能源开发和利用医药化工学院：梁华定

本章内容•一、能源的地位与作用•二、能源的分类•三、世界和中国能源的现状与发展趋势•四、解决能源危机的有效途径

第一节、能源的地位与作用• 1 、能源在人类社会的发展中占据重要地位，它是人类社会发展的基

本条件，是发展农业、工业、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源开发利用的广度和深度是衡量一个国家的科技和生产水平的主要标志之一。能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。

• 2 、能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。

• 能源发展经历三个时期：• A 、柴草时期：火的发现－ 18 世纪产业革命，用于烧制陶瓷和冶炼金

属；• B 、煤炭时期： 13 世纪开采， 18 世纪中大规模开采， 1769 年瓦特发

明蒸汽机，产生第一次产业革命；• C 、石油时期： 60 年代超过煤。

三次重大突破

A 、发明蒸汽机，产生第一次产业革命；B 、电力发明使人们的生产活动进入电气时期；C 、原子能发明进入时期。

第二节、能源的分类• 按来源分：• A 、来自地球以外的太阳能，如太阳辐射能、煤、石油、天

然气、水能、风能、雷电等；• B 、来自地球本身，如地热能、原子核能；• C 、来自地球与月球、太阳等天体相互作用产生的能量如潮

汐能。• 按构成分：• A 、一次能源，包括常规能源（可再生能源如水能，非再生

能源如煤炭、石油、天然气），新能源（可再生能源如太阳能、风能、生物质能，非再生能源如核聚变能 , 油页岩、油沙）；

• B 、二次能源如煤制品、石油制品、电力、氢能、蒸气等。

第三节、世界和中国能源的现状与发展趋势• 1 、世界能源的结构与消耗• （ 1 ）近一百年世界能源消耗增长了 20 倍 年份：

1950 1960 1970 1980 1990 世纪末 万吨 标准煤 239194 292420 643956 852391 1147610 20Gt 中国 6968 （ 1955 ） 30189 29291 60275 98703

• 能源消耗最多的是美国：人口占 4.9 ％，能耗占 24.4 ％；印度人口占 15.4 ％，能耗占 2.3 ％；我国 1996 年人均能耗 1.14 吨，排名 86 （世界人均 2.4 、北美 10 、欧洲苏联 5 ）

• (2) 能源结构• 1980 － 1986 年 石油 煤炭 天然气 核能 总计 世界能

源消耗增长率 9 ％ 24 ％ 19 ％ 335 ％ 27 ％ 20 世纪 60 年代以前煤是世界最重要能源，后来，石油上升较快，发达国家以石油为主。美国、日本 56.3 ％；我国、印度仍以煤为主，我国 75.8 ％ , 印度 67.8 ％ .

1950-1995 世界能源消费量和构成

年份

消费量

108tc

e 煤

在消费量中所占比例

煤 石油 天然气 水电、核电

195023.9

2 60.9 27.2 10.1 1.8

196029.2

449.5 33.3 15.1 2.1

197064.4

033.5 44.0 20.1 2.4

198085.2

430.8 44.2 21.5 3.5

1990114.76

27.3 38.6 21.7 12.4

1995  / 27.2 39.7 23.1 10

能源形势－－能源危机1 、化石燃料，有限能源（枯竭）

能源危机迫在眉睫 世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。 然而，由于这一经济的资源载体将在 21 世纪上半叶迅速地接近枯竭。

石油储量 1180~1510亿吨，以 1995 年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在 2050左右年宣告枯竭。 天然气储备估计在 131800~152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在 57~65 年内枯竭。 煤的储量约为 5600亿吨。 1995 年煤炭开采量为 33亿吨，可以供应 169 年。 铀的年开采量目前为每年 6万吨，根据 1993 年世界能源委员会的估计可维持到 21 世纪 30 年代中期。 核聚变到 2050 年还没有实现的希望。

• 1995版世界能源大会《能源资源调查》： 能源 储量 1993 年能源产量 储采比 煤 1031.6Gt 4.474Gt 230 石油 140.7Gt 3.197Gt 44 （我国 23 年） 天然气 14.1Tm3 0.2485 Tm3 57 核能 2.23Mt 铀 32171t （装机 358GW ，年发电量 2.17×1012KWh) 水能：理论蕴藏量 3.5 ×1013KWh/a, 技术可开发资源 1.46 ×1013KWh/a, 经济可开发资源 0.9 ×1013KWh/a,装机 7.2 ×108KW, 发电量 2.38 ×1012KWh/a

特别是石油 1953 年 1963 年 1973 年 1993 年 年产量 6.49 亿吨 13.8 亿吨 28.2 亿吨 31.97 亿吨

禁运后，石油在两个月内涨价 4 倍，至 1979 年涨了近 10 倍。，至 1982 年上涨了 675 ％。 1973 年美国缺少 1.16亿吨标准煤能源生产损失 930亿美元；日本缺少 0.6亿吨，损失 485亿美元，致使 1974 年日本国民生产总值下降。（在这之前日本每年递增 10％）

石油由西方石油公司（“石油七姐妹”）垄断，西方利用廉价石油，改造产业结构，经济繁荣。 1973 年阿拉伯国家成立“石油输出国组织欧佩克（ OPEC ”） （中东储量占 65 ％，出口占 80％）向西方强国禁运石油＊ ,10 月战争？

储量前十名的国家：沙特、伊拉克、科威特、阿联酋、伊朗、委内瑞拉、前苏联、墨西哥、美国、中国。

2 、能源对环境污染• （ 1 ）化石燃料，产生大量 CO2 ，导致温室效应＊； • （ 2 ）化石燃料，产生大量 NOX 、 SO2 ，导致酸雨＊；• （ 3 ）化石燃料及生物质燃料，产生 NXO ，导致氧空洞；

• SOx 、 NOx 、 CO2 、 CO 、 THC 、 PM 、水污染、土质。 　 由于以煤为主，形成了以煤烟型污染为主的严重环境问题。例如： 1995 年，全国烟尘排放量约1744万吨，其中 70 ％来自煤的燃烧；全国 SO2 排放量约 2370万吨，其中 85 ％来自煤的燃烧；全国 CO2排放量约 30亿吨，占全球的 14 ％，只比美国的 22 ％低，而各列为第二（人均排放量还很低）。而燃煤在我国 1/3 以上是用于火力发电。由低水平的燃煤所造成的酸雨、光化学雾及温室效应等环境问题日益突出。而在大城市中，机动车排放所造成的环境污染，也日益严重。

•（ 4 ）热污染，一座 1000MW 火电厂，排热 4.6 ×1012J/a ；

•（ 5 ）放射性污染；•（ 6）影响人体健康。

•3 、石油、煤是主要化工原料•20世纪是石油化工大发展的一百年，世界年产乙烯 5000 万吨，100 套 30万吨／年乙烯装置。

2 、我国能源的现状

• 1996 年 煤 石油 天然气 水能 能耗 总量 1145 亿吨 33 亿吨 1.7 万米 3 2.9 亿 KW 12.6 亿吨居世界位次 3 11 19 1 2 ( 能耗：美国 28.98 亿吨、俄国 9.494 亿吨 日本 0.6838 亿吨）

（ 1 ）我国能源资源

中国一次能源储量和产量

  储　量 年产量

煤 108t 1145(NO.3) 12.9(NO.1)

石油 108t 33(NO.11) 1.49(NO.5)

天然气 108M3 17,000(NO.19) 176(NO.21)

核能 109KWH 铀 40GW(30 年 ) 13(NO.18)

水能 109KWH 290GW(NO.1) 188(NO.4)GW=109W

　　这张表给出了我国主要一次能源的探明可采储量和年产量，由此可知，我国石油可维持 30 多年，天然气 80 年，而煤可维持 100~200年。属于多煤、少气、缺油的情况。

统计数据显示，中国目前已经成为全球煤炭第一大消费国，基本能源消费占到世界总消费量的十分之一，同时，中国也是继美国之后的世界第二大石油和电力消费大国。 按照专家的估算：

1999 年我国石油开采量约 1.6亿吨，但是消耗量已上升到 1.9亿吨，到 2010 年预计消耗量将达到 3亿吨。

1993 年后我国已成为石油净进口国。 2000 年原油进口已超过7000万吨。天然气近年生产量已有较大幅度增加，新的气田也有所发现，也在计划从俄国（独联体国家）进口一些天然气，西气东输也在实施，但花一千多亿的投资，东输 200 多亿米 3/ 年天然气。

•A 、人均能源拥有量低（ 1996 年人均能耗，排名 86 位）；•B 、能源生产和消费结构依然以煤为主（ 75.8 ％年耗 13亿吨）煤 1/3 以上是用来发电的，直接燃烧利用热能为主

(2) 我国能源工业面临的问题

中国的能源消费和构成

年份

消费量

108t

ce 煤

在消费量中所占比例

煤 石油 天然气 水电、核电

1950

0.69

93.0

4.9 - 2.1

1960

3.02

93.9

4.1 0.5 1.5

1970

2.93

80.9

14.7 0.9 3.5

1980

6.03

72.2

20.7 3.1 4.0

1990

9.87

76.2

16.6 2.1 5.1

1995

12.27

75.0

17.4 1.9 5.7

•C 、能源资源分布不均匀。（北煤南运，西电东送，南水北调。煤炭集中华北地区，水能集中西南地区）能源产地和主要利用能源的经济发达地区分布不平衡 .

• 地区 华北 东北 西南 西北 华东 中南 能源丰度（吨／人） 2680 293 1218 1216 141 142

•D 、能源利用率低，造成的污染严重 .单位 GPT 能耗是日本的 6 倍，美国的 3 倍，韩国的 4 . 5 倍；

目前中国产品能耗极高，主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高２５－９０％，加权平均高出４０％左右。比如，每千克油当量的能源，日本企业平均可以创造出１０ .２美元的产值，中国只能创造出０ .７美元。我国单位能源使用产生的ＧＤＰ，目前只有发达国家平均水平的五分之一至十六分之一左右

•E 、农村商品能源短缺（人口 8.6 亿，能耗 12.6 亿吨， 2 ／ 3 靠柴薪） •F 、环境污染严重＊；由于我国是以煤为主的国家。煤炭的含氢量低，一般来说，相对于天然气，必然会带来 CO2 排放量大的问题。如何在经济发展中，控制 CO2 的排放量，已经成为重要的课题。中国 CO2 排放量已在世界上位居第二，占 14% ，美国为 22% 。以煤为主、能效低是主要原因。 •G 、能源建设周期长，耗能多；能源输送路线比较长，占去国家相当大的运力•H 、能源工业装备落后；•I 、价格末能反映成本不合理

第四节、解决能源危机的有效途径

节能和提高能量利用效率是最主要的。

解决能源危机的措施有

开发和使用新技术。如发电，我国发电终端平均能效只有30% ，如果采用 IGCC （整体联合循环发电）、超临界发电技术、增压循环流化床等技术，现已可提高到 36-46% ，今后几年有可能达到 56-60% 。其中也有大量化学问题要解决，多学科交叉。

提高使用清洁能源（如天然气）的比率。 使用更多的‘可再生’能源（水力、风力、潮汐、地热）。 使是用新能源。太阳能、氢能。

核能 燃料电池技术

• 1 、化石燃料的有效与清洁利用；

• 2 、适度发展核能；• 3 、开发新能源；• 4 、改变能源转换途径。

（一）、化石燃料的有效与清洁利用• 1 、煤 （ 1 ）现代成煤理论：植物经脱水、脱CO2 、脱 CH4形成

C•

17H24O10→C16H18O5 →C16H14O3 →C15H18O →C18H4

植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤• （ 2）现状效率：我国年耗＞ 10亿吨（ 30％发电、炼焦， 50

％锅炉、窑炉， 20％人民生活）。 A 、效率低（煤球 20－ 30％，蜂窝煤 50％，碎煤＜ 20％）； B 、污染。

• （ 3）提高效率的措施：煤的流体化，包括泥浆混合流体化；煤的气化（气化反应，改性反应）；煤的焦化（干馏）；煤的液化。

• （ 4）煤的液化（加氢法、脱碳法、分解重组法），煤的拔头工艺生产液体燃料（年轻煤种中挥发性组分可提出20％左右，其中 2％为汽油、 10％为柴油），在 21世纪将大有发展前景。

加压气化法城市煤气生

         

  

　　以含一个碳原子的化合物－甲烷 (CH4) 、合成气 (CO

和 H2) 、 CO2 、 CH3OH 、 HCHO 等为初始反应物，反应合成一系列重要的化工原料和燃料的化学。其核心是选择催化化学转化、小分子的活化和定向转化。

　　 CO 、 CO2 是从煤的气化得到的、而 CH4 是天然气的主要成分。因此一碳化工实际上就是一种新一代的煤化工和天然气化工。

什么是一碳化学

煤化工和天然气化工 : 一碳化学

煤的气化最主要的反应有 :

C+O2-COC+H2O-CO+H2CO+H2O-CO2+H2

反应过程伴随着 CO2 的排放 (还有一些反应如生成 CH4

的反应等 ,此处为列 )

       天然气的蒸气重整　　　 　　上面两点表示出煤的气化和 CH4 重整的主要反应。正是通过这些反应，产生出合成气（ Syngas ），合成气的主要成分是 CO 和 H2 ，它以作为合成氨的原料气而得名。

大量的化工产品可以以合成气作为起始原料。使用不同的催化剂，可以从合成气制出不同的有机化合物产物，这就组成了所谓的合成气化学。由 CH4 、 CH3OH 等含一个碳原子的分子，也可以通过催化反应直接生成新的化合物。这就形成了所谓的甲烷化学和甲醇化学，它们都是由一系列典型的化学合成反应所组成的。 由 CO加氢合成一系列化合物的化学称合成气化学 由甲烷直接合成的称甲烷化学 由甲醇为原料合成一系列下游产品的为甲醇化学

　　　

这个表绘出了一个反应网络。可见由合成气（ CO/H2 ）出发，通过不同的催化剂和反应条件，可以合成一系列当今十分重要的化学品。而这些化工产品其优势是在合成含氧化合物上。它可以使 CO 中的氧原子全部和部分带入到产物分子中，原料气得到了最充分的应用。这些化学品的生产，目前已经在经济上可与石油化工技术竞争，而具有一定的优势。

这个网络突出表明了由合成气可以通过一定催化反应合成出各种车用燃料和汽油添加剂。这也是当前由煤（或天然气）合成汽车清洁代用燃料的主要途径。我们要知道，一些含氧化合物燃料，如甲醇、乙醇、低碳醇、 MTBE 等都有很高的辛烷值，是很好的汽油代用品或添加剂，并可使汽车尾气排放的污染量大大减少。而二甲醚又是柴油的替代品，有很高的 16烷值。而这些化合物（如甲醇）又可以是将来燃料电池的主要液体燃料，其发展前景是十分广阔的。

下面几张图各给出了一些工艺图表。只是想说明，由于煤化工首先要把煤气化，而当前煤气化的先进技术，可以使尾气中排放的硫等污染物达到很低的标准，而且把硫转化为有用的副产品。但是煤化工的投资额是很高的。 60-70 ％是在气化和净化部分（特别是制氧设备）。因此，煤化工应当走多联产的道路，可以和 IGCC 发电技术相结合，使能源利用效率、投资利用效率等大大提高，使成本有竞争力。

工艺总流程示意图 例一（ IGCC 与醋酸生产工艺联合）

下面列出了天然气化工的主要反应。　　间接法 　 CH4 + H2O                  CO + 3H2 (富氢合成气 )

　　直接法 　 CH4+1/2O2                      CH3OH CO , CO2

　难点是如何控制氧化深度，甲烷十分稳定而部分氧化产物甲醇相对容易氧化。　　　　　　 CH4                   C2H6 ， C2H4

　　　　　　　　 　　　　　　 CH4                  芳烃　　间接法主要通过蒸汽重整生产出富 H2 的合成气。这也是生产氢气的主要方法之一。而从合成气出发再进行下游合成反应，就与合成气化学没有区别了。当然从 CH4 生成合成气，目前还在开发新的工艺，其中有 CH4 部分氧化法和 CH4 与 CO2 重整法。目前都还有一些技术问题有待解决。主反应：　　　　　　 　直接法具有很高的技术难度，是目前一碳化学的前沿课题。

下面集中讲述催化的基本概念和催化技术在化学工业发展中的关键作用。正是通过催化技术的发展，使得一碳化学能从 CO/H2 这单一原料而产生出如此多种具有重要实用价值和经济竞争力的化工产品。 催化剂能显著改变反应速率，但不影响反应的平衡位置。热力学参数决定了一个反应是否能进行。催化作用是解决动力学问题，也就是这个反应以怎样的速度来进行。

催化剂的突出特点是催化剂降低了化学反应的活化能催化剂开辟了新的反应途径或指定向加快某一反应，有很高的选择性。

根据阿伦尼乌斯公 Arrhenius

固体催化剂的必要条件 : 至少有一种反应物分子在催化剂表面活性中心上进行化学吸附。 两个被吸附的分子或气相分子与吸附分子之间进行反应生成产物分子。 产物分子易从催化剂表面脱附，表面活性中心恢复原态。均相络合催化剂定向性更强，选择性高。

催化作用在化学工业、能源工业、环境保护中的重要性

催化剂的研究从“手艺” (Art)逐渐走向科学 (Science) 。 催化向“分子剪裁”，催化剂设计方向发展。

一碳化学对催化的高要求：高选择性、高收率、低能耗、经济性要求优于石油化工路线。

2 、石油 化学家遇到的主要挑战：提取上如何提高采收率（从矿藏中得到更多的油）；精炼（原油转化成更有用的化学形态）；燃烧（使精炼油具更大的热值）

• （ 1 ）采收率。 A 、初级开采：靠天然压力，采收率 10 － 20 ％； B 、二级开采：把水、气和蒸气等注入油井中，提高采收率（美国用此法仅 35 ％）； C 、三级开采：用新的化学方法开采先入为余下的可贵资源。如表面活性剂及溶液聚合物，可以把油和周围的水分开。

• （ 2 ）精炼目的是提高辛烷值，采用蒸馏、裂解、重整改变原油的性能。面临的任务是低品质的石油如何转化为高质量的燃料，关键是提高石油精炼技术。

• （ 3 ）燃烧。一是提高燃烧效率，若提高 5 ％，美国获 150亿美元的经济效益；二是降低烟雾、酸雨。

• 3 、天然气 关键在天然气产地要先做好脱硫和去除一些含氮杂质。

• 天然气可作为化工产品生产乙炔等

天然气热裂解制乙炔炉

                  

                                  

（二）核能及其风险利弊• 1 、核能的类型• （ 1 ）核裂变、原子弹、核发电• 235

92U+10n →144

56Ba+8956Kr+31

0n 23592U+1

0n →140

54Xe+9438Sr+21

0n ΔH=8.2×1010 J/g 相当于煤的 250 万倍。

• 原子弹工作原理：让裂变能量不断积累，最后在瞬间酿成重大的爆炸。

•

向长屿投弹的斯威尼 投放长屿

的原子弹 长屿被炸现场

原子弹：鲜为人知的十件事• 1 ．曼哈顿计划• 盟军原子弹计划于 1942 年启动，代号“曼哈顿计划”。这一

计划在新墨西哥州偏远的沙漠地带洛斯阿拉莫斯进行，历时 4年之久，有 20 多万人参与，包括十几名已经获得或即将获得诺贝尔奖的科学家。 ( 费米领导 )

• 2 ．开支及成果• 　曼哈顿计划是二战中最昂贵的计划， 5 年中耗费了盟军约 18亿美元（相当于今天的 180亿美元），共研制出 4枚原子弹。第一枚于 1945 年 7 月 16 日在新墨西哥州沙漠试爆，爆炸威力是预期威力的 4 倍，相当于 1． 9万吨烈性炸药 TNT 的威力。

• 　

资料

3．轰炸目标• 广岛和长崎起初都不是原子弹的袭击目标，盟军将领起初选定的袭击目标是古都京都。但这被当时的美国陆军部长亨利 ·史汀生否决掉了，他想把京都保留给子孙后代。被轰炸前不到两个星期长崎才被选定为轰炸目标，部分原因是它是为数不多的几个几乎未受战争破坏的城市之一。

• 4 ．钚的威力• 　第一枚落在日本的原子弹代号“小男孩”，它的设计非

常独特，是用一台改装过的发炮装置将一块铀— 235 射入另一块铀中。这枚原子弹于 1945 年 8 月 6 日被投在广岛，相当于 1． 25万吨 TNT爆炸时的威力。 3 天之后，另一枚原子弹落入长崎，这次采用的是钚，威力是广岛原子弹的两倍。

5 ．伤亡情况• 原子弹爆炸那天广岛大约有 32． 8万人，其中有 20万

人在 5 年之内死于原子弹的影响。广岛三分之二的建筑都被摧毁。而长崎的约 25． 9万人中有 7万人在同一时期内死去。至少有 9 人在广岛遭袭后逃到了长崎，并且在第二次原子弹爆炸中幸免于难。

• 6 ．裕仁天皇的决定• 　第二枚原子弹爆炸后 4 天，日本将领仍拒绝投降，并考虑采取包括自杀性袭击在内的一些方案来赢得“必然的胜利”。 8 月 14 日，裕仁天皇宣布他不能再眼睁睁看着人民忍受煎熬。第二天，日本无条件投降。这一投降非常及时：盟军正准备在东京投下第三颗原子弹。

• 　

7 ．“印第安纳波利斯”灾难• 　在将“小男孩”的组配件从加州运来之后，美国“印第安纳波利斯”号巡洋舰被一艘日本潜艇击沉。接下来的四天里，850 名幸存者遭到鲨群的连续袭击。他们最终被一架过路的飞机发现并营救，只有 300 人幸存。影片《大白鲨》中，由罗伯特 ·肖扮演的昆特回忆了沉船及后来的这段故事。

• 　 8 ．日本的原子弹计划• 　战争结束后，盟军调查人员发现日本从 1940 年就开始自行研制原子弹。日本的物理学家已经准确地算出制造一颗原子弹至少需要 10公斤浓缩铀。然而到 1943 年，日本人弄清要从普通铀矿石中提取这么多浓缩铀远非易事，原子弹计划就此搁置。

• 　　

9 ．长期影响• 科学家们担心原子弹会导致新生婴儿带有先天缺陷。放射性研究机构从 1947 年开始对幸存者进行跟踪调查。在原子弹爆炸时尚在母腹中的 3000 名婴儿中，出现了心理和生理方面受损的情况。但是迄今为止还没有发现放射性导致的基因缺陷。

• 10 ．核武库增加• 广岛长崎原子弹爆炸后一年内，美国已储备 12枚

原子弹。核储备在上个世纪 80 年代中期达到最高峰，目前世界上的核武器总数估计约为 1． 7万个可用核弹头，综合爆炸威力相当于 1945 年 8 月毁灭两个日本城市的两枚原子弹的 12万倍。

• 我国 1956年 2月钱学森建议组建导弹研究所，1958年 6月毛主席提出搞原子弹， 64年 10月 16日爆炸试验成功。

• 核电站工作原理：连续核裂变放出具大的核能，人工加以控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生能量加热水蒸气，推动涡轮机发电。

• 首要问题是：铀矿中 235U （占 0.7％）与 238U的分离。采用 UF6气体扩散速度不同进行提纯，富集到 93％。

（ 2 ）核聚变和氢弹• 2

1H + 31H → 4

2He ΔH=5.8×1011J/g 相当煤的 1000万倍。• 优点： A 、聚变产物是稳定的氦核，无放射性污染，没有难处理

的废料； B 、氘资源丰富，海水中氘：氢＝ 1.5×10 － 14： 1 地球上海水总量 1018吨。

• 核聚变发电困难： A 、聚变反应需要非常高温度（ 109℃）（太阳辐射出来的巨大能量来源于核变） 如何“点火”？氢弹用一个小的原子弹作引爆装置，产生瞬间高温。有人建议太阳能聚光（世界最大的聚光器有九层楼高， 9000块小反射镜组成，总面积达 2500米 3，焦点处最高温度 4000℃）

• 考虑化学激光。• B 、如何约束：用什么材料制造反应器？考虑耐火陶瓷。并探索“磁笼”约束高温等离子体的逃逸。 探索 2

1H + 63Li → 2 4

2He （温度低些的聚变反应，处于实验室初探阶段）

国际原子能机构副总干事维尔纳 ·布尔卡特 2006 年 10 月16 日在接受新华社记者专访时说，聚变能的商用化将为满足人类未来能源供应提供解决之道。这一进程有望在 30 至50 年后实现。

世界首个多国合作探索核聚变应用的国际热核实验堆（ ITER ）将于进入实质启动阶段。这个由欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国七方参与的计划，被布尔卡特视为“一个实现成功控制核聚变梦想的机会”。

当今世界，能源问题已经成为影响人类可持续发展的一个重要话题。国际油价的高涨，石油、煤炭、天然气等不可再生能源获得的有限性以及环境污染的加剧，敦促人类寻找清洁、高效并具备大规模推广潜能的能源。 　布尔卡特对聚变能商用化的前景表示乐观。他表示，虽然研发阶段投入较高，但实现商业化后，可以用来发电供热的聚变能却更便宜。

海狼号核动力攻击潜艇

•我国 1965 年 1 月毛主席提出“原子弹要有，氢弹要快”，王淦昌估计：核聚变发电有望在二三十年代获得成功（核工业西南物理所和中科院合肥所取得瞩目成果）

中国的聚变研究已经有 40 多年的历史，并先后研制成功了中国环流器一号、中国环流器新一号托卡马克装置，推动了世界对核聚变“磁笼”的探索和研究。

2 、利用核能的意义• 发展核能是必由之路。• （ 1 ）核能是地球上储量最丰富能源，又是高度密集能源。 1t铀相当

于 2 .7Mt 煤， 1t氘相当于 11Mt 煤，每吨海水有 3克氘，相当于 300 吨汽油，海水可耗 1000亿年。

• （ 2 ）核电是较清洁能源，有利于保护环境。每发电 1000亿度，放射性排放总剂量 1.2J/Kg ，火力发电 3.5J/Kg 。

• （ 3 ）核电经济性优于火电。发电成本低15－ 50％• （ 4）以核燃烧代替化石燃料，有利于资源的合理利用。• 至1995年有476多座热中子堆核电站，总装机 3×108KW ，占总发

电量 17％。 国家 核电比例 核发电量 法国 64.8% 213.1TWh 比利时 59.8% 32TWh 美国 15.5% 383.7TWh

• 我国有两座：海盐秦山， 30万千瓦（ 1992、 7）、 60万千瓦；广东大亚湾 90万千瓦（ 1993－ 1994两组）；辽宁建新筹建？（台湾有6套，装机 489万千瓦，另有两套100万千瓦招标）

3 、目前核能利用存在的主要问题有：　（ 1 ）资源利用率低。工业应用的是热中子反应堆核电站，虽其发电成本低于煤电，但它以铀－ 235 为燃料，天然铀中占 99.3% 的铀－ 238无法利用。 　　（ 2 ）燃烧后的乏燃料中除铀－ 235及钚－ 239 外，剩余的高放射性废液含大量“少数锕系核素”（ MA ）及“裂变产物核素”（ FP ），其中有一些半衰期长达百万年以上，成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决。

　　（ 3 ）反应堆是临界系数大于 l 的无外源自持系统，其安全问题尚需不断监控及改进。　　（ 4 ）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚－ 239受控制。

利用快中子增殖堆可以使天然铀中的铀－ 238转化为钚－239 ，成为裂变燃料。用钚－ 239或铀－ 235装料启动运行数十年后，此系统可以靠铀－ 238 达到“自持”，铀资源利用率可提高 60 ～ 70 倍。这虽然有利于资源的利用，但另 3个问题则面临更严峻的挑战。而且快中子增殖堆的初始装料要以从热中子反应堆乏燃料中提取的大量工业钚库存为依托，如热堆电站未发展到相当的装机容量，快堆是不可能具工业应用规模的，而此时高放射性废液的库存已极大。对高放射性废液的处置方法，目前是将其固化，经包装后埋入稳定的岩层中。这种“后处理一固化一深埋”的处置方式虽然可行，但从长远看它未解决泄入生物圈的问题。（我国 863高科技规划把研究、设计、建造一座2.5×104KW 快速试验性电站，作为重点项目列入。）　　因此，理想的核系统应是以天然铀（或贫化铀）作为反应堆的基本装料，并使它所产生的放射性废物在系统中被嬗变为短寿命（半衰期为几十年）或稳定的核素。使系统输出的废料是短寿命低放射性废物。这就是目前世界核科技界大力研究的充分利用铀资源且放射性“洁净”的核能系统。

•①、废热处理“热污染”：裂变核电站的热效率33％比一般电厂多 40％。废热转移到环境中去，导致热污染。•若采用冷却塔。 A 、冷却成本高，使电费增加 10％； B 、需水量大得惊人。（ 1000MW 的核电站，几乎与 6 万人口城市用水量相当）•办法：河水改道流过冷却系统。（温度升高 10℃，生产不连续，物种难适应，生态系统破坏）取暖？

(4)核电站的环境公害。

② 、放射性

• 放射性辐射量度：雷姆 (rem) ，＞几百个 rem 死亡； 100 － 200 rem 疾病和恶心；＜＜ 100 rem 遗传突变？

• （美国人 2000 年接受的辐射剂量／ mrem ：（ X胸透 100 mrem／次）

• 自然的 人为的如医疗 放射性散落物 杂项 核电站 合计 130 88 5 2 0.5 225 • 目前美国规定，居民最大照射水平： 170 mrem／人年，

外加自然的和医疗的。波林研究表明：若每个美国人增加 170 mrem／人年，死于癌症增加 3万，主张标准： 17 mrem／人年

•燃料棒“燃烧”仅用去约 6 ％ 23592U ，其中 239Pu半

衰期超过 2.4万年，估计贮存时间必须持续二十万年。

③放射性废物的处理和贮藏

在所有拥有核电站的国家，都有旨在保护现代人和所有后代人的有关废物处置的严格法规。例如，如果不能以溶解了的物质通过地下水进入生物圈等最坏的情况为假定条件，并且表明后代的剂量负担很小并大大低于允许标准，那么在今天就不可能取得建造废物处置场址的许可证。有人常说，不能让我们这一代人享用核电站带来的好处，而把处置废物所需的大量费用留给后代。已有几个国家通过法律规定增加每度核电的价格，以留取部分资金用作今后管理和处理放射性废物以及核电站退役的费用。同许多人预料的相反，这些费用不是高得不可接受的。在瑞典，每度核电加价 10% 。这部分积累资金足以保证将来的需求。

　第一项研究表明，在许多铀矿床中，各种物质尽管和地下水直接接触，却仍在原地存在了几百万年。

•A 、社会组织能否稳定到足以确保在这期间对它们进行妥善处理。或“永久地”贮存好。•B 、需要特殊运输窗容器来运输。到 2000 年，核废物从反京堆运到化学处理厂，将装运 7000 － 10000次，按目前水平，每年有 10 次火车出轨。

　对于核废物的一种担心是：我们对废物在如此长的时期内的物理特性还缺乏经验。然而，两项研究的结果却给了我们相关的和有趣的答案。

第二项研究同现在加篷境内的奥克劳铀矿床中几百万年前就已运行的天然核反应堆有关。在一个地表富铀矿床中，“自发”产生的链式反应持续了 50万年，并产生了 6 吨裂变物和 2 吨钚。值得注意的是，这些裂变产物和钚尽管直接和自然环境相接触，没有任何形式的封闭，却仅从生成它们的地方移动了几厘米。这两个例子决不是说可以对长寿命的核废物掉以轻心，但它们确实能说明我们对长远的未来可能发生的事情并非一无所知。

问题：

• 后来：将废物直接埋入地下。（地下水使放射性物质扩散）或弃于海底（大西洋北部，大平洋北部都有）

• 最近：回收处理后，深埋在荒无人烟在地质上相对稳定的地层如一千英尺深的“盐层”。（美国开始选址：堪萨斯州莱昂市附近，由于政治压力， 1973 年迁新址：新墨西哥州。）

• 唯一解决办法：贮藏在遥远的外层空间和太阳系。（电费上涨 30 ％；火箭发射失败而带来公害）

• 建议： A 、把废物埋进南极冰盖中心，离海洋一千英里以外的群山环绕的地方。（技术要求高。发达国家能达到；南极条约不准）

• B 、不必谈论永久贮存问题，等待更好的化学处理技术过关后再说。

处理： 40 年代废物以液体形式贮存在大罐里但贮藏罐很小用到 20 年以上，已发生 16 起贮罐损坏事件。

如果将装机容量为 300万千瓦的核电站运行一年所产生的75 吨乏燃料不直接贮存而进行后处理，则其高放废物可以浓缩在约 9立方米的玻璃体中。这也许能为我们正在讨论的小体积问题提供某些思路。如果将全世界自 1987 年以来产生的所有乏燃料全部经过后处理，则其玻璃固化的高放废物将只有 1,000 ～ 1,500立方米左右，比两个家庭住房的体积都小。　　核电站的运行还将产生一些中低水平、短寿命的放射性废物，如过滤材料、沾污了的衣物、工具和废旧材料。这些废物需贮藏并隔离较长时间。 300万千瓦轻水堆运行一年，一般约产生 1 ， 500立方米没有经过压缩和浓缩的这类废物，这个体积相当于一个边长为 12米的立方体，也相当于两个家庭住房的体积。一些最终处理这类废物的装置已投入运行，如瑞典。

　　

④ 反应堆的安全问题• A 、设计中备有一些“太平”装置，会自动关闭反应堆并冷却辅助设施，在所有应急系统全部失灵的事故中，电站还设计了核燃料防事故外壳。（三道安全屏障）

• 1974 年美国原子能委员会用计算机模拟研究的方法提出报告：即便有一百座核电站在运行，一个世纪发生一次事故，最多使一百人死亡（比飞机坠毁机会少得多）；最严重死 2300 人，损失财产 60亿美元（可能性极小，比巨大殒星的可能性小）。除非基本设计错误或阴谋破坏。（ 1975 年 3 月一核电站，因技工用蜡烛寻找漏气处发生火灾，损毁了数千条电缆，使紧急堆芯系统失灵，损失 1000万美元，幸运末熔化。）

•1979年 3月 28日，美国宾夕法尼亚州三岛核电站，反应堆失灵；1986年 4月 26日苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，至 2000年 4月 3日 3 万多抡险人员死亡（ 58％死于社会原因， 38％自杀）还有 174万抡险人轴，其中 5 万人二级残疾。 99年 7月12日日本泄漏

•B 、钚扩散。•制造核武器的技术问题主要是如何获得钚有关（美、俄贮存几百吨），世界各国物理学家都知道此技术，关键是要投入大量的资源和经费。•1954 年加拿大卖给印度钚，导致 1974 年印度步入核武器领域。（销售合同在法律上有漏洞）

1 、太阳能取之不竭，使用方便，能再生，无污染。以太阳能的利用为主的可再生能源潜力极大，据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在 45亿年，每年太阳提供的能量是世界人口商品消费量的 1.5万倍。 （每秒钟相当于 1.3亿亿吨标准煤，即 5.2 ×1023 KW.h/s ，其中 1／ 22亿传到地球， 2.8 ×1024 J/a ，为目前人类所需能量 1万倍）

• （ 1 ）光－热转换。• 基本原理：使太阳光聚集，用来加热一些物体获热能。• 装置： A 、平板型集热器如太阳能热水器； B 、抛物面型反射聚光器如太阳能聚光灶，太阳炉。

转换形式

太阳能热水器 6000万平方米 我国十五发展目标

（三）开发新能源

（ 2 ）光－电转换• 基本原理：利用“光－电效应”；• 装置：太阳能电池如硅电池（转换效率 13 － 20 ％）；存在问题：成本高，受昼夜、天气影响，难以大规模使用；

• 目标：沙漠地带铺设带有硅电池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部辐射能的 1 ％，足以供给全世界，我国第一座建在甘肃省。

太阳能发电

站光伏发电达 8万千瓦

我国十五发展目标

光伏电力的应用 如在德国每平方米每年的平均日照量为1100千瓦时。电力的总需求量约为 5000千瓦时，光伏技术的年平均功率约为太阳辐射量的 10% 。依 *光伏设备生产5000亿千瓦时的电力，需要 5000 平方公里的光伏转化模板面积。明智的做法是用相关设备安装在建筑物的表面，在德国，这一做法意味着只需不到 10% 的建筑物顶部。 光热利用 在中欧和北欧等缺少阳光的地区，已经出现了一些完全依赖阳光供暖的建筑物（应用比较理想的热与热交换系统）。

（ 3 ）光－化学转换是利用太阳能的最主要、最根本方式。绿色植物

的光合作用，但不能完全受人控制。 CO2 ＋ H2O →糖＋ O2

• 其核心化合物是叶绿素。• 目标：寻找各种“完全可控的”光－化学转换方法如模拟光合作用。

• 设想：建立“宇宙太阳能站”来收集阳光。“同步空间站”（距地面 35600千米）太阳能→电能→微波→地面接收站→电能

2 、生物质能• 生物质能是绿色植物经光合作用，将太阳能转化为化学能贮存在生物体内的能量。以 ATP形式贮存。

• 贮量：生物质燃料能源 目前全球农用面积约为 1000 平方公里。约有 4000万平方公里的土地为森林覆盖，荒漠地区的面积约为 4900万平方公里。光合作用的年产量（包括自然生长的植物和粮食生产）目前大约是 2200亿吨干坏料，相当于 3 ×1021J, 这大约相当于每年 80亿吨生化资料所提供的能量，只需不到 1200 平方公里的可耕地和林地面积（不计沼气的能力）。

• 每年由光合作用所形成的有机质 200GT ，垃圾 27MT ；废水 450MT ；粪便几十亿吨。 2T垃圾相当于 1T 煤，作为能源利用的生物质占总量 1 ％，提供能量占总能耗的 14 ％。

• 途径：传统方法是直接燃烧（一是热量利用率低 15 ％，利用节柴灶 25 ％；二是污染环境。）

合理有效转换是发酵制沼气。（法国罗尔卡公司：垃圾、镍 、轻油在高压反应器内、温度 350℃，反应 10 分钟，得到燃油。）困难是：反应过程缓慢，而且对溶液的酸碱度很敏感。优点是： CO2含量保持不变。

“石油植物”是生物能源。生物能源是指通过绿色植物，藻类和光合细菌的光合作用，捕获太阳能，经新陈代谢，储存于生物质中的能量。生物质作为能转化为液体燃料的可再生资源正成为各国科学家研究的焦点。 　在巴西有一种香胶树割开树皮流出的胶汁般的树汁稍经提炼就能当柴油使用，每株年产 50千克胶质（成分与石油相似）柔弱的蒲公英折断它的茎或叶流出的乳白色的液体也含有类似石油的成分。生物学家们给这些可以经提纯或发酵加工后，就可当做“燃料油”或石油产品的植物起了一个很贴切的名字———“石油植物”。 　地球上存在着许多“石油植物”，主要集中在夹竹桃科、大戟科、菊科以及豆科等，像我们熟知的油菜、蓖麻、小桐子、乌桕、大豆、花生等。科学家们还发现 300 多种灌木、 400 多种花卉都含有一定比例的“石油”。 　英美等发达国家正在对已发现的 40 多种“石油植物”进行

品种选育和品质优化工作，并准备尽快实现商业化生产。法国、日本、巴西、俄罗斯等国也正在开展“石油植物”的研究和应

用。

•培育植物新品种。

中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所的张洪霞研究员已经在这方面取得了一定进展。利用转基因技术，将耐盐、抗旱基因导入到油菜中，在原本荒弃的盐碱地上可以种植出灿烂的油菜花，菜籽油经过不太复杂的提炼就可以转化为用于工业的“燃料油”。另外，由于转基因油菜把从土壤中吸收的盐分“聚集”在叶片中，这种耐盐的油菜同时还具有“吸盐”作用，一棵经过基因改造的油菜一年可以从土壤中吸收大约 12克的盐分，经过一段时间的改造，盐碱地可以逐步得到改造，新的生态平衡逐渐形成，达到良性发展。 　转基因技术的应用彻底改变了原有“石油植物”的遗传性质，将植物的优良品质保留下来，省却了杂交育种中基因分离的烦恼。 　发展“石油植物”的主要矛盾是，“石油植物”其含油量还不够高，开发成本还比较高。中科院昆明植物研究所的邱明华研究员说，需要通过转基因和人工育种，进一步改善植物品质。 　生物质能源的高效利用，远非易事，必须要有较高的投入和持续的研究，才能将其高效地产业化，真正解决我国、乃至世界的能源危机和生态恶化问题。

•美国人工种植黄鼠草每公顷可年产 6000千克石油；美国西海岸巨型海藻等。

生物质能 气化发电 8万千瓦秸秆气化、沼气工程年总供气量相当标准煤 200万吨

我国十五发展目标

3 、风能

• 我国有 9台机组，装机 2万千瓦，（括巷山）• 问题： A 、如何贮存好能量使在无风时也能供电；

（解决办法：有风期给蓄电池充电，但费钱；风车的电力电解水制氢气，作燃料）； B 、结构设计是建立风力发动机中的另一个问题。

风力发电 丹麦是风力发电大国，现有 6300座风力发电机，提供 13% 的电力需求。

风力发电装机总容量达到 150万千瓦左右制造 600KW 大风力发电机

我国十五发展目标

西藏发电量 40 ％是地热电，西藏羊八角地热电站水温150℃。分类 A 、干蒸汽源：地热蒸汽直接供给涡轮机，电站的建筑成本和电弗比任何别的能源低； B 、湿蒸汽热：同时放出蒸汽和热水； C 、热若源：地热田没有地下水，用泵把水灌进去加热，然后抽出来进行蒸汽发电。问题： A 、水枯竭是地热干蒸汽和地热湿蒸汽的致命伤； B 、地面沉降； C 、潜在水污染问题。

4 、地热能

地热能 相当 100万吨标准煤 我国十五发展目标

潮汐能电站（ 7 个 ) ， 1980 年建成的温岑江厦电站，世界第三。

5 、海洋能

潮汐发电和波力发电 年开发能力达 2万千瓦

我国十五发展目标

6 、氢能• 　　氢在周期表中是

第 1号元素，相对原子量是 1.000. 在标准状态下 ,它的密度为0.0899g/L,

• 常温下为无色气体。

1s1

其原子核外的电子排布如右图所示，其核外的电子构型为 :

1

氢能优点• 作为能源，氢有以下特点： • ⒈所有元素中 ,氢重量最轻• 当温度降至 -252.7℃时 ,可变成液体 ;若将压力增

大到数百个大气压 ,则液氢就可变为金属氢。 • ⒉所有气体中 ,氢气的导热性最好• 比多数气体的导热系数高出 10倍 ,因此在能源工

业氢是极好的传热载体。• ⒊氢是自然界存在最普遍的元素• 水中制得，永无枯竭之虞；• 　　据估计它构成了宇宙质量的 75 ％ ,除空气中含有单质氢

气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有石化燃料放出的热量还大 9000 倍。

氢能优点⒋氢本身无毒 ,燃烧后产物没有污染产物水无污染，属“清洁能源”；　　由于燃烧产物是水蒸气，不会产生诸如CO 、 CO2 、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，从而也就不会造成酸雨和温室效应。所以，氢是世界上最清洁的能源之一。燃烧生成的水还可继续制氢，循环使用。

⒍氢的燃烧性能好　点燃速度快，与空气混合时有广泛的可燃范围。现有汽车、飞机、舰船及其他运载工具，只需简单改装即可使用氢燃料。

⒌热值高；氢能的燃烧热值远高于一次能源　除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的 , 达 142,351kJ/kg, 是汽油发热值的 3 倍。

氢能要解决的问题• A 、廉价的制氢技术 。理想的氢能源循环体系：水在太阳能光分解催化剂的作用下分解成氢和氧；氢气作为燃料电池发电。

• 现行太阳能制氢技术包括：太阳能分解水制氢；太阳能电解水制氢；太阳能光化学分解水制氢；太阳能太阳能光电分解水制氢；模拟植物光合作用分解水；光合微生物制氢。　　

氢能－氢的制取　• 随着化石燃料耗量的不断增加 ,其储量在日益减少 ,终有一天会枯竭。这就迫切需要寻找一种不依赖化

石燃料并储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种较为理想的新的含能体能源。

电厂用制氢设备

工业氢气净化设备

氢能要解决的问题• B 、安全、方便的贮氢技术。（密度小，不利于贮存）单位

体积LaNi5贮氢量达 88Kg/m3 ，高于液氢 70.6 Kg/m3

• 由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的另一个关键。

历史上氢气热气

球爆炸事件震惊世

界

氢能的规模应用：“零排放”氢燃料电池汽车

2003 年起年产 30万台氢燃料电池发动机

通用、福特、奔驰、丰田等均展示出 FC样车

氢能小轿车日本本田

德国宝马

•1980 年我国研制成功第一辆氢能汽车。

氢的其它应用• 　　氢不但是一种优质燃料，还是石油化工、

化肥和冶金工业中的重要原料和物料。如 :合成氨工业要用氢 ;

　　用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气 -蒸汽联合循环发电 ,其能量转换效率远高于现有的火电厂。氢燃烧电池

)g(2)g(2 NH3 )g(3NH2400～ 500℃150～ 500atm

7 、海水盐差发电

• 用一层多孔质隔膜置江河入海口处，二边插入电极，由于渗透压力差而产生电动势。

• 技术关键：多孔质隔膜如何能将淡水和海水隔开而又形成渗透压

（四）改变能源转换途径• 1 、现行途径及弊端 • 途径：化学能→热能→机械能→电能

• 弊端 ： A 、能量利用率低（热机效率限制）： 25 ％

• B 、极大资源浪费（化石燃料是化工原料）

• C 、污染环境（燃烧S 、 P 、 N 引起烟雾尘等）

化学能→电能，理论上能量利用率 100 ％，实际＞ 80 ％。科学家预言：燃料电池将成为下世纪世界上获得电力的重要途径，是继水力、火力、核能发电之后的第四类。

2 、改变新途径：

能源利用比率 　　能量利用效率发电 36.9% 　　　 ~35%

交通 25.4% 　　　 12-15%

 

燃料电池能量利用效率固体氧化物高温燃料电池 70 ～80%

发电（包括热利用）

美国一次能源在发电和交通（汽车）上的应用比率

　　为什么在最后一部分，突出介绍了燃料电池技术，这是因为它在能源的利用和发展中有着很突出的地位。燃料电池（ FC ）是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地（ 50-70 ％）、环境友好地转化为电能的发电装置。工作方式与常规的化学电源（电池）不同，而类似于汽油、柴油发动机（在汽车上），它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是在电池外的储缸内。　　燃料电池有几种不同类型、可以利用在不同的场合。而目前质子交换膜型燃料电池（ PEMFC ）是最被关注的一种，它将来最有希望被利用在汽车上。目前，各城市都在发展“清洁燃料”汽车。哪一种最适合我国的国情，又真正是清洁燃料，可能是一个比较复杂的问题，看法上又有差别。但从我国的特殊能源出发，发展甲醇燃料应该是一个重要方向。由煤制合成气生产甲醇，技术成熟，可以大型化，经济上最有竞争力。而且甲醇是清洁的汽油代用燃料，尾气排放比汽油车有很大的改善，生产甲醇又是煤的洁净利用的重要方向之一。发展甲醇燃料是一举两得的事，技术上也是成熟的。而且，发展甲醇汽车也将是一种过渡，十多年到二十多年后，一旦燃料电池汽车在技术上和经济上都有竞争力，甲醇燃料又将转化为燃料电池汽车最好的燃料。这一发展方向应该是最佳的，更适合于中国的情况。　　要发展好 PEMFC ，有许多化学问题要解决的，其中包括电极上的催化材料的研制等。

燃料电池技术

燃料电池技术

燃料电池技术的发展 :

固体氧化物型： 熔融碳酸盐型： 磷酸型：

质子膜型 :        

碱液型：

　质子膜燃料电池

燃料电池电动汽车绿色汽车（ EEE 生命周期评估下的绿色汽车）才是真正的绿色汽车

3 、碱性氢氧燃料电池： (-)Ni,H2│KOH(30%) │O2,Ni(+)美国 60 年代已用于阿波罗登月飞行和航天飞机、叉车、牵引车等，美 CH4 － O2 电池 50台， 4.8兆瓦。缺点：与 CO2反应， K2CO3导电性差。唯一商业化电池－－磷酸型燃料电池（磷酸作电解质，碳材料骨架， H2 ， CH3OH ， CH4 等为低廉燃料）。 最大优点：它不需CO2处理，代表燃料电池发展方向。

研究表明，大约 50 年后，人类目前广泛使用的传统能源煤、石油和天然气将面临严重短缺的局面。严峻的能源危机迫使人类将目光转向浩瀚的宇宙，而月球是人类寻找地球以外能源的首选目标。

解决能源危机 把电厂建到月球上

未来月球基地及太阳能发电厂示意图

本来，科学家一直将希望寄托在太阳能和核反应堆上 ( 包括核裂变发电和核聚变发电 ) 。然而，浓密的地球大气层致使在地球上利用太阳能有许多不稳定因素；利用核裂变反应获得电力的方法往往产生大量放射性废料，容易造成严重的环境污染。而目前正加速发展的利用氘和氚热核聚变反应堆生产能源的方法，同样因形成强大的中子辐射而存在放射性问题。

在月球上建太阳能发电厂　　由于月球表面几乎没有大气，太阳辐射可以长驱直入。计算表明，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于目前地球上一年消耗的各种能源所产生的总能量的 2.5万倍。按太阳能能量密度为 1.353千瓦 /平方米计算，假设在月球上使用目前光电转化率为 20% 的太阳能发电装置，则每平方米太阳能电池每小时可发电 2.7千瓦时，若采用 1000 平方米的电池，则每小时可产生2700千瓦时的电能。　　由于月球自转周期恰好与其绕地球公转周期的时间相等，所以月球的白天是 14 天半，晚上也是 14 天半，一天相当于地球一个月的长度，这样它就可以获得更多的太阳能。科学家认为，如果在月球表面建立全球性的并联式太阳能发电厂，就可以获得极其丰富而稳定的太阳能，这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，而且随着人类空间转换装置技术和地面接收技术的发展与完善，还可以用微波传输太阳能，为地球提供源源不断的能源。

月壤中富含氦— 3　　现实可行的解决未来能源问题的途径是建造和使用氦— 3同位素 (3He) 的热核反应堆，这种反应堆没有中子辐射，不会造成环境危害。但遗憾的是地球上 3He储量极为有限，地球天然气中理论上的总含量仅为 10—15 吨，而月壤中富含 3He 。　　除了极少数非常陡峭的撞击坑和火山通道的峭壁可能有裸露的岩石外，整个月球表面都被月壤覆盖，在月海区平均厚约 5米，月陆区厚约 10米。这些土壤长期接受太阳的照射，富集由太阳风粒子直接注入的挥发性化学元素和同位素，在这些稀有气体中就有大量的 3He 。据估算，月壤中 3He 的资源总量可达 100 万—500万吨。 3He 是一种清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料。据专家计算，如果采用 D—3He(氘和 3He 进行核聚变反应产生电能 ) 核聚变发电，美国年发电总量仅需消耗 25 吨 3He ；中国1992 年的年发电总量只需 8 吨 3He ，全世界一年有 100 吨 3He就够了。以目前全球电价和空间运输成本算， 1 吨 3He 的价值约40亿美元，而且随着空间技术发展，空间运输成本肯定将大大下降。最近法国科学家宣布， 2030 年将使利用 3He 进行核聚变发电商业化。这样，开发利用月壤中的 3He将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。

针对中国能源资源和能源应用的特点，你认为应该采取几项主要发展方针？ 你认为发展一碳化学对中国来说有何重要意义？

如何认识和解决能源应用和环境保护这一矛盾统一体？

思考题