绿色能源与可持续发展教学课件介绍

绿色能源与可持续发展欢迎来到绿色能源与可持续发展课程在这个时代，随着全球气候变化和能源危机的加剧，探索和发展绿色能源已经成为人类可持续发展的必然选择本课程将带您深入了解各种绿色能源技术的原理、应用及其在可持续发展中的重要作用，同时探讨中国在绿色能源领域的战略布局及未来发展方向通过这个旅程，我们将共同思考如何在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力，实现真正的可持续发展课程概述可持续发展基础1介绍可持续发展的概念、三大支柱及其与能源的关系，分析传统能源面临的挑战和局限性绿色能源技术2详细探讨太阳能、风能、水力、生物质能、地热能、氢能和核能等绿色能源的原理、应用及发展现状发展战略与前景3分析绿色能源的优势与挑战，中国的绿色能源战略，以及绿色能源与经济发展的关系和未来展望什么是可持续发展？可持续发展是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展模式源起年，世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》报告中首次1987提出可持续发展的概念核心理念强调经济发展、社会进步与环境保护的平衡，追求人与自然和谐共生全球共识年，联合国通过项可持续发展目标，成为全球可持续201517SDGs发展行动指南可持续发展的三大支柱经济发展追求稳定增长，提高效率，减少贫困，创造就业，促进产业转型，确保经济可环境保护社会公平持续性保护生态系统，减少污染，合理利用自促进社会包容，保障基本权利，消除不然资源，保持生物多样性，应对气候变平等，改善教育和医疗，推动文化多样化，确保环境可持续性性，确保社会可持续性213能源与可持续发展的关系能源是经济社会发展的动力源泉能源供应直接影响经济发展水平和人民生活质量，是支撑现代文明的基础能源生产和消费对环境影响巨大传统能源利用导致环境污染和气候变化，是可持续发展面临的主要挑战之一能源结构转型是实现可持续发展的关键从高碳向低碳甚至零碳转变，从不可再生向可再生转变，是可持续发展的必然选择能源公平获取关系到社会公平确保所有人都能获得安全、可靠、可持续的现代能源是消除贫困和实现社会公平的重要条件传统能源的挑战环境影响1污染和气候变化资源有限性2不可再生，面临枯竭地缘政治影响3资源分布不均价格波动4供需关系复杂能源安全5对外依存度高传统能源主要包括煤炭、石油、天然气等化石燃料，虽然它们推动了人类社会的工业化进程，但也带来了一系列挑战这些挑战不仅涉及环境污染和资源枯竭，还包括地缘政治风险和价格不稳定性，严重制约了人类社会的可持续发展化石燃料与环境污染空气污染水体污染温室气体排放燃烧化石燃料释放二氧化硫、氮氧化煤矿开采、石油泄漏、页岩气开发等化石燃料燃烧释放大量二氧化碳等温物、颗粒物等有害物质，导致雾霾、过程中产生的废水和泄漏物质污染地室气体，是全球气候变化的主要原因酸雨等环境问题，严重危害人体健康表水和地下水，破坏水生态系统，导致极端天气事件增加能源安全问题供应中断风险1政治冲突、自然灾害等因素可能导致能源供应中断价格波动风险2国际能源市场价格剧烈波动影响经济稳定资源依赖风险3对外部能源资源的过度依赖降低国家自主权基础设施安全风险4能源基础设施面临恐怖袭击和网络攻击威胁能源安全是国家安全的重要组成部分，对经济发展和社会稳定至关重要中国作为世界第一大能源消费国和进口国，面临的能源安全挑战尤为突出，需要通过多元化供应、提高能效和发展本土绿色能源等方式增强能源安全保障能力能源稀缺性石油天然气煤炭铀矿根据国际能源署（）的估计，以目前的开采速度和已探明储量计算，全球石油资源可能在年内耗尽，天然气可能在年内耗尽，煤炭可能在年内耗尽IEA5060130资源稀缺性不仅表现在储量有限，还体现在分布不均上全球约的石油储量集中在中东地区，使得许多国家面临严重的能源供应安全问题75%能源资源的稀缺性警示我们必须转向可再生能源，建立更加可持续的能源系统绿色能源简介可再生性清洁低碳分布广泛绿色能源来源于自然绿色能源在利用过程绿色能源在地理分布过程，如阳光、风、中排放极少或不排放上相对均衡，有助于水流、地热等，具有温室气体和污染物，减少能源地缘政治风可再生性，理论上取对环境友好，有助于险，提高能源供应的之不尽，用之不竭应对气候变化安全性和稳定性太阳能定义太阳能是指太阳内部核聚变反应释放的能量，通过电磁波的形式传播到地球表面，是地球上几乎所有能量的源头特点太阳能具有清洁、可再生、分布广泛等特点，理论上每年到达地球表面的太阳能是人类能源消耗总量的倍以上10,000应用形式主要应用形式包括光伏发电（将太阳能直接转化为电能）和光热利用（利用太阳能加热工质产生蒸汽发电或直接供热）发展现状太阳能是目前全球增长最快的可再生能源之一，中国已连续多年成为全球最大的太阳能市场和制造基地太阳能发电原理光电效应太阳光照射到半导体材料上，光子被半导体材料吸收，导致电子跃迁，在结两端形成电位差p-n电流形成当外电路连接时，电子从型区域通过外电路流向型区域，形n p成电流，实现光能到电能的转换电能输出多个太阳能电池组件串并联形成光伏阵列，通过逆变器将直流电转换为符合电网标准的交流电并网储能/生成的电能可以直接并入电网，也可以通过电池等设备储存起来，以备需要时使用太阳能应用案例青海格尔木光伏电站光伏建筑一体化光伏扶贫工程中国最大的太阳能发电基地之一，装机在深圳、上海等地，太阳能光伏组件被在中国贫困地区建设分布式光伏电站，容量超过，年发电量约亿千瓦整合到建筑外墙、屋顶等部位，既满足既提供清洁电力，又通过电费收入帮助2GW30时，相当于每年减少碳排放约万吨建筑用电需求，又减少了建筑碳排放当地农户增收，实现脱贫280风能能源来源利用方式风能源于太阳辐射导致的大气温差，1主要通过风力发电机将风能转化为电通过空气流动形成的动能2能，也可用于机械泵水等应用场景发展优势4陆上风电、海上风电、分布式风电等零排放、可再生、成本持续下降、技3多种形式术日趋成熟中国是全球风能资源最丰富的国家之一，理论储量达亿千瓦，技术可开发量约亿千瓦，其中陆上亿千瓦，海上亿千瓦351082截至年底，中国风电累计装机容量超过亿千瓦，连续多年位居世界第一

20223.6风力发电技术风力发电基本原理1风力发电是通过风力机将风能转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能的过程风吹动叶片转动，带动传动轴旋转，最终驱动发电机产生电力风力发电机的主要组成部分2现代风力发电机主要由叶片系统、传动系统、发电机、控制系统、塔架和基础等部分组成，其中叶片设计是核心技术之一风力发电机的类型3按转轴方向分为水平轴和垂直轴两种；按功率分为小型、中型≤100kW和大型；按运行方式分为恒速型和变速型100kW-1MW1MW风电场选址关键因素4风电场选址需考虑风资源条件、地形地貌、电网接入条件、环境影响等因素，以确保发电效率最大化和环境影响最小化风能开发现状全球风电产业正处于快速发展阶段截至年底，全球风电累计装机容量达到约，中国以的装机容量位居全球第一2022837GW365GW技术进步使风电成本持续下降，在许多地区已具备与传统能源竞争的经济性未来发展趋势包括更大型的风机、海上风电的快速发展、浮式风电技术的突破以及智能化运维的推广水力发电发展历史基本原理发展现状水力发电是人类最早利用的可再生能水力发电利用水位落差产生的动能推中国是世界上水电资源最丰富的国家源之一，早在公元前年，中国就发动水轮机旋转，驱动发电机将机械能之一，理论蕴藏量约亿千瓦，截至

2006.8明了水轮用于提水和磨粉现代水力转换为电能按照发电原理，可分为年，装机容量超过亿千瓦，连20224发电始于世纪末，目前已成为全球动能式（利用水流动能）和势能式（续多年保持世界第一，三峡水电站是19最重要的可再生能源电力来源利用水的势能）两种全球最大的水电站水电站类型常规水电站流水式水电站通过修建大坝形成水库，利用水位落差发电，具有调节能力强、发电稳不建设或仅建设小型水库，主要利用河流天然流量发电，具有投资小、定等优点，但投资大、工期长、移民安置复杂典型代表三峡水电站建设周期短、环境影响小等优点，但受季节影响大典型代表小型河、白鹤滩水电站流水电站抽水蓄能电站潮汐发电站利用电力负荷低谷时的富余电力将水从下水库抽到上水库，高峰时再放利用潮汐涨落的势能差发电，具有无污染、可再生的特点，但受潮汐周水发电，是电力系统中的调峰器典型代表广州抽水蓄能电站期限制，发电不连续典型代表江厦潮汐试验电站水电的优势与挑战优势挑战未来展望可再生且清洁，几乎不产生温室气体排放大型水电站建设周期长，投资巨大小型分散式水电的发展潜力巨大•••技术成熟，发电效率高达以上可能导致生态系统改变和生物多样性减少与其他可再生能源互补，增强电网稳定性•90%••具有调峰、调频、备用等多种功能移民安置和文化遗产保护问题复杂智能化、数字化技术提升运行效率•••水库可用于防洪、灌溉、航运等多种用途受气候变化影响，水资源不确定性增加开发利用海洋能等新型水能资源•••生物质能生物质能定义生物质能是指利用生物质（包括植物、动物排泄物、农林废弃物、城市垃圾等有机物质）通过直接燃烧或转化为固体、液体、气体燃料后释放的能量生物质能的形式主要形式包括生物柴油、生物乙醇、沼气、生物质固体成型燃料以及生物质气化合成燃料等，可以通过不同途径实现电力、热力和交通燃料的供应生物质能的特点生物质能是唯一可以直接替代化石燃料产生液体交通燃料的可再生能源，具有碳中性（燃烧排放的碳在生长过程中已经被吸收）的特点中国的发展现状中国是农业大国，生物质资源丰富，年产农作物秸秆约亿吨，林业剩余物约9亿吨，这些都是生物质能源的潜在原料

3.5生物质能源的种类生物质能源主要包括生物乙醇（主要由淀粉或糖类发酵生产）；生物柴油（主要由植物油、动物油脂或废油经过酯交换反应生产）；沼气（有机物厌氧发酵产生的甲烷为主的混合气体）；生物质固体成型燃料（秸秆、木屑等压缩成的颗粒或块状燃料）；以及通过生物质气化、热解等方式生产的合成气和生物油等中国已在黑龙江、吉林等地建立了生物燃料乙醇生产基地，在四川、云南等地建立了生物柴油生产基地，农村地区沼气工程也得到广泛推广生物质能应用前景亿万吨

1.3500中国沼气用户数量生物燃料乙醇年产量截至年，中国农村地区已建成规模化沼中国已建成生物燃料乙醇生产企业家，年202215气工程超过万处，年产沼气约亿立方产能力达万吨，可替代约万吨汽油111605001500米30%年可再生能源比例目标2035生物质能作为可再生能源的重要组成部分，在实现这一目标中扮演重要角色生物质能在替代化石燃料、处理农林废弃物、改善农村生活环境和增加农民收入等方面具有广阔前景随着第三代生物燃料技术（如利用藻类生产生物燃料）和生物质能与碳捕获与封存技术结合，未来生物质能有望实现负碳排放，成为应对气候变化的重要技术路径地热能地热能源介绍地热资源分布地热能特点地热能是指来自地球内部的热能，主中国地热资源丰富，理论储量相当于地热能具有稳定性好、昼夜不间断、要由地核放射性元素衰变产生地球约亿吨标准煤主要分布在西藏受气候影响小、可持续开发等优点，8530内部温度极高，越往地心温度越高，、云南、四川、广东、福建等地区是理想的基础负荷电源同时，地热形成了从地心向地表的热流，为地热西藏羊八井地热田是中国最大的高温能开发技术成熟，成本相对稳定，环能的开发利用提供了条件地热田，温度可达℃境影响较小327地热能利用方式发电利用直接供热地源热泵主要利用温度较高的利用中低温地热资源利用浅层地热能地表地热资源通常高于通常低于℃直接以下约米范围内150200℃，通过干蒸汽供热，包括地热供暖温度相对恒定的热能150或闪蒸发电技术将热、温室种植、水产养，通过热泵技术实现能转化为电能目前殖等中国北方地区建筑供暖制冷近年中国地热发电装机容已有超过个城市利来，中国地源热泵应70量约，主要用地热能进行供暖，用快速发展，已成为

33.2MW集中在西藏、云南等覆盖面积超过亿平方浅层地热能利用的主1高温地热区米要方式地热能开发潜力中国拥有丰富的地热资源，中低温地热资源在全国各地均有分布，高温地热主要集中在西藏云南四川地热带随着增强型地热系统、深层地热等技术的突破，中国地热能开发潜力将进一--EGS步释放《中国地热产业发展规划》提出，到年，地热能供暖（制冷）面积达到亿平方米，地热发电装机容量达到地热能将成为中国能源转型的重要支撑202520100MW氢能氢能特点制氢方式1能量密度高，清洁无污染，来源广泛化石燃料重整，电解水，生物质制氢等2应用领域储运技术43燃料电池，工业原料，热电联产等高压气态，低温液态，固态储氢等方式氢能被认为是世纪最具发展潜力的清洁能源之一，是实现碳中和的重要路径氢是宇宙中最丰富的元素，燃烧后只产生水，无污染排放21从能量密度来看，每公斤氢气的能量是同等质量汽油的倍左右3中国已将氢能列为国家能源转型战略的重要组成部分，多个地区建设了氢能产业示范区截至年，中国已建成加氢站超过座，燃2022250料电池汽车保有量超过辆10000氢能生产与应用氢气生产方式1目前主要有三种制氢方式灰氢（煤、天然气等化石燃料重整或气化制氢），蓝氢（灰氢碳捕+获与封存技术），绿氢（利用可再生能源电解水制氢）中国正逐步推进从灰氢向绿氢的过渡氢能存储与运输2氢气体积能量密度低，储运是氢能利用的关键挑战常用储运方式包括高压气态（）、70MPa低温液态（℃）、有机液态储氢（）和固态储氢（金属氢化物）等中国正研发大规-253LOHC模、低成本、高安全性的氢气储运技术氢燃料电池3氢燃料电池是氢能最重要的应用形式之一，通过电化学反应将氢的化学能直接转化为电能，效率可达以上中国已在氢燃料电池汽车、氢能源备用电源等领域取得显著进展，多家企业60%具备自主知识产权的燃料电池堆批量生产能力工业应用4氢能在钢铁、化工、交通等高碳行业脱碳中具有重要作用中国已开展氢冶金试点示范，多个省市建设了氢能产业园和氢能公交、物流示范运营项目未来，氢能在工业领域的应用将不断拓展氢能发展前景万吨亿200500060%年绿氢年产量目标年产业规模碳减排潜力20252025中国氢能产业发展规划预计年绿氢产量将达预计到年，中国氢能产业链产值将超过这一长期来看，氢能可以帮助中国实现约的碳减2025202560%到这一水平数字排目标氢能是实现碳中和目标的重要支撑《中国氢能产业发展中长期规划（年）》提出，到年，氢能将成为中国能源体系的重要组成部分，在2021-20352035交通、工业等领域得到广泛应用中国拥有全球最大的可再生能源装机容量，为发展绿氢提供了得天独厚的条件随着技术进步和规模化发展，氢能成本将持续下降，市场竞争力不断增强，有望成为推动能源转型的关键力量核能核能基本原理核电站工作流程核能是通过核裂变或核聚变反应释放的能量目前商业应用的核电站主核反应堆中的核裂变产生热能，加热冷却剂（通常是水），产生蒸汽推要利用铀的核裂变反应，当一个中子击中铀原子核时，原子核动汽轮机旋转，带动发电机发电常见的核反应堆类型有压水堆、沸水-235-235分裂成两个较轻的原子核，同时释放个中子和大量能量堆、重水堆和高温气冷堆等2-3中国核电发展现状核聚变研究进展截至年底，中国运行核电机组台，装机容量约万千瓦，位核聚变被誉为人类的终极能源，中国在该领域积极开展研究，建成2022555414居全球第三在建核电机组数量和装机容量均居世界第一，拥有华龙一人造太阳实验装置，年实现了秒的亿度等离子体运EAST

20221011.2号、等自主三代核电技术行，创造了世界纪录CAP1400核能优势与争议核能优势核能争议能量密度极高，千克铀裂变能量相当于吨标准核事故风险和严重后果（如切尔诺贝利、福岛事故）•1-2352500•煤核废料处理困难，需要数万年安全隔离•发电过程不产生温室气体和空气污染物•核电站建设和退役成本高，周期长•占地面积小，不受天气和季节影响，发电稳定可靠•核能与核武器技术相关，存在核扩散风险•可作为基础负荷电源，支撑电网安全运行•核能作为一种低碳能源，在应对气候变化方面有显著优势，但同时也面临安全、废料处理和成本等挑战各国对核能的态度不同，德国等国决定逐步退出核电，而中国、法国等国则将核能作为能源转型的重要组成部分核能安全问题纵深防御策略现代核电站采用多重屏障、多级保护的纵深防御策略，包括燃料包壳、反应堆压力边界、安全壳等多道物理屏障，以及多重多样、相互独立的安全系统被动安全技术第三代核电技术如华龙一号、等采用被动安全系统，依靠自然力（如AP1000重力、自然循环）而非外部动力实现安全功能，大幅提高安全性核废料管理高放射性废物处理采用三废治理、近期贮存、中期监管、远期处置的策略，高放废物最终处置通常采用深地质处置方式，将其埋入地下数百米的稳定地质构造中核安全文化中国高度重视核安全文化建设，建立了严格的核安全法规体系和独立的核安全监管机构，核电运营单位实施全过程质量控制和培训认证制度绿色能源的优势清洁无污染1减少碳排放，改善空气质量可再生可持续2源源不断，取之不竭分布广泛3减少能源地缘政治风险技术不断进步4成本持续下降，竞争力增强产业带动作用5创造就业，促进经济转型绿色能源的优势不仅体现在环境方面，还包括经济和社会层面随着技术进步和规模扩大，绿色能源的成本持续下降，在许多地区已经低于传统化石能源同时，绿色能源产业链长，带动效应强，已成为创造就业和促进经济增长的新引擎在国家安全层面，发展本土可再生能源可以减少对进口化石燃料的依赖，增强能源安全，降低地缘政治风险环境友好性绿色能源在生产和使用过程中产生的污染物和温室气体排放远低于传统化石能源如上图所示，风电、核能和水电的全生命周期碳排放仅为煤电的左右，太阳能光伏约为煤电的1/701/17除了减少碳排放外，绿色能源还大幅减少二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等常规污染物排放，有助于改善空气质量、减少酸雨和雾霾，对保护人体健康和生态环境具有重要意义中国通过发展绿色能源，每年可减少数亿吨碳排放和数百万吨常规污染物排放，为实现生态文明建设和美丽中国目标作出重要贡献可再生性取之不尽，用之不自然循环再生规模潜力巨大竭绿色能源通常依赖于中国可再生能源资源与化石燃料的有限性自然循环过程，如水丰富，技术可开发量不同，绿色能源来源循环（水力）、大气巨大风能约亿千25于太阳辐射、地球内循环（风能）、碳循瓦，太阳能资源更是部热能等可持续产生环（生物质能）等几乎无限这意味着的能量，理论上取之这些自然过程持续进中国完全有可能通过不尽，用之不竭以行，确保能源的不断绿色能源满足未来能太阳能为例，每年到再生即使核能原料源需求增长，并逐步达地球表面的太阳能铀是有限的，但通过替代化石能源，实现是人类一年能源消耗增殖技术和闭式燃料能源系统的可持续发的多倍循环，可以大幅提高展10,000资源利用率技术创新推动组件材料技术突破太阳能光伏领域，从单晶硅到多晶硅再到钙钛矿等新型材料；风电领域，从玻璃钢到碳纤维叶片；储能领域，从铅酸电池到锂离子电池再到固态电池等，材料技术不断突破提升能源转换效率系统集成技术提升光伏逆变器效率提升，风机智能控制系统优化，能源互联网和智能电网技术发展，使绿色能源系统整体效率大幅提高，并能更好地适应电网需求，提供稳定可靠的电力供应成本持续下降技术进步和规模效应双重驱动绿色能源成本持续降低过去十年，中国光伏组件价格下降超过，陆上风电成本下降超过，使绿90%40%色能源在越来越多区域实现平价上网，甚至低于传统能源绿色能源发展面临的挑战间歇性和波动性系统成本太阳能和风能等可再生能源受天气和季虽然绿色能源自身成本下降，但大规模节影响，发电量波动大，给电网调度和接入电网需要额外的电网改造和备用容电力系统稳定带来挑战需要发展灵活量投资绿色能源的全系统成本包括发12调节能力和储能技术来平衡供需电成本、电网成本和系统调节成本等土地资源限制技术瓶颈大规模开发绿色能源需要大量土地资源关键材料和核心装备仍存在技术瓶颈，43例如，光伏电站占地约平方1GW20-25如高效储能、氢能规模化利用、第四代公里，与城市用地和农业用地存在竞争核电等领域需要持续加大研发投入，需要通过技术创新和多功能开发减少突破关键技术土地需求成本问题初始投资成本高系统整合成本绿色能源项目通常具有前期投资高、后期运维成本低的特点以光伏发随着绿色能源占比提高，电网需要更多灵活性资源和储能设施来平衡供电为例，虽然没有燃料成本，但初始投资约为煤电的倍高初始投资需波动，产生额外的系统整合成本研究表明，当可再生能源渗透率超2增加了融资难度和门槛，尤其对发展中国家和边远地区影响较大过时，系统整合成本将显著增加30%外部性没有完全定价成本下降趋势传统能源的环境和健康外部成本尚未完全计入电价，导致绿色能源在市技术进步和规模效应使绿色能源成本持续下降以中国为例，年2022场竞争中处于不利地位中国正在完善碳市场机制，但碳价格仍然较低新建光伏和风电项目平均度电成本已低于新建煤电项目，部分项目甚至，未能充分反映碳排放的真实社会成本低于运行中的煤电厂预计未来成本将进一步下降。