《能源的分类与构成》课件

能源的分类与构成能源是人类社会发展的核心驱动力，是经济增长和社会进步的重要基础随着全球人口增长和工业化进程的加速，能源需求持续攀升，同时面临着资源枯竭和环境污染的双重挑战引言能源的重要性社会发展基础消费持续增长结构转变趋势能源为现代社会的各个领域提供全球能源消费量在过去几十年中动力支撑，从工业生产到居民生呈现稳步上升趋势据国际能源活，从交通运输到信息通信，无署统计，全球一次能源消费量从不依赖能源的稳定供应能源可1990年的约90亿吨油当量增长到得性直接影响着一个国家或地区2020年的约140亿吨油当量，预计的经济发展水平和人民生活质量到2050年将继续增长20-30%什么是能源？能量来源定义物质基础作用发展重要支撑能源是指能够提供热、光、机械能和能源是人类生产生活不可缺少的物质能源是经济社会发展的重要支撑要电能等各种形式能量的物质资源它基础，为各种生产活动和日常生活提素，其供应能力和利用效率直接关系们通过物理或化学过程释放储存的能供必要的能量支持从最基本的照明到国家经济实力和竞争力充足、清量，转换为人类所需的各种能量形取暖到复杂的工业制造，从个人出行洁、经济的能源供应是实现可持续发式，是自然界中能量的载体和传递媒到大规模运输，都离不开各种形式的展目标的关键前提条件介能源供应能源的基本分类方法按能源形式按最终用途按可再生性按商品属性根据能源的物理形态特根据能源在最终消费环根据能源资源的再生特根据能源是否具有商品征进行分类，包括固态节的用途进行分类，如性分为可再生能源和不性质分为商品能源和非能源（如煤炭）、液态动力用能源、照明用能可再生能源可再生能商品能源商品能源可能源（如石油）、气态源、供热用能源等这源可以在自然过程中不以在市场上进行交易，能源（如天然气）等种分类有助于分析不同断补充，而不可再生能有明确的价格机制，而这种分类方法主要考虑部门的能源需求结构和源储量有限，开采后不非商品能源主要就地利能源的储存、运输和使消费特点能再生用，难以市场化用特点按能源级别分类一次能源直接从自然界获得的天然能源，如煤炭、石油、天然气、水能、风能、太阳能等这些能源在自然界中以原始形态存在，可以直接开采利用能源转换通过物理或化学过程将一次能源转换为更便于使用和传输的能源形式转换过程中会产生能量损失，转换效率是衡量技术水平的重要指标二次能源消耗一次能源通过转换得到的能源，如电能、汽油、柴油、煤气等二次能源具有使用方便、传输容易、清洁高效等优点，是现代能源系统的重要组成部分一次能源化石能源可再生能源核能包括煤炭、石油、天然气等，是目前包括太阳能、风能、水能、生物质能、通过核裂变或核聚变反应释放的能量，全球一次能源消费的主体，约占总消地热能等，具有清洁环保、可持续利具有能量密度高、碳排放低的特点费量的80%以上这些能源形成于地用的特点近年来技术进步显著，成目前主要是核裂变技术，核聚变技术质历史时期，储量丰富但不可再生本快速下降，发展前景广阔仍在研发阶段二次能源电能特性燃料产品电能是最重要的二次能源，具有传输速度快、使用方便、石油炼制产品如汽油、柴油、航空煤油等是重要的二次能易于控制等优点可以通过多种一次能源转换获得，包括源，主要用于交通运输领域这些产品具有能量密度高、火力发电、水力发电、核电、风电、太阳能发电等储存运输方便等特点随着电动汽车等新能源技术发展，传统燃料产品面临转型电能在终端消费中占比不断提升，电气化水平已成为衡量挑战生物燃料、氢燃料等清洁替代品正在逐步产业化应现代化程度的重要指标全球电力消费年均增长率约为3-用4%，高于总能源消费增长率按可再生性分类资源再生能力可再生能源具有在自然过程中不断补充和恢复的特性，如太阳能每天都会照射到地球表面，风能来源于大气运动，水能依托水循环系统这些能源在人类使用尺度上可以视为取之不尽、用之不竭环境影响差异不可再生能源在开采和使用过程中通常产生较大的环境负面影响，包括空气污染、水体污染、生态破坏等而可再生能源在运行阶段几乎零排放，是实现环境保护和可持续发展的重要途径发展趋势对比全球能源结构正在从以不可再生能源为主向可再生能源转型国际能源署预测，到2050年可再生能源将占全球发电量的90%以上，这一转变将重塑全球能源格局和经济结构可再生能源风能水能全球技术可开发量约72TW全球可开发量约16000TWh/年•陆上风电商业化•技术相对成熟太阳能生物质能•海上风电快速发展•储能调节功能年辐射量约

3.8×10²⁴焦耳•间歇性技术挑战•生态环境影响年产能约4500EJ•光伏发电技术成熟•碳中性特征•成本快速下降•多元化利用途径•分布式应用广泛•与粮食安全平衡不可再生能源万亿

1.1煤炭储量全球探明储量（吨），可开采约150年亿2440石油储量全球探明储量（桶），可开采约50年万亿200天然气储量全球探明储量（立方米），可开采约52年万810铀储量全球探明储量（吨），支持核电发展约130年不可再生能源虽然储量有限，但在可预见的未来仍将在全球能源供应中发挥重要作用关键是要合理规划开发节奏，提高利用效率，并逐步向清洁能源转型同时加强勘探技术研发，提高资源回收率，延长可开采年限按商品属性分类市场化能源价格发现机制进入商品流通领域，具有标准化特通过供需关系、期货市场、现货交征和市场定价机制的能源产品包易等形成合理的价格体系能源商括原油、天然气、煤炭、电力等，品价格波动直接影响全球经济，是可以在国际市场自由交易重要的宏观经济指标商品化趋势国际贸易更多能源形式正在商品化，如碳排能源商品是全球贸易的重要组成部放权、可再生能源证书等新型能源分，年贸易额超过3万亿美元能源商品不断涌现，推动能源市场多元贸易格局反映了全球经济分工和地化发展缘政治关系商品能源能源类型主要交易市场价格基准年交易量原油纽约商品交易WTI原油期货约40亿桶所NYMEX天然气洲际交易所亨利港天然气约

3.8万亿立方ICE米煤炭环球煤炭交易纽卡斯尔港动约15亿吨所力煤电力各国电力交易现货电价约28万亿千瓦所时商品能源市场具有高度的国际化特征，价格发现机制相对完善这些能源产品不仅满足实际消费需求，还成为重要的金融投资工具能源期货、期权等衍生品交易活跃，为市场参与者提供了风险管理工具非商品能源传统生物质薪柴、秸秆等农林废料农业废料人畜粪便、作物残余就地利用家庭直接使用，难以标准化非商品能源主要分布在农村地区，特别是发展中国家的偏远地区据统计，全球仍有约27亿人依赖传统生物质能源进行炊事和取暖这类能源具有分散性强、难以量化、质量不稳定等特点，但对保障农村地区基本能源需求具有重要作用随着农村现代化进程，非商品能源正逐步向清洁化、高效化方向发展按形态分类固态能源煤炭、生物质、固体核燃料等，储存稳定但运输成本较高液态能源石油及其制品、生物液体燃料，能量密度高，便于储运气态能源天然气、氢气、煤气等，清洁高效但需要特殊储运设施不同形态的能源具有各自的物理化学特性，决定了其储存、运输和使用方式固态能源储存相对简单但能量密度较低，液态能源能量密度高且便于运输，气态能源燃烧清洁但需要压缩或液化储存现代能源系统通常采用多种形态能源组合，以实现供应安全和经济效益的平衡固态能源煤炭能源生物质固体燃料包括无烟煤、烟煤、褐煤等不同品种，热值范围从20-包括木质颗粒、秸秆压块、生物质成型燃料等这类燃料35MJ/kg不等煤炭是目前全球消费量最大的固态能源，具有碳中性特征，是重要的可再生能源形式，热值通常为主要用于发电和钢铁冶炼15-20MJ/kg•储量丰富，分布广泛•原料来源广泛•开采技术成熟•碳排放相对较低•运输成本相对较高•燃烧特性良好•燃烧产生污染物较多•需要专门的加工设备液态能源石油制品汽油、柴油、航空煤油、重油等，热值约42-45MJ/kg液态石油制品是交通运输领域的主要能源，具有能量密度高、使用方便等特点全球年消费量约45亿吨生物液体燃料燃料乙醇、生物柴油等，热值约26-37MJ/kg可由玉米、甘蔗、油菜籽等农作物制取，是化石燃料的重要替代品全球年产量约

1.5亿吨储运特点液态能源具有流动性好、便于泵送、储罐利用率高等优势可通过管道、油轮、铁路等多种方式运输，建设了覆盖全球的供应网络气态能源其他形态能源电能核能最重要的二次能源形式，传输速通过核反应释放的巨大能量，1度接近光速，使用极为方便全克铀-235完全裂变可释放相当于球年发电量约28万亿千瓦时，其

2.7吨标准煤的能量全球核电中火电占比约63%，可再生能源装机容量约400GW，年发电量约发电占比约29%，核电占比约

2.8万亿千瓦时核能具有碳排10%电能质量要求严格，需要放极低、能量密度极高的特点维持频率和电压稳定辐射能与地热能太阳辐射是地球上几乎所有能源的最初来源，年辐射到地球的能量约为人类年消费量的1万倍地热能来自地球内部，全球地热发电装机约15GW，直接利用热功率约100GW，具有稳定可靠的特点能量的形态机械能动能和势能的总和，是最直观的能量形式水力发电利用水的势能和动能，风力发电利用空气的动能热能物质内部分子热运动的能量表现火力发电通过燃烧化石燃料产生热能，再转换为机械能和电能化学能储存在化学键中的能量，是化石燃料和生物质能的主要形式电池也是通过化学反应储存和释放能量电磁能包括电能和光能，电能是现代社会最重要的能量形式，光能是太阳能利用的基础能量转换及其效率能量守恒定律能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转换为另一种形式在封闭系统中，总能量保持恒定ΔU=Q+W，其中ΔU为内能变化，Q为热量，W为功转换效率分析不同能量转换过程的效率差异很大现代燃气轮机效率可达60%，太阳能电池效率约20-25%，内燃机效率约35-40%，燃料电池效率可达50-60%效率提升策略通过技术创新、系统优化、余热回收等手段可以显著提高能量转换效率联合循环发电、热电联产、能源梯级利用等技术已在实际中广泛应用化石能源详解开采利用现状全球分布特征全球化石能源年产量约140亿吨油当量，其中石形成过程化石能源分布极不均匀，主要集中在特定的地油约45亿吨，天然气约40亿吨油当量，煤炭约化石能源形成于数百万年前的地质历史时期质构造区域中东地区石油储量占全球的48%，55亿吨油当量随着技术进步，深海钻探、页古代植物和动物遗骸在特定的温度、压力和缺俄罗斯天然气储量占24%，中国煤炭储量占岩气开采等非常规资源开发快速发展，延长了氧环境下，经过漫长的物理化学变化过程，逐13%这种分布不均导致了复杂的国际能源贸可采年限渐转化为煤炭、石油和天然气这个过程需要易格局和地缘政治关系特殊的地质条件和足够的时间煤炭能源煤炭类型含碳量%热值MJ/kg主要用途无烟煤90-9530-35民用燃料、化工原料烟煤75-9025-35发电、炼钢、水泥褐煤60-7515-25发电、化工泥炭50-6010-20园艺、燃料中国是全球最大的煤炭生产和消费国，年产量约38亿吨，占全球产量的50%煤炭在中国能源结构中占比约57%，主要用于火力发电和钢铁冶炼虽然煤炭燃烧会产生二氧化碳和污染物，但通过清洁煤技术、碳捕获与封存等手段，可以显著降低环境影响石油能源开采工艺勘探技术石油开采分为一次采油、二次采油现代石油勘探采用地震勘探、重力和三次采油通过注水、注气、化勘探、磁法勘探等技术，成功率已学驱等技术，可以将采收率从30%提升到50%以上三维地震技术和提高到60%以上深海开采技术使水平钻井技术大幅提高了油田开发人类能够开发3000米深海的石油资效率源经济价值炼制加工石油被称为工业血液，是现代经济原油通过蒸馏、裂化、重整等工艺的重要基础全球石油贸易额约2万炼制成汽油、柴油、航空煤油等产亿美元，石油价格波动对全球经济品现代炼厂原油加工深度可达具有重大影响原油期货是重要的95%以上，副产品包括石化原料、金融工具沥青、润滑油等天然气能源资源特点利用技术天然气主要成分是甲烷80-95%，还含有乙烷、丙烷等轻天然气可通过管道运输或液化后用LNG船运输液化天然烃组分热值约38MJ/m³，燃烧产生的二氧化碳比煤炭少气技术使远距离运输成为可能，LNG贸易占全球天然气贸约50%，几乎不产生硫化物和颗粒物，是较为清洁的化石易的40%以上能源天然气发电效率高、启停灵活，是电力系统调峰的重要手全球天然气储量约200万亿立方米，主要分布在俄罗斯、段天然气化工可生产甲醇、氨气等重要化工产品燃料伊朗、卡塔尔等国非常规天然气如页岩气、致密气快速电池汽车使用的氢气也可由天然气制取发展，改变了全球天然气供应格局核能核裂变原理重核如铀-235吸收中子后分裂成两个较轻的核，同时释放2-3个中子和大量能量链式反应在反应堆中被精确控制，持续产生热能用于发电核聚变前景轻核如氘、氚聚合成较重的核并释放能量核聚变燃料储量几乎无限，反应产物无放射性，是理想的未来能源目前仍处于实验阶段安全保障现代核电站采用多重安全屏障，包括燃料包壳、反应堆压力容器、安全壳等第三代核电技术具有非能动安全特性，安全性大幅提升核能发展现状440运行反应堆全球在运核电机组数量400GW装机容量全球核电总装机规模10%发电占比核电在全球发电量中的比重55在建机组全球在建核电机组数量核电技术正朝着更安全、更经济的方向发展第四代核电技术具有固有安全性、经济竞争力强、废料产生少等特点小型模块化反应堆SMR适合分布式应用，有望降低核电建设成本和技术门槛核废料处理技术不断进步，地质处置方案逐步成熟，为核能可持续发展提供了技术保障可再生能源详解风能水能技术进步显著，规模化发展技术成熟，调节性能好•陆上风电已具备竞争力•大型水电基本开发完毕太阳能其他可再生能源•海上风电潜力巨大•小水电分布式应用资源丰富，技术成熟生物质能、地热能、海洋能•光伏发电成本快速下降•资源潜力大•光热发电储能能力强•技术有待突破太阳能光伏发电利用半导体材料的光伏效应直接将光能转换为电能硅太阳能电池效率已达26%，钙钛矿等新材料有望进一步提升效率全球光伏装机容量超过1000GW光热发电利用反射镜聚焦太阳光加热工质，驱动汽轮机发电具有储热能力，可在夜间或阴天发电熔盐储热技术使光热电站可连续运行15小时以上发展前景太阳能发电成本在过去十年下降85%，在许多地区已成为最便宜的电力来源预计到2050年太阳能将成为全球最大的电力来源，装机容量将达到8500GW风能陆上风电发展海上风电前景陆上风电技术已非常成熟，单机容量从早期的几百千瓦发海上风资源更加丰富稳定，风速一般比陆地高20-40%展到现在的5-8MW风轮直径增大到150-200米，轮毂高海上风电机组单机容量可达15-20MW，年利用小时数比陆度达到100-150米，显著提高了风能捕获能力和发电效率上高500-1000小时全球海上风电装机约70GW，主要集中在欧洲和中国漂全球陆上风电装机容量约800GW，中国、美国、德国位居浮式海上风电技术突破使深海风资源开发成为可能，极大前三在风资源优良地区，陆上风电成本已低于燃煤发电，拓展了可开发空间预计2030年全球海上风电装机将超过具备完全的市场竞争力250GW水电能大型水电装机容量100MW以上的水电站中小型水电装机容量1-100MW的水电开发抽水蓄能电网调峰调频的重要手段生态友好设计鱼道设计和环境保护措施全球水电装机容量约1350GW，年发电量

4.3万亿千瓦时，是最重要的可再生能源中国水电装机容量全球第一，约390GW现代水电站不仅发电，还具有防洪、供水、航运、生态调节等综合效益抽水蓄能作为大规模储能技术，对电网安全稳定运行发挥重要作用生物质能直接燃烧技术气化技术生物燃料最传统的生物质利用方式，通在高温缺氧条件下将生物质转燃料乙醇、生物柴油是重要的过高效燃烧设备可达85%以上化为可燃气体，气化效率可达交通燃料替代品第二代生物的能效现代生物质发电厂采80-85%产生的合成气可用燃料利用纤维素等非粮原料，用流化床燃烧技术，污染控制于发电、制氢或生产液体燃避免与粮食竞争第三代生物水平接近天然气发电全球生料，是生物质高效清洁利用的燃料使用藻类等微生物，产量物质发电装机约150GW重要途径潜力更大废物利用农林废弃物、城市有机垃圾、畜禽粪便等都可作为生物质能源原料这不仅解决了废物处理问题，还实现了资源循环利用，具有显著的环境和经济效益地热能地热资源类型按温度分为高温地热150°C、中温地热90-150°C和低温地热90°C高温地热适合发电，中低温地热主要用于供暖全球地热发电装机约15GW，直接利用装机约100GW开发利用技术干热岩发电技术通过人工破裂干热岩层，注入水形成人工地热系统增强地热系统EGS可大幅扩展地热资源可利用范围地源热泵技术利用浅层地热为建筑物供暖制冷发展潜力评估地球内部储存的地热能约为42×10²⁶焦耳，相当于全球年能源消费量的100万倍技术可开发的地热资源约200万MW，远超目前的开发规模随着技术进步，地热能有望成为重要的基础负荷电源海洋能海洋能类型资源量TW技术成熟度主要挑战潮汐能3商业化选址要求高，环境影响波浪能8-80示范阶段设备可靠性，维护困难海洋温差能10示范阶段转换效率低，成本高盐差能2研发阶段膜技术，能量密度低海洋能资源丰富但开发难度大潮汐能技术最为成熟，法国朗斯潮汐电站运行50多年，装机容量240MW波浪能发电设备需要承受恶劣海洋环境，技术挑战较大海洋温差能利用表层海水与深层海水的温差发电，适合热带地区这些技术有望为沿海地区提供清洁稳定的电力氢能氢能特性制氢技术氢气热值高达120MJ/kg，是汽油的电解水制氢是最清洁的方式，使用3倍燃烧只产生水，零碳排放可可再生能源电力可实现零碳制氢长期大规模储存，是理想的清洁能天然气重整制氢成本较低但有碳排源载体氢气可通过管道运输，也放新兴的光电催化、生物制氢等可液化或压缩储运技术有望降低制氢成本氢能经济燃料电池应用多国发布氢能战略，计划投资数千燃料电池将氢气化学能直接转化为亿美元发展氢能产业预计到2050电能，效率可达60%广泛应用于年氢能在全球能源结构中占比将达交通工具、分布式发电、便携式电到18%，氢能经济规模将达到

2.5万源等领域氢燃料电池汽车续航里亿美元程长，加氢时间短化学电源工作原理化学电源通过氧化还原反应将化学能直接转换为电能正极发生还原反应，负极发生氧化反应，电子通过外电路流动形成电流电解质提供离子传导通道分类体系按是否可充电分为原电池一次电池和蓄电池二次电池按电解质分为水溶液电池、熔盐电池、固体电解质电池等按用途分为动力电池、储能电池、便携电池等应用场景从手机、笔记本电脑等消费电子到电动汽车、储能系统，化学电源应用极其广泛全球电池市场规模超过1000亿美元，预计2030年将达到2500亿美元发展趋势电池技术朝着高能量密度、长循环寿命、快充、安全、低成本方向发展固态电池、锂金属电池等下一代技术有望实现重大突破常用原电池锌锰电池锂原电池最常见的原电池，负极为锌，正极为二氧化锰，电解质为以金属锂为负极的高性能原电池，电压

3.0-

3.7V，能量密氯化铵电压

1.5V，价格低廉，广泛用于遥控器、手电筒度高达500Wh/kg具有优异的高低温性能和长期储存性等低功耗设备放电曲线平稳，储存时间较长能主要用于军用设备、医疗器械、安防设备等高端应用•成本低，技术成熟•能量密度高•环保性好，易回收•工作温度范围宽•容量相对较小•自放电率极低•低温性能较差•成本相对较高。