1、第五章第五章 能源与环境能源与环境-人均能耗量是现代化生活水平的一个主要指标人均能耗量是现代化生活水平的一个主要指标-经济快速增长，巨大的排放总量，表明我们的经济快速增长，巨大的排放总量，表明我们的经济增长方式是以牺牲环境为代价的经济增长方式是以牺牲环境为代价的-能源的开发利用是当前人类需面对的另一个重能源的开发利用是当前人类需面对的另一个重要的环境问题要的环境问题人均消耗量：人均消耗量：20092009年美国年美国 7.1吨油当量、中国吨油当量、中国1.71.7吨油当量吨油当量总消耗量：总消耗量：2000年时年时,中国的能源消耗量只是美国的一半。而到了中国的能源消耗量只是美国的一半。而到了2
2、0092009年年,中国的能源中国的能源 消耗量则略微超过美国。消耗量则略微超过美国。环境能源学与低碳能源战略：低碳能源战略：中国的人均能耗、人均轿车数、人均排污量，单位建筑面积能耗等必须控制到显著低于国际水平，这是节约型社会的必然内涵，这是一个经济、环境双赢的可持续是节约型社会的必然内涵，这是一个经济、环境双赢的可持续发展的能源战略发展的能源战略一、能源资源的概念与分类一、能源资源的概念与分类 -凡是能够提供某种形式能量的物质、或是凡是能够提供某种形式能量的物质、或是物物质的运动质的运动，统称为，统称为能源能源。煤当量：煤当量：亦称标准煤，具有统一的热值标准。我国规定每千克标准煤的热值为70
3、00千卡（29.27MJ）。将不同品种、不同含量的能源按各自不同的热值换算成每千克热值为7000千卡的标准煤。油当量油当量oil equivalent:按标准油的热值计算各种能源量的换算指标。中国又称标准油。1千克油当量的热值，联合国按42.62兆焦兆焦(MJ)计算计算。1吨标准油相当于1.454285吨标准煤。1、几个概念、几个概念一次一次能源能源是指以原有形式存在于自然界中的能源，如煤、石油、天然气、水力、风力、草木燃料、地热、核能、直接的太阳辐射等。二次二次能源能源是指由一次能源直接或间接转换为其它种类和形式的人工能源，如电能、热能、各种石油制品、煤气、液化气、沼气、余热、火药、酒精等等
4、在煤、石油、天然气、水力、汽油、电力、酒精中，在煤、石油、天然气、水力、汽油、电力、酒精中，哪些是一次能源？哪些是二次能源？哪些是一次能源？哪些是二次能源？2、能源分类、能源分类非再生資源非再生資源這類物質的循環時間極長，這類物質的循環時間極長，所以於使用，難以在短期內補充，因此所以於使用，難以在短期內補充，因此會有會有耗盡耗盡的可能。的可能。可可再生資源再生資源理論上長用長有，不會枯理論上長用長有，不會枯竭耗盡；因為此類物質可以快速循環或竭耗盡；因為此類物質可以快速循環或補充。補充。二、能源问题的出现及其未来趋势二、能源问题的出现及其未来趋势 能源、经济、环境之间矛盾的体现 能源供、需之间的
5、矛盾能源在开采、加工、运输、使用的过程中的环境影响：能源在开采、加工、运输、使用的过程中的环境影响：开采（事故开采（事故+地面生态系统的破坏）地面生态系统的破坏）加工（煤洗选、干燥；炼油厂等）加工（煤洗选、干燥；炼油厂等）运输（泄漏）运输（泄漏）利用（温室效应气体、热污染等）利用（温室效应气体、热污染等）另外，核能核能（慢性辐照、核废料）水电水电（水坝的生态影响）P109-120A View of Chinas Energy Future中国中国能源未来能源未来50年年ThismaterialonChinasenergyfutureisverypreliminaryandshouldnotbe
6、citedordistributed.本材料提供的对中国未来能源状况的估计是非常初步的，所以不应被引用或分发。Theseestimateswillbemodifiedandchanged,possiblysignificantly,asin-depthanalysisprogressesoverthecoming9to12months.这些估计将会被更新和修改，并可能在未来9到12个月內深入分析的基础上进行显著修改。Nonetheless,thestoryisindicativeofseriousenergyissueslikelytofaceChinaoverthecomingdecades
7、.分析显示中国很有可能将在未来数十年内面临严重的能源问题。Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quote资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。Energy Demand能源需求能源需求Energy Demand:Business as Usual 能源需求：按目前趋势预测能源需求：按目前趋势预测按目前趋势预测按目前趋势预测Industry 工业工业Tra
8、nsportation 交通交通Agriculture 农业农业Buildings 建筑建筑MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤IndustryandBuildingsAssumptions:OptimisticCase工业与建筑假设：最乐观情况（按目前趋势预测）2000-05 2005-10 2010-20 2020-30 2030-50Industry11.1%4.6%3.3%2.0%2.0%工业工业 Industry shifts to low energy intensity products and pursues energy efficienc
9、y 工业转向低能耗产品并且提高能效工业转向低能耗产品并且提高能效Buildings 8.5%5.4%4.0%1.4%0.6%建筑建筑 New buildings use 30%less energy by 2030 and 50%less by 2050 到到2030年新建筑将节能年新建筑将节能30%，到，到2050年节能年节能50%Annual construction declines by 15%in 2020;by 35%in 2050 到到2020年建筑业将降低年建筑业将降低15%；到；到2050年降低年降低35%AverageAnnualGrowth年平均增长率Energy Sup
10、ply能源供应能源供应 Energy Deficit 能源能源亏缺亏缺Solar,geothermal 太阳能太阳能,地热地热Wind风力发电风力发电Nuclear核电核电Hydro水力发电水力发电Natural Gas天然气天然气Oil 石油石油Coal 煤煤 Demand 需求需求DEFICIT 亏缺亏缺MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤 Energy demand 能源需求能源需求(按目前趋势预测按目前趋势预测)COAL煤煤Coal 2030 peak2030年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Imports进口进口Peak Coal 煤炭供应峰值煤
11、炭供应峰值Source:Zaipu Tao,Mingyu Li,“What is the Limit of Chinese coal supplies-a STELLA model of Hubbert Peak”,Energy Policy 35(2007).Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study.资料来源：资料来源：Zaipu Tao,Mingyu Li,“What is the Limit of Chinese coal supplies-a STELLA model of Hubbert Peak”,Energy P
12、olicy 35(2007).劳伦斯伯克利国家实验室劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究。问题研究。初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。Scenario 1 peak 2036 情景情景1-2036年达到峰值年达到峰值 Scenario 2 peak 2029 情景情景2-2029年达到峰值年达到峰值Scenario 3 peak 2027 情景情景3-2027年达到峰值年达到峰值MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤OilCoalDemandSource:Lawrence Berkeley National Lab,2050 Ch
13、ina Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quote资料来源：资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究。问题研究。初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。Coal 2030 peak2030年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Oil 石油（按目前趋势预测）石油（按目前趋势预测）Energy demand能源需求（按目前趋势预测）能源需求（按目前趋势预测）Domestic oil peaks Between 2015 and 20252015-2025年之间国内石油供应峰值年之间
14、国内石油供应峰值MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Natural Gas 天然气天然气 Oil 石油石油 Coal 煤煤Demand 需求需求Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteCoal 2030 peak2030年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Natural Gas 天然气天然气（按目前趋势预测）（按目前趋势预测）Natural gas peaks in 2025 2025年天然气
15、年天然气供应峰值供应峰值Energy demand能源需求能源需求（按目前趋势预测）（按目前趋势预测）资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Hydro水力发电水力发电Natural Gas天然气天然气Oil石油石油 Coal 煤煤Demand需求需求Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimate
16、s;do not cite or quoteCoal 2030 peak2030年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Hydro“Optimistic Case”水电水电“最乐观情况最乐观情况”By 202580%of hydro potentialAll major rivers dammed Assumes glaciers in Himalayas do not melt到到2025年年,80%的水电潜力的水电潜力所有主要河流将修建水坝假设所有主要河流将修建水坝假设喜玛拉雅山脉的冰川不融化喜玛拉雅山脉的冰川不融化Energy demand能源需求（按目前趋势预测）能源需求（按目前趋势预测）
17、资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Nuclear 核电核电Hydro 水电水电Natural Gas 天然气天然气Oil 石油石油Coal 煤炭煤炭Demand需求需求Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteCoal 2030 peak203
18、0年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Nuclear“Optimistic Case”核电核电“最乐观情况最乐观情况”Build 1-GW plants9%growth/year 5 in 2030100 in 2040 200 in 2050建造建造1吉瓦电厂吉瓦电厂年增长年增长9%2030年年5座座,2040年年100座座2050年年200座座Energy demand能源需求（按目前趋势预测）能源需求（按目前趋势预测）资料来源：劳伦斯资料来源：劳伦斯-伯克利国家实验室伯克利国家实验室,2050 年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计初步估计,请勿引用。请勿引用。MillionMe
19、tricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Wind 风能风能Nuclear 核电核电Hydro 水电水电Natural Gas 天然气天然气Oil 石油石油Coal 煤炭煤炭Demand 需求需求Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteCoal 2030 peak2030年煤炭达到峰值年煤炭达到峰值Wind“Optimistic Case”风能风能“最乐观情况最乐观情况”By 205080%of on-shore c
20、apacity33%of total capacity(including off-shore)到到2050年，年，80%本土容量本土容量33%总容量（包括离岸容量）总容量（包括离岸容量）Energy demand能源需求（按目前趋势预测）能源需求（按目前趋势预测）资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Solar,geothermal 太阳能太阳能,地热能地热能Wind 风风能能Nuclear核能核能Hydro
21、水力发电水力发电Natural Gas天然气天然气Oil石油石油Coal煤煤Demand需求需求Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteCoal 2030 peak年煤炭达到峰值年煤炭达到峰值Solar+Advanced Biomass 太阳能太阳能+先进生物先进生物质能质能2050 Solar cells+biomasscontribute more than domestic oil2050年太阳能电池年太阳能电池加生物质能
22、将加生物质能将超过国内超过国内石油石油提供的能源提供的能源Energy demand能源需求能源需求(根据目前趋势预测根据目前趋势预测)资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Solar,geothermal 太阳能、地热太阳能、地热Wind 风能风能Nuclear 核电核电Hydro 水电水电Natural Gas 天然气天然气Oil 石油石油Coal 煤炭煤炭Demand 需求需求Source:Lawrenc
23、e Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteCoal 2030 peak2030年煤炭达到峰值年煤炭达到峰值Imports 进口进口Imports“Optimistic Case”进口进口“最佳情况最佳情况”2050.Oil,natural gasexceed domestic productionSubstantial net coal imports2050年，石油、天然气进口超过年，石油、天然气进口超过国内生产，煤炭净进口国内生产，煤炭净进口BAU en
24、ergy demand能源需求（按目前趋势预测）能源需求（按目前趋势预测）资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室资料来源：劳伦斯伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤Peak Energy,2035?2035年能源供应达到峰值？年能源供应达到峰值？Solar,geothermal 太阳能，地热太阳能，地热Wind 风风能能Nuclear 核能核能Hydro 水力发电水力发电Natural Gas 天然气天然气Oil 石油石油Coal 煤煤Demand 需需求求DE
25、FICIT 亏损亏损Source:Lawrence Berkeley National Lab,2050 China Energy Study,preliminary estimates;do not cite or quoteBAU energy demand能源需求（根据目前趋势预测）能源需求（根据目前趋势预测）COALCoal 2030 peak2030年煤炭年煤炭供应达到峰值供应达到峰值Imports 进口进口2035 peakenergy?2035年能源供年能源供应达到峰值应达到峰值资料来源：劳伦斯资料来源：劳伦斯-伯克利国家实验室伯克利国家实验室,2050年年中国能源中国能源问题研
26、究问题研究.初步估计，请勿引用。初步估计，请勿引用。MillionMetricTonCoalEquivalent百万吨标准煤中国能源的主要缺口是中国能源的主要缺口是石油石油，必须大力节油，尤其是公路交必须大力节油，尤其是公路交通节油，中国不可以把车多作通节油，中国不可以把车多作为现代化的一个指标，要发展为现代化的一个指标，要发展各种各样的节能减排的汽车各种各样的节能减排的汽车三、解决能源问题的出路三、解决能源问题的出路 实施低碳能源战略实施低碳能源战略提高能效开发利用新能源洁净煤技术必须面对的现实：煤炭煤炭在中国能源消耗中所占比例达三分之二（美国这一比例为22%）这在很大程度上要归因于中国经济
27、扩张的本质。目前中国经济增长过于依赖对出口导向型工厂的固定资产投资。而且由于中国服务业发展相对落后,中国目前的能源强度（即单位国内生产总值(GDP)能耗）仍是美国的三倍 能源的消耗换来经济的增长是以牺牲环境为代价的能源的消耗换来经济的增长是以牺牲环境为代价的1、提高常规能源的能效能源消费弹性系数是反映能源消费增长速度与国民经济增长速度之间比例关系的指标,反映了经济增长对能源的依赖程度,能源消费弹性系数反映经济每增长一个百分点,相应能源消费需要增长多少个百分点。因此,能源消费弹性系数越大,从某种意义上讲,意味着经济增长过程中能源的利用效率越低,同时也反映了对能源的依赖程度越高。由图3可知,我国的
28、能源消费弹性系数竟比其余九个国家的平均值0.39还高出六倍之多原因：A A 生活能耗和建筑能耗过高生活能耗和建筑能耗过高 随着我国经济发展水平和居民收入的提高,电器更加普及,人均居住面积成倍增长,居民的出行方式也由公共交通日益向拥有私家车转变,人口的城市化和生活方式的转变全部导向高能耗,结果是居民生活方面的能源消耗大幅提高。另外,我国建筑能耗高的惊人,建造和使用建筑直接、间接消耗的能源已经占到全社会总能耗的46.7%,而现有建筑中95%达不到节能标准,新增建筑中节能不达标的超过八成B B 高能耗行业的过度消耗高能耗行业的过度消耗钢铁、水泥、电解铝等的需求量一直较大 以电解铝行业为例,在过去的一
29、两年中,一些煤、电企业也开始挟能源成本优势依托新上项目进入电解铝行业。这类企业利用自身电力行业优势,或者凭借占有的煤炭资源,将占行业成本50%的电价部分变成其巨大成本优势,获取高额利润。国际市场：高的能源价格已经使得欧洲和北美的电解铝厂逐渐趋于关闭,相应的我国电解铝行业出口量也相当大。由于资源储备有限,原材料氧化铝有一半要依靠进口,国内这一行业仍在大量出口,所以本质上就是利用国内煤炭资源赚取加工费而已,这实际上也等同于廉价出口电力、煤炭资源C 缺少服务业缺少服务业2.1 2.1 充分利用太阳能充分利用太阳能 太阳能的利用方式？光热利用：光热利用：它是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转
30、换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。太阳能发电：太阳能发电：未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式主要有两种：光热电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。光电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。光化利用：光化利用：这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。光生物利用：光生物利用：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的
31、过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。2 2、开发新能源、开发新能源充分利用太阳能充分利用太阳能太阳能光热利用分为低温利用（200）、中温利用（200800）和高温利用（800）光光热热利利用用光电利用光电利用 目前全球有40多个国家致力于低成本太阳能电池的应用性开发 德国、日本、美国走在前列 案例1：2007年10月，日本昭和壳牌石油公司创下了铜铟硒薄膜太阳电池光电转换效率的最高世界纪录。面积为864平方厘米的转换效率为14.3，面积为3560平方厘米的转换效率为13.4；案例2：德国太阳能技术研究所历经10年努力，成功开发出了一种新型薄膜太阳能电池技术，该项技术采用连续
32、电沉积工艺，制备出在铜箔上形成薄膜太阳能电池的带卷，然后通过特殊的封装工艺组装成柔软的太阳能电池组件。目前，这种电池的实验室效率已达到9.2，理论效率高达30，并且由于材料消耗少、工艺简单，预期最终成本将低于每瓦0.6欧元 案例3:劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在单一性半导体材料吸收更多光能的问题上已经取得了最新的进展。他们制造出了由锌、锰及碲组成的合金。这种材料能够同时吸收3种不同波长的太阳光线。该实验室研究人员表示，利用他们发明的新型半导体材料，有可能将太阳能的利用率提高到45至50的水平 美国太阳能公司SunPower日前宣布该公司将在弗罗里达州弗罗里达州建设该国最大太阳能电厂。与多数
33、大型太阳能发电厂不同，SunPower项目将使用家用的屋顶太阳能电池板。该电厂将建设在弗罗里达州弗罗里达州的DeSoto县，装机为2.5万千瓦，足以为1.875万个家庭提供电力。SunPower还将在肯尼迪航天中心附近建设1万千瓦太阳能发电装置Gainesville（FL,USA）：）：目前正在实施的目前正在实施的Solar Programs项目项目GRUGRU(Gainesville Regional Utilities)haveofferedsolarwaterheatingrebatessince1997andsolar photovoltaic(PV)systems rebatessi
34、nce2007.NowGRUhavecreatedasolarfeed-in-tariff(FIT)programtoincreasethenumberofsolarPVsystemsinGainesville.Installing solar means cash back for electric and gas customers武汉的光伏发电项目武汉的光伏发电项目 将建全国最大的光伏发电站将建全国最大的光伏发电站 预计届时将有预计届时将有20%20%的电力来自于光伏发的电力来自于光伏发电电2.22.2生物生物质质能能传统生物质能在近代200多年人类能源消费结构中的占比 能源作物（能源作
35、物（光生物利用）光生物利用）酒精能源酒精能源、油料作物等、油料作物等 牛糞發電廠牛糞發電廠 垃圾發電機垃圾發電機现代生物质能的利用案例现代生物质能的利用案例能源作物与粮食作物争地？引发的环境问题？能源作物与粮食作物争地？引发的环境问题？甘蔗、玉米（富含淀粉、糖分的生物原料）酒精能源酒精能源 美國在20世紀初期率先開發酒精能源，後來因原油價格下降而停滯不前。1973年全球爆發石油危機，再次推動酒精能源的開發研究。及至90年代，美國開始提倡使用再生能源，以木板、樹葉和舊報紙提煉纖維酒精。在開發酒精能源的國家中，巴西是最成功的例子。世界銀行和巴西政府的合作，花了10年時間建成年產1000噸以甘庶提煉
36、的酒精能源產業，生產汽車用酒精。巴西的聖保羅市 Sao Paulo 是全球首個使用純酒精代替汽油的城市，油站設有酒精添加油服務，方便使用純酒精引擎的環保汽車隨時加油牛糞發電廠牛糞發電廠 在德國及丹麥，用牛糞發電相當普遍，兩國均有約20座大型發電廠垃圾發電垃圾發電厂厂 日本利用新鮮垃圾發電的技術，一噸日本利用新鮮垃圾發電的技術，一噸新鮮新鮮垃圾垃圾可以可以發電發電580580千瓦千瓦，相當於一，相當於一個普通家庭兩個月的用電量；而用於發電個普通家庭兩個月的用電量；而用於發電的垃圾，幾乎都變成了二氧化碳和水，剩的垃圾，幾乎都變成了二氧化碳和水，剩下的固體殘渣很少下的固體殘渣很少 武汉建成了首座焚烧
37、垃圾发电厂武汉建成了首座焚烧垃圾发电厂 Case 1:Biomass-fueled Plant InMay2009,theGainesvilleCityCommissionapproveda30-yearenergycontractbetweenGRUandGainesvilleRenewableEnergyCenter,LLC(GREC).GRECwillbuild,ownandoperatea100-megawattbiomasspowerplantinGainesville.GRUwillpurchaseandown100percentoftheenergyproduced.Thepla
38、ntwillbefueledbyforestry-waste material generatedbynorthcentralFloridasprincipalagricultureindustryforestryforpaperpulp,chipandsawtimberaswellasurbanwoodwaste.Byusingbiomassmaterials,alocalrenewableresource,thisfacilitywillpromoteGainesvilleenergyindependence,adddiversitytotheirfuelsupplyandshieldcu
39、stomersfromanticipatedincreasingfossil-fuelprices.ThisplantalsowillallowGainesvilletoachieveitscarbon-reductiongoals,whicharebasedontheKyotoProtocol.Gainesville,FL,USA：目前正在实施的目前正在实施的废弃生物质材料发电废弃生物质材料发电项目项目 Case 2:Landfill GasLLC,began selling GRU electricity from its landfill-gas power plant in Mario
40、n County in January 2009.The three-megawatt plant currently generates about 2,000 megawatt hours of electricity per month from methane gas collected at the Marion County Baseline Landfill.Methane gas is naturally produced by decomposing organic matter.Instead of being burned wastefully,the greenhous
41、e gas is being transformed into enough electricity to power more than 2,100 homes for a year.In an earlier project,GRU partnered with Alachua County at the Southwest Landfill.That project ended in 2007 when all the useful gas was converted to electricity.G2 Energy recently purchased GRUs generators from the Alachua County project and plans to have one of them up and running at the Marion County landfill by the end of the year,adding another megawatt to the plants capacity.3 3、洁净煤技术、洁净煤技术
