新能源手册（原书第2版）.pdf

新能源手册（原书第2 版）英 特雷佛 M.莱彻（Trevor M.Letcher）主编潘庭龙 吴定会 纪志成 傅成豪 郝泽亮等译机 械 工 业 出 版 社 本书论述了可作为未来能源的化石燃料、核能、运输能源、可再生能源以及新的可能能源的各个方面的问题，并有针对性地讨论了环境等相关问题。本书不仅详细说明了当今能源现状，而且放眼未来，对全球变暖、温室气体、能源转型、可持续发展等话题有着详细的分析与策略。本书可作为科研人员和工程技术人员进行能源研究的基础和参考书籍，也可作为管理决策者进行制定未来能源解决方案的参考资料。译者序面对常规能源的短缺及其使用所带来的环境问题，发展新能源、可再生能源以及常规能源的新型利用技术成为我们当前以及未来所必须解决的问题。翻译本书的目的就是将国内外在解决这些问题时所采用的先进方法、技术与装备、相关的政策法规以及未来能源的研究方向等介绍给国内读者，为正在从事能源研究的科研人员、工程技术人员、管理决策者提供有益的指导与参考。参加本书翻译的主要人员有江南大学物联网工程学院潘庭龙教授、吴定会副教授、纪志成教授，硕士研究生傅成豪，本科生郝泽亮，硕士研究生边俊、钱坤、刘慧、刘小伟、龚尚红、王曙、吴豪鹏、许杏花、杨康，江南大学图书馆馆员姜娟等，全书最后由潘庭龙统稿。由于本书所涉及的领域很广泛，内容较多，而译者的知识结构及水平有限，所以不当之处在所难免，恳请读者不吝指正。译者于江南大学原书前言这本书包含了第1 版的研究成果，但因为这个主题在传统领域和新兴技术方面的不断发展，它所涉及的范围也拓展了很多，相比于第 1 版的 20 章，新版书有 31章。新版本添加的章节着重介绍水力压裂、煤层气、作为运输燃料的液化天然气、锂离子电池、作为能量载体的氢、二氧化碳捕捉和封存、储能系统、能源生产对环境的影响、配送和运输、智能电网、发展中国家的能源资源、未来能源的转型，以及中国能源方案和预测等。作为发展最迅速的国家，中国被单独列出来讨论，如果中国以目前的速度继续发展，很快就会成为全世界生产能量最多的国家。本书关注了将来可能被用到的多种类型的能量，包括可持续的类型如：太阳能，风能，潮汐能和波浪能。来自于煤、石油、甲烷气体和甲烷水合物等多种形式的化石燃料，本书也都着重进行了介绍，因为，我们将一直使用这些能源，直到我们已经开发出可再生能源，建立新的核裂变电厂，或者开发出新型能源，例如核聚变（第 10 章）和空间太阳能发电（本书没有对此进行介绍）。空间太阳能发电利用轨道太阳电池板从太阳吸收能量，再通过激光或微波传回地球。和第1 版一样，本书是为了使读者对于未来能源的使用有一个合理的、符合逻辑的、正确的认识和了解。一个国家或地区最终选择哪一种能源方案去发展必须考虑到许多因素，包括可持续性、公众的安全与健康、社会整体的能源要求、各个区域的地理位置等。最重要的是在过去的 50 年里，大气中二氧化碳含量的上升速度给我们敲响了警钟，这已经通过全球气候变暖的方式严重威胁到了全球未来的气候。和市场上正在销售的相似的或者标题相关的书相比较而言，新能源手册 这本书的独特之处在于它的每一章都是由工作在这个领域的专家或者工程师来编写的。作者已经选择了他们各自所擅长的专业领域，他们来自于 21 个国家，包括澳大利亚、比利时、巴西、加拿大、中国、英格兰、芬兰、法国、德国、印度、印度尼西亚、爱尔兰、意大利、日本、卢森堡、韩国、荷兰、挪威、苏格兰、南非和美国。这本书分为 8 个部分：第 1 部分：引言；第 2 部分：化石燃料（能源）；第 3 部分：核电（能源）；第 4 部分：运输能源（能源）；第 5 部分：运输能源（储能）；第 6 部分：可再生能源（能源）；第 7 部分：新的可能的能源方案；第 8 部分：环境和相关问题。对于未来能源的方案需要重点关注的是，当政治家误解或者忽视，而企业忽略燃料资源有限的现实以及气候变化的时候，我们该做些什么？解决的办法在于优秀的科学数据和教育。这本书是教育过程中的一部分。它提出了一套没有政治目的且没有感情因素的能源选择方案来供读者考虑，进而对当今世界所面临的问题得到一个合理的解决方案。我们希望，不仅仅是学生、教师、教授和新能源的研究人员，还会有政界人士、政府决策者、行业领袖、企业领袖、记者、编辑和所有感兴趣的人都会读这本书，注意它的内容并理解它潜在的信息。我想要感谢所有作者的帮助，尤其感谢他们写自己所擅长的章节。和每一位作者合作都很开心。我要感谢我的妻子 Valerie，感谢她在我整理与撰写这本书的时间里对我提供的帮助。我也要感谢 Sean Coombs 与 Elsevier 出版社的 Jill Cetel，感谢他们在整合这本书的过程中所提供的帮助。最后，我想感谢的是国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的 Ron Weir 教授，感谢他在编写这本书的过程中所提供的帮助。Trevor M.Letcher原 书 前 言 目录译者序原书前言第 1 部分引言1第 1 章 大气中二氧化碳与气候的变化1 1.1 为什么考虑未来的能源方案十分重要1 1.2 对可持续、安全且无污染的能源的需求2 1.3 气候变化3 1.4 大气污染与气候变化4 1.5 哪些能源方案可用于发电6 1.6 哪些能源方案可用于运输燃料7 1.7 当今世界的状况8 1.8 怎样能减少化石燃料的束缚9 参考文献10第2 部分化石燃料（能源）12第 2 章 常规石油和天然气12 2.1 介绍12 2.2 油气储层14 2.2.1 油气定位和地层评价14 2.2.2 碳氢化合物的类型15 2.3 碳氢化合物的开采、储备、生产和消耗17 2.3.1 能量供应与需求19 2.3.2 常规石油和天然气20 2.4 全球变暖和碳氢化合物经济26 2.4.1 能源和经济27 2.4.2 控制碳氢化合物燃烧，减少 CO2的排放27 2.5 结论29 参考文献29第 3 章 煤炭加工与发电35 3.1 引言35 3.2 煤炭储量、生产和使用36 3.2.1 煤炭储量和生产36 3.2.2 煤炭的使用37 3.3 煤炭的特征38 3.3.1 煤炭的成分38 3.3.2 电煤的特性38 3.4 燃烧前的煤处理39 3.4.1 选煤39 3.4.2 洗选高硫煤39 3.4.3 其他污染物的去除40 3.4.4 超洁净煤的制备41 3.4.5 煤炭脱水和干燥42 3.5 洁净煤技术43 3.5.1 燃烧前技术44 3.5.2 燃烧技术44 3.5.3 燃烧后技术45 3.5.4 CO2的捕获和存储45 3.6 煤炭在未来能源结构中的作用45 3.7 结论46 参考文献47第 4 章 油气新领域：深水区和北极50 4.1 引言50 4.2 深水区51 4.2.1 浮式液化天然气设施51 4.3 北极54 4.4 笼形水合物54 4.4.1 流动保障下的水合物54 4.4.2 水合物能源57 4.5 地压地热天然气58 参考文献60第 5 章 非常规油气：油砂64 5.1 引言64 5.2 油砂中沥青的开采65 5.2.1 矿采技术65 5.2.2 就地开采66 5.3 从沥青提取运输用燃料68目 录 5.4 沥青的特性69 5.4.1 沥青的性质69 5.4.2 沥青质70 5.5 沥青改质过程71 5.5.1 减黏裂化72 5.5.2 焦化73 5.5.3 渣油加氢转化74 5.6 油砂的未来75 5.6.1 油砂生产和沥青改质中的能源使用75 5.6.2 油砂生产的用水管理76 5.6.3 提高沥青改质技术76 参考文献77第 6 章 岩系碳氢化合物和水力压裂法79 6.1 引言79 6.2 页岩碳氢化合物80 6.2.1 油页岩81 6.2.2 含油页岩81 6.2.3 气页岩82 6.2.4 潜在资源82 6.3 提取方法84 6.3.1 油页岩干馏84 6.3.2 从页岩中生产油气87 6.4 页岩碳氢化合物的未来：生产预测91 6.4.1 页岩油91 6.4.2 岩系油91 6.4.3 页岩气92 6.5 总结92 参考文献93第 7 章 煤层气：储量、生产及未来展望98 7.1 引言98 7.2 煤层气的性质及其成因98 7.3 可用煤层气及其生产100 7.4 钻探和开采技术103 7.5 煤层气开采的环境问题104 7.6 未来展望104 参考文献106第 8 章 甲烷水合物108新能源手册 8.1 背景108 8.2 甲烷水合物资源预测111 8.2.1 海洋甲烷水合物资源111 8.2.2 永冻层下的甲烷水合物112 8.3 甲烷水合物的勘探112 8.4 甲烷水合物生产技术114 8.4.1 降压114 8.4.2 CO2CH4转化115 8.4.3 甲烷水合物生产面临的挑战117 8.5 总结119 参考文献120第3 部分核电（能源）124第 9 章 核裂变124 9.1 引言124 9.1.1 核燃料124 9.1.2 核裂变124 9.1.3 可控裂变反应125 9.2 核反应堆技术127 9.2.1 核反应堆的发展127 9.2.2 过去127 9.2.3 现在128 9.2.4 尖端反应堆技术129 9.3 辐照燃料管理130 9.3.1 开放式和封闭式燃料循环130 9.3.2 开放式和封闭式燃料循环的优缺点131 9.3.3 燃料循环的现状132 9.4 用作替代燃料的钍133 9.4.1 钍的特性133 9.4.2 钍燃料的潜力133 9.5 核能的实用性134 9.5.1 实用性134 9.5.2 安全性134 9.5.3 废弃物管理134 9.5.4 选址和公众接受度135 9.5.5 燃料供应135 9.5.6 增殖135目 录 9.6 总结135 参考文献136第 10 章 核聚变137 10.1 什么是核聚变137 10.2 核聚变发电的理想特性138 10.3 聚变发电面临的挑战140 10.4 聚变反应方法141 10.4.1 惯性约束聚变141 10.4.2 磁约束聚变142 10.5 聚变反应的经济效益144 10.6 聚变能的前景144 参考文献145第4 部分运输能源（能源）146第 11 章 运输用生物燃料146 11.1 简介146 11.2 运输生物质燃料147 11.3 当今世界生物燃料150 11.3.1 来自蔗糖的甘蔗乙醇150 11.3.2 来自玉米淀粉的生物乙醇151 11.3.3 纤维素乙醇151 11.3.4 化学催化式乙醇153 11.3.5 生物柴油153 11.3.6 航空生物燃料153 11.4 生物燃料的政策和观点153 11.4.1 美国乙醇154 11.4.2 欧洲的乙醇和生物柴油155 11.4.3 巴西乙醇15511.5 可持续性挑战159 11.5.1 土地利用和生物燃料160 11.5.2 生物燃料的道德问题162 11.6 科学的挑战与机遇163 11.7 观点与结论165 参考文献166第 12 章 运输用燃料：生物质、煤、天然气和废弃液的前景169 12.1 简介169 12.2 替代碳液体燃料的过程概述169新能源手册 12.2.1 直接液化法采油概况169 12.2.2 间接液化法采油概况170 12.2.3 合成法炼油的运输用燃料生产概况171 12.3 直接液化171 12.3.1 转化原则172 12.3.2 油质量173 12.3.3 运输用燃料的精炼174 12.4 间接液化175 12.4.1 天然气重整形成合成气175 12.4.2 来自生物质、煤和垃圾汽化的合成气176 12.4.3 费托合成178 12.4.4 利用费托合成油提炼运输用燃料180 12.4.5 甲醇的合成181 12.4.6 利用甲醇精炼运输用燃料182 12.5 液化的环境足迹183 12.5.1 上游对环境的影响183 12.5.2 下游对环境的影响184 12.5.3 产品使用对环境的影响184 12.6 未来能源185 参考文献186第 13 章 运输燃料液化天然气和甲烷188 13