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能源世界之窗pdf

2020-02-15 05:01能源世界 人已围观

简介能源世界1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。 院士科普书系 能源世界 之 窗 朱亚杰 孙兴文 著 清 华 大 学 出 版 社 暨 南 大...

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  院士科普书系 能源世界 之 窗 朱亚杰 孙兴文 著 清 华 大 学 出 版 社 暨 南 大 学 出 版 社 ( 京) 新登字 158 号 图书在版编 目(CIP) 数据 能源世 界之 窗/ 朱亚杰 著 ; 孙 兴文 编 .—北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ; 广州 : 暨南大学出版社 , 2000 .12 ( 院士科普书系/ 路 甬祥主编) I SBN 7-302-04 2 10-1 Ⅰ.能… Ⅱ .① 朱… ② 孙… Ⅲ .能源—普及读物 Ⅳ .TK01-49 中国版本 图书馆 CIP 数据核字( 2000) 第 83458 号 出 版 者 : 清华大学出版社( 北京清华大学学研大厦 , 邮编暨南大学出版社(广州天河 , 邮编 5 10630 ) h tt p : / / w ww .j nu .edu .cn 责任编辑 : 奚春雁 印 刷 者 : 北京市丰华印刷厂 发 行 者 : 新华书店总店北京发行所 开 本 : 850 ×116 8 1/ 32 印张 : 5 .875 字数 : 117 千字 版 次 : 200 1 年 1 月第 1 版 2 00 1 年 1 月第 1 次印刷 书 号 : I SBN 7-302-7 印 数 : 0000~0000 定 价 : 00 .00 元 《院士科普书系》编委会( 第二届) 编 委 会 名 誉 主 任 周光召 宋 健 朱光亚 编 委 会 主 任 路 甬祥 编 委 会 委 员 ( 两院各学部主任 、副主任) 陈佳洱 杨 乐 闵乃本 陈建生 周 恒 王佛松 白春礼 刘元方 朱道本 何鸣元 梁栋材 卢永根 陈可冀 匡廷云 朱作言 孙 枢 安芷生 李廷栋 汪品先 陈 禺页 王大 中 戴汝为 周炳琨 刘广均 杨叔子 钟万勰 关 桥 吴有生 刘大响 顾 国彪 陆建勋 龚惠兴 吴 澄 李大东 汪旭光 陆钟武 王思敬 朱建士 郑健超 胡见义 陈厚群 陈肇元 崔俊芝 张锦秋 刘鸿亮 方智远 旭 日干 周 国泰 王正 国 赵 铠 钟南山 桑国卫 编 委 会 执 行 委 员 郭传杰 常 平 钱文藻 罗荣兴 编委会办公室主任 罗荣兴( 科学时报社) 副主任 周先路( 中国科学院学部联合办公室) 白玉 良( 中国工程院学部工作部) 蔡鸿程( 清华大学出版社) 周继武( 暨南大学出版社) 总 策 划 罗荣兴 周继武 蔡鸿程 总 责 任 编 辑 周继武 蔡鸿程 宋成斌 Ⅰ 提高全 民族 的科学素质 ———序 《院士科普书系》 人类走到了又一个千年之交。 人类的文明进程至少 已有 6000 余年。地球上各个 民族 共 同创造了人类文明的灿烂之花。中华文明同古埃及文 明、 古巴比伦文明、古印度文明、古希腊文明等一起 , 是人类文明 的发源地 。 15 世纪之前, 以中华文 明为代表的东方文 明 曾遥遥领 先于当时的西方文明。从汉代到明代初期, 中国的科学技术 在世界上一直领先长达 14 个世 纪以上。在那个时期, 影 响 世界文明进程的重要发明中, 相当部分是中华民族的贡献。 后来 , 中 国逐 渐 落 后 了。中 国为 什 么 落 后 ? 近 代 从 林则徐 以来许多志士仁人就不断提出和 思索这个历史课题 。 但都没有找到正确的答案。以同志、邓 小平 同志为代 表的中国人作出了唯一正确 的回答 : 中国落后 , 是 由 于生产力的落后和社会政 治的腐朽 。西方列强对 中国的欺 凌 , 更加剧了中国经济的落后和国家的衰败 。而落后就要挨 打。所 以要进行革命 , 通过革命从根本上改变 旧的生产关系 Ⅲ 和政治上层建筑 , 为解放和发展生产力开辟道路。于是, 就 有了 80 多年前孙中山先生领导的辛亥革命 , 就有 了 50 年前 我们党领导的新民主主义革命的胜利 , 以及随后进行 的社会 主义革命的成功。无论是革命还是我们正在进行 的社会主 义改革 , 都是为了解放和发展生产力。 同志提出的“科学技术是第一生产力”的著名论 断, 使我们对科学技术在经济和社会发展中的地位与作用的 认识 , 有了新的飞跃。我们应该运用这一真理性的认识 , 深 刻总结以往科学技术发展的历史经验 , 把我国科技事业更好 地推 向前进 。中国古代科技有过辉煌 的成果, 但 也有不足, 主要是没有形成实验科学传统和完整的学科体系, 科学技术 没有取得应有的社会地位 , 更缺乏通过科技促进社会生产力 发展的动力和机制。为什么近代科学技术首先在文艺复兴 后的欧洲出现 , 而未能在 中国出现 , 这可 能是原 因之一 吧。 而且 , 我国历史上虽然有着伟大而丰 富的文明成果和优 良的 文化传统, 但相对说来 , 全社会的科学精神不足也是一个缺 陷。鉴往开来 , 继承 以往的优秀文化 , 弥补历史的不足, 是当 代 中国人的社会责任 。 在新的世纪中, 中华民族将 实现伟大 的复兴。在一个 占 世界人 口五分之一 的发展中大国里, 再用 50 年的时 间基本 实现现代化 , 这又是一项惊天动地 的伟业 。为实现这个光辉 Ⅳ 的 目标 , 我们应该充分发挥社会主义制度的优越性, 坚持不 懈地实施科教兴国战略。 科教兴国, 全社会都要参与, 科学家和教 育家更应奋 勇 当先, 在全社会带头弘扬科学精神 , 传播科学思想, 倡导科学 方法 , 普及科学知识。科教兴国也要抓好基本建设。编辑出 版高质量的科普 图书, 就是一项基本建设, 对于提高全 民族 的科学素质 , 是很有意义的。在 《院士科普书系》出版之 际, 写了上面这些话 , 是为序 。 一九九九年十二月二十三 日 Ⅴ 人民交给 的课题 ———写在 《院士科普书系》出版之际 世界正在发生深刻 的变化。这一变化是 20 世纪以来科 学技术革命不断深入 的必然结果。从马克思主义 的观点看 来, 生产力的发展是人类社会发展 与文 明进步 的根本动力; 而“科学技术是 第一 生产力”, 因此, 科学技术是推动社会发 展与文明进步的革命性力量。从生产力发展的阶段看, 人类 走过 了农业经 济 时代、工业 经济 时代, 正 在进 入知识 经济 时代。 知识经济时代, 知识取代土地或 资本成为生产力构成的 第一要素。知识不同于土地或资本, 不仅仅是一种物质的形 态, 知识 同时还是一种精神的形态。知识, 首先是科 学技术 知识, 将不仅渗透到生产过程、流通过程 等经济领域, 同时还 将渗透到政治、法律、外交、军事、教育、文化和社会生活等一 切领域。可以说, 在新的历史时期, 一个 国家、一个 民族能否 掌握 当代最先进的科技知识 以及这些科技知识在 国民中普 及的程度将决定其 国力的强弱与社会文明程度的高低。科 技创新 与科 普 工作 是 关系 到 一个 国家、一 个 民族 兴衰 的 Ⅶ 大事。 对于我们科技工作者来说, 我们 的工作应 当包含 两个方 面: 发展科技与普及科技; 或者说应 当贯 穿于知识 的生产、传 播及应用的全过程。我们所说的科普工作, 不仅是普及科学 知识, 更应包括普及科学精神和科学方法。 我们的党和政府历来都 十分重视科普工作。党 的十五 大更是把树立科学精神、掌握科学方法、普及科技知识作为 实施科教兴国战略和社 会主义文化建设 的一项 重要任务提 到了全党、全国人 民和全体科学工作者的面前。 正是在这样的背景下, 199 8 年春 由科学时报社( 当时叫 “中国科学报社”) 提 出创 意, 暨南大 学出版社和清华大学 出 版社积极筹划, 会同中国科学院学部联合办公 室和 中国工程 院学部工 作部, 共 同发起 《院 士 科普 书系》这一 重 大科 普 工程。 1998 年 6 月, 中国科学院与中国工程院“两院”院士大会 改选各学部领导班 子, 《院士科普书系》编 委会正式成立, 各 学部主任均为编 委会委员。编委会办公室在广泛征 求意见 的基础上拟 出 150 个“提议书 目”, 在“两院”院士大会上 向 1000 多名院士发出题 为 《请科 学家 为 2 1 世纪写科普 书》的 “约稿信”, 得到了院士们的热烈响应。在此后 的半年 多时间 里, 有 176 名院士同编委会办公室和 出版社签订 了 175 本书 的写作出版协议, 开始 了《院士科普书系》艰辛的创作过程。 Ⅷ 《院士科普书系》的定位是结合当代学科前沿和 我国经 济建设与社 会发展的热 点 问题, 普及科技知识、科 学方法。 科学性、知识性、实用性和趣味性是编写的总要求。 编写科普书对我 国大 多数院士来说是一个新课题。他 们惯于撰写学术论文。如何把专业的知识和方法写成生动、 有趣、有文采的科普读物, 于科技知识 中融入人文教育, 不是 一件容易的事。不少 院士反 映: 写科普 书 比写学术专著还 难。但院士们还是 以感人的精神完成 自己的书稿。在此过 程 中, 科学时报社和 中国科 学院学部联 合办公 室、中国工程 院学部工作部 以及清华大学出版社、暨南大学 出版社 也付 出 了辛勤的劳动。 《院士科普书系》首辑终于出版 了。这是人 民交给科 学 家课题, 科学家 向人 民交 出答卷。江泽 民总书记专 门为 《院 士科普书系》撰写 了序言, 指 出科普是科教兴国的基础工程, 勉励科学家、教育家“在全社会带头弘扬科学精神, 传播科学 思想, 倡导科学方法, 普及科 学知识”, 充分表达 了党 的第三 代领导集体对科普 的重视, 对提 高全 民族科技 素质 的殷殷 期望。 《院士科普书系》将采取滚动 出版的模 式。一方面随着 院士们的创作进程, 成熟一批 出版 一批; 另一方面 随着科 学 技术的进步和创新, 不断有新 的题材 由新的院士作者撰 写。 因此, 《院士科普 书系》将是一个长期 的、系统 的科普工程。 Ⅸ 这一庞大的工程, 不但 需要 院士们积极投入, 还需要各界人 士和广大读者的支持———对我们的选题和 内容提出修订、完 善的建议, 帮助 我们不断提高 《院士科普 书系》的水平 与质 量, 使之成为国民科技素质教育的系统而经典的读本。在科 学家群体撰写科普 书方面, 我们也要以此为起 点为开端, 参 与国际竞争与合作, 勇攀世界科普创作的高峰。 中国科学院院长 《院士科普书系》编委会主任 路 甬祥 2000 年 1 月 8 日 Ⅹ 目 录 1 能源世界纵横谈 1 .1 关于能源的几个概念 …………………………… 1 1 .2 人类利用能源的历史 …………………………… 4 1 .3 能源 ———社会经济发展的动力 ………………… 7 1 .4 中国能源现状及面临的挑战 ………………… 10 1 .5 世界能源的发展前景 ………………………… 12 2 煤 、油 、气 , 一次能源三大支柱 2 .1 煤炭 , 世界工业革命的动力基础 ……………… 17 2 .2 石油 , 现代工业的“血液”……………………… 2 8 2 .3 天然气 , 天生丽质的能源新星 ………………… 39 3 电、水 、核 , 能源史上最辉煌 的成就 3 .1 电力 , 人类迄今最理想的能源 ………………… 4 9 3 .2 水能, 源远流长的动力之源 …………………… 63 3 .3 核能, 造福人类的非凡英雄 …………………… 74 4 绿色能源 , 人类未来的希望 4 .1 太阳能, 永恒的动力之源 ……………………… 92 Ⅺ 4 .2 风能, 古老动力再现青春 …………………… 10 8 4 .3 生物质能, 人类社会进化的里程碑 ………… 118 4 .4 海洋能, 蔚蓝色世界的诱惑 ………………… 13 1 4 .5 地热能, 揭开远古的奥秘 …………………… 142 4 .6 氢能, 未来能源家庭的骄子 ………………… 153 5 能源未来面面观 5 .1 珍惜资源 , 节能新技术 ……………………… 166 5 .2 智慧结晶, 能源与科技 ……………………… 16 8 5 .3 绿色世纪 , 能源与可持续发展 ……………… 170 后记 ……………………………………………………… 173 Ⅻ 1能源世界纵横谈 1 .1 关于能源的几个概念 世界是美好 的, 因为大 自然为人类提 供了新奇、舒适、健康的物质享受和极大的 便利 , 而这一切都依赖于能源 。能源是维 持人类生存和物质文 明发展 的动力之源 , 是能量的来源 。 能源可简称为含有 能量 的资源 。能量 是物体做功的能力。能源是指提供某种形 式能量 的物质或物质的运动。 《大英 百科 全书》对能源 的解释为 :“能源是一个包括 所有燃料、流水、阳光和风 的术语 , 人类采 用适当的转换手段 , 给人类 自己提供所 需 1 院士科普书系 能 源 是 人 类 取 得 能 量 的 来 源 , 可 分 为 一 次 能 源 、二 次 能 源 、 绿 色 能 源 等 。 的能量 。” 大家知道 , 能可 分为六大类 : 机械 能、热能、电能、化学 能、电磁能、原子能。机械 能是与位置相关 的势能和与运动 相关的动能; 热能是与原子及分子振动与运动有关的分子运 动能; 电能是和 电子的流动与积累有关 的一种 能; 化学能是 一种存在于物质中各组分间连接键 内的能量 , 随着化学反应 而产生 ; 电磁能是和 电磁辐射相关联的能; 原子核 能是粒子 相互作用而释放的能, 包括放射性衰变、裂变和聚变 。 我们歌颂“万物生长靠太阳”, 这是因为地球上的绝大部 分能源最终来源于太阳热核反应释放的巨大能量 , 另外还有 地球形成过程 中储存下来的能量和太阳系运行的能量 。 能源是人类取得能量的来源 , 包括 已开采 出来可供使用 的自然资源和经过加工或转换的能量的来源 , 尚无开采出来 的能量资源只称为资源 。 能源按其形态特性或转换和利用 的层次可分为 以下 12 类 : 固体燃料 , 液体燃料 , 气体燃料 , 水 能, 核 能( 通 常指核裂 变能) , 电能, 太阳能, 风能, 生物质 能, 地热能, 海洋 能, 核 聚 变能。 能源还可分为 : 一次能源 , 二次能源 ; 可再生 能源和非再 生能源 ; 新能源和常规能源 ; 商品能源和非商品能源 ; 终端能 源 ; 农村能源 ; 绿色能源 。 一次能源是直接从 自然界取得的能源 , 如河流中流动的 水, 开采出的原煤、原油、天然气、天然铀矿等。二次能源是 一次能源经过加工、转换得到的能源 , 如 电力、蒸汽等。终端 能源是经过输送和分配 , 在各种用 能设备中使用的能源 。终 22 能源世界之窗 可 再 生 能 源 , 包 括 太 阳 能 、生 物 质 能 、水 能 、风 能 、地 热 能 、波 浪 能 、洋 流 能 和 潮 汐 能 , 以 及 海 洋 表 面 与 深 层 之 间 的 热 循 环 等 等 , 是 可 供 人 们 取 之 不 尽 的 一 次 能 源 。 端能源所提供的服务 , 不仅 是一种载体 , 而且是为 了有效地 利用其他资源 , 诸如劳力、资本 , 尤其是技术的一种输入 。 可再生能源 , 包 括太 阳能、生物质 能、水 能、风 能、地热 能、波浪能、洋流能和潮汐能, 以及海洋表面与深层之 间的热 循环等等 , 是可供人们取之不尽的一次能源 。煤炭、石油、天 然气、煤成气等化石能源 , 是不能再生的, 叫做非再生能源 。 新能源一般是指在新技术基础上加 以开发利用 的可再 生能源 , 除前面 已提到 的外, 还有氢 能、沼气、酒精、甲醇等。 已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能、核 电等 能源 , 称为 常规能源 。 商品能源是指经流通环节大量消 费 的能源 , 主要有煤 炭、石油、天然气、电力等。非商品能源是指不经流通环节而 自产 自用的能源 , 如农户 自产 自用的薪柴、秸秆 , 牧民 自用的 牲畜粪便等。非商品能源在发展 中国家的能源供应 中一般 占有较大 比重 , 农村地区开发 以及生产和生活使用的能源叫 做农村能源 。 此外, 从环境保护的角度 , 人们根据能源在使用 中所产 生的污染程度 , 分为清洁能源和非清洁能源 。有时人们把清 洁能源称为绿色能源 。“绿色能源”有两层含义 : 一是利用现 代技术开发干净、无污染的新能源 , 如太 阳能、风能、潮汐 能 等 ; 二是化害为利 , 将发展能源 同改善环境相结合 , 充分利用 城市垃圾、淤泥等废物中所蕴藏的能源 。与此 同时, 大量普 及 自动化控制技术和设备 以提高能源的利用率。 能源还可分为含 能体 能源和过程性 能源 。各种草木燃 料、矿物燃料、核燃料、氢、地下热水及蒸汽、高位水库 中的水 33 院士科普书系 有 时人 们 把 清 洁 能 源 称 为 绿 色 能 源 。 能 源 还 可 分 为含 能体 能 源 和 过 程 性 能 源 。 等都是含能体能源 , 即储存起来 的能源 。风 能、流水的动 能、 潮汐能、太阳辐射能、电能等都是过程性 能源 , 它们不能直接 储存 , 存在于“过程”之中。 具有 确 切 定 义 和 当量 值 的 能 源 单 位 主 要 有 焦 ( J ) 、 千瓦 ·时( k W ·h ) 、卡 ( cal ) 和英热单位 ( Bt u ) , 它们之 间相 互换算关系如下表 : 能量单位换算表 GJ k W ·h kcal Btu ( 109 焦耳) (千瓦 ·时) (千卡) ( 英热单位) 6 3 GJ 1 277.77 2.3 89 ×10 947 .8 ×10 kW ·h 3.6 ×10 - 3 1 860 34 12 kcal 4. 183 ×10 - 6 1. 17 ×10 - 3 1 3.96 8 - 6 - 4 Bt u 1.055 ×10 2.93 ×10 0.252 1 1 .2 人类利用能源的历史 人类 自出现之 日起 , 就要靠食用 自然界中的动植物来摄 取维持 自己生命的能源 。后来 , 发现 了火 , 学会用火在人类 发展史上是值得大书特书的一件大事 。 是谁为人类取来了火种 ? 在古代 中国的传说中, 燧人 氏 是“钻木取火”的发 明者。他教人熟食 , 人们 自此告别“茹毛 饮血”。在古希腊神话 中有一位名 叫普罗米修斯的神灵, 他 为了造福人类 , 从天上盗取火种带到人 间, 从此给人们带来 温暖和光明, 而他却受到众神之王宙斯 的严厉惩罚, 但他 宁 44 能源世界之窗 人 类使 用 火 的历 史 可 以 追 溯 到 旧石 器 时 代 。 据 史 前 考 古 学 的 发 掘 , 在 5 0 万 年 以前 , 生 活 在 周 口店 的 北 京 猿 人 便 开 始 使 用 火 了 。 受折磨坚毅不屈。因此 ,“盗火者”普罗米修斯一直是个敢于 抗拒强暴、不惜为人类幸福牺牲一切的英雄形象。 其实, 为人类取来火种的既不是燧人 氏, 也不是普罗米 修斯 , 而是人类 自己。人类使用火的历史可 以追溯到 旧石器 时代 。据史前考古学的发掘 , 在 50 万年 以前, 生活在周 口店 的北京猿人便开始使用火了。火的使用给人类带来光明, 使 人类开始吃熟的食物 ( 如 图 1-1) 。还可 以驱走凶猛 的野兽 , 保护人类 , 也可用来制造工具。火是人类改变地球面貌强有 力的手段 , 人类用火焚烧掉树丛和森林 , 有助于草原的产生 , 便于食草类动物的繁殖。同时, 草原上野草 的种子 , 也是早 期人类的一种食物来源 。许 多技术的产生和发展都是受火 控制的, 陶器的烧制、金属的冶炼和加工等都与火分不开。 人类 自从懂得了用火 , 就 以树木作为燃料 。森林 能源的 最大特点是能再生 , 每公 顷森林每年能生产 12. 9t 干物质 , 被固定的太阳能相当于 5t 粗制石油的能量 。森林实际上是 个不断“生产”能量的“绿色宝库”。一个 国家和地区的森林 , 每年提供的能量非常惊人。据估计 , 地球上各种绿色植物每 年所固定的太阳能可 以达到 30 ×102 0 J , 其 中森林 的份额 占 了绝大部分, 而现在全世 界一年 中所消耗 的能量 总共 只为 3 ×102 0 J 。光是森林一年生产出来的能量 , 就够全世界居民使 用 10 年。 在 以往漫长的人类历史上 , 人类只限于对风力、水力、畜 力、木材等天然 能源 的直接利用。尤其是木材 , 在世 界一次 人取火 、用火 55 院士科普书系 据 估 计 , 地 球 上 各 种 绿 色 植 物 每 年 所 固 定 的 太 阳 能 可 以 达 到 30 ×102 0 J , 其 中森 林 的份 额 占 了绝 大 部 分 。 能源消费结构中长期 占居首位 。蒸汽机的出现加速了 18 世 纪开始的产业革命 , 促进 了煤炭的大规模开采 。到 19 世 纪 下半叶, 出现了第一次能源转换。1860 年 , 煤炭在世 界一次 能源消费结构中占24 % , 1920 年上升为 62 % 。从此 , 世界进 入了“煤炭时代”。 19 世 纪 70 年代 , 电力代替 了蒸汽机 , 电器工业迅速发 展 , 世界能源消费结构中煤炭的 比重逐渐 下降。1965 年 , 在 世界能源消费结构 中, 石油首次取代煤炭 占居首位 , 世界进 入了“石油时代”。1979 年 , 世 界能源 消费结构的 比重是 : 石 油 占54 % , 天然气和煤炭各 占 18 % , 油、气之和高达 72 % 。 石油取代煤炭完成了能源 的第二次转换。但 是地球上石油 的储量有限, 石油的大量消费, 使能源供应严重短缺 , 世界能 源 向石油 以外的能源物质转换 已势在必行。 世界能源正面临一个新的转折 点。能源消 费结构, 已开 始从石油为主要 能源逐步 向多元 能源 结构过渡 。新 能源包 括地热、低品位放射性矿物、地磁等地 下能源 ; 还包括潮汐、 海浪、海流、海水温差、海水盐差、海水重氢等海洋能和风 能、 生物能等地面能源 , 以及太阳能、宇宙射线等太空能源 。其 中核能是最有希望取代石油的重要能源 。 综上所述 , 人类利用 能源 的历史, 也就是人类认识和征 服 自然的历史。人类利用能源的历史可分为五大阶段 : ( 1) 火的发现和利用 ; (2 ) 畜力、风力、水力等 自然动力的利用 ; ( 3 ) 化石燃料的开发和热的利用 ; (4 ) 电的发现及开发利用 ; 66 能源世界之窗 人 利 用 能 源 的 历 史 可 分 为 五 大 阶 段 : ( 1 ) 火 的 发 现 和 利 用 ; ( 2 ) 畜 力 、风 力 、水 力 等 自然 动 力 的 利 用 ; ( 3 ) 化 石 燃 料 的 开 发 和 热 的 利 用 ; ( 4 ) 电 的 发 现 及 开 发 利 用 ; ( 5 ) 原 子 核 能 的 发 现 及 开 发 利 用 。 ( 5 ) 原子核能的发现及开发利用。 人类在能源的利用史上主要有过三 次大的转换 : 第一次 是煤炭取代木材等成为主要能源 ; 第二次是石油取代煤炭而 居主导地位 ; 第三 次是 目前正在 出现 的向多能源 结构 的过 渡 , 这一转换现在还没有完成。 1 .3 能源———社会经济发展的动力 人们把能源、材料和信息看作是近代社会发展的三大支 柱 。其中能源可 以说是最基本的物质基础 。能源历来是人 类文明的先决条件 , 人类社会 的一切活动都离不开 能源 , 从 衣食住行, 到文化娱乐, 都要直接或间接地消耗一定数量 的 能源 。当前, 在世界新的技术革命的热潮 中, 虽然信 息产业 正以惊人的速度迅猛发展 , 但能源对世界经济 的影响仍稳居 第一位 。 能源的重要性对于经济 尚不发达的国家来说尤其突 出, 这些国家纷纷把能源确定为经济发展的战略重点。 能源与经济发展相互促进而又相互制约, 能源发展包括 能源总量的增长 , 能源 品种 的增加 , 能源质量 的提高和新 能 源的开发。能源开发不仅为经济发展提供 了充足 的燃料和 动力, 而且对于推动技术进步、促进新产业的形成和发展、提 高劳动生产率、改善人们生活和巩固国防都有重要作用。 煤炭的开发和应用 , 促进 了冶金工业的发展和蒸汽机的 推广 , 推动 了英 国的产业革命 。石油 的开发和 电的发 明应 用 , 使人类进入 电气化 , 大大提高 了机械化水平和 自动化水 77 院士科普书系 能 源 发 展 包 括 能 源 总 量 的 增 长 、能 源 品 种 的 增 加 、能 源 质 量 的 提 高和 新 能 源 的 开 发 。 平 。核能和新能源的开发既是新技术革命的内容, 又推动新 技术革命的发展。煤、石油、天然气 日益成为生产人造纤维、 塑料、橡胶和其他许多化工产品的重要原料 , 煤炭化工、石油 化工 已成为国民经济重要的工业部 门, 多品种 的能源产品及 能源加工产品正在推动工业、农业、交通通讯业和 国防工业 的进一步发展。农业现代化 需要大量 的农用机械、农药、化 肥、农用薄膜 , 这些都是工业耗能的结果。交通、通讯 的进步 也是 以增加能源消耗为代价的。提高交通、通讯速度可 以节 约时间, 创造更 多财 富, 但提高速度 愈快, 消耗 的能源 也愈 多, 即以能源换时间。 能源消耗的水平是人类生活水平和生活质量 的重要尺 度 , 民用能源数量 的增加和质量的提高, 创造 了更加舒适 的 生活环境 , 降低 了劳动强度 , 解放 了繁重 的家务劳动。值得 一提的是, 现代 国防更是离不开石油和新能源 , 汽油作为燃 料使飞机、坦克、军舰成为主要 的常规军备, 即使在和平 时 期, 军事活动消耗的能源也是惊人的。目前, 美国 F-15 战斗 机每分钟耗油 908L , B-52 轰炸机每 小时耗油 13 620L , 航 空 母舰每天耗油 15 8. 9 万 L 。当然 , 生产武器 的工厂 能源 消耗 更是惊人。此外, 能源技术 的进步, 是军备现代化 的先决条 件 , 能源科技 的重大发现和发 明, 往往首先用于军事 目的。 如核能的应用出现了核动力潜艇、核动力航 空母舰、、 氢弹、中子弹等先进的、威力巨大的武器和装备, 而激光和太 阳能的利用 , 开创了新一代空间武器 。 经济发展给能源产品提供了市场需求 , 经济发展为能源 发展提供资金、技术、设备和材料 。能源工业是资金技术密 88 能源世界之窗 经 济 发 展 给 能 源 产 品 提 供 了 市 场 需 求 , 经 济 发 展 为 能 源 发 展 提 供 资 金 、技 术 、设 备 和 材 料 。 集型产业 , 开采难度大, 运输成本高, 从勘探、开发到生产、分 配、消费, 周期 比较长 , 必须超前投资, 才能使 能源供给满足 经济发展的需要。随着开采条件 的恶化 , 开采成本愈来愈 高, 对开采技术提出了更高的要求。只有经济发展 了, 才 能 提供巨额的能源开发资金 ; 才 能提供先进的、大型 的采矿设 备、采油炼油设备和发 电输 电设备; 才 能应用新技术实现 自 动控制采煤、气化煤、液化煤、太 阳能微波传输、生物工程制 氮肥和提高石油采 收率技术等 ; 才 能不断提高能源的产量、 质量并提高能源生产效率 ; 才能开发新能源 。 能源发展与经济发展相互制约表现在 : 能源增长速度和 品种质量的提高, 受到能源 资源、投资能力和技术水平的限 制 , 从而限制了经济的过快增长和发展 ; 经济 的发展水平又 影响了投资能力和技术水平 , 从而 限制了能源的发展。矿物 能源的过度开采和使用 , 造成空气污染、水污染、热污染、固 体污染, 破坏生态环境 , 危及动植物的生存和人类 的健康 , 从 而使发展经济需付出高昂的代价。科学家认为, 当今人们物 质与文化生活所消耗的一切物 品, 体现 了能源 的最终消 费。 我们努力开发能源的 目的, 正是为了满足人们物质和精神生 活不断增长的需要。 1 .4 中国能源现状及面临的挑战 中国拥有 比较丰富而多样的能源资源 。在 1 000m 深度 以内的煤炭预测总资源量达 26 700 亿 t , 到 1991 年底经勘 探证实的煤炭储量为 9 667 亿 t 。可开发水 能资源为 37 853 99 院士科普书系 目前 我 国 已 建 成 相 当 规 模 的 能 源 工 业 体 系 和 基 地 , 拥 有 世 界 上 第 三 大 能 源 系统 。 万 k W , 居世界第一位 。石油预测总资源量为 940 亿 t , 天然 气总资源达 40 ×104 亿 m3 。目前已探 明相 当数量 的天然铀 储量 , 除军用外, 可供我 国发展核 电所 需。此外, 太 阳能、风 能、地热能、生物质能、海洋能等能源也十分丰富。 中华人民共和 国成立 以来 , 中国能源工业得到迅速发 展 , 取得 很大 的成就。从 194 9 年 到 1994 年 , 原 煤产 量 由 3 2 00 万 t 增至 11.8 亿 t ; 原油产量从 12 万 t 增至 1.5 亿 t ; 天然气产量从 0. 07 亿 m3 增到 169 .5 亿 m3 ; 发 电量从 4 3 亿 kW ·h 增至 8 395 亿 kW ·h 。自 80 年代 以来 , 我国采取多 项措施 , 加快了新 能源 的开发和节 能工作 , 取得了显著的成 效。目前我国已建成相当规模的能源工业体系和基地 , 拥有 世界上第三大能源系统。我国能源科学技术也有很大发展 , 已能 自己设计和建设大型现代化矿井、油 田、水火 电站、核 电 站 , 并提供成套设备, 为 2 1 世纪的更大发展奠定了基础 。 然而 , 中国人均能源资源量 并不多, 而且分布很不均衡 。 据探测 , 煤炭储量约 60 .8 % 集中在华北, 水能资源 70 % 集中 在西南, 远离消费中心。中国化石能源储量的人均拥有量仅 为世界平均值的 1/ 2 。 中国能源消费的特点主要表现为三个方面 : 一是人均能耗低而单位产值 能耗高。中国一次能源 消 费量早 已居世界第三位 , 仅次于美 国和前苏联。但 中国人均 消费量很低 , 1993 年统计仅为世 界平均值 的 4 7 % 。由于人 口过多, 而且不断增长 , 使得提高人均 能耗水平非常 困难 。 另一方面 , 中国单位产值能耗不但远高于发达 国家 , 而且 高 于发展中国家的平均水平 。能源消费的这种两重性, 是中国 1100 能源世界之窗 中 国 能 源 消 费 的 特 点 主 要 表 现 为 三 个 方 面 : 一 是 人 均 能 耗 低 而 单 位 产 值 能耗 高 , 二 是 农 村 能 源 问 题 , 三 是 以 煤 为 主 的 能 源 结 构 面 临严 峻 挑 战 。 能源 问题的症结所在 。 二是农村能源 问题 。中国 8 .5 亿农村居 民的生活用 能 中有 70 % 依靠生物质能, 薪柴消 费量超过合理采樵量 30 % , 造成森林植被大面积破坏 , 水土流失加剧 ; 大量秸秆不能还 田, 导致土壤有机质减少 , 地力下降。在农业生产方面 , 由于 中国必须靠提高单位面积产量增产粮食 , 能源 需求急剧增 长 , 目前某些谷物单位面积直接和 间接 消耗 的能源 , 已接近 美国的水平 , 这说明中国已进入高耗 能农业 时代 。此外, 80 年代 以来 , 迅猛发展的乡镇企业使农村商品能源需求直线上 升 , 据统计 , 乡镇企业多采用落后工艺和设备, 因此单位产品 能耗较高。 三是 以煤为主的能源 结构面 临严峻挑 战。中国是世 界 最大煤炭生产 国和消费国, 也是世界上少数几个一次能源 以 煤为主的国家之一。煤炭提供 了 75 % 的工业燃料和动力、 80 % 的民用商品能源 。大量烧煤造成严重的城 市大气污染。 在今后几十年 内, 中国能源需求的增长仍将主要靠煤炭来满 足, 大幅度增加煤炭生产和利用 , 将对环境和运输造成越来 越大的压力。 1 .5 世界能源的发展前景 国际舆论经常谈起世界“能源危机 ”问题 , 甚至预 言: 世 界石油资源在不久 的将来要枯竭 , 能源危机将 是不可避 免 的, 这并非危言耸听。如果不作出重大努力去利用和开发各 种能源资源 , 那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严 1111 院士科普书系 据 专 家 估 计 , 全 世 界 已 探 明 的 石 油 、天 然 气 、煤 炭 、油 页 岩 等 化 石 燃 料 的 资 源 总 量 , 大 约 只 够 人 类使 用 1 00 多 年 。 重 问题 。 20 世纪 70 年代 以来 , 世界能源 结构开始经历第三 次大 转变 , 即从石油、天然气为主的能源系统, 开始转 向以可再生 能源为基础的持续发展的能源系统( 如图 1-2 ) 。 之所 以会发生这种转变 , 是因为现今 以石油、天然气、煤 炭为主的化石 能源是不可再生 的, 供应也过分集 中。1973 年中东战争触发的第一次世界石油危机 , 说明原有能源系统 不可能长久维持下去。据专家估计 , 全世界 已探 明的石油、 天然气、煤炭、油页岩等化石燃料的资源 总量 , 大约只够人类 使用 100 多年( 虽然还会有相 当数量的资源有待探 明, 但为 数有限) 。另一方面 , 目前 以化石燃料为主体的能源系统, 造 成了严重的全球环境 问题 。每年排放 的数 以亿吨 的二氧化 硫和氮氧化物、几十亿吨的二氧化碳 中, 大部分是燃煤、燃油 所致 。全球 日益高涨的保护环境的呼声, 是促进第三 次能源 结构大转变 的重要 因素。但 是, 更重要 的原 因是技术 的进 步, 世界新的技术革命促成 了新兴工业蓬勃发展 , 它们终将 形成新的生产体系, 这种新的生产体系要求采用可再生 的、 分散的和多样化的能源 。 在今后相当长一段时期 内, 世界能源系统仍将 以化石燃 料为主。在这过渡时期, 天然气 因其环境影 响小, 将 日益受 到各国的重视 ; 煤炭将因洁净煤技术 的推广 , 煤炭液化、煤炭 气化技术的开发而变成 比较清洁的能源 , 成为过渡时期能源 结构中一大重要支柱 。 源系统示意图 1122 能源世界之窗 未 来 的 以可 再 生 能 源 为 基 础 的 持 续 发 展 的 能 源 系 统 主 要 包 括 太 阳 能 、地 热 能 、水 能 、风 能 、氢 能 、海 洋 能 、生 物 质 能 , 以 及 核 裂 变 增 殖 反 应 堆 发 电和 核 聚 变 堆 发 电等 。 未来的以可再生 能源为基础的持续发展 的能源 系统主 要包括太阳能、地热能、水 能、风能、氢能、海洋能、生

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