pb+SO(Pb):Pb+SO(Pb):Pb+SO4 4 4 42-2-2-2-2e-2e-2e-2e-=PbSO=PbSO=PbSO=PbSO4 4 4 4正极正极正极正极(PbO(PbO(PbO(PbO2 2 2 2):PbO):PbO):PbO):PbO2 2 2 2+4H+4H+4H+4H+SO+SO+SO+SO4 4 4 42-2-2-2-+2e+2e+2e+2e-=PbSO=PbSO=PbSO=PbSO4 4 4 4+2H+2H+2H+2H2 2 2 2O O O O总反应总反应总反应总反应:Pb+PbO:Pb+PbO:Pb+PbO:Pb+PbO2 2 2 2+2H+2H+2H+2H2 2 2 2SOSOSOSO4 4 4 4=2PbSO=2PbSO=2PbSO=2PbSO4 4 4 4+2H+2H+2H+2H2 2 2 2O O O O电池充电时发生与电池充电时发生与电池充电时发生与电池充电时发生与上述反应相反反应上述反应相反反应上述反应相反反应上述反应相反反应电动自行车电动自行车电动自行车电动自行车第第56页页锂是自然界电池最轻金属元素，又锂是自然界电池最轻金属元素，又含有最低电负性（含有最低电负性（-3.045V）。所以选择）。所以选择适当正极与之匹配，能够取得较高电动适当正极与之匹配，能够取得较高电动势，以固体电解质制成锂电池，体积小，势，以固体电解质制成锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降迟无电解液渗漏，电压随放电时间下降迟缓，电池寿命长。缓，电池寿命长。第第57页页当前，商业化锂离子二次电池正极材当前，商业化锂离子二次电池正极材料主要是料主要是LiCoO2，负极材料主要为，负极材料主要为C，充电时发生以下反应：，充电时发生以下反应：正极反应：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：负极反应：C+xLi+xe-CLix电池总反应：电池总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应逆反应。放电时发生上述反应逆反应。第第58页页燃料电池燃料电池燃料电池燃料电池(FuelCell，FC)是一个把储存在是一个把储存在燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地按燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能能量转换装置，也是电化学原理转化为电能能量转换装置，也是一个新型无污染、无噪音、大规模、大功率一个新型无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率汽车动力。作为一个最靠近于实用和高效率汽车动力。作为一个最靠近于实用化环境保护型新能源，燃料电池已经受到了化环境保护型新能源，燃料电池已经受到了人们广泛关注。人们广泛关注。第第59页页氢氧燃料电池原理图氢氧燃料电池原理图第第60页页氢氢-氧燃料电池氧燃料电池电池符号：电池符号：（）（）C H2 KOH(35%)O2 C()电池反应：电池反应：（）（）H2+2OH-2H2O+2e-（）（）O2+2H2O+4e-4OH-电池总反应电池总反应:2H2+O22H2O正极需加催化剂正极需加催化剂（Pt、Pd、Co2O3、Ag等）等）负极以活性炭多孔镍吸附负极以活性炭多孔镍吸附H2。第第61页页燃料电池适合用于航空事业，轻，可降低向太空发燃料电池适合用于航空事业，轻，可降低向太空发射费用。二则燃料电池产物是水，经处理后可供宇航员射费用。二则燃料电池产物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可降低携带重量饮用，更可降低携带重量。电池符号：（）电池符号：（）Pt CH3OH H2SO4 O2 Pt()电池反应电池反应:（）（）3/2O2+6H+6e-3H2O（）（）CH3OH+H2OCO2+6H+6e-CH3OH+3/2O2CO2+2H2O可用工业甲醇；可用可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。代硫酸。甲醇甲醇-氧燃料电池氧燃料电池第第62页页清华大学研制氢燃料清华大学研制氢燃料电池城市客车电池城市客车法国燃料电池汽车法国燃料电池汽车第第63页页三、核三、核能（原子能）能（原子能）当前唯一到达工业应用、能够大规模替当前唯一到达工业应用、能够大规模替换化石燃料能源，就是核能。换化石燃料能源，就是核能。核裂变核裂变：是用中子轰击较重是用中子轰击较重原子核使之分裂原子核使之分裂成较轻原子核反应。并释放出大量能量。成较轻原子核反应。并释放出大量能量。核裂变需有足够能量中子轰击，核裂变需有足够能量中子轰击，而而U-235、Pu-239只需较低能只需较低能量中子。当前使用核燃料主要量中子。当前使用核燃料主要是这两种。是这两种。1 1克克235235U U完全发生核裂变后放出能完全发生核裂变后放出能量相当于燃烧量相当于燃烧2.52.5吨煤所产生能吨煤所产生能量。量。第第64页页v比如：比如：U-235在中子轰击在中子轰击下裂变为下裂变为Ba-142和和Kr-91同时产同时产生多个中子，接着就会发生爆炸生多个中子，接着就会发生爆炸式连锁反应：式连锁反应：v核裂变产物大多含有放射性，所以原料核裂变产物大多含有放射性，所以原料和产物贮存、处理都要有严格安全办法。和产物贮存、处理都要有严格安全办法。第第65页页第第66页页第第67页页核动力航母核动力航母核航空炸弹核航空炸弹第第68页页要大规模地和平利用裂变能必须满足两要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控。实现可控第二，链式反应必须是可控。实现可控链式反应装置称为反应堆。链式反应装置称为反应堆。第第69页页v人们将核反应堆形象地比喻为核电站人们将核反应堆形象地比喻为核电站“锅炉锅炉”，在这种，在这种“锅炉锅炉”里烧是铀、里烧是铀、钚等核燃料。在核电站钚等核燃料。在核电站“锅炉锅炉”这个家这个家庭中，有一个特殊组员庭中，有一个特殊组员快中子增殖快中子增殖反应堆，简称反应堆，简称“快堆快堆”，现在已成为核，现在已成为核反应中佼佼者。在普通锅炉里燃料如煤、反应中佼佼者。在普通锅炉里燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而燃油等都是越烧越少，而“快堆快堆”“燃燃料料”却越烧越多，成了魔炉。却越烧越多，成了魔炉。第第70页页v在在“快堆快堆”中用核燃料是中用核燃料是239Pu(钚钚b b)。1 1个每吸收个每吸收1 1个快中子发生裂变反应会放个快中子发生裂变反应会放出出2.45个快中子，除去个快中子，除去1 1个用于链式裂变个用于链式裂变反应后，剩下反应后，剩下1.45个快中子会被装在反个快中子会被装在反应区周围应区周围238U（大量存在）（大量存在）吸收，产生吸收，产生1.45个新核燃料原子个新核燃料原子239Pu。第第71页页v就是说在核锅炉中一边就是说在核锅炉中一边“烧烧”掉，掉，又一边使又一边使238U转为成新，而且新产生比转为成新，而且新产生比“烧烧”掉还多。这就使掉还多。这就使“快堆快堆”燃料燃料越烧越多。越烧越多。“快堆快堆”增殖核燃料把铀增殖核燃料把铀资源利用率大大提升了，因为它恰好资源利用率大大提升了，因为它恰好处理了热中子核反应堆产生大量处理了热中子核反应堆产生大量238U废废料堆积问题。料堆积问题。第第72页页一座快堆核电站，在一座快堆核电站，在5时间时间内可使燃料数量翻一番，经过内可使燃料数量翻一番，经过建造快堆核电站，既能用建造快堆核电站，既能用238U发电，又能增殖燃料，发电，又能增殖燃料，所以所以“快堆快堆”被人们称为被人们称为“明明天核电站锅炉天核电站锅炉”。中国快堆在建设中中国快堆在建设中第第73页页1 1、放射性废料危害、放射性废料危害核废料是指含有核废料是指含有、和和辐射不稳定元素并伴随辐射不稳定元素并伴随有热产生无用材料，核废料进入环境后会造成有热产生无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤污染，并经过各种路径进入人水、大气、土壤污染，并经过各种路径进入人体，当放射性辐射超出一定水平，就能杀死生体，当放射性辐射超出一定水平，就能杀死生物体细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引发细物体细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引发细胞内遗传信息突变。胞内遗传信息突变。第第74页页2 2、放射性核废料处、放射性核废料处理理怎样处理放射性核废怎样处理放射性核废料可能将是最终核能料可能将是最终核能使用最大障碍。当前，使用最大障碍。当前，核废料处理有核废料处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火火葬葬”三种方法三种方法。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站第第75页页所谓所谓“天葬天葬”是指：把核废料先固化是指：把核废料先固化成玻璃块，装到特制合金棺中，在棺成玻璃块，装到特制合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定轨道，机械手随即把机把它带入预定轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送它推入太空，再点燃助推火箭将它送入入30003000千米轨道上，让核废料远远离千米轨道上，让核废料远远离开人类生活地球。开人类生活地球。第第76页页“火葬火葬”是美国能源部研制一个处理是美国能源部研制一个处理核废料先进方法。火葬前，先在地下核废料先进方法。火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制盖子把坑顶盖好。将空气净化用特制盖子把坑顶盖好。将空气净化器上一根导管从盖子上插入坑内，坑器上一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就会内装个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大电流，使坑内泥土温度产生一股强大电流，使坑内泥土温度上升到几上升到几baidu。第第77页页在这么高温下，泥土开始溶化，使核废在这么高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状泥石溶液里。当溶料均匀地分布在浆状泥石溶液里。当溶化泥石浆冷却后，与核废料一起形成了化泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一个类似天然岩石坚硬物质，其硬度比一个类似天然岩石坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最终用泥土而且体积也缩小了好几倍。最终用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。里面，不会外泄。第第78页页“水葬水葬”就是将深海作为核废料就是将深海作为核废料墓场。将核废料装入密封合金墓场。将核废料装入密封合金棺，再用混凝土密封在海底下棺，再用混凝土密封在海底下面。面。第第79页页核聚变核聚变太阳中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然核聚变过程以及发生太阳内部，这个天然核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。了了好几十亿年了。第第80页页核聚变核聚变使很使很轻核在异常高温轻核在异常高温度下合成较重核度下合成较重核。核聚变时，放。核聚变时，放出更大能量。出更大能量。聚变不产生放射性产物，氘、氚，资源丰聚变不产生放射性产物，氘、氚，资源丰富。不过富。不过,核聚变需足够高温度核聚变需足够高温度(109)，足够，足够长时间长时间(1s)。而且要能人为控制不使爆炸。而且要能人为控制不使爆炸。第第81页页太阳上进行反应是核聚变反应，太阳上进行反应是核聚变反应，天天质量天天质量改变改变4106吨，吨，向空间辐射能量向空间辐射能量41023kJs-1，这，这些能量万分之一足够人类消耗。地球天天接收辐些能量万分之一足够人类消耗。地球天天接收辐射能可达射能可达61018kJ。其利用可分：。其利用可分：太阳能直接利用：光转换热能太阳能直接利用：光转换热能如太阳能集热器；如太阳能集热器；光转换电能光转换电能太阳能电池。太阳能电池。太阳能间接利用：如：光合作用，潮汐发电，风力太阳能间接利用：如：光合作用，潮汐发电，风力发电，水力发电等。发电，水力发电等。四、太阳能四、太阳能第第82页页太阳能电池太阳能电池第第83页页新能源新能源新能源新能源广义上来说，有别于传统广义上来说，有别于传统广义上来说，有别于传统广义上来说，有别于传统依靠矿物质原料燃烧能源依靠矿物质原料燃烧能源依靠矿物质原料燃烧能源依靠矿物质原料燃烧能源都称之为新能源。都称之为新能源。都称之为新能源。都称之为新能源。太阳能太阳能太阳能太阳能风能风能风能风能生物质能生物质能生物质能生物质能核能核能核能核能地热、潮汐地热、潮汐地热、潮汐地热、潮汐能能能能资源丰富、利用方便、洁净无污染资源丰富、利用方便、洁净无污染太阳能利用主要路径之一是研制太阳电池！太阳能利用主要路径之一是研制太阳电池！WaveTide新能源分类新能源分类第第84页页生物质能：生物质能：生物质能是蕴藏在生物质中能量，是绿色植物经生物质能是蕴藏在生物质中能量，是绿色植物经过叶绿宏将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部能过叶绿宏将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部能量。量。有机物中除矿物燃料以外全部起源于动植物能源有机物中除矿物燃料以外全部起源于动植物能源物质均属于生物质能，通常包含木材及森林废弃物、农物质均属于生物质能，通常包含木材及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等。物以及动物粪便等。第第85页页技术瓶颈技术瓶颈相关新能源与可再生能源开发利用存在着技术滞后现象，自主相关新能源与可再生能源开发利用存在着技术滞后现象，自主研发技术尤其是高端技术极少，许多项目和企业都是靠从国外研发技术尤其是高端技术极少，许多项目和企业都是靠从国外引进技术或者合作生产。引进技术或者合作生产。成本障碍成本障碍与常规能源相比，新能源与可再生能源研发和利用成本大大高与常规能源相比，新能源与可再生能源研发和利用成本大大高于常规能源，无法与常规能源形成竞争，从而使其市场化和商于常规能源，无法与常规能源形成竞争，从而使其市场化和商业化路径受阻。业化路径受阻。制度困扰制度困扰尽管在新能源与可再生能源研发和利用方面，存在很多激励性尽管在新能源与可再生能源研发和利用方面，存在很多激励性政策，但依然存在许多制度上障碍。这些障碍主要来自于：整政策，但依然存在许多制度上障碍。这些障碍主要来自于：整个能源制度体系不衔接配套，来自于没有长久稳定制度支撑与个能源制度体系不衔接配套，来自于没有长久稳定制度支撑与保障。保障。第第86页页n政府相继出台了针政府相继出台了针对新能源扶持政策对新能源扶持政策及远景规划，决定及远景规划，决定综合综合采取财政补助、采取财政补助、科技支持和市场拉科技支持和市场拉动动方式，加紧本国方式，加紧本国新能源产业产业化新能源产业产业化和规模化发展。和规模化发展。n各主要经济体计划各主要经济体计划在在年将可再生能年将可再生能源比重提升至源比重提升至15-20%左右。左右。全球主要全球主要经济经济体新能源体新能源规规划和减排目划和减排目标标经济经济体体新能源新能源规规划和碳减排目划和碳减排目标标欧盟未来最少投资未来最少投资500亿欧元用于清洁亿欧元用于清洁能源研发；实现清洁能源占能源结能源研发；实现清洁能源占能源结构构20%；将其温室气体排放量在；将其温室气体排放量在1990年基础上降低年基础上降低20%，到，到2050年实现温室气体减排年实现温室气体减排80%。美国未来向清洁能源领域投资未来向清洁能源领域投资1500亿美亿美元；以前投放元；以前投放100万辆混合动力车；万辆混合动力车；可再生能源发电百分比在抵达可再生能源发电百分比在抵达10%，在，在2025年抵达年抵达25%；温室气体排；温室气体排放量在基础上降低放量在基础上降低17%。日本清洁能源消费占比提升到清洁能源消费占比提升到20%，其，其中除了太阳能发电和生物燃料外，中除了太阳能发电和生物燃料外，还包含热泵装置；到太阳能发电量还包含热泵装置；到太阳能发电量提升到现在提升到现在20倍；到将排放量较水倍；到将排放量较水平降低平降低15%。中国至新能源总投资预计达至新能源总投资预计达4.5万亿元万亿元人民币人民币,拉动全社会总投资拉动全社会总投资9万亿元；万亿元；可再生能源占总能源消耗百分比提可再生能源占总能源消耗百分比提升到升到15%；单位；单位GDP二氧化碳排放二氧化碳排放比下降比下降40%-45%。v公共政策公共政策第第87页页vPV欧洲联合研究中心对未来能源发展预测欧洲联合研究中心对未来能源发展预测欧洲联合研究中心对未来能源发展预测欧洲联合研究中心对未来能源发展预测可再生核能第第88页页新能源开发和利用新能源开发和利用1 1、氢能氢能氢能特点：氢能特点：（1）氢发烧值是全部化石燃料、化工燃料和生物燃