可持续世界的能源:从石油时代到太阳能将来

本书由国际著名能源化学专家所著，以最新的和详细分类的信息来源，帮助那些为能源和气候危机寻求出路，为化石燃料时代产生的问题和差距找寻答案的科学家、学生和老师们提供一个很好的指引。 作者:[意]尼克拉?艾莫里(Nicola Armaroli)、文思卓?巴尔扎尼(Vincenzo Balzani) 第一部分地球号太空船 第1章能源挑战／2 1.1我们的地球号太空船／2 1.2不平等世界中的不可持续增长／4 1.2.1人口增长与承载能力／4 1.2.2经济增长与生态恶化／4 1.2.3不平衡性／5 1.3能源和气候危机／6 1.4应对挑战／6 1.5无法回避的问题／7 第2章概念和误解／9 2.1能量的定义／9 2.2基本定律／10 2.3一次能源转化为可用能源／10 2.4消耗能量以获取能源：EROI／11 2.5内能／12 2.6能量单位与转换／13 2.7巨大的能量和电力需求／14 2.8一些能量关键参数／15 2.9能源普及与能源文盲／16 2.10关键数字：唤醒能源意识的算盘／17 第3章能源的历史／21 3.1简史／21 3.2畜力／22 3.3人类奴隶和能源奴隶／23 3.4水车和风车／24 3.5从木柴到煤炭／25 3.6蒸汽机／26 3.7机动车／27 3.8飞机／27 3.8.1传统发动机／27 3.8.2喷气式引擎／28 3.9电力／29 3.9.1早期发展／29 3.9.2信息和通信技术／29 第二部分化石燃料 第4章石油／34 4.1什么是石油／34 4.2石油的历史、勘探、开采和产量／35 4.2.1历史／35 4.2.2勘探／35 4.2.3开采／36 4.2.4产量／37 4.3石油运输／39 4.3.1管线运输／39 4.3.2油轮运输／40 4.4石油提炼／41 4.5石油储存／42 4.6非常规石油／42 4.7石油化工产品／44 4.8石油燃料／45 4.8.1世界版图／45 4.8.2美国及其他发达国家／46 4.8.3中国和印度／46 4.9美国对石油的依赖／47 4.10石油价格／51 4.11石油峰值和储备／52 4.11.1非可再生资源／52 4.11.2石油储量／53 4.11.3石油峰值／53 第5章天然气／56 5.1什么是天然气，天然气来自何处／56 5.2天然气性质和定义／56 5.3天然气开发简史／57 5.4天然气的生产、使用和储存／58 5.5液化天然气／60 5.6天然气加工／61 5.7运输、储存和分配／62 5.7.1运输／62 5.7.2储存／64 5.7.3配送／64 5.8天然气用户：能源和原料／64 5.8.1能源应用／64 5.8.2天然气作原料／65 5.9非常规天然气／67 第6章煤炭／69 6.1煤炭是什么／69 6.2煤炭开采／70 6.3煤炭的运输与工业应用／71 6.4煤炭气化／71 6.5煤炭的生产、消费和储存／72 6.6碳捕获和碳封存／73 6.7整体煤气化联合循环技术／76 第7章化石遗产／78 7.1能源的阴暗面／78 7.1.1不平等性和外部成本／78 7.1.2货币化成本／78 7.1.3间接影响／79 7.2矿物燃料燃烧对碳循环的改变／79 7.2.1碳的储存与流动／79 7.2.2CO2浓度的测量／80 7.2.3温室效应／81 7.3人为因素导致的气候变化／82 7.3.1人类对气候变化的认识过程／82 7.3.2冰川消融／83 7.3.3洋流干扰／83 7.3.4海洋酸化／84 7.3.5冻土融化／85 7.3.6气候变化对生态系统的影响／85 7.4空气污染与全球变暖／86 7.4.1烟尘和雾霾／86 7.4.2气溶胶与黑碳／86 7.4.3臭氧、臭氧层耗蚀物质和N2O／87 7.4.4复杂的状况／87 7.5应对之策／87 7.6限制CO2／89 7.6.1监管、限制温室气体排放／89 7.6.2CO2浓度和温度／91 7.7空气污染和人类健康／92 7.7.1复杂的大气成分／92 7.7.2NOx／92 7.7.3臭氧／93 7.7.4悬浮颗粒物／93 7.7.5一氧化碳／94 7.7.6二氧化硫和酸雨／94 7.7.7重金属／95 7.8陆地和水质的退化／95 7.8.1原油泄漏／96 7.8.2燃煤残渣／97 7.9然后又能怎样／98 第三部分核能 第8章核能／100 8.1核裂变与核聚变／100 8.1.1放射性、质量和能量／100 8.1.2物质的结构／101 8.1.3核裂变／102 8.1.4链式核裂变反应／103 8.1.5核聚变／103 8.2核裂变的能量／104 8.2.1过去和现在／104 8.2.2核燃料／105 8.2.3铀资源供给／106 8.2.4核反应技术／108 8.2.5成本和建设工期／109 8.2.6核扩散／110 8.2.7安全与防护／111 8.2.8核废料的处置／112 8.2.9退役和拆除／113 8.2.10其他限制因素／114 8.2.11愿景／115 8.2.12核工业复兴／116 8.3核聚变民用化／118 8.3.1难点／118 8.3.2磁约束方法／118 8.3.3惯性约束方法／119 8.3.4一厢情愿／119 第四部分可再生能源 第9章太阳能基础／124 9.1太阳光的起源／124 9.2太阳辐射和衰减／126 9.3储量、分布、重要性／127 9.4太阳能的缺陷：分散性和间歇性／128 9.5太阳能的转化：热、燃料和电／129 第10章太阳能光热和光电利用／131 10.1被动式太阳能建筑／131 10.2转换：分布式太阳能技术／132 10.2.1太阳能热水器／132 10.2.1.1集热器／132 10.2.1.2水管理／133 10.2.1.3日照量／133 10.2.2太阳能热水器的发展现状和趋势／133 10.2.3地能系统／135 10.2.4太阳能热电技术／136 10.3太阳能光热转换：太阳能流的聚集／138 10.3.1聚光式太阳能光热发电技术／138 10.3.2槽式抛物面太阳能热发电系统／139 10.3.3塔式太阳能热发电系统／140 10.3.4碟式斯特林太阳能热发电系统／141 10.3.5太阳能塔热气流发电系统／142 10.3.6太阳能光热发电系统的成本和碳足迹／143 10.3.7太阳能热化学转换／143 10.4光伏起源和发展／145 10.5无机光伏材料：关键原理／146 10.6硅太阳能电池／148 10.6.1多晶硅和单晶硅太阳能电池的加工／148 10.6.2材料要求、循环寿命、成本／149 10.6.3非晶硅薄膜太阳能电池／150 10.7薄膜太阳能电池／150 10.8有机太阳能电池／152 10.9太阳能聚光光伏发电及其他前沿技术／154 10.10光伏产业：全球化布局和市场发展趋势／155 10.11太阳能：可再生、易获取／156 第11章太阳能燃料／158 11.1引言／158 11.2天然的光合作用／158 11.2.1一个复杂的过程／158 11.2.2天然捕光系统／159 11.2.3天然的反应中心／160 11.2.4光合效率／162 11.3生物质和生物燃料／162 11.3.1生物质／162 11.3.2生物燃料／163 11.3.3第二代生物燃料／166 11.3.4生物燃料的前景／167 11.4未来交通运输业的燃料选择／167 11.5人工光合作用／168 11.5.1太阳能的需求／168 11.5.2选择正确的光反应形式／170 11.5.3选择正确的化学基底／171 11.5.4人工光合系统的组成／172 11.5.5人工光捕获系统与反应中心的结合／173 11.5.6多电子氧化还原反应所存在的问题／174 11.5.7半导体催化光解水反应／175 11.6染料敏化太阳能电池／176 11.7太阳能燃料所遇到的挑战／177 第12章其他可再生能源／179 12.1水电能源／179 12.1.1水电的起源／179 12.1.2发展潜力和实际应用状况／180 12.1.3优势、劣势和环境影响／181 12.1.4水电的未来／181 12.2风能／182 12.2.1发展史概述／182 12.2.2风电技术／182 12.2.3风电的巨大发展潜力／184 12.2.4发展现状和未来趋势／185 12.2.5环境影响／187 12.2.6风电成本／188 12.3海洋能／188 12.3.1潮汐能／188 12.3.2波浪能／190 12.3.3海洋热能／191 12.4地热能／191 12.4.1地热资源／191 12.4.2地热发电／192 12.4.3地热直接应用／193 12.4.4优势、劣势、展望／193 12.4.5下一步：深入挖掘／194 第五部分能源载体 第13章电能／196 13.1基本概念／196 13.2照明／198 13.3传统发电技术／199 13.3.1需求与供给／199 13.3.2基于矿物燃料火力发电站／201 13.3.2.1煤炭火力发电站／201 13.3.2.2石油或天然气火力发电站／201 13.3.3水电站／202 13.3.4核电站／203 13.3.5其他能源的贡献／203 13.4传统电网／203 13.5可再生能源发电／205 13.5.1间歇性和波动性／205 13.5.2风力发电／206 13.5.3太阳能发电／206 13.6电能储存／207 13.6.1储能的意义／207 13.6.2抽水蓄能系统／208 13.6.3压缩空气蓄能系统／208 13.6.4飞轮储能系统／208 13.6.5超导磁储能系统／209 13.6.6静电能储存（电容器）／210 13.6.7电池／210 13.6.7.1电池要求／210 13.6.7.2电池种类／210 13.6.8电解水制氢／212 13.7插电式交通工具／213 13.7.1混合动力汽车和纯电动汽车／213 13.7.2基础设施／214 13.8智能电网／214 13.9走向电驱动时代／215 第14章氢／217 14.1引言／217 14.2性质与工业应用／218 14.3氢气作为能量载体：一项艰巨的任务／219 14.4制取氢气的方法／219 14.4.1“清洁煤”技术／219 14.4.2生物质／220 14.4.3水解／220 14.4.3.1基本概念／220 14.4.3.2水力发电／221 14.4.3.3风力发电／221 14.4.3.4太阳能光伏发电／222 14.4.3.5聚光光热发电／222 14.4.4光致水分解制氢／222 14.4.5核能发电／222 14.5氢储存／223 14.5.1一个难题／223 14.5.2液态氢／224 14.5.3压缩氢气／224 14.5.4金属氢化物／224 14.5.5其他体系／225 14.6氢的运输和配送／225 14.6.1集中输送／226 14.6.2分散配送／226 14.7氢燃料终端应用／227 14.7.1燃料电池：基本概念／227 14.7.2质子交换膜燃料电池／228 14.7.3其他形式的氢燃料电池／228 14.7.4甲醇重整制氢燃料电池／229 14.7.5直接甲醇燃料电池／230 14.8氢动力汽车／231 14.9面向氢经济／232 第六部分展望可持续发展的未来 第15章前方的挑战／236 15.1对于地球状况的反思／236 15.2能源需求与供给／237 15.3能源与生活质量／237 15.3.1聚焦错觉／237 15.3.2能源、肥胖与不平等／238 15.4拯救气候／239 15.5淘汰矿物燃料／239 15.6规避核能／239 15.7生态可持续性／240 15.7.1自然资源／240 15.7.2学会知足／241 15.8为何要发展可再生能源／242 15.9结论／243 附录你知道吗？／245 参考文献／251 索引／283 能源是可以直接或经转换向人类提供所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志。然而，人口的迅猛增长和矿物燃料的大规模开采利用，一方面导致化石能源的枯竭，另一方面还会对地球环境造成严重污染破坏。解决化石能源的诸多遗留问题、向生活在地球上的人类提供安全、清洁、可持续的能源是21世纪科学技术领域所面临的最重大挑战。因此，从广阔的科学视角，更好更多地了解能源发展历史、规律、动向及趋势是十分必要的。 2012年底，我受化学工业出版社的委托，负责《可持续世界的能源》（“Energy for a Sustainable World”）的翻译工作。本书原版为威力出版社出版（2011年），意大利博洛尼亚大学尼克拉·艾莫里（Nicola Armaroli）教授和文思卓·巴尔扎尼（Vincenzo Balzani）教授所著。这两位教授是国际著名的能源化学专家，在书中论述了从石油时代到太阳能将来，提供了能源发展的历史，评估了目前基于化石燃料的不可持续发展的能源体系，概述了目前和今后新能源与可再生能源（如核能、太阳能光伏光热与燃料、风能发电、海洋能源等）的可能选择。 迄今为止，人类利用能源的历史经历了三个重要时期：以薪柴、木炭等植物燃料为主的“植物能源时代”，以煤炭为主的“煤炭时代”和以石油、天然气为主的“石油时代”。目前世界能源的生产及消费又在向以核能、太阳能、风能为主体的多元化的新能源时期过渡，并对日益增长的电力和基于氢的能源载体有重要依赖。从人类利用能源的历史中可以清楚地看到，每一种能源的发现和利用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。能源科学技术的每一次重大突破，也都带来世界性的产业革命和经济飞跃。 在过去的几十年里，地球已经发生了巨大的改变，我们需要全新的思路和举措来理解和应对由此产生的一系列问题。能源危机绝不仅仅是摆在人类面前的一项艰巨挑战，更是一个前所未有的重大机遇。它为人类创造了一个关爱我们共同生活的地球家园的独特机会。在追求生态和社会可持续发展的过程中，人人必须清醒地意识到，能源消耗水平应当符合实际需求，过度透支对于创建美好世界无益。地球的命运掌握在我们的手中，人人必须负责，在科技与政策的帮助下，立刻采取措施，大力推进清洁利用、资源保护、废物减排、改善民生、和平发展等，为建立起一个更加平等、和谐、可持续的社会和生态体系而努力。 本书可用于从事能源、化学、化工、材料、动力、环境等专业的人员学习和参考。 本书在翻译过程中，力图反映原著的原貌，但由于原著个别内容与观点有待商榷，略作调整或删除，加之水平有限，错误、疏漏和不当之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。 陈军 2014年7月于南开大学 天津化学化工协同创新中心 “人无远虑，必有近忧。”——古谚语 通过数十年的观测研究，我们充分认识到，人类实际上是生存在一艘不能着陆、无处停泊、无法维修补给的地球号太空船上。我们孤独地在宇宙中航行，赖以生存的只有蕴藏于地球表面和地壳内部的资源，以及来自太阳的能量。地球是一个庞大且复杂的体系，人类活动会影响甚至破坏地球的生物化学循环。事实上，这颗45亿岁高龄的星球已经进入了一个以人类生态足迹大幅扩张为标志的新纪元——人类世。 能量存在于所有物品之中，它是人类开展一切活动的基础。相比于我们的祖先以及生活在贫困线以下的数十亿人群，今天发达国家人民之所以能够享受到舒适的生活，储量丰富、价格低廉、来源稳定的化石燃料是背后最根本的原因。众所周知，矿物能源不但不会持续存在，而且在使用时还会对地球环境造成严重破坏。不仅如此，化石燃料也是人类社会矛盾冲突和阶层分化的间接推手：发达国家10%的人口享用了当今世界近乎一半的一次能源供给，而富裕程度排名最后25%的人群却只消费了全球不到3%的能源。 今天人类对于能源的渴求已经愈发强烈，由此也引发了一系列复杂的问题。一个国家，不论因为何种原因发生断电事故，最好的解决方法无疑都是新建、扩建发电站。我们不禁要问，这种方案是明智的吗？一方面，在一些经济学家看来，社会福利水平与能源消耗量呈正相关关系；由于能源价格与原材料成本直接挂钩，任何社会问题都可以随着经济增长而逐步化解。另一方面，科学家们却坚信，技术进步能够解决能源问题以及随技术更新而出现的各种新问题。 本书旨在向读者说明这样一个问题：我们正生活在一个脆弱的世界中，这个世界的脆弱程度取决于人类应对能源问题的方式。根据斯蒂芬·杰伊·古尔德的研究，地球的脆弱程度由自然界的内部规律决定，这种规律也被其称为“间断平衡理论”（Gould S J. Science, 1998,279：812）：“人类社会的悲剧、科技滥用引发的灾难，本质上都源于自然规律的严重失衡。我们必须付出持续、艰辛的努力才能到达人类文明的顶峰，途中任何微小的失误都有可能功亏一篑。一场大火曾经使亚历山大图书馆中积攒千年的知识财富变为乌有，也曾经将有数百年历史的伦敦城夷为平地。”根据这一原理，灾难的破坏力度由它具体发生的地点和时间决定。暂且不考虑杀伤性核武器，目前地球号太空船所面临的最大威胁来自自然资源的过度消耗、废物的大量产生和积累，以及社会贫富差距的日益扩大。能源问题对于脆弱地球的影响直接而深刻，包括食物、水、健康、财富、气候、供热、照明、制冷、运输、通信、战争在内，人类绝大多数的社会问题都与能源有着千丝万缕的联系。解决化石燃料时代的诸多遗留问题需要全世界协同努力：如何向地球号太空船的所有乘客提供安全、清洁、可持续的能源将是21世纪科学技术领域所面临的最重大挑战。 幸运的是，能源危机绝不仅仅是摆在人类面前的一项艰巨挑战，更是一个前所未有的重大机遇。它为人类创造了一个关爱地球家园的独特机会。那些早已成为公理的认知——科技发展能够解决一切问题、随着时间推移人类文明会不断进步，此时正在遭受巨大的挑战。我们必须立刻采取负责任的补救措施：明天或许已经太迟。在追求生态和社会可持续发展的过程中，每个个体都必须清醒地意识到，能源消耗水平应当符合实际需求，过度透支对于创建美好世界无益。地球的命运掌握在我们的手中：在科技的帮助下，我们是否有能力建立起一个更加平等、和谐、可持续的社会和生态体系？ 一句意大利古谚语说道：乐观主义者与悲观主义者的唯一不同在于后者掌握更多的信息。目光短浅的乐观主义者不会将人类带向发展的正途。建立在充分了解实际状况基础上的悲观主义才是解决问题的正确出发点：只有正视问题并且掌握尽可能多的细节才能提出有效的解决方案。让民众知晓当前地球的危险状况已是当务之急。 寻找能源问题的解决之道意味着机遇与困难并存。如果能够当机立断，大力推进资源保护、废物减排、改善民生、和平发展等政策措施，我们或许还有时间重塑一个全新的人类世。为了达到这一具有划时代意义的目标，我们需要教育民众，同时任用有远见、有大局观的领导。如何应对能源危机将最终决定我们这一代人的命运。 版权页： 7.8.1原油泄漏 沿海和近海地区石油开采、加工部门以及远洋运输所产生的原油污染会对海洋生态系统造成沉重的环境负担。泄漏的原油不仅会造成表层海水污染和水下生物窒息，其中的有毒化学成分还会产生长期危害。多数人为原因导致的原油污染是发生在陆上的，但是人们通常会更加关注海上原油开采和远洋石油运输过程中的原油泄漏事故。由于这些事故对沿岸地区的人类活动和动植物生存所带来的影响是显而易见的，因而更易得到媒体的报道和关注。 1989年3月24日，阿拉斯加威廉王子湾的港湾漏油事件被认为是海洋史上最具毁灭性的人为环境灾难之一 。这一事故所泄漏的原油数量只有00t，远低于其他大型事故，它之所以危害巨大，主要是由于发生在位置偏远且生态体系极为脆弱的北极地区，增加了救援的难度和反应时间。“埃克森瓦尔迪兹号”油轮的船员在发现既定航线上出现冰山后，不是试图绕过而是选择改变航线。最终“埃克森瓦尔迪兹号”油轮在阿拉斯加东南部的布莱礁触礁搁浅并沉没，泄漏的原油覆盖了28000km2的海面，造成包括250000只海鸟、22头鲸、2800只水獭、300头海豹在内的上千种动物立即死亡以及数十亿只鸟蛋被毁坏。