《新能源技术与应用》第1章

第1章绪论1.1 能源的概念与分类1.1.1 能源的概念能源（Energy source）是人类生存和社会发展的主要物质基础之一，人类对能源的开发和应用，推动了工业社会和现代文明的发展。

无论我们打开电视欣赏节目，还是打开灯光照明；无论是乘坐火车、飞机旅行，还是驾车、乘公交上下班；无论用空调、冰箱制冷，还是用燃气、煤炭燃烧制热；从大型工业设备运行，到小型手机充电；花草果蔬沐浴阳光，人造卫星升入太空；一句话，人类的活动离不开能源。

能源的定义有许多种。

《大英百科全书》讲：“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”。

我国的《能源百科全书》定义：“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”。

能源包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、风能、太阳能、核能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。

1.1.2 能源的分类可以从不同的角度来分类能源。

1. 按属性分类（1）可再生能源：可重复产生的一次能源称为可再生能源，它们不会因为长期使用而减少，可以循环再生。

如：太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋能。

（2）非可再生能源：经过亿万年形成，短期内无法恢复补充，称为非可再生能源。

如：煤、石油、天然气、核能。

2. 按开发程度分类（1）常规能源：是长期以来人类广泛生产和利用的传统能源。

如：煤炭、石油、天然气、水能、生物能等。

（2）新能源：近年来才被人们重视，还没有大量使用，需要采用新技术开发，具有发展前途的能源称为新能源。

如：太阳能、地热能、核能、海洋能、风能等。

3. 按形成原因分类（1）来自太阳辐射的能量，如：太阳能、煤、石油、天然气、水能、风能、生物能等。

（2）来自地球内部的能量，如：核能、地热能。

（3）来自天体引力的能量，如：潮汐能。

4．按转换过程分类（1）一次能源，是直接存在于自然界的天然能源。

如：煤、石油、天然气、水能、风能、核能、海洋能、生物能。

（2）二次能源，是由一次能源直接或间接加工转换而成的人工能源。

如：汽油、柴油、焦炭、煤气、沼气、蒸汽、火电、水电、核电、太阳能发电、潮汐发电等。

1.2 世界能源发展概况在全球经济高速发展的今天，能源安全已上升到了国家的高度，能源的开发和有效利用程度以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。

能源是经济发展的源动力，不仅影响着世界的政治格局，还关系到世界的安宁。

当今世界使用的能源，主要是传统的不可再生能源，如石油、煤炭、天然气等。

人类在150年前发现了石油，二十世纪中叶以来石油大量应用成为能源主力，石油是工业的“血液”，目前全球石油消费占能源消费的40%以上。

世界能源的分布极不平衡，能源生产国和消费国在地理上分离，地球石油储量的三分之二分布在中东地区，预测不到45年将使用枯竭。

煤炭储量较大，预测可以再使用220年，总的来说，能源的快速消耗，导致能源短缺问题日益突出，能源危机迟早会到来。

如果能源供应出现严重短缺或中断，与能源有关的各种经济社会生活会受到冲击而造成巨大混乱。

表1.1 世界与中国常规能源储量图世界主要国家能源开发与利用情况如下。

1.美国美国是世界主要的能源生产国和消费国，能源特别是石油利益一直是美国战略的核心，在当代世界石油资源争夺中，美国一直扮演着首要的角色。

1919年美国控制了当时世界石油产量的68%。

美国在立足国内石油开发的同时，加强了对国外石油资源的争夺，逐步伸向拉美、亚洲和中东地区。

第二次世界大战后，美国由次强国上升为霸权国，一步步确立了对中东的主导地位。

美国凭借其强大的军事力量，控制海上运输通道。

在国际石油市场上，以美国为主的七大石油公司控制了石油生产和销售的各个环节，把国际油价定于低水平。

在1956年第二次中东战争以后，美国和苏联在中东争夺霸权的斗争也日趋激烈，随着欧洲、日本经济的发展，石油市场出现供不应求的状况，欧佩克出现，对美国的石油霸权发起挑战，美国主导的国际石油体系面临着危机。

欧佩克通过提价、禁运、参股、国有化等方法一步步夺回石油市场的主导权。

美国通过建立国际能源合作机制，如国际能源机构( IEA)、八国集团(G8)等，压缩需求，发展新技术，扩大国内石油供应，通过发达的能源期货市场，大体实现了对国际石油价格的影响和控制。

美国庞大的战略石油储备，在应对石油危机方面发挥了重要作用，战略储备石油的购买和释放都会给国际石油市场带来冲击。

20世纪90年代以来，冷战结束后，美国发动了海湾战争、伊拉克战争、阿富汗战争、利比亚战争，2007年，美国设立了非洲司令部，把非洲打造成美国石油来源多元化的重要基地，使该地区成为维护其能源安全的重要能源基地。

美国目前有100座商业核电站正在运行，分布在31个州，而2012年有104座运行的核电站。

核电约占美国发电总量的20%，年发电量约7.89亿兆瓦时，装机近10万兆瓦。

奥巴马任期以来，美国推动能源产业转型，发展新能源和可再生能源，奥巴马于2009年2月17日签署了《美国复苏与再投资法案》( American Recovery and Reinvestment Act)，投资7870亿美元来重新振兴美国经济，重点是发展新能源和保障就业，在节能方面主要的举措是推动汽车节能。

奥巴马的最终的目标就是通过能源改造、转型，使得美国大幅减少对中东、委内瑞拉等国的石油依赖，较少依赖化石能源，进而实现国际秩序的重建。

2.俄罗斯俄罗斯和欧佩克成员国主导石油与天然气出口半个多世纪，全球市场上55%的石油来自OPEC。

俄罗斯仅次于OPEC组织。

沙特阿拉伯是世界上最强大的产油国，储量比俄罗斯高得多，为了维持油价控制产油量，才使俄罗斯成为最大的产油国。

俄罗斯原油出口的70%流向欧洲。

俄罗斯又是最大的天然气出口国。

俄罗斯、伊朗、卡塔尔三国的天然气储量占世界储量的55%。

2014年俄罗斯有关未来20年能源战略的草案提到，到2035年将把向亚洲出口的石油销量翻一番，天然气销量扩大4倍。

2014年5月中国与俄罗斯在签订了4000亿美元的天然气供应协议，俄罗斯天然气工业公司将在30年期间每年向中国石油天然气集团公司(CNPC)供应380亿立方米天然气。

预计出口量相当于俄罗斯天然气工业公司目前出口量的16%，相当于目前中国消费量的23%。

管道预计最早2018年开始输气。

3.日本日本资源匮乏，是世界能源消费大国和能源进口大国。

日本先于中国进入工业化时代，先于中国进入能源大量消费和大量进口时代。

战后实现经济发展所需要的能源基本依靠海外进口，85%煤炭需要进口，世界上最大的天然气进口国，这种能源状况决定了日本要经常面对诸多能源安全问题。

日本50年代能源结构以煤为主，60年代调整为以石油为主，70年代石油危机以后，日本又将能源结构调整为以石油、煤、核能和天然气为主，以太阳能、地热、风能、生物能源等新能源为辅的多元的安全能源结构。

因为降低了对石油的依赖，2002年到2007年的世界油价暴涨对日本经济的影响已经降到最小限度。

目前日本国内受世界油价上涨引发的物价上涨并不明显。

日本在节能技术、节能材料和节能管理各方面比较发达。

2011年3月日本东海岸大地震导致福岛核泄漏事件，日本所有核电站停运。

2011年8月，日本颁布立法，对光伏实行强制上网电价，要求其全国10家电力公司购买过剩的太阳能电力。

日本海上风电资源丰富，但目前成本是陆地风力发电的2倍左右。

另外大力开展波浪能、潮汐能、温差能发电，三井造船株式会社的波浪能发电浮标可在台风来袭时沉入水下，躲过大波浪。

日本海洋研究开发机构设计的振动水柱式波浪能发电装置设置在防波堤上。

该堤坝工程墙体向外突出，可提高波浪能吸收效率。

神户大学研制出陀螺仪式波浪能发电设备，其动力输出装置利用了日本原创的陀螺仪技术。

川崎重工业株式会社研制出了可装卸式海底潮汐能发电装置。

日本经济产业省运用各种措施和项目，发展本国的光伏产业和容量，包括“新阳光工程”、“5年光伏发电技术的研究与开发计划”和“住宅光伏系统推广计划”。

据统计，太阳能产品在日本的市场占有率已达到30％，仅次于德国的39％。

日本文部科学省公布的2013年度以全国30621所公立中小学校为对象的调查结果显示，日本已有近两成公立中小学校已经安装和正在安装可再生能源设备(太阳能发电装置)。

核能仍为法国主要能源来源。

预计到2025年核电占电力消费比重将从当前的75%降至50%。

法电力企业RTE报告显示，2013年法国73.3%的电力产自核能，而可再生能源的贡献率为18.6%。

法环境部长Ségolène Royale表示，法国不得不选择核能，核能仍将在该国能源结构中处于关键地位。

据悉，法国能源转型法律设定的目标是，到2030年可再生能源占法能源消费比重提升至32%，二氧化碳排放较1990年降低40%，石化能源消耗降低30%。

截至2050年的目标是能源消费减少50%，二氧化碳排放比2012年减少25%。

4.中国中国作为世界上最大的发展中国家，随着人均GDP的增加，世界工厂地位的奠定，中国成了能源生产和消费大国。

2013年中国能源消费占全球消费量约22.4%，是世界最大的能源消费国。

表1.2是国家能源局发布的近两年中国大陆用电量。

中国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭占我国一次能源消费总量的70%左右，煤炭消费比重比世界平均高41%；中国石油、天然气资源相对不足，石油探明可采储量只占世界的2.4%，天然气占1.2%，中国人均能源资源占有量远比世界平均值要低，我国人均石油、天然气可采储量分别仅为世界平均值的10%和5%。

BP英国石油公司发布了2013年《BP世界能源统计年鉴》，煤炭在中国能源结构中的主导地位有所下降，占比为67.5%，创历史新低。

石油占比为17.8%，是1991年以来的最低值；而天然气消费则大幅增长10.8%，增幅居世界首位，清洁能源占比大幅度增长，非化石能源占比达到9.6%。

近年来中国的大面积雾霾天气反映了环境污染的严重程度。

京津冀地区空气中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；尤其是冬季供暖季，煤炭被指是“罪魁祸首”；机动车尾气污染物排放总量；氮氧化物污染呈加重趋势。

中国科学院“大气灰霾追因与控制”专项组研究员揭示：京津冀鲁占全球陆地面积不到0.3%，却燃烧了全球11%的煤，生产了全球15%的钢。

另一份机构研究报告则指出，煤炭燃烧是京津冀地区雾霾的最大根源，对二氧化硫和氮氧化物的贡献分别达到82%和47%。

从英美等国能源转型的实践看，用天然气替代煤炭是战胜雾霾的一个重要途径。

今年5月，中俄签订价值4000亿美元的天然气大单，也被视作中国改变能源消费结构的重要举措。

2013年9月，政府发布了《大气污染防治行动计划》，要求大幅削减燃煤，增加新能源的供应和煤改气的比重。