西交大能源環(huán)境學(xué)講義第0章 能源環(huán)境學(xué)的由來

能源環(huán)境學(xué)講義能源環(huán)境學(xué)的由來能源，浴稱文明活動之“米“。從我們?nèi)粘Ｉ钪斜乩椎碾姟⒚簹?、自來水等的供?yīng)，到交海運(yùn)輸、通佰等現(xiàn)代社會的一切文明活動都離不開它。例如，在阪神大地震中，由于停電，從家庭照明和烹調(diào)，到交通、電視、電話等，一切活動都停止了。另一方面，我們維持生命所需的糧食、水、空氣、陽光和適宜的氣候等，都受太陽能及其引起的氣象話動的微小變化的影響?，F(xiàn)己證實(shí)，這些影響會給農(nóng)作物的收成、動植物的生命活動，以及生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)周期帶來很大阻礙。本書提出的“能源環(huán)境學(xué)”，是從能源與現(xiàn)代文明活動的關(guān)系這樣一個(gè)新的視點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究的新學(xué)科領(lǐng)域。其內(nèi)容既包括資源工程學(xué)、能源轉(zhuǎn)換工程學(xué)、生態(tài)學(xué)等理科知識，也包括能源政治學(xué)、能源經(jīng)濟(jì)學(xué)等文科學(xué)問，還包括由文理融合而產(chǎn)生的環(huán)境工程學(xué)，以及與節(jié)能和能源的有效利用有關(guān)的經(jīng)營學(xué)?？傊?，這是一門新的綜合學(xué)科。本章作為進(jìn)入能源環(huán)境學(xué)各章的前奏，在闡述文明活動與能源的關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步說明了以21世紀(jì)人類文明的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的三大課題——3E即能源(energy)，經(jīng)濟(jì)(economy)和環(huán)境(environment)。1．1文明的進(jìn)步與能源自遠(yuǎn)古時(shí)期就學(xué)會使用火的人類。一直用火來取暖、烹調(diào)、照明甚至通信．還將這種利用能量的技術(shù)應(yīng)用到玻璃加工或制作裝飾品1）、陶藝等方而，從而開創(chuàng)了人類文明。后來，人類發(fā)明了蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)，所使用的燃料也是從草木轉(zhuǎn)交成為煤炭、石油和天然氣等、這些發(fā)明使機(jī)械能的利用多樣化．同時(shí)也使電能的生產(chǎn)成為可能，能源的使用領(lǐng)域得以進(jìn)一步擴(kuò)大，從交通運(yùn)輸?shù)酵ㄐ诺阮I(lǐng)域．賜予了人類一切文明活動的動力。推動了人類文明的進(jìn)步。能源被稱作文明活動之”米”(主食)，其原因是顯而易見的。文明活動需要的能量可以分成兩類．一類是維持人們生命的生理能量，另一類是日常生活、社會活動、生產(chǎn)活動中消耗的能量。我們從水和糧食中攝取的生理能量，按全人類平均．是每人每天9.2MJ(＝2200kcal)。另一方面。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，文明活動消耗的能量，世界平均每人每日達(dá)到188MJ(＝4500kcal)(因生活水平不同而異)。后者是前者的20多倍．這是因?yàn)槲拿骰顒酉牡哪芰?，隨文明活動的進(jìn)步程度成正比例地增長，還由于文明活動從發(fā)達(dá)國家向發(fā)展中同家的擴(kuò)展而與日俱增。當(dāng)然．上述數(shù)據(jù)只是全人類的平均值，若就某個(gè)國家而言，能量消耗則有多有少，例如美國的人均能量消耗最多，是世界平均消耗量的數(shù)倍（1）。如圖1．1所示，世界人口1971年為37億，1996年為57億，僅僅25年就增長了54％（2）。另一方面，世界各國的人均國民生產(chǎn)總值(GDP)和人均一次能源消耗量．如圖1．2所示，接近原點(diǎn)的同家是GDP低的發(fā)展中國家，遠(yuǎn)離原點(diǎn)的同家是發(fā)達(dá)國家，而且越是位于對角線左上方的國家，GDP越高而能源消耗量越少，是能源利用效率較高的國家。由圖1．2中從原點(diǎn)引出的直線可見，經(jīng)濟(jì)活動與人均一次能源消耗星之間是密切相關(guān)的（1）；因此．能源消耗量取決于人口的增長和與日懼增的文明程度之積．由圖1．1可知，總能源消耗量的增增長率高于人口的增長率：在世界總能源消耗量中。電能所消耗比例在急劇增加。在21世紀(jì)高度信息化的社會里，如何確保所需的電力，是關(guān)系列人類文明存亡的重要課題?；仡櫘a(chǎn)業(yè)利用方面的變遷．如前所述，自18世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)革命以來．一直支撐著人類文明的能源，經(jīng)歷了從固體燃料(煤塊)到液體燃料(石油)再到氣體燃判(天然氣)的變化過程。如果從工業(yè)化研究開發(fā)領(lǐng)域考察能源形態(tài)的改變引起的變化，可以看到，19世紀(jì)中葉雷諾(E山mnE：I，en。irl822—1900年)發(fā)明了燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，但這已是瓦特(JnnlcsWaH1736—1819年)發(fā)明蒸汽機(jī)后(1769年的專利)一百多年的事了，今天的工業(yè)產(chǎn)品，也幾乎同樣經(jīng)歷了從研究開發(fā)階段到產(chǎn)品試制階段，再到工業(yè)化生產(chǎn)直到投放市場的過程，為了廣泛占領(lǐng)市場(nMrkul、c，ldrau。n)?？傄?jīng)過10一25年。蒸汽機(jī)作為動力的紡織機(jī)械誕生于18世紀(jì)，但蒸汽機(jī)作為船舶和機(jī)車的動力而普及直至19世紀(jì)，同樣，19世紀(jì)發(fā)明了燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，不久又發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)，從而開發(fā)出了汽車，在1903年由汽車工人萊待兄弟制造的發(fā)動機(jī)動力飛機(jī)試飛成功。隨后汽車產(chǎn)業(yè)和飛機(jī)產(chǎn)業(yè)誕生，通過火力發(fā)電和水力發(fā)電生產(chǎn)的大量電能．再通過輸配電網(wǎng)絡(luò)，使各種各樣的用電產(chǎn)業(yè)收獲得驚人的進(jìn)步和發(fā)展。正是這些進(jìn)步和發(fā)展，才使人類創(chuàng)造出偉大的20世紀(jì)物質(zhì)文明?？梢哉J(rèn)為，由固體向液體到氣體的礦物燃料利用處術(shù)的變遷．是為了適應(yīng)工業(yè)化消耗大量能源的需要，為了經(jīng)濟(jì)、方便地大量生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸而進(jìn)行的能源形態(tài)的選擇。與此同時(shí)，當(dāng)今社會不可忽視的一個(gè)問題是在礦物燃料消耗過程個(gè)產(chǎn)生的有害氣體等影響地球大氣環(huán)境，在20世紀(jì)50年代到70年代間．從煤炭文明到石油文明的能源革命．正是這些因素錯(cuò)綜復(fù)雜相互影響的結(jié)果，進(jìn)入90年代，開始使用液化天然氣(LNC)和液化石油氣(LPG)作汽車用燃料，也可以認(rèn)為是圍繞環(huán)境問題的能源革命。此外，目前發(fā)達(dá)同家一次能源消耗的40％是為轉(zhuǎn)換成電能而使用的。關(guān)注環(huán)境問題，推動那些不必消耗礦物燃料的原子能發(fā)電、太陽能發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電，在減少污染、保擴(kuò)環(huán)境方面具有重要意義。電能是可以瞬間大量輸送的能量，—旦接通電源。便能夠非常高效率地轉(zhuǎn)換成光、熱或者動力，因此，電能不僅容易用作照明、空調(diào)等家庭用能源．也容易用作產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸用能源，也是信息通信(IT)等文明活動必需的能源形式。從這種情況出發(fā)，第3章的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)就是圍繞著—次能源向電能的轉(zhuǎn)換來闡述的。1.23E課題與2l世紀(jì)文明以塑料為代表的高分子化學(xué)．從半導(dǎo)體誕生以來的固體電子學(xué)到微電子學(xué)、再到電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用．進(jìn)而到宇宙的開發(fā)、原子能的利用等，我們一直在謳歌科學(xué)技木的進(jìn)步帶來豐富的物質(zhì)文明。然而．支撐這些物質(zhì)文明的根本，可以說既有廉價(jià)而豐富的礦物能源的大量消耗．也有“如果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算無論如何都能允許……”這類以經(jīng)濟(jì)性、方便性為中心的觀點(diǎn)。在資源浪費(fèi)上．不僅局限于石油等礦物燃料的大量消耗，同樣也有木材作為選紙?jiān)隙鴮ι仲Y源的過度砍伐、隨著冷藏技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)的海洋資源的過度捕撈。其結(jié)果是，開天辟地以來長期積蓄在地球上的礦物資源．無須百年將消耗殆盡。因此，急需探討—個(gè)宏大的計(jì)劃，即究竟怎樣做才能使21世紀(jì)的人類文明持續(xù)發(fā)展。為此，提出了如圖1．3所示的3E課題。所謂3E課題．是指經(jīng)濟(jì)的發(fā)展伴隨著能源的消耗。由于能源以礦物燃料為主，因而帶來環(huán)境的破壞，這樣令人擔(dān)憂的問題。在1997年于日本京都召開的氣候變化框架條約第3次國際會議(簡稱COP—3，也稱為防止地球溫室化京都會議上．確定了40個(gè)國家的以CO2為主的溫室效應(yīng)氣體排放的削減目標(biāo)。如圖1．3所示．引入對環(huán)境影響小的綠色能源技術(shù)．是解決3E課題的有效方法之一。環(huán)境問題及對策在第6章講述。實(shí)質(zhì)上．最重要的，不是數(shù)值目標(biāo)．而是為了在21世紀(jì)建設(shè)高度文明的社會，要維持從細(xì)菌到人類再到地球上一切生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)周期不變．還要轉(zhuǎn)變謀求更舒適的文明生活的想法。為此，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、家庭生活等與能源消耗密切相關(guān)的一切生產(chǎn)、消耗活動中，必須建立新的社會規(guī)范。1．3本書的結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)方法在此．簡單介紹一下第2章以后的內(nèi)容，本書各章的內(nèi)容是彼此相對獨(dú)立的，全書結(jié)構(gòu)遵循從基礎(chǔ)開始依次展開的原則。第2章，講述能源的構(gòu)成、統(tǒng)計(jì)貯藏量時(shí)需要的分類方法、數(shù)量單位和熱量單位等，要理解能源利用的演變和將來的動向所需要的基礎(chǔ)知識。其次，介紹與煤炭、石油、天然氣等礦物能源的特征以及與各自的埋藏量有關(guān)的實(shí)際知識，關(guān)于礦物能源枯竭問題的看法很多，但在埋藏景上有各種各佯的概念，因此要論述能源枯竭問題必須事先充分理解這些概念。此外，還在該章中講述鈾、太陽能、生物體等可再生能源的利用。由于使用方便，預(yù)計(jì)電能的用量今后將不斷增加，在第3章講述電力生產(chǎn)即發(fā)電技術(shù)。除了以煤炭、石油為燃料的火力發(fā)電以外。還有作為高新技術(shù)的原子能發(fā)電，作為未來技術(shù)的核聚變發(fā)電。作為小規(guī)模分散型發(fā)電技術(shù)的微型汽輪機(jī)發(fā)電、燃料電池發(fā)電。作為可再生能源的太陽能發(fā)電等各種各樣的發(fā)電技術(shù)。這些發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)迅速發(fā)展成為不同的專業(yè)領(lǐng)域。要深入理解這些技術(shù)的全部內(nèi)容并非易事，在此僅以這些技術(shù)的特征為重點(diǎn)，講解那些在探討能源與環(huán)境問題時(shí)需要的最小限度的基本原理。第l章．介紹節(jié)能技術(shù)的概念．即在工廠、辦公樓、住宅等能源消耗場所，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程重和辦公樓的空調(diào)、家電產(chǎn)品等使用過程中，如何盡可能少地消耗能源。在節(jié)能方面有種類繁多的技術(shù)。需要仔細(xì)地鉆研。世界各國．特別是日本，曾經(jīng)受到石油危機(jī)的巨大沖擊，因此節(jié)能技術(shù)發(fā)展很快。在該章中．圍繞基礎(chǔ)知識。概述了各國節(jié)能技術(shù)進(jìn)展情況及相關(guān)技術(shù)．同時(shí)介紹了變換器等幾種有效節(jié)能技術(shù)，還講述了可以利用低溫?zé)嵩吹臒岜?、能夠同時(shí)生產(chǎn)利用熱和電的熱電聯(lián)合系統(tǒng)、垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)等能夠提高能源利用效率的技術(shù)。第5章．介紹了環(huán)境問題是怎樣伴隨能源利用的變化而變化的，探討了利用礦物能源的火力發(fā)電和原子能發(fā)電等各種能源技術(shù)對環(huán)境的影響。說明了日本至今的地域大氣污染的狀況。也說明了全球性的溫室化問題和酸雨問題的形成機(jī)制。還闡述了將來大氣環(huán)境保護(hù)的基本地念。第6章．根據(jù)以上各章講過的知識和全世界的能源供需現(xiàn)狀，展望21世紀(jì)的發(fā)展?！澳茉喘h(huán)境學(xué)”要求極其廣泛領(lǐng)域的綜合加識．這一點(diǎn)在通讀本書后大概能夠理解吧。最重要的是。正確地理解各種技術(shù)的特點(diǎn)，面對今后的發(fā)展需要，培養(yǎng)基于綜合性知識的正確判斷力。教材章節(jié)目錄：第1章能源環(huán)境學(xué)的由來1．1文明的進(jìn)步與能源1．23E課題與21世紀(jì)文明1．3本書的結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)方法第2章能源資源2．1能源資源及其分類……………72．1．1煤炭類碳?xì)浠衔铩?12．1．2石油類碳?xì)浠衔铩?22．1．3原子能………………142．1．4可再生能源(renewableenergy)2.2礦物能源及其儲量…………2．2．1資源(resource)與儲量(reserve)……152．2．2煤炭………………172．2．3原油………………202．2．4天然氣和液化天然氣………………222．2．5其他石油資源………2.3原子能與鈾…………………2.4太陽能的質(zhì)與量……………2.5其他可再生能源……………292．5．1水力………………292．5．2生物量………………302．5．3地?zé)帷?l第3章能源轉(zhuǎn)換技術(shù)3．1能源轉(zhuǎn)換概述………………3．2礦物燃料發(fā)電………………3．2．1熱力學(xué)定律…………3．2．2卡諾循環(huán)…………3．2．3蘭金循環(huán)(蒸汽循環(huán))………………363．2．4燃?xì)廨啓C(jī)……………373．2．5復(fù)合循環(huán)發(fā)電………383．2．6燃煤火力發(fā)電………403．2．7微型燃?xì)廨啓C(jī)………4l3.3原子能發(fā)電…………………4l3.3.1核裂變反應(yīng)…………433.3.2輕水堆………………443．3．3高速增殖堆與核燃料的循環(huán)………453.4核聚變發(fā)電…………………463．4．1核聚變的必要條件…473.4．2核聚變的臨界條件…473．4．3磁場箍縮核聚變……493.5太陽能發(fā)電…………………523．5．1太陽能發(fā)電及其特點(diǎn)………………523．5.2太陽能電池的原理和能量轉(zhuǎn)換效率…543.6太陽熱發(fā)電…………………583.7自然能的利用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．603．7．1水力發(fā)電……………613．7．2風(fēng)力發(fā)電……………623．7．3地?zé)岚l(fā)電……………633．7．4其他………………643.8直接發(fā)電……653．8．1燃料電池．．．．．．．．．．．．．．．．．．．653．8．2MHD發(fā)電…………69第4章節(jié)能技術(shù)4．1節(jié)能技術(shù)概述………………724．1．1節(jié)能的概念…………734．1．2從能源流程圖看到的節(jié)能狀況……744．1．3各行各業(yè)的節(jié)能狀況………………754.2個(gè)別技術(shù)開發(fā)型節(jié)能．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．794．2．1產(chǎn)業(yè)用電動機(jī)和變換器……………794．2．2家用電器的高效率、低損失化…814．2．3建筑物中采暖、制冷負(fù)荷的降低834.3系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)型節(jié)能………844．3．1利用熱電聯(lián)合系統(tǒng)節(jié)能．．．．．．．．．．844.3．2熱電聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)………………854．3．3熱電聯(lián)合系統(tǒng)的計(jì)劃………………864.4廢棄能量再利用型節(jié)能……874．4．1超級垃圾發(fā)電．．．．．．．．．．．．．．．．．874．4．2冷凍機(jī)和熱泵．．．．．．．．．．．．．．．．．894．4．3通過熱泵利用尚未利用能源．．．．．．．914.5社會體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換型節(jié)能…934．5．1高效率