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绿色能源分析和总结docx

时间:2024-11-16

  绿色能源 概念:  绿色能源 “绿色”能源有两层含义:一是利用现代技术开发干净、无污染新能源, 如太阳能、风能、潮汐能等;二是化害为利,同改善环境相结合,充 分利用城市垃圾淤泥等废物中所蕴藏的能源。狭义的绿色能源是指可再生能源,如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些 能源消耗之后可以恢复补充,很少产生污染。广义的绿色能源则包括在能源的生产、及其消费过程中,选用对生态环境低污染或无污染的能源,如天然气、清洁煤(将煤通过化学反应转变成煤气或“煤”油, 通过高新技术严密控制的燃烧转变成电力)和核能等。 有哪些绿色能源 : 太阳能 太阳能 美国加州南部的太阳能热电厂 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源,同时也是许多能源的来源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约 3.75×1026W) 的 22 亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当於500 万吨煤。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源於太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限於太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它的资源丰富,既可免费使用, 又无需运输,对环境没有任何污染。但太阳能也有两个主要缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影 响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。 地热能 冰岛的奈斯亚威里尔地热发电站 地热能是来自地球深处的可再生热能,它起源於地球的熔融岩浆和放 射性物质的衰变,其利用可分成地热发电和直接利用两大类。地热能的储量比目前人们所利用的总量多很多倍,而且集中分布在构造板 块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不 超过补充的速度,那麼地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当广泛,据估计,每年从地球内部传到地面的热能相当於100PW·h。 不过,地热能的分布相对来说比较分散,开发难度较大。 风能 风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,生温差,从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能, 但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74X109MW,其中可利用的风能为 2X107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10 倍。 风能是一种有巨大发展潜力的无污染可再生能源,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有著十分重要的意义。即使在已开发国家,高效洁净的风 能也日益受到重视。 海洋能 海浪能发电 大海,不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏,而且还蕴藏著巨大 的能量,它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海 水裏,不像在陆地和空中那样容易散失。 海洋能指依附在海水中的可再生能源,海洋通过各种物理过程接收、 储存和散发能量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流 等形式存在於海洋之中,分述如下: 潮汐与潮流能来源於月球、太阳引力,其他海洋能均来源於太阳辐射, 海洋面积占地球总面积的71%,太阳到达地球的能量,大部分落在海洋上空和海水中,部分转化成各种形式的海洋能。 海水温差能是热能,低纬度的海面水温较高,与深层冷水存在温度差, 而储存著温差热能,其能量与温差的大小和水量成正比。 潮汐、潮流,海流、波浪能都是机械能,潮汐能是地球旋转所产生的 能量通过太阳和月亮的引力作用而传递给海洋的,并由长周期波储存的能量,潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比;潮流、海流的能量与 流速平方和通流量成正比;波浪能是一种在风的作用下产生的,并以 位能和动能的形式由短周期波储存的机械能,波浪的能量与波高的平 方和波动水域面积成正比。 河口水域的海水盐度差能是化学能,入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差,若隔以半透膜,淡水向海水一侧渗透可生渗透压力,其能量 与压力差和渗透流量成正比。因此各种能量涉及的物理过程开发技术及开发利用程度等方面存在很大的差异。 生物能 芬兰境内的 Oy Alholmens Kraft生物能电厂 生物质是指由光合作用而产生的各种有机体,生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量, 它直接或间接地来源於植物的光合作用。在各种可再生能源中,生物质是独特的,它是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料。 据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t,含能量达3x1021J,因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能,相当於全世界每年耗能量的10 倍。生物能是第四大能源,生物质遍布世界各地,其蕴藏量极大。世界上生物质资源数量庞大,形式繁多,其中包括薪柴,农林作物,尤其是为了生产能源而种植的能源 作物,农业和林业残剩物,食品加工和林?品加工的下脚料,城市固 体废弃物,生活污水和水生植物等等。 氢能 氢气(H2) 氢能是一种二次能源,因为它是通过一定的方法利用其他能源制取的,而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采,这种能源总有枯竭的一天,而氢能若能从中生产,则可望能抒解能源危机的警戒。 在自然界中,氢已和氧结合成水,必须用热分解或电分解的方法把氢 从水中分离出来。燃料电池即是将氢与氧直接通过电化学反应产生电 与水,一个步骤就可发电,发电较传统方式有效率。商品化后,这样的发电系统不但适合一般家庭使用,其副产品所产生的热水,大约在摄氏 40 到 60 度间,相当适合家庭洗澡与厨房利用,一举两得。 如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电支分解水 制氢,那显然是划不来的。现在看来,高效率的制氢的基本途径,是 利用太阳能。如果能用太阳能来制氢,那就等於把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的乾净能源了,其意义十分重大。 氢能源开发与利用 l、氢的产生途径 电解水制氢. 水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢 过程是氢与氧燃烧生成水的 逆过程,因此只要提供一定形式一定能量,则可使水分解。提供电能 使水分解制得氢气的效率一般在75-85%,其工艺过程简单,无污染, 但消耗电量大,因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢,作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰富,利用水电 发电,电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽,其中利用光电制 氢的方法即称为太阳能氢能系统,国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高,成本的降低及使用寿命的延长,其用于制氢的前景不可估量。同时,太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节,贮存转化能量,使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢,达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计,但均为小型电解制氢设备,其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大,水电解制氢方法必将得到发展。 矿物燃料制氢 以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方 法。该方法在我国都具有成熟的工艺,并建有工业生产装置。 煤为原料制取氢气 在我国能源结构中,在今后相当长一段时间内,煤炭还将是主要能 源。如何提高煤的利用效率及减少对环境的污染是需不断研究的课题,将煤炭转化为氢是其途径之一。 以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种:一是煤的焦化(或称 高温干馏),二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下,在90 -1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气 55-60%(体积)甲烷23-27%、一氧化碳6-8%等。每吨煤可得煤气 300-350m3,可作为城市煤气, 亦是制取氢气的原料。煤的气化是指煤在高温常压或加压下,与气化 剂反应转化成气体产物。气化 剂为水蒸汽或氧所(空气),气体产物中含有氢有等组份,其含量随 不同气化方法而异。我国有大批中小型合成氢厂,均以煤为原料,气化后制得含氢煤气作为合成氨的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用 OGI 固定床式气化炉,可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小,操作容易,其气体产物组成主要是氢及一氧化碳,其中氢气可达60%以上,经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法, 其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化技术具有煤 资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力 等开发并完善了长通道、大断面、两阶段地下煤气化生产水煤气的 新工艺,煤气中氢气含量达50%以上,在唐山刘庄已进行工业性试 运转,可日产水煤气5 万m3,如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气,该法在我国具有一定开发前景.我国对煤制氢技术的掌握已有良好的基础,特别是大批中小型合成氨厂的制氢装置遍布各地, 为今后提供氢源创造了条件。我国自行开发的地下煤气化制水煤气获得廉价氢气的工艺已取得 阶段成果,具有开发前景,值得重视。 以天然气或轻质油为原料制取氢气 该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述 反应: CH4+H2O→CO+H2 CO+H2O→COZ+HZ CnH2h+2+Nh2O→nCO+(Zh+l)HZ 反应在 800-820℃下进行。从上述反应可知,也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组成中,氢气含量可达74%(体积),其生产成本主要取决于原料价格,我国轻质油价格高,制气成本贵,采 用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料, 催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作,并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺,制取小型合成氨厂的原料,这种方法不必用采高温合金转化炉,装置投资成本低。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟,但因受原料的限制目前主要用于制取化工原 料。 以重油为原料部分氧化法制取氢气 重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油,重油 与水蒸汽及氧气反应制得含氢 气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温 度。该法生产的氢气产物成本 中,原料费约占三分之一,而重油价格较低,故为人们重视。我国建 有大型重油部分氧化法制氢装置,用于制取合成氢的原料。 生物质制氢 生物质资源丰富,是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生 物制氢。 (1)生物质气化制氢 将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型,在气化炉(或裂解 炉)中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果,在国外,由于转化技术的提高,生物质气化已能大规模生产水煤气,其氢气含量大大提高。 (2)微生物制氢 微生物制氢技术亦受人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶 催反应可制得氢气。生物质 产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。属于化能营 养微生物的是各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌)发酵微 生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。目前已有利用碳 水化合物发酵制氢的专利,并利用所产生的氢气作为发电的能源。光 合微生物如微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系, 称光合产氢。 其它合氢物质制氢 国外曾研究从硫化氢中制取氢气。我国有丰富的H25 资源,如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H 多含量高达90%以上,其储量达数千万吨,是一种宝贵资源,从硫化氢中制氢有各种方法,我国在 90 年代开展了多方面的研究,各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源,提供清洁能源及化工原料奠定基础。 各种化工过程副产氢气的回收 多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气,如能采取适当的措施进行氢 气的分离回收,每年可得到数亿立方米的氢气。这是一项不容忽视的资源,应设法加以回收利用。目前化工厂副产氢气的回收,可提供一 种较为廉价的氢源,应予以重视。 2、氢的解和运输 氢在一般条件下是以气态形式存在的,这就为贮存和运输带来了很大的困难。氢的贮存有三种方法:高压气态贮存;低温液氢贮存;金 属氢化物贮存。 2.l 气态贮存 气态氢可贮存在地下库里,也可装人钢瓶中,为减小贮存体积,必须 先将氢气压缩,为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为20mp 的高压钢瓶贮氢重量占只1.6%;供太空用的钛瓶储氢重量 也仅为 5%。为提高贮氢量,目前正在研究一种微孔结构的储氢装置, 它是一微型球床。微型球系薄壁(1—10um),充满微孔(l0-10um),氢气贮存在微孔中,微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。 、低温液氢贮存 将氢气冷却到-253℃,即可呈液态,然后,将其贮存在高真空的绝 热容器中,液氢贮存工艺首先用于宇航中,其贮存成本较贵,安全技术也比较复杂.高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点,现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠导热系数极小,其颗粒又非常细。可完全抑制颗粒间的对流换热,将部分镀 铝微珠(一般约为3%-5%)混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空,其绝热效果远优于普遍高真空的绝热容器,是一种理想的液氢贮存罐,美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。 、金属氢化物贮存 氢与氢化金属之间可以进行可逆反应,当外界有热量加给金属氢化物时,它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时,氢就以固态结合的形式储于其中,用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。目前世界上己研究成功多种贮氢合金,它们大致可以分为四类:一是稀土锎镍等,每公斤锎镍合金可贮氢153L。 二是铁一钛系,它是目前使用最多的贮氢材料,其贮氢量大,是前者 的 4 倍,且价格低,活性大,还可在常温常压下释放氢,给使用带来很大的方便。三是镁系,这是吸氢量最大的金属元素,但它需要在 287℃下才能释放氢,且吸收氢十分缓慢,因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系,这类金属本身属稀贵金属,因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质,包括平衡压力一温度曲线、生成食转化反应速度,化学及机械稳定性等,寻求更好的贮氢材料仍是氢开发利用中值得注意的问题。带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式,它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源,也可用于吸收废热, 储存太阳能,还可作氢泵或氢压缩机使用。 、氢气的运输 氢虽然有很好的可运输性,但不论是气态氢还是液氢,它们在使用 过程中都存在在着不可忽视的 特殊问题,首先,由于氢特别轻,与其他燃料相比在运输和使用过程 中单位能量所占的体积特别大,即使液态氢也是如此。其次,氢特别 容易泄漏,以氢作燃料的汽车行驶试验证明,即使是线%,而汽油一般一个月才泄漏1%,因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的密封措施。第 三,液氢的温度极低,只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤, 因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。 3、氢能利用 早在第二次世界大战期间,氢即用作A—2 火箭发动机的液体推进剂。1960 年液氢首次用作航天动力燃料。1970 年美国发射的阿波罗登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭 领域的常用燃料了。对现代航天飞机而言,减轻燃料自重,增加有效 载何变得更为重要。氢的能量密度很高,是普遍汽油的3 倍,这意味着燃料的自重可减轻2/3,这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的 航天飞机以氢作为发动机的推进剂,以纯氧分为氧化剂,液氢就装在外部推进剂桶内,每次发射需用 1450m3,重约100t。 现在科学家们正在研究一种固态氢的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料,又作为飞船的动力燃料。在飞行期间,飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而消耗掉。这样飞船在宇宙中就能飞 行更长的时间。氢是21 世纪重要的能源载体。以氢为燃料的燃料电池,燃烧时氢与氧结合生成水,是一种洁净的发电技术,顺应了全球的环保大趋势。 当前,世界著名的汽车厂商,为发展环保型汽车,加紧更新传统的车用燃料,纷纷决定采用氢能,掀起了一场氢能汽车开发的热潮。 实验证明,使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的30%,造成的大气污染仅为内燃机的5%,美国汽车工业协会预测, 到 2002 年,美国将生产约50 万- 100 万辆氢能汽车。 除汽车外,200 年开始,美国、欧洲和日本将在飞机上推广氢燃料。据欧洲空中客车飞机公司预测,最迟将于2002 年,欧洲生产的飞机

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