新能源技术发展调研报告

新能源技术发展调研报告

本报告主要分为三部分，第一部分为对全世界能源现状的综述，讨论新能源开发与利用的紧迫性与可行性；第二部分为对各种新能源技术的较为详细的介绍，其中有发展较为成熟的技术，也有刚处于发展初期的能源技术，通过对其原理(能量转化机制) 的了解对其优越性与面临问题(发展瓶颈) 进行介绍；第三部分为对各技术的可持续开发与污染控制前景进行讨论，对各种新能源技术进行概括总结。

一. 世界能源问题发展现状

能源是产生能量的物质基础，是人类生存与发展的物质基础，人类历史的发展，文明的飞跃无不与对新兴能源的成熟利用息息相关，对火的利用，开启了人类主动获取利用自然界能源的序幕，通过对天然能源的能量转换与利用，人类开始了工业革命，从石油的利用引发内燃机的大规模应用，到电能的利用促成了电器的发展，人们通过对能源的进一步开发，创造了前所未有的文明成果。

世界能源分布有其鲜明的特点，世界能源储量分布是不平衡的。石油中东占56.8%；天然气和煤炭储量最多是欧洲，各占54.6%和45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有5%多一点。

迄今为止，人类生活生产大部分倚仗化石能源。但世界能源消耗仍在增长，但化石能源的不可再生性决定了要保证文明的可持续发展，必须要寻找新能源，清洁，可再生，适于大范围应用的替代能源。到2040年，首先石油将出现枯竭；到2060年，核能及天然气也将终结。地球的能源已经无法提供地球人口的能源需求。而随着世界人口的不断增加，能源紧缺的时期将会提前来。

传统能源的紧缺性与分布的不平衡性极大的制约着世界各地的发展，现今已引发了一系列的地方性危机，随着情形随着时间推移进一步恶化，必将产生更大的问题。

因此，21世纪新能源的开发与利用，已不再是一个将来的话题，而是关系人类子孙后代命运，刻不容缓的一件大事。

各种新能源有自己独特的优势，但也面临着污染与大范围普及的瓶颈，下文中我们对氢能(氢能利用技术：制氢技术、氢提纯技术、氢储存与输运技术), 核能(核裂变、核聚变) ，化学电源(化学电能技术) ，生物质能(生物质气化技术、生物质固化技术、生物质热解技术、生物质液化技术、沼气技术), 风，海洋，地热能(风力发电、潮汐能发电技术、地热发电) 等新能源技术作较为详细的介绍并对其利弊进行分析。

二. 新能源介绍

氢能

氢能是一种新型二次能源，所谓二次能源，是指联系一次能源和用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。电能是当前应用最广的“过程性能源”。目前“过程性能源”尚不能大量地直接储存。氢能和电能将一起成为未来能源体系的两大支柱。

1. 氢具有的性质和特点

①来源广；②燃烧热值高；③清洁；④燃烧稳定性好；⑤存在形式多；

2. 氢的制取

①化石燃料制氢技术 ；②电解水制氢；③生物及生物质制氢；④太阳能光解制氢⑤热化学分解水制氢；⑥其他制氢技术；⑦氢气的提纯

前几种技术较为传统，需要消耗较多的传统能源，本文主要介绍生物制氢技术及太阳能光解技术。

2.1生物及生物质制氢

①生物制氢的机制及研究现状

②生物制氢

生物制氢的机制及研究现状

(1)能够产氢的微生物主要有两个类群：光合生物和发酵细菌。在这些微生物体内存在着特殊的氢代谢系统，其中固氮酶和氢酶发挥了重要作用。

(2)生物制氢技术 制氢技术有多种， 生物制氢的想法由Lewis 于1966年提出。

目前生物制氢有3种方法:

①光合生物产氢 从长远和战略的角度来看，以水为原料利用光能通过生物体制取 氢气是最有前途的方法。 能够产氢的光合生物包括光合细菌和藻类。

②发酵细菌产氢 能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等。

③光合生物与发酵细菌的混合培养产氢 光合生物与发酵型细菌可利用的底物在工业有机废水和城市垃圾中大量存在。

降低生物制氢成本的有效方法是应用廉价的原料，常用的有富含有机物的有机废水，城市垃圾等，利用生物质制氢同样能够大大降低生产成本，而且能够改善自然界的物质循环，很好地保护生态环境。

在生物技术领域，生物质又称生物量，是指所有通过光合作用转化太阳能生长的有机物，包括高等植物、农作物及秸秆、藻类及水生植物等。

生物质制氢包括两种方法：①生物转化制氢法；②生物质热化学转换法；

2.2太阳能光解制氢

光解水能否实用化最中将取决于能量转化效率。

太阳能转化系统可以分为5大类：光化学系统（太阳能被溶液中的分子吸收）、半导体系统（太阳能被半导体或溶液中的悬浮颗粒等吸收）、光生物系统、混合系统（以上三种系统的复合）和热化学系统。

①光化学系统

纯水只能吸收太阳能量的辐射中能量很低的红外部分，不可能引起任何光化学反应，因此任何光解水的光化学反应都需要光敏化剂，也就是说，需要某种分子或半导体吸收太 阳能以进行光化学反应，生成氢气。

在这个多分子的系统中，不同的功能是分别由不同类的分子完成的。

1、光敏化剂PS 吸收可见光产生受激的具有氧化还原特性的产物PS*

2、化合物R 在受激的PS*发生电子转移反应形成电荷对PS+和R-，R 被还原

3、第三部分化合物能收集电子，并且促进和水呻申子交换。一些平别的氧化译原催 化剂Cat 可以用来收集和转移电子。

②半导体光催化

(1)半导体光解水原理：

水是一种非常稳定的化合物，为了进行水的光电解反应，必须满足下列条件：

①禁带宽度应该大于水中氢和氧的化学势之差；

②光的量子能量应大于禁带宽度；

③n 型半导体的平带电势应比析氢电位更负，而p 型半导体则应比析氧电位正； ④电子、空穴的费米能级达到析出氢、氧的电化学势级。此条件一般通过外加电压实

现。

(2)半导体催化剂的研究现状

半导体催化剂主要包括Ti O2多相催化体系、复合半导体、层状金属氧化物和组装的纳米半导体催化剂，

③混合系统

混合系统是将吸收光子的光敏化剂吸附在半导体上，扩展了半导体吸收太阳光波长的范围。同样，也有报道将叶绿素应用于光化学电池的电解质中，或者将它们吸附在电池电极上。但目前还没有能够发现高效率的“光能→氢能”转化系统。

3. 氢的储存

1. 液化储氢

2. 压缩氢气储存

3. 金属氢化物储氢

4. 配位氢化物储氢

5. 物理吸附储氢

6. 有机物储氢

7. 玻璃微球储氢

8. 地下储存

总体说来，氢气储存可分为物理法和化学法两大类。物理储存方法主要包括液氢储存、高压氲气储存、活性炭吸附储存、碳纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。化学储存方法有金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机物储存、铁磁性材料储存等。

核能

核能是除化石能源外目前人类利用量最大的能源，我们最为熟悉的是核裂变发电，但由于核原料储量有限，按目前的发展速度，百年之内，已知的核原料便会枯竭，因此，对于核聚变的研究是核能应用的主要发展方向。

对于核裂变，最应注意的是核原料的利用率问题。核电站的心脏是反应堆，它是提供热能的地方，相当于常规火电站的锅炉。热堆最困扰人类的问题是不能充分利用核资源，利用率仅达1％～2％。因此，人们又开始研究开发利用率更高的快中子增殖堆。

核电技术：1. 核裂变反应堆；

原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2～3中子。裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。

核反应堆的合理结构应该是核燃料＋慢化剂＋热载体＋控制设施＋防护装置。

2. 核聚变装置；

核聚变反应基本原理

物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现液态、气态，气态的物质被继续加热会出现等离子状态，即在几万摄氏度以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。这种等离子体被约束在托卡马克装置的环形室腔体内不断与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动，与电流方向一致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到108℃以上，满足ｎΓ＞１０１４时，就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变。

研究表明，采用等离子体最有希望实现核聚变反应。该方法是用几十万安培的强电流向气体氘放电，形成几百万至千万摄氏度的高温，使氘分离成带正电和带负电的粒子，即通常

所说的等离子体。把等离子体加热到点火温度，采用一定的装置和方法来控制反应物的密度和维持此密度的时间。目前，人们使用得最多的是应用磁约束和惯性约束。

核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法：

一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制；

另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计；第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。

化学电源

化学电源是一种将化学能转化为电能的装置，也称电池。

化学电源的种类：

①一次电池(电池本身不可逆)

②二次电池（可重复充放电循环使用的电池）

③燃料电池（连续电池）活性物质可从电池外部连续不断地输人电池，连续放电

④储备电池（激活电池）电池的正负级和电解质在贮存期不直接接触，使用前采取激活手段，电池便进人放电状态。

生物质能

生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。

生物质能的特点:

（1）属可再生能源，可保证能源的永续利用 生物质能由于通过植物的光合作用可

以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富。其中生物质能占35％，位居首位。

（2）种类多而分布广，便于就地利用，利用形式多样

（3）相关技术已成熟，可贮存性好

(4）节能、环保效果好 ，对改善大气酸雨环境，减少大气中二氯化碳含量，从而

减轻温室效应都有极大的好处。

生物质能分类

①城市垃圾 工业、生活和商业垃圾，全球每年排放约100亿吨；

②有机废水 工业废水和生活污水，全球每年排放约4500亿吨；

③粪便类 牲畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上；

④林业生物质 薪柴、枝丫、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等；

⑤农业废弃物 秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜莱渣、蔗渣等；

⑥水生植物 藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦苇、水风信子等；

⑦能源植物 生长迅速

生物质利用的主要技术

（1）化学转换技术 生物质化学转换包括直接燃烧、液化、气化、热解等方法，其中，最简单的利用方法是直接燃烧。

（2）生物质物理转换技术 生物质热解技术主要指生物质压制成型技术。将农林剩余物进行粉碎烘干分级处理，放入成型挤压机，在一定的温度和压力下形成较高密度的固体燃料——压块细密成型技术。

（3）生物化学转换技术 该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气和在微生物作用下生成酒精等能源产品。包括厌氧发酵制取沼气、微生物制取酒精、生物制氢、生物柴油等。

风能

概述

数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 海洋能

海洋能作为一种特殊的能源，它的能量主要来自潮汐、涌流和波涛的冲击力，温度差及海水中溶解的化学成分。在上述能源中，目前仅有潮汐能被大规模利用。

1. 潮汐能发电；

潮汐发电与水力发电的原理基本相似，它是利用潮水涨落产生的水位所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能的过程。具体说来，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐潮落时水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。

2. 波浪能发电；

波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。当波浪上升时将空气室中的空气顶上去，被压空气穿过正压水阀室进入正压气缸并驱动发电机轴伸端上的空气透平使发电机发电，当波浪落下时，空气室内形成负压，使大气中的空气被吸人汽缸并驱动发电机另一轴伸端上的空气透平使发电机发电，其旋转方向不变。

3. 温差能发电；

由于太阳光照射，海洋表层水温可达25～30℃，而水下400～70om 深层冷水则为5～10℃，两者温差约为20～24℃，这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源，据估计发电量可达10TW 。

4. 盐差能发电

当两种不同盐度的海水被一层只能通过水分而不能通过盐分的半透膜相分割时，两边的海水就会产生渗透压，促使水扒浓度低抑丁侧向另一侧渗透，使浓度高的一侧水位升高，直至膜两侧的含盐量相等为止。

地热能

地热能系储存于地球内部的热量，一方面来源于地球深处的高温融溶体；另一方面源于放射性元素的衰变。按其属性地热能可分为4种类型：

①水热型，即地球浅处（地下400～4500m ），所见到的热水或水热蒸汽；

②地压地热能，即在某些大型沉积（或含油气）盆地深处（3～6kg ）存在着的高温高压流体，其中含有大量甲烷气体；

③干热岩地热能，是特殊地质条件造成高温但少水甚至元水的干热岩体，需用人工注水的办法才能将其热能取出；

④岩浆热能，即储存在高温（700～1200℃）熔融岩浆体中的巨大热能，但如何开发利用目前仍处于探索阶段。在上述4类地热能中，只有第1类水热型地热资源已达到商业开发利用阶段。

可燃冰

可燃冰是在一定条件下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。甲烷水合物由水分子和甲烷组成，在海底深处接近0℃的低温条件下稳定存在，融化后变成甲烷气体和水。天然气水合物极易燃烧，它燃烧产生的能量比同等条件下的煤、石油、天然气都要多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。

可燃冰的开采

（1）钻孔取心技术

（2）测井方法

（3）化学试剂法

（4）减压法

三. 新能源的发展前景

综合以上各种替代能源的的特点，可对其进行评述。

对于氢能，其显著的特点是其清洁性，其产物只有为水，可以说对环境无任何危害，但要对其进行规模化的应用，首要的问题是其储存与运输的难点，氢的密度最小，难以将其进行高密度的储存，各种新材料的发现，是解决这一问题的最大希望。此外，氢的安全性也应朝更稳定的方向发展，对于氢，其安全性表现在：1. 泄露性；2. 氢脆；3. 氢的扩散；4. 可燃性；5. 爆炸性。具体说，氢是最轻的元素，比液体燃料和其他气体燃料更容易从小孔中泄漏。 氢的体积泄漏率总是大于天然气；锰钢、镍钢以及其他高强度钢容易发生氢脆，进而发生危险。但其洁净性与来源广的显著优点保证了它是非常具有发展前景的新型能源。

对于核能，显然它的最大问题是放射性污染及核废料处理问题，第一座商用核电站建成以来，经过近半个世纪的发展，全世界共有441座总功率约360 GW商用核电站在运行。如此大规模的商用核电站每年都要卸出大量的乏元件，这些乏元件中含有大量钚和锕系核素以及长寿命裂变产物。伴随这些核废物的是大量的辐射和衰变热，如果处理不当就会造成水、大气、土壤的污染，对自然生态环境适成破坏并间接或直接的影响人类的生存。

据调查统计，近几年核废物年积累量均超过了1万吨，而核废物积累总量已超过20万吨。目前世界各国却没有处理这样巨大的核废物的能力，而且对这些核废物处理的技术要求相当高，如果处理不当就会造成安全隐患。因而核废物的安全处理成为制约核能发展的主要因素，是现今核能发展的主要议题之一。

最近的太平洋地震引发日本海啸对日本核电站造成破坏，核辐射超标无不拨动人们脆弱的神经，核能的潜在危险性使其对人类的发展具有双面性，只有成功的解决核废料与核污染问题，才能达到可持续发展的要求。

核废物处理的主要途径：

（1）后处理 ：后处理的主要任务是分离乏燃料中的铀和钚，将获取的高纯铀、钚进人燃料再循环。

（2）固化： 固化工艺是用适当的材料将放射性废物包裹起来，以防止放射性核素的泄漏。

（3）地质处置 地质处置是利用天然屏障和人工屏障，将放射性废物与人类的生存环境隔离开来。

（4）嬗变 对于长寿命的锕系元素只有通过核裂变才能使其转换为短寿命或稳定的核素。

（5）超临界流体处理技术

化学电源主要应用在：

①在尖端技术领域：宇宙飞船、人造卫星、火箭、遥测遥控等

②在军事领域 ：潜艇、鱼雷、导弹、无线电通讯、无线电定位和武器等

③在生活领域的： 飞机、汽车、移动通讯、计算机、家用电器和照明等

电池的污染是最为大众熟知的环境问题之一，对于传统的电池对地下水，土壤，及生物体的严重危害是当今环保宣传的重点之一，但其处理却不尽人意，新型的化学电源应更易进行无害化处理，效率更高，具有更好的特性。

生物质能在可循环利用方面较为突出，其中，对生活垃圾的处理用作新能源最为令人兴奋，在当下垃圾围城的趋势下，对垃圾的处理将具有非同一般的意义。现今广泛运用的生物汽油在取得成功的同时对农作物的燃料用途可能造成资源的浪费，虽然减少了石化燃料的运用，但温室效应是无法用这种方法解决的。

风能技术的运用适于解决部分地区的能源问题，发展较为成熟，潮汐能，地热能等技术发展处于初始阶段，技术较为不成熟，前景不是十分明朗。

总结

在上述介绍的新能源之中，我认为最有发展前景的氢能，其洁净性是其最大的优点，同时其材料的可获得性也是最好的，对其储存技术与运输技术的发展，新材料的发现是其未来发展的推动力，大密度，高安全性储氢材料，高效率太阳能产氢技术的发展是未来的发展方向。