吉林省新能源产业发展研究|新能源概述及其发展前景

一、新能源概述

(一)新能源概念

新能源①是相对于常规能源来说的,也可以说,新能源包括各种可再生能源和核能。是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能。新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源,包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等。而常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源,煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源。

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。联合国开发计划署(UNDP)把新能源分为以下三大类:大中型水电;新可再生能源,包括小水电(Smallhydro)、太阳能(Solar)、风能(Wind)、现代生物质能(Modern biomass)、地热能(Geothermal)、海洋能(Ocean)(潮汐能);传统生物质能(Traditional biomass)。按类别可分为:太阳能、风力发电、生物质能、生物柴油、燃料乙醇、新能源汽车、燃料电池、氢能、垃圾发电、建筑节能、地热能、潮汐能、二甲醚、可燃冰等。

新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。同时,由于很多新能源分布均匀,对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。

(二)新能源种类

1﹒风能

风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量,空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。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,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。风能就是空气的动能,风能的大小决定于风速和空气的密度。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。空气流动所形成的动能即为风能。风能是太阳能的一种转化形式。太阳的辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均,空气沿水平方向运动形成风,风的形成乃是空气流动的结果。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前,但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,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,有着十分重要的意义。

2﹒太阳热能

太阳能是太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的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于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于太阳;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。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、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。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。现代的太阳热能科技将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能,方法是在设计时加入合适的装备,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

3﹒生物质能

(1)生物质能概念

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能(biomass energy),就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳,所以从广义上讲,生物质能是太阳能的一种表现形式。目前,很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中,它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能,通常包括木材、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物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富,而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍,但目前的利用率不到3%。

(2)生物质能种类

依据来源的不同,可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。

①林业资源。林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源,包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等;木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等;林业副产品的废弃物,如果壳和果核等。

②农业资源。农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物);农业生产过程中的废弃物,如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等);农业加工业的废弃物,如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物,通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。

③生活污水和工业有机废水。生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成,如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等,其中都富含有机物。

④城市固体废物。城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾,商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂,受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。(www.chuimin.cn)

⑤畜禽粪便。畜禽粪便是畜禽排泄物的总称,它是其他形态生物质(主要是粮食、农作物秸秆和牧草等)的转化形式,包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。

(3)生物质能特点

生物质能具有可再生性,生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用;其次具有低污染性,生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的硫氧化物(SOX)、氮氧化物(NOX)较少;生物质作为燃料时,由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应;再次生物质能具有广泛分布性,缺乏煤炭的地域,可充分利用生物质能;最后生物质燃料总量十分丰富,生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000~1250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是碳薪林的推广,生物质资源还将越来越多。

4﹒地热能

地热是指地球内部所储存、产生的热量。能够经济的为人类所利用的地球内部热量,称地热资源,人们习惯简称为“地热”。地热资源的现代涵义包括:地热过程的全部产物,指天然蒸汽、热水和热卤水等;由人工引入(回灌)热储的水、气或其他流体所产生的二次蒸汽、热水和热卤水等;由上述产物带出的矿物质副产品。目前,可利用的地热资源有:天然出露的温泉地热资源;通过热泵技术可开采利用的浅层地热资源;通过人工钻井直接开采利用地热水(气)资源和干热岩体中的地热资源。据专家推算,每年从地球内部传到地球表面的热量,相当于370亿吨标准煤燃烧时发出的热量。有人做过如许的估量,若是把地球上储存的煤炭全数燃烧释放出来的热量作为100,那么地球内储藏的地热能总量约为煤的17亿倍。然而,地热资源的开发利用受地热热储的埋深、资本的类型、开采技术手段等多种身分的制约,这么庞大的地热能在现阶段是不可能都掏出来操纵的。

地热能是一种综合性的有效矿产。作为一种新能源,它具有分布广、干净、可直接操纵等长处。地热能的开发利用有悠长的汗青,早在几千年前,人类就操纵热泉治病和洗浴跟着人类社会的不断发展,地热能开发利用的规模越来越广,已受到世界各国的遍及正视。

5﹒核能

核能(或称原子能)是通过转化其质量从原子核释放的能量。世界上一切物质都是由原子构成的,原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量,分别称为核聚变能和核裂变能,简称核能。符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc&sup2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能的释放主要有三种形式:A﹒核裂变能所谓核裂变能是通过一些重原子核(如铀-235、铀-238、钚-239等)的裂变释放出的能量。B﹒核聚变能由两个或两个以上氢原子核(如氢的同位素—氘和氚)结合成一个较重的原子核,同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应,其释放出的能量称为核聚变能。C﹒核衰变是一种自然的慢得多的裂变形式,因其能量释放缓慢而难以加以利。

能量密度大和反应速率快是核能的两大特点。首先能量密度大。从下面核能与化学能的比较我们可以很清楚的看到它们之间的差距。

裂变　　1千克铀-235放出热量　　19600 000 000千卡

燃烧　　1千克标准煤放出热量　　7000千卡

燃烧　　1升重油放出热量　　9900千卡

燃烧　　1立方米天然气放出热量　　9800千卡

同一质量下,核能比化学能大几百万倍。从上述数据中,我们可以看到,1千克铀-235放出热量相当于燃烧约2700吨标准煤。其次核能反应速率快,从原子弹的爆炸我们就可以领教核能的反应速度。我们都知道原子弹爆炸会产生蘑菇云,那是为什么呢?就是因为核能在瞬间产生的巨大能量,急剧压缩其周围的空气形成压差,导致强烈气流流动形成的。

6﹒海洋能

海洋能(ocean energy)是海水运动过程中产生的可再生能,主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力,其他海洋能均源自太阳辐射。

海水温差能是一种热能。低纬度的海面水温较高,与深层水形成温度差,可产生热交换。其能量与温差的大小和热交换水量成正比。潮汐能、潮流能、海流能、波浪能都是机械能。潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。波浪的能量与波高的平方和波动水域面积成正比。在河口水域还存海洋能在海水盐差能(又称海水化学能),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,可产生渗透压力,其能量与压力差和渗透能量成正比。一望无际的大海,不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏,而且还蕴藏着巨大的能量,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里,不像在陆地和空中那样容易散失。

海洋能具有如下特点:一是海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大,而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说,要想得到大能量,就得从大量的海水中获得。二是海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力,只要太阳、月球等天体与地球共存,这种能源就会再生,就会取之不尽,用之不竭。三是海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律,编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报,预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。四是海洋能属于清洁能源,也就是海洋能一旦开发后,其本身对环境污染影响很小。

7﹒氢能

氢能(hydrogen energy)通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能,氢在地球上主要以化合态的形式出现,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得,因此是二次能源。工业上生产氢的方式很多,常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。氢能具有以下主要优点:燃烧热值高,每千克氢燃烧后的热量,约为汽油的3倍,酒精的3﹒9倍,焦炭的4﹒5倍。燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。资源丰富,氢气可以由水制取,而水是地球上最为丰富的资源。

氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为,在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下,氢气产生的能量最多,而且它燃烧的产物是水,没有灰渣和废气,不会污染环境;而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫,可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的,而氢主要存于水中,燃烧后唯一的产物也是水,可源源不断地产生氢气,永远不会用完。氢的用途很广,适用性强。它不仅能用作燃料,而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。