工业设计生态学物质减量化和脱碳课件.pptx

1、第四章 物质减量化和脱碳内容要点：(1)物质减量化的概念及其内涵；(2)物质减量化的评估方法：(3)能源脱碳的概念及其实施途径。谈论：能源脱碳的重要性以及其主要实施途径第1页/共150页 工业发展(industrial development)带来了物质上的富足、人们生活水平的提高，但同时也对人类健康和生态环境构成威胁。目前，世界人口增长迅速，如果我们既想在这样的条件下享有高水准的生活，又想把对环境的影响降低到最低限度那我们只有在同样多的、甚至更少的物质基础上获得更多的产品与服务才有可能。物质减量化（或非物质化）就是为解决这些矛盾而产生的一个概念，其宗旨，确切地说就是提高资源利用率。第2页/共

2、150页 物质减量化是工业生态学研究的一个重要领域，是在最大程度上循环利用材料和能源的同时对工业和生态体系产生最小的破坏。即以最少的消耗换取最大的价值，这也是生态学原理在工业生态系统中应用的重要方面。第3页/共150页 “dematerializament”这个术语于20世纪80年代就被提出，意为非物质化、去物质化和物质减量化等，不同的人有不同的看法，在此认为译为“物质减量化”为宜。物质减量化是指在生产过程中单位经济产出所消耗的物质材料或产生的废弃物量的绝对（或相对）减少。第4页/共150页 人们对物质减量化的定义多种多样，其基本思想是以最小的资源投入产出最大量的产品同时产生最小量的废品，即在

3、消耗同样多的、甚至更少的物质的基础上获得更多的产品和服务。第5页/共150页 物质减量化的重要性如下所述：（1）物质减量化是实现经济可持续发展的需要。可持续发展更具有理念性意义，而不具备现实的可操作性。第6页/共150页而物质减量化的基本思想明确，就是在满足消费者需求的前提下，尽可能减少产品单位功能所消耗的能量和物质原料，以减少进入自然生态系统中人类所产生的物质流量。相对于“可持续发展”的概念，物质减量化可以落文到不同层次的各个经济活动中去。第7页/共150页 （2）物质减量化是工业生态学的重要组成部分。工业生态学的一个重要理念就是把人类所产生的物质流量作为整个自然系统物质循环的一部分。并将它

4、限制到一个合理的比例。第8页/共150页目前普遍采用的终端控制的环保策略时机效果并不好，没有解决根本性问题，因此，减少人类产生的物质流在自然体系中的循环速度和规模被视为一种具有预防性的关键措施，而物质减量化正是基于这一思路，成为工业生态学中不可或缺的重要组成部分。第9页/共150页 （3）物质减量化有助于实现全球公平，只占全球人口15的工业发达国家消耗了全球43的资源，这是不公平的。如果发展中国家也要达到这些工业发达国家的生活水平，则对自然资源的需求要增加5倍。第10页/共150页若考虑人口增长的因素，到2040年，全球物质流量要扩大8倍。而靠大自然的资源维持这样庞大的消耗是极为困难的。解决这

5、个问题的有效措施之一就是提高自然资源的利用率，而实现物质减量化的一个重要途径，就是提高物质利用率和生产效率，从而有助于全球经济的平衡发展。第11页/共150页 （4）物质减员化是实现生态效益和经济效益的调节“eco-efficiency”包含两层含义，即经济和生态效益（economic and ecological efficiency）。目前普遍采用的污染终端控制之所以效果不佳，一个重要原因在于其增加了企业的负担和生产成本。第12页/共150页因此，仅顾及生态效益而忽视经济效益的政策不可能得到企业的大力支持。“eco-efficiency”的理念，有助于实现生态效益和经济效益双丰收。物质减量

6、化以最小资源量获得最大的价值，生态效益和经济效益会得以显现。第13页/共150页 物质减量化（或非物质化）是工业生态学的一个重要内容，它主张以最小的资源量获得最大的价值，包括经济价值和环境价值，对实现可持续发展具有重大意义。第14页/共150页 人类社会要发展就离不开工业生产，生产是一种物质转化过程，即投人某种实物资源（包括人力资源和信息资源），经过生产过程，产出能够满足人们需要的、具有高附加值的产品。第15页/共150页在传统的工业生产中，实物资源的消耗是工业活动的前提，也是生产发展的基础，其中实物资源有可再生资源和非再生资源。非再生资源如能源资源、矿物资源等，是工业化最需要的资源。第16页

7、/共150页目前，我国工业生产过程中现有的科技水平对资源利用率水平较低，非再生资源日益走向衰竭，这必将制约经济的发展。即使资源利用率大幅提高，在如此巨大的人口需求的压力下，这种趋势也难以避免。第17页/共150页因此，资源的再生循环就显得非常重要，但循环再生也需要一定的条件，同时在生产和产品消费过程中，产生的各种废弃物也对人类赖以生存的环境构成威胁，资源和环境问题已经成为制约人类发展的重要因素，而人类的发展又要求经济的增长，这必然又会对资源和环境造成压力物质减量化正是解决这一矛盾的有利途径。第18页/共150页 物质减量化可实现以最小的资源投入产出最大量的产品，同时产生最小量的废品，不仅可获得

8、一定的经济效益，还可获得一定的生态效益和社会效益，对实现工业的生态化转向，实现人类社会的可持续发展意义重大，物质减量化已势在必行。第19页/共150页 能量再利用是物质减量化的措施之一，在产品生产中可通过以下思路实现：（1）能量的损失使我们不得不使用越来越多的原料来弥补能源利用效率的不足，所以应将这些损失的能量作为一种可收集的有价值的能源，供给其他生产生活使用；第20页/共150页 （2）能量串级（energy cascading）就是尽可能充分利用这些能量，减少产能材料的利用。（3）通过合作生产过程（co generation processes）将原本损耗的能量允分利用起来。如Gillet

9、te公司通过一系列措施，节能达到了50。第21页/共150页 在产品生产中提高产品质量及使用寿命也是物质减员化的有效措施，可通过下述途径实现：第22页/共150页 （1）对产品进行耐用设计（design for durability）或再设计（redesign）。从环境保护角度，耐用的设计具有很大好处、同传统设计相比，耐用设计可以使得用于生产、运输和废物处理等方面的能量消耗大大减少也有利于物质减量化的实现。再设计也是减少物质利用强度的好办法。其方法就是改进原有的不利于环境保护和不利于物质再循环的一些产品设汁。第23页/共150页 （2）产品的修理、再利用和再制造。产品设计中，必须考虑到产品的易

10、修理性。即产品功能的易替换能力。当一个用品完成了其使用功能之后，首要问题是设法再利用这个产品或它的附件。对某些用户来说毫无意义的东西，对另个用户却可能是有用的，这就是种再利用的形式。第24页/共150页再利用的另一个方面是利用零部件。再制造是通过更换磨损部件或低功能部件，使得耐用产品继续发挥功能。需要特别注意，再制造的概念并非指产品的二手性或换手率，而是指产品获得“第二次革命”。第25页/共150页 （3）产品的分解、拆散和再循环。当物品或装置不能以别的方式加以重新利用时，就可以考虑利用它的组成部分。为了在产品用完之后便于拆解利用，在产品设计过程中，要有预见性。产品部件要能设计得便于再利用。第

11、26页/共150页另外，产品再循环也是物质减量化的一种途径。自然界通过碳、氮、水等的循环，无时无刻不在进行着物质循环。人类要有意识地寻求物质循环最安全、效益佳的有效途径。循环利用的首要任务是能经济地回收足够量的材料和物资，但回收利用并非总是可行的。它取决于两方面的因素：收集和运输。与循环运输有关的能源消耗和成本要比较合理，否则就无法实现循环利用的过程：第27页/共150页 （4）智能材料的研发。从理论上，智能材料或装置能够监督自身或环境的变化，并能对状况的变化有所响应。智能材料可以自行修复或对温度、电压、压力、pH值、光、磁场和化学品等外部刺激有响应，并可以调整自己的组成和功能或发出信号。第2

12、8页/共150页此外，智能材料在一定范围内有相当的适应性。目前，智能材料研发还远未达到实用的程度，但随着科技的进步，将使得这些智能材料的循环利用成为可能，最终实现一种全新意义上的物质减量化。第29页/共150页（5）分子重构和纳米化学。第30页/共150页 影响非物质化的因素有产品质量、产品尺寸、复杂程度和加工修配的容易程度，废物的生成和循环利用，生产成本，社会生活形态等。第31页/共150页 （1）产品质量。提高产品质量有助于加速物质减量化的进程。高质量的产品能够提供高质量的服务从使用价值上讲，减少了相对的资源消耗员，达到了物质减量化的目的。第32页/共150页 （2）废物的产生和利用。废物

13、的产生和利用对非物质化的影响也很大。从工业生态学角度出发，从产品生产的原材料开采到最终消费都要考虑产生废弃物的问题，尽量使其最小化，而对于不可避免的产生的废弃物则要考虑综合利用。第33页/共150页废弃物可再利用在同一种产品的生产中，也可在其他产品的生产中再利用，无论哪一种再利用都要符合非物质化的思想，要实现非物质化思想，不仅要从清洁生产出发，更要考虑废弃物的回收利用，生态工业园区正是依据这种思想建立的：在具体应用这种思想的过程中要考虑整体利益讲究“4E”，即economic（经济）、effective（效益）、efficiency（效率）和environment（环境）第34页/共150页

14、（3）高技术产品。非物质化离不开高技术，体现高技术产品对非物质化的积极作用的最典型例子莫过于计算机，计算机的尺寸越来越小，而其功能和容量却越来越大，也就是其耗材越来越少，而提供的服务却越来越多。这是因为其中融入了脑力劳动即技术成分。可见，非物质化离不开高新技术的开发和应用。第35页/共150页 （4）先进材料替代。许多行业都应用先进材料替代来降低资源消耗。例如在汽车尾气处理中的催化剂组分，考虑用含量丰富的稀土金属来代替昂贵的铭，而在建筑行业中用质量小、强度高的合金来代替性质相反的材料，如轻质的玻璃、金属代替笨重的砖石。第36页/共150页 （5）产品尺寸、复杂程度和加工修配的容易程度。通过对产

15、品及其零部件的标准化、简化、精心设计和生产，使它们易加工、装配和拆卸，容易修理或部分置换，从而达到非物质他的目的。第37页/共150页 （6）一次性产品的使用。近些年来，人们热衷十使用一次性产品，例如一次性饭盒、筷子、注射器等，这些产品确实给人们带了卫生、方便，但一次性产品的大量使用浪费了大量的资源，并且对环境造成了很大的危害。因此，为了达到非物质化的目的必须减少一次性产品的使用。第38页/共150页 （7）信息与服务。信息科学技术已经成为现代先进科学技术体系中的前导因素。在信息时代，资源不仅仅局限于实物资源，信息更能促进科学进程和产业化，为人类生活和生产服务。信息化建立了一个规模庞大、四通八

16、达的网络通讯系统，从而信息作为最有效、最有价值的资源，改变了传统的生产方式和生活方式，也必然会对社会发展产生多方面的影响。第39页/共150页信息可以以其独特的方式提高现有工作效率或产生一种全新的、物质减量化的方式以取代老的方式。例如电子排版和数字印刷，使传统生产和生活方式中实物资源的消耗大大减少，从而使自然界压力大大减轻。促进自然界通过自我修复使自然环境向更好的方向生长。第40页/共150页另外，信息化还可以在信息管理及物质和能量流动方面发挥巨大的优势，克服了过去存在的许多障碍。这个作用很明显。信息资源的畅通，使实际生产部门从原材料的准备、生产过程技术的采用、生产过程备环节的协调、产品的营销

17、等都可通过网络进行，这至少节约了在整个过程中过去必不可少的运输环节，而运输环节的减少，第41页/共150页一方面大大降低了能源资源的消耗，一方面制造交通工具和交通设施的资源（如钢铁、有色金属和木材）消耗也大幅度减少。这样，既保护了资源，也大大消除了环境污染在生活方式上也一样，人们购物、会议、娱乐等许多事倩都可通过网络进行，这样在客观上都将大大减轻资源和环境的压力。第42页/共150页 服务可以通过有组织的市场实现一些密集型产品的共享，使得实际用于服务的产品数量减少。另外，建立在专业技术上的服务更能有效利用资源或实现产品的循环利用，这样相对减少了资源的消耗。第43页/共150页服务还可从经济上刺

18、激商家，使资源得到更有效的利用。目前商品生产厂家不再像过去那样仅靠尽可能多的产品销售来获取经济利益，还可以提供各种服务如维修、再利用、再生产、产品的分解、拆卸、产品的部件或全部的再循环来获得利益，这些服务显然可以延长产品的生命，减少资源的消耗。第44页/共150页减量化的推动力主要包括以下四个方面：（1）材料生产成本的持续上升。随着资源短缺程度越来越严重，基本资源及材料的价格越来越高，而且其加工成本和能耗也越来越高，这些因素均造成材料成本的上升。第45页/共150页 （2）来自环境影响的巨大压力。水污染、土地酸化、大气污染、温室效应等不良环境的影响，使人们越来越意识到环境问题已威胁到人类的健康

19、和发展，而为了生存所必需的经济发展和工业生产几乎在每个环节都产生废弃物，为解决这一矛盾，非物质化势在必行。第46页/共150页 （3）替代材料的产生与竞争的加剧。替代材料均有成本低、性能好等优点，替代材料的产生推动了非物质化的进程。第47页/共150页 物质利用强度用于评估生产和服务过程中所消耗物质的量与经济产出之间的关系，是从会计学中某一具体物质消耗量(Xi)的计算式(41)演化而来的：1 物质利用强度（IU，Intensity of Use）式中，Y为消耗物质i的工业产出；GDP为经济总产出。第48页/共150页物质利用强度IU是指物质消耗量与附加值的比值：1 物质利用强度（IU，Inte

20、nsity of Use）在大多数IU分析中，X的单位是质量或体积的单位。IU随物质与产品组成的变化而变化，它是由社会、经济、技术、法律制度和环境因素等多方面决定的。第49页/共150页2 IU的经验分析理论 环境Kuznets曲线的理论基础是20世纪70年代形成的，现已被广泛用于评估可持续发展。其根本观点是发展的初期阶段资源消耗和污染会有所增加，但随着经济收入的提高，资源消耗和污染会逐渐减少，出现倒U形变化曲线(如图41所示)。第50页/共150页2 IU的经验分析理论 大多数经验分析结果支持环境Kuznets曲线理论。其标准解释如下：在发展的早期阶段，收入水平较低，由于此时的经济在很大程度

21、上依赖农业，因而对金属和建材的物质需求并不很高，这时的利用强度曲线是缓慢上升的。第51页/共150页2 IU的经验分析理论随着工业化程度的提高，对基础建设的物质材料需求逐渐增加，如公路点路、桥梁和各种管道等基础设施建设对水泥、钢铁等物质需求会明显增加，这时的利用强度曲线达到了极大值。经济进一步发展，对基础建设的需求不断下降，消费需求逐惭转向服务行业，服务行业的物质消耗强度是比较弱的这时的利用强度曲线开始下降。这种变化形成了IU随收入的增加而下降的变化趋势。EKC理论主要用于研究经济结构变化对环境的影响和废弃物产出与收益的关系第52页/共150页3 物质利用和长波理论A 长波理论（long wa

22、ves theory）长波理论是用于分析物质减量化的另一种方法，它把随时间变化的物质利用方式与技术发展的常规模式联系起来。长波理论与EKC理论的主要区别在于：把时间作为独立变量替代收益，并用具体的函数形式反映物质替代和技术变化的方式。在驱动力的假设方面长波理论与EKC理论并没有什么不同。第53页/共150页3 物质利用和长波理论 长波理论认为，从循环经济角度，技术一般要经历一个生命循环，即早期发展、迅速扩散和广泛采用、最终饱和并衰退。第54页/共150页3 物质利用和长波理论B 逻辑替代模型（Logic Substitute Model）1996年，Grubler研究认为技术扩散速度和程度等因

23、素随时间而变化，包括技术可行性、成本、流行时尚和熟悉程度。其假设是：时间性和驱动性因素在微观上的变化会在宏观上产生连续的、有规律的影响。Grubler，Fisher和Pry等研究发现技术扩散常常呈现类似逻辑函数一样的S形曲线；技术(Z)扩散或增长可以用下式表达：第55页/共150页3 物质利用和长波理论式中 Z技术扩散速度；b Z的扩散速率；K上渐近线或饱和水平；t 时间；tm曲线拐点。逻辑替代模型用以描述技术占据市场份额的速率。第56页/共150页3 物质利用和长波理论C 物质转化理论（Trans-materialization）当物质被引进后，它们会经历一个由技术替代而导致的IU的增长期。

24、在这个阶段，因技术不断推广而使得节源技术减少IU的势力受到阻碍，在周期的第二阶段，随着饱和程度的不断加大，IU的增长势头逐渐放慢，并开始下降。最后，更复杂的产品又发明生产出来，物质利用的附加值进一步提高。技术改进促进了这一过程。第57页/共150页3 物质利用和长波理论 1989年Labys和Waddell利用长波经济循环理论和S形技术扩散函数对物质减量化的标准解释提出了看法。他们认为物质减量化并非只经历一次全面性结构变化，在这个过程中。与成熟工业有关的低质量资源会逐渐被高质量或技术适应性更高的原材料所替代。他们称之为转物质化(Trans-materialization)。第58页/共150页

25、3 物质利用和长波理论 根据这一理论，对于某一物质而言，IU将呈现州一个长的倒U形时间函数。而对于整个经济体而亩，转物质化动力学会产生许多相互重叠的倒U形变化。第59页/共150页4 物质分解分析 分解分析是根据会计学原理来区分经济、人口或技术对IU的影响的。considine(1991)将会计学原理应用于式(42)，并把物质组成按式(44)分解：式中，Qm为混合物质消耗的Divisia指数。该式反映了资本、劳动力、能源和原材料等因素间的替代。第60页/共150页5 输入-输出分析（Input-output Analysis）输入输出分析能够用于检验影响IU有关经济和技术方面因素的假设，而分解

26、分析能够评估影响IU变化的那些因素的相对贡献。输入输出分析传统上是根据货币流量(money flows)，如果利用混成单位(hybird units)的方法可把能源和物质流以物理单位的方式补充到金融数据中去。第61页/共150页6 利用物质强度的统计分析 统计分析是一个有力的数学分析工具，不仅在工程学、地质学和农学，而且在经济学、环境科学等其他领域都得到了广泛的应用。特别是在建立模型较困难或所建模型分析误差大的情况下，利用统计学知识有可能解决一些关键问题。第62页/共150页6 利用物质强度的统计分析Ross和Purcel通过统计学方法分析了美国造纸业IU的演变。我国彭新育等人应用统计分析方法

27、研究了中国与其他国家的物质消耗和收入关系，作者统计了19531997年间我国的主要消耗物质：钢材、水泥、能源及货运量和国内生产总值GDP等方面的资料，以此为基础分析了物质消耗的时间变化及物质消耗与GDP的关系，第63页/共150页6 利用物质强度的统计分析并与有关国家的指标进行了比较，得出在中国及其他国家物质消耗与GDP的关系并没有表现出明显的、一致的强去物质化，但相关曲线的斜率逐渐递减，以及我国未来的一段时间里，经济发展需要更多的物质投入，只是对物质投入的依赖性将下降的结论。第64页/共150页 实现现代工业的生态化转向，催熟工业体系的演进，促使工业系统向三级生态系统转化，需要通过“生态结构

28、重组”来实现。采取的措施主要有：将原来被称为废物的副产品作为资源重新利用；封闭物质循环系统和尽量减少消耗性排放；产品与经济活动的非物质化等。能源脱碳是产品减量化的重要措施之一。第65页/共150页 能源脱碳是指采用相应的技术使燃料释放同等能量过程中产生出更少的碳产物。由于能源产品的重要性和特殊性，能源脱碳作为物质减量化的特殊分支已经得到广泛重视。第66页/共150页 现代工业发展要消耗大量的石油、天然气、煤和木材等能源物质。能源问题在工业生态学方面的重要性可归纳为以下四点：（1）有物质流就有能量流。在工业体系中大部分能量流都是由运输和加工活动所产生的。因此，减少能量消耗的最有效办法之一就是物质

29、减量化战略。第67页/共150页 （2）能流反映的是物质流的结构状态。因此，仅仅生产更为轻巧的产品（简单物质减量化）是不够的。重要的是重新组织物质流的路径（制造过程、基础设施管理等），最终使工业体系的运行对能源的需求减少。第68页/共150页 （3）燃烧煤、重油、天然气的热电厂从一开始就将其设计成自成体系的工业生态系统，优化所有物质流，包括燃烧后的灰烬。这一思想超越了炉灰简单再利用和脱硫装置生产石膏的意义。正如本书第2章中所指出的那些工业共生体系一样，我们可以架构“能源生态工业园区”，其中工业生态系统主要合作伙伴之一是能量生产单位。事实上，这种形式在卡伦堡就已经存在了，其共生体系从开始就是以热

30、电厂和炼油厂为中心组织的，实现了能量的再利用。第69页/共150页 （4）在今后相当长的一段时间，碳将继续在工业代谢过程中起至关重要的作用，必须承认这现实然后选择“脱碳”的办法，逐渐地向含有相对少碳的碳氢化合物过渡。第70页/共150页 从本质上讲，能源流也是一种物质流。研究表明，能源流的循环过程比一般性物质流(如钢铁等)的循环过程对大气环境的影响要大得多。它在消耗碳的同时还消耗空气中的大量氧，在燃烧过程中所产生的副产物（byproduct）会对大气环境造成破坏(如图42所示)。第71页/共150页第72页/共150页 自工业革命开始以来，源自矿物以碳氢化合物形态出现的煤炭一直是最主要的能量供

31、给元素，是滋养以西方模式发展的所有经济的最基本的物质。碳氢化合物（煤炭、石油、天然气）占我们地球开采物质的70以上。然而，煤炭矿藏也是许许多多问题的源头，如温室效应、烟雾、赤潮、酸雨等。第73页/共150页 过多二氧化碳排放所造成的温室效应是全球各国政府共同面临的世界性难题。能源脱碳是解决温室效应这一世界性难题的重要措施之一。第74页/共150页 最近几十年来，由开采矿石产生的碳消耗与日俱增，而且，主要在发展中国家，由于经济增长和人口增加，将继续呈上升趋势。一些学者，如杰西奥索贝尔和皑撤马尔切蒂预言，在21世纪，我们将消耗近5000亿t煤炭，也就是超过自工业革命以来的消耗量的两倍以上。据估计，

32、自20世纪初以来，我们从地下一共开采了1000亿t的石油，预计自现在起到2100年，将开采的石油数量为3000亿t。第75页/共150页 可以肯定，可再生能源将会发展。但所有迹象表明，基于技术的、经济的以及结构性的原因。相对而言，它们只能起到辅助作用，只是为一些特殊部门所利用。事实上，城市电厂需要优质能源，因此，热电厂的能源生产设施的规模与城市规模同样增长，这就不利于利用诸如太阳能那样的漫射能源。不管怎么样，就世界能源消耗而言，看起来碳氢化合物还特长期、广泛地占据主导地位。第76页/共150页 因此，能源脱碳战略是一种劣取其轻的策略。具体地说，在于鼓励以石油替代煤炭，然后以天然气替代石油。同样

33、，我们也可以实施一种相对脱碳的办法，即从单位燃料中汲取更多的能量，比如通过提高涡轮的转速。第77页/共150页最好的能源脱碳办法，当然是少用能源。不幸的是，旨在提高能源使用效率的政策的具体化总是慢于提高矿物能源使用量的政策落实。当然，人们还可以通过各种办法，转换矿物燃料，如将碳（用于长期地下或海底储存）和氢（用于能量载体）分开使用。第78页/共150页 现有工业体系向相对较少的矿物炭的能源结构转换将对基础设施产生重要影响，特别就天然气而言，从现在起的50年当中，其消耗量将增加10倍，这就需要铺设输气能力大为增加的管道体系。天然气，除了其含碳较少外，还有极为丰富的储量优势。已探明可开采天然气储量

34、将近100万亿m3，相当于石油储量的6倍。第79页/共150页 从长期来看，人们的意见将趋于一致，使用氢燃料，这是理想的能量载体，从环保的角度看有可能是无害的。使用氢作燃料的不良后果很小，但也不是完全没有：燃烧氢产生蒸汽。大量地产生蒸汽，在一定的气候和地理条件下也会是问题。高温情况下燃烧氢也会产生少量的氮氧化物。此外，燃氢技术还远没有完善，特别是金属的氢腐蚀致脆问题和运输与储存的安全问题。第80页/共150页 另外，应明确的是，氢本身并不是能源，只是能量的载体。必须完全氧化才能产生热力或发电。因此，很显然最理想的能源是太阳能，其次是水力发电和核能。事实上，氢可以成为可控制的、可运输的和可储存的

35、能量载体当以电线为基础的电力运输网达到饱和状态时，再难以扩大能力，要扩大能力则成本极高。大规模地使用氢还会产生从物质化意义上不可忽视的后果，那就是需要建设一个国际的，甚至洲际的输送管道网。第81页/共150页 对于矿物能源，必须注意其物质量的外观规模。能源产品是人类在地球表面运输量最大的物质。在散装货物的世界贸易量中占据主要地位，在各国国内贸易中亦如此。因此，理想的是缩短能源介质运输的距离，应该努力使之“减量化”，即借助于使用数量能量比优越的介质，尽量减少运输所必需的基础设施。第82页/共150页 关于能源，主要问题不在于哪一天枯竭，而在于无节制的能源耗用所引起的对环境的影响。可以想象，如果突

36、然哪天我们拥有厂一种新的假设能源，不仅在开采与分运过程中清洁无比，而且取之不尽，用之不竭，价格低廉，消费者将因为物质的极大充裕而不加节制，那么这对生物困造成的后果肯定是灾难性的。第83页/共150页 生物能量的开发还可以创造更多的地方就业机会、这是华盛顿地方自力更生研究所所持的政策观念。使用生物质能和有机废料需要邻近的就业者，因此促使当地和社区的生活更具活力。第84页/共150页 生物质能，一般地讲，碳水化合物的工业运用，肯定会得到发展。但是，我们可以想象，由于目前能源供应机制的惰性，在可以预见的未来，其运用只会集中于比较有限的部门。降低能源消耗，开发太阳能、风能、生物质能、氢能源等新型能源替

37、代技术是解决能源脱碳问题的最有效途径。第85页/共150页 现代新型能源主要有：（1）太阳能（solar energy）。太阳能是指地球上能够直接接受并利用的太阳辐射能。每秒钟能够达到地球表面的太阳能量为 ，约相当于目前全世界能源总消耗量的数万倍。138.0 10 km第86页/共150页 （2）风能（wind energy）。风能是指太阳辐射造成各部分受热不均匀而引起的空气运动产生的能量。20世纪70年代的石油危机和化石能源的短缺及化石能源引起的环境问题促使人们对风能进行利用和开发。利用风能可以发电、提水、助航、制冷和制热等，以风能发电为主要应用途径。第87页/共150页 （3）生物质能（b

38、iomaterial energy）。生物质能是指来自动植物的能源。据推测，全球蕴藏的生物质达 ，其中植物每年产生生物质约 ，并且制沼气和酒精燃料已达实用阶段。美国利用生物质能发电已达全国能源需求量的3.5以上。121.8 10 t11111.4 101.8 10 t第88页/共150页 （4）氢能（hydrogen energy）。氢能的开发利用目前主要有直接用作火箭、飞机等的燃料和用作燃料电他的燃料两个方面。镍氢电池现已进入实际应用阶段。第89页/共150页 （5）核能（nuclear energy）。核能又称原子能，是原于核结构发生变化时释放出来的能量。从1954年苏联建成世界上第一座商

39、用核电站以来，全世界已有420多座核电站在30多个国家安全运行，这些核电站提供的电能占全世界总电力的17。第90页/共150页 核能可以通过重原于核裂变或氢原子核聚变方式取得。目前比较成熟的技术是利用铀、钚等物质作核裂变燃料，进行核裂变反应并连续释放能量，对外输出电能与热能。世界上，第一使快中子增殖堆由美国在1951年建成，20世纪70年代末进入实用阶段。至今，此类反应堆已有20多座投人商用发电。第91页/共150页 （6）地热能（terrestrial energy）。我国地热水直接利用总量已跃居世界之首，主要包括取暖供热和地热发电。至1996年，包括台湾省在内，全国地热总装机容量为 ，其中

40、西藏羊八井地热电站的装机容员为 。（7）燃料电池（fuel battery）。燃料电池主要有锂离电池、镍氢电池等。此外，还可以开发利用地球以外天体的能量，如月球上的氦3等。43.210 kw42.510 kw第92页/共150页 目前，太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化学转换等三种直接利用太阳辐射能量的方式。1 太阳能的开发与利用技术第93页/共150页 A 光热转换 光热转换是把太阳辐射能通过各种集热器转变为热能，再进行热利用。例如：（1）太阳能热发电。20世纪卯年代发明的柱面集热式太阳能发电站已投入运营。（2）利用太阳能使海水淡化。巴基斯坦的一座太阳能海水淡化厂日产淡水68t，这对

41、于干旱缺水地区具有重要意义。1 太阳能的开发与利用技术第94页/共150页（3）太阳池盐湖水太阳能发电技术，把热能转换成电能。20世纪60年代，以色列建立了世界上第一个太阳池装置。此外，太阳房、太阳能高温炉、太阳能热水器、太阳能温室等均己投入了实际使用之中。1 太阳能的开发与利用技术第95页/共150页 B 光电转换 光电转换是指通过太阳能电池将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池也称光电池、光伏电池。太阳能电池按电池基本材料的化学组成、基本材料的结构形式、基本材料的掺杂物成分、电池的厚度、电池的外形和内部阻挡层性质分类。1 太阳能的开发与利用技术第96页/共150页例如单晶硅电池、多品硅电池

42、、非晶硅电池、N型电池、N/P电池、薄膜电池、矩形电池、单结砷化镓电弛。还可以按化学组成及产生电力方式把太阳电池分为无机太阳电池、有机太阳电池和光化学电池三大类。1 太阳能的开发与利用技术第97页/共150页太阳电池的应用领域极为广泛，主要用于电源或作光电元件。例如太阳能电站，人造卫星与空间站的电源，用于驱动太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能船、太阳能自行车等交通工具，或用作光电开关等。我国建成的第一座太阳能电站于1985年10月7日正式投入运行，功率为10kw，此电站坐落于甘肃省榆中县园子乡。1 太阳能的开发与利用技术第98页/共150页 C 光化学转换 光化学转换是指用光和物质相互作用引起化学

43、变化的过程，在此过程中光能转变为化学能。绿色植物的光合作用是光化学转变过程，但是这种转换至今仍末达到商业应用水平。1 太阳能的开发与利用技术第99页/共150页 以生命体在生命运动中产生的或以无生命的残骸形式储存的能量称为生物源能，也称生物质能。生命体包括动、植物及原生生物。生物质是指由植物或动物生命体衍生得到的物质的总称。狭义的生物质主要非矿化的有机物组成，如树木、庄稼等，不包括煤、石油等化石燃料。2 生物能的开发与利用技术第100页/共150页 生物质能是可再生能源的一种，是太阳能通过植物在生长过程中的光合作用转换成化学能以碳水化合物的形式凝固储存起来的能量形式。2 生物能的开发与利用技术

44、第101页/共150页 生物质能技术就是采用高新能量转化技术把存储于生物质的太阳能转化为可以直接利用的燃料、电能、热能等物质能源形式。转化过程中基本不会引起环境污染或破坏。生物质能利用技术包括生物质气化制燃气、生物质气化发电、沼气发酵技术制沼气、生物质发酵制醇类燃料、“石油”植物生产燃料油等。2 生物能的开发与利用技术第102页/共150页 A 生物质气化制燃气 生物质气化制燃气是热化学转换的一种方式。生物质气化技术就是指在生物质原料于无氧或缺氧条件下受热分解的过程中所采用的技术，在这个过程中，构成生物质的大分子的部分化学键断裂，最后生成甲烷、一氧化碳、氢气等可燃气体小分子，生物质中大部分能量

45、都转移到气体中。2 生物能的开发与利用技术第103页/共150页 生物质气化反应装置是气化炉，它是气化过程发生的必要设备。在气化炉中，生物质燃料一般发生氧化反应、还原反应及裂解反应，这些反应在气化炉的不同炉段中进行。气化装置分为固定床、流化床和旋转床气化炉三种类型。2 生物能的开发与利用技术第104页/共150页 自20世纪90年代，我国就对生物质气化技术进行了研究开发，为农村用上管道燃气、为乡村能源革命奠定了技术基础，解决了提高能量转化效率和环境污染问题，而旦经济上也是可行的。已建的试点工程的经验和投资核算表明，使用这种燃器平均每户年支出不超过200元。2 生物能的开发与利用技术第105页/

46、共150页 B 生物质气化发电 生物质循环流化床发电(BGPG)的流程以处理稻壳为主，也可以木屑、桔秆为燃料。最大发电容量1000kw，发电效率17。如能把余热加以利用，则生物质的能量利用率会有较大的提高。2 生物能的开发与利用技术第106页/共150页2 生物能的开发与利用技术 生物质发电的研究开发方向是开发410MW规模的气化、裂解、燃气内燃发电与汽轮机发电相结合、余热充分利用的联合循环工艺，并尽可能提高系统发电效率（达到小型燃煤发电水平），采用技术成熟、投资少、安全可靠的绿色工艺。第107页/共150页2 生物能的开发与利用技术 C 沼气发酵技术制沼气 以生物质为原料在文装置内通过发酵细

47、菌的作用生产沼气的技术，称为沼气发酵技术。第108页/共150页2 生物能的开发与利用技术 沼气发酵是由多种微生物在元氧条件下分解有机物来完成的。沼气是由微生物发酵产生的一种可燃性混合气体，其中甲烷约占60，二氧化碳约占35，其余为水蒸气、硫化氢、氮气和一氧化碳等。沼气发酵过程中除了产生气体外，还产生其他物质可用作农业肥料或饲料。第109页/共150页2 生物能的开发与利用技术 人工制取沼气可采用的原料主要有人、畜、禽的粪便污水，食品加工业、制药和部分化工、生活垃圾和人类的生活污水，污水处理厂的污泥以及农作物桔秆等，可以实现废物利用。第110页/共150页2 生物能的开发与利用技术在农村中推广

48、沼气发酵技术无论在保护环境、解决清洁能源、提高农村的环境卫生、提高村民的健康水平和生活质量，还是在充分利用自然资源等方面都具有重要意义。沼气发酵投资小因此对我国广大贫困地区具有更大的意义。第111页/共150页2 生物能的开发与利用技术D 生物质发酵制醇类燃料 （1）发展历程。自20世纪70年代石油危机时起，巴西和美国开始研究用酒精代替汽油作汽车燃料。1975年，巴西正式推行乙醇汽油使用计划，至2000年燃料乙酵总产量已达 ，占该国汽车消耗量的三分之一。67.9310 t第112页/共150页2 生物能的开发与利用技术美国于2000年的燃料乙醇消耗量已达 ，年均增长率为20。我国河南、吉林、黑

49、龙江是国家确定的生产变性燃料乙醇和应用车用乙醇的3个试点省份。2001年6月20日上午，河南省郑州在全国率先试用车用乙醇汽油。65.59 10 t第113页/共150页2 生物能的开发与利用技术 （2）生产技术。可用农作物的桔秆、蔓、谷壳等生物质作原料制乙醇，因为这些生物质富含木质纤维，无法用普通酵母茵使它们像淀粉那样发酵转化为乙醇、采用无机酸和真菌酶混合糖化法发酵木质纤维素来生产乙醇现己备受关注。第114页/共150页2 生物能的开发与利用技术 （3）存在问题。以本质纤维为主的生物质作原料制取乙醇的工艺方法尚不完善例如，产率问题、生产中的工艺条件问题成本问题、产乙醇的速率问题、适宜微生物的选

50、择问题等，还有待于进一步探讨开发。第115页/共150页2 生物能的开发与利用技术 E “石油”植物生产燃料油 石油植物是指可直接或间接加工成燃料油的植物，包括树木、草类和藻类等。第116页/共150页2 生物能的开发与利用技术 目前可用于生产燃料油的树木有绿玉树、苦配巴树、香蕉树、子角朗、续随子、汉加树、霍霍巴、油楠等。其中香蕉树割开树皮可流出一种液体物质，这种液体的化学成分与柴油极其相似，能直接代替柴油使用。还有一些草本植物也含有“燃料油”，美国的黄鼠草就是这样一种草本植物。每公顷野生的黄鼠草可以提取1t“燃料油”。人工种植的杂交黄鼠草的产量每公顷可以达到6t。第117页/共150页2 生