化学能新能源(新能源定义)

发布时间：2024-05-02 13:17:59 游览：32 次

一、新能源的定义是：

新能源又称非常规能源，指传统能源之外的各种能源形式，一般为在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

二、新能源的特点：

1)资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用；比如，陆上估计可开发利用的风力资源为253GW, 而截止2003年只有0.57GW被开发利用，预计到2010年可以利用的达到4GW, 到2020年到20GW，而太阳能光伏并网和离网应用量预计到2020年可以从的0.03GW增加1至2个GW。

2)能量密度低，开发利用需要较大空间；

3)不含碳或含碳量很少，对环境影响小；

4)分布广，有利于小规模分散利用；

5)间断式供应，波动性大，对持续供能不利；

6)除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。

什么是新能源

氢燃料电池新能源汽车原理

什么是氢燃料电池

燃料电池是一种能量转化装置，它将燃料的电化学能转化成电能。它类似于电池一样也是电化学发电装置，因此被称为燃料电池。对应的采用氢气作为燃料的燃料电池就是氢燃料电池。它可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应。因此反应过程既清洁，又高效。因为它不受传统发动机采用卡诺循环42%左右的热效率限制，氢燃料电池的效率可轻松达到60%以上。

氢燃料电池并不像火箭那样通过氢气和氧气燃烧的剧烈反应产生动能，而是通过催化装置将氢气中的吉布斯自由能释放出来。打个比方，石墨和钻石都是碳的存在形势。但是形成钻石需要高温和高压。因此这种形态转化就代表不同的吉布斯自由能。

氢燃料电池工作原理

氢燃料电池工作原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。

什么是氢燃料电池的技术关键

对于氢燃料电池的商用来说，最大的挑战之一就是成本控制。燃料电池汽车目前的成本是普通汽车的5倍左右。其核心部件被称为质子交换膜。它能够将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换至负极和氧气进行反应产生水和热。相应的，质子交换膜的核心就是催化剂铂。而铂是一种贵金属，也就是通常婚戒的材料铂金。为了推动大规模商用，一方面必须减少催化剂的用量，另一方面是寻求低成本的替代材料。

氢燃料电池汽车的系统组成

谈到氢燃料电池汽车，目前主流采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。其系统组成通常为燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。目前领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。同时类似动力电池需要电池管理系统BMS，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气，一般采用70MPa高压液氢储罐。

人类生存和发展的三要素

物质、能量与信息。

因此，能源的发展史直接影响人类的发展史。

我们人类生存与发展中最具有决定性意义的要素是三个：? 物质、能量和信息。

组成我们的世界是物质；人类生存活动决定于对信息的认知和反应；而维持生命，从事发展的活动又地要通过消耗能量来进行。

一切能量来自能源，人类离不开能源。能源是人类生存、生活与发展的主要基础。能源科学与技术，能源利用的发展在人类社会进步中一直扮演着及其重要的角色。

能源发展的里程碑可以这么说，每一次能源利用的里程碑式发展，都伴随着人类生存与社会进步的巨大飞跃。几千年来，在人类的能源利用史上，大致经历了这样四个里程碑式的发展阶段：原始社会火的使用，先祖们在火的照耀下迎来了文明社会的曙光；18世纪蒸汽机的发明与利用，大大提高了生产力，导致了欧洲的工业革命；19世纪电能的使用，极大地促进了社会经济的发展，改变了人类生活的面貌；20世纪以核能为代表的新能源的利用，使人类进入原子的微观世界，开始利用原子内部的能量。

未来对能源的要求

有足够满足人类生存和发展所需要的储量，并且不会造成影响人类生存的环境污染问题。

未来对能源的需求未来的人类社会依然要依赖于能源，依赖于能源的可持续发展。因此，我们须现在就很清楚地了解地球上的能源结构和储量，发展必须开发的能源利用技术，才能使人类的生存得于永久维持。

而我们赖于生存的能源是取之不尽用之不完的吗？回答是：不是，也是。事实上，进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，当今煤、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至不能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代能源。而近半世纪的核能和平利用，已使核能已成为新能源家属中迄今为止能替代有限矿石燃料的唯一现实的大规模能源。而且，未来如能实现核能的彻底利用，人类的能源将是无穷的。

除了物质、能量和信息三大因素外，人类对安全的要求也越来越重要了。安全包括社会安全、健康安全和环境安全等。它们同能源的关系也是非常密切的。现在利用的能源已造成了大量的环境污染问题，严重影响了人类的生存。因此，未来对能源的要求将不仅是储量充足，而且还必须是清洁的能源。相对其它化石能源而言，核能的和平利用已充分证明了核能是清洁的能源之一。

u 能源的定义与源头

究竟什么是“能源”呢？《科学技术百科全书》是这样说的：“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”。可见，能源是呈多种形式的、可以相互转换的能量的源泉。简而言之，能源是自然界中能为人类提供能量的物质资源。

能源的源头

来自地球以外天体的能源（如太阳能）、地球本身蕴藏的能源（如地热、核能）、地球与其它天体相互作用产生的能源（如潮汐）。

而能源是产生能量的源头。

人们通常按形态与应用方式对能源进行分类。一般分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三类统称化石燃料或化石能源。已被人类认识的这些能源，在一定条件下可以转换为人们所需的各种形式的能量。比如薪柴和煤炭，加热到一定温度，能和氧气化合并放出大量热能，可以直接用来取暖，也可用来产生蒸汽推动汽轮机，再带动发电机，使热能变成机械能，再变成电能。把电送到工厂、机关和住户，又可以转换成机械能、光能或热能。

在我们生活的地球上，能源形形色色。总起来说有三个初始来源。

太阳能

地球

来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。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通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。

与地球内部的热能有关的能源，我们称之为地热能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000度。可见，地球上的地热资源贮量也很大。

与原子核反应有关的能源正是本书要介绍的核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型的动力源、热源等。

来自星球引力的能量指由于地球与月球、太阳等天体相互作用的形成的能源。地球、月亮、太阳之间有规律的运动，造成相对位置周期性的变化，它们之间的引力随之变化使海水涨落而形成潮汐能。与上述二类能源相比，潮汐能的数量很小。全世界的潮汐能折合成煤约为每年30亿吨，而实际可用的只是浅海区那一部分，每年约可折合为6000万吨煤。

u 能源结构与储量

地球上有哪些能量资源可供我们使用？它们还能维持多久？我们该怎么办？

能源的种类

一次能源：煤炭、石油、核能等自然界天然能量资源；

二次能源：汽油、电力、蒸汽等人工制造的能量资源，

一次能源和二次能源能源按其生成方式，分为天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）两大类。天然能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，如煤炭、石油、天然气、核燃料、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等；人工能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，如煤气、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、热水、氢气、激光等。

常规能源和新能源其中，已被人类广泛利用并在人类生活和生产中起过重要作用的能源，称为常规能源，通常是指煤炭、石油、天然气、水能等四种。而新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源，相对于常规能源而言，在不同的历史时期和科技水平情况下，新能源有不同的内容。当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气等。

煤的时代

能源结构的变迁历史上，伴随着新的化石资源的发现和大规模开采与应用，世界的能源消费结构经历了数次变革。18世纪的以煤炭替代柴薪，到19世纪中叶煤炭已经逐渐占主导地位。20世纪20年代，随着石油资源的发现与石油工业的发展，世界能源结构发生了第二次转变，即从煤炭转向石油与天然气，到20世纪60年代，石油与天然气已逐渐称为主导能源，动摇了煤炭的主宰地位。但是，20世纪70年代以来两次石油危机的爆发，开始动摇了石油在能源中的支配地位。以此同时，大部分化学能源的储量日益减少，并伴随着许多环境污染问题。

而人类对能源的需求却在与日俱增。例如主要能源形式地球能源的储量估计

煤炭：～200年

石油、天然气：～50年

核能：无穷多

之一的电力消耗逐年增加。根据统计，人口若每30年增加一倍，电力的需求量每八年就要增加一倍。

于是，20世纪末，能源结构开始经历第三次转变，即从以石油为中心的能源系统开始向以煤、核能和其它再生能源等多元化的能源结构转变。特别是随着时间的推移，核能的比例将不断增长，并将逐步替代石油和天然气而成为主要的大规模能源之一。

化学能的储存量煤炭、石油、天然气还有多少年可以让人类开采利用？据世界能源会议统计，世界已探明可采煤炭储量共计15980亿吨，预计还可开采200年。探明可采石油储量共计1211亿吨，预计还可开采30～40年。探明可采天然气储量共计119万亿立方米，预计还可开采60年。必须指出的是，煤炭、石油等直接燃烧用来生产电能与热能实在太可惜了，且不说可能带来的环境污染，它们还是很好的化工原料呢！

水能及新能源的潜力那么水能呢？我们知道，水力是可以长期开发利用的。但是，在那些大面积缺水、水力资源不丰富的国家和地区怎么办？再说，水能还有个季节性的问题。这些都使水能无法成为世界能源结构中唯一的主力军。新能源中，太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并且就目前的技术发展情况来看，在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用。其它新能源也是如此。其它一些能源与水能相似，它们的规模受到环境、季节、地理位置等条件的限制，如风能、潮汐能、地热能等等。

易裂变核素

易发生裂变的原子只有铀-235（U235）、钚-239（Pu239）、铀-233（U233）三种。而天然存在的易裂变元素只有铀-235，钚-239可由铀-238生成，铀-233可由钍-232（Th232）生成。

易聚变核反应

氘（D2）-氚（D3）反应。氘和氚都是氢原子的同位素。氘天然存在，而氚极少，必须由人工生成（如由锂制造）。

核能--无穷的能源核能分为裂变能和聚变能两种。目前人类能正在用于和平利用的只有裂变能。可控聚变能利用技术正在攻克。

天然铀的成份

天然铀中占99.3%为难裂变的铀-238，仅有0.714%为易裂变的铀-235。铀-238可通过吸收一个中子变成易裂变的钚-239。

作为发展核裂变能的主要原料之一的铀，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。如果利用得好，可用2400～2800年。

聚变反应主要来源于氘-氚的核反应，氘来可大量自海水，氚可来自锂。因此聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.03克／升，据估计地球上的海水量约为138亿亿米3，所以世界上氘的储量约40亿万吨；地球上的锂储量虽比氘少得多，也有2000多亿吨，用它来制造氚，足够满足人类对聚变能的需求。这些聚变燃料所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。如果人类实现了氘-氚的可控核聚变，核燃料就可谓“取之不尽，用之不竭了”，人类就将从根本上解决能源问题，这正是当前核科学家们孜孜以求的所以。聚变能源不仅丰富，而且安全、清洁。聚变产生的放射性比裂变小的多。

专家们预测，核能在未来将成为人类取之不尽的持久能源。

1.2 变脏的地球与干净的核电

本节要点：回答的问题以下问题：现有的能源还能维持多久？能源利用可以不污染环境吗？核能真是可持续能源吗？

u 能源的可持续发展

必须寻找一些既能保证有长期足够的供应量又不会造成环境污染的能源。

而目前人类面临的问题正是：能源资源枯竭；环境污染严重。

能源利用与环境的可持续发展

能源危机

目前世界上常规能源的储量有的只能维持半个世纪（如石油），最多的也能维持一、二百年（如煤）人类生存的需求。

今天，几乎所有的工业化国家都面临着两个关系到可持续发展的紧密相连的挑战：保证令人满意的长期能源供应和减少人类活动带给环境的影响。能源利用与环境的可持续发展已成为关系到人类未来生存与文明延续的一个重要问题。

能源供应危机今天的世界人口已经突破60亿，比上个世纪末期增加了2倍多，而能源消费据统计却增加了16倍多。无论多少人谈论“节约”和“利用太阳能”或“打更多的油井或气井”或者“发现更多更大的煤田”，能源的供应却始终跟不上人类对能源的需求。当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则是以石油与天然气为主。按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。所以不管是哪一种常规能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。

浓烟滚滚的火电厂

能源对环境的污染另一方面，特别是利用化石能源的过程也直接影响地球的环境，使大气和水资源遭受严重污染。大气中主要的五种污染物是：氮氧化物（如NO与NO2）、二氧化硫（SO2）、各种悬浮颗粒物、一氧化碳（CO）大气污染的主要源头

目前世界上最严重的大气污染来自化石能源燃烧造成的大气中二氧化碳量的增加。带来的主要后果是：酸雨、温室效应和臭氧层破坏。

和碳氢化合物（如CH4、C2H6、C2H4等）。其来源主要有三个方面：① 煤、石油等化石燃料的燃烧；② 汽车排放的废气；③ 工业生产（如各种化工厂、炼焦厂等）产生的废气。而其中燃烧化石燃料的火力发电厂是最大的固定污染源。

表1-1 世界CO2排放量统计（1995年）

国名

排放量（百万吨）

人均（吨/人）

百分比

美国

5228.52

19.88