《能源的可持续利用》课件

能源的可持续利用能源是推动人类文明发展的根本动力，也是当今世界面临的重大课题随着全球人口增长和经济发展，能源需求持续攀升，而传统化石能源的大量使用带来了严重的环境问题和资源枯竭风险本课程将深入探讨能源可持续利用的核心理念、技术路径和实践案例，帮助学生全面理解从传统能源向清洁能源转型的必要性和紧迫性我们将从能源的基本概念出发，分析全球能源结构的演变趋势，重点关注可再生能源技术的发展现状和未来前景课程目标及结构1理解能源可持续利用的核心概念掌握能源可持续发展的基本理论框架，了解其在全球环境治理中的重要地位2掌握当前主要能源类型及其特点系统学习化石能源、可再生能源、核能等各类能源的技术原理和应用现状3分析可持续路径与技术案例通过典型案例分析，深入理解能源转型的实践路径和成功经验4培养节能环保意识和行动能力结合个人生活实践，培养绿色低碳的生活方式和能源使用习惯能源的定义与分类能源定义提供热、光、机械、电能的物质二次能源由一次能源加工转换而来一次能源直接取自自然界的能源能源是自然界中能够向人类提供某种形式能量的物质资源根据能源的获取和利用方式，可以将其分为一次能源和二次能源两大类一次能源是指直接从自然界获取且未经加工转换的能源，如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能等二次能源则是由一次能源经过加工转换得到的能源形式，如电力、汽油、柴油等能源在社会中的作用工业生产交通运输民生服务公共服务为制造业、重工业等提支撑陆海空立体交通体满足居民照明、取暖、保障医疗、教育、通信供动力支撑，是现代工系，促进人员物资流动烹饪等基本生活需求等社会基础设施正常运业文明的基础和经济发展行能源是现代社会运行的血液，深度融入经济社会发展的各个领域从工业革命以来，人类文明的每一次重大飞跃都与能源技术的突破密切相关能源的历史演变简述柴薪时代人类最早利用的能源形式，通过燃烧木材获取热能和光能，支撑了农业文明的发展煤炭时代工业革命的重要标志，蒸汽机的发明使煤炭成为主导能源，推动了机械化生产石油时代20世纪以来石油和天然气的大规模开发利用，催生了现代化工业和交通体系能源利用的历史演变反映了人类文明进步的轨迹每一次能源革命都带来了生产力的巨大提升和社会结构的深刻变革，推动人类社会从农业文明走向工业文明，再迈向信息文明化石能源介绍石油古代海洋生物形成，用途广泛，是重要的化工原料煤炭古代植物经地质作用形成，储量丰富但污染较重天然气相对清洁的化石燃料，燃烧效率高，排放较少化石能源是数百万年前古代生物经过复杂地质作用形成的不可再生能源目前全球能源消费结构中，化石能源仍占主导地位，约占总消费量的80%以上然而，化石能源的大量使用带来了严重的环境问题，包括大气污染、温室气体排放和生态破坏同时，化石能源资源有限，面临枯竭风险，迫切需要向可持续能源转型一次能源与二次能源详解一次能源二次能源直接取自自然界，未经人工转换的天然能源资源包括煤炭、石由一次能源经过加工转换得到的能源产品，更便于运输、储存和使油、天然气等化石能源，以及太阳能、风能、水能、地热能、核能用电力是最重要的二次能源形式，现代社会高度依赖电力系统等清洁能源•电力火电、水电、核电等•化石能源煤、石油、天然气•成品油汽油、柴油、煤油•可再生能源太阳能、风能、水能•其他氢气、蒸汽等•核能铀等核燃料传统能源与现代社会亿吨170全球年消耗量2024年全球能源消费总量（标准煤当量）35%石油占比在全球一次能源消费结构中的比重27%煤炭占比仍是重要的基础能源，主要用于发电和钢铁生产24%天然气占比相对清洁的化石燃料，占比持续上升20世纪以来，全球能源消费量呈现爆发式增长趋势亚洲地区特别是中国和印度的能源需求快速增长，已成为推动全球能源消费增长的主要动力不同地区的能源结构存在明显差异，发达国家可再生能源占比相对较高，而发展中国家仍以化石能源为主可再生能源概述太阳能利用太阳辐射能发电或制热，技术成熟度高，成本快速下降，是最具发展潜力的可再生能源之一风能通过风力发电机将风的动能转化为电能，陆上和海上风电发展迅速，已成为重要的清洁电力来源水能利用水流落差发电，是最成熟的可再生能源技术，在全球可再生能源发电中占主导地位生物质能利用农林废弃物、能源作物等生物质资源，通过燃烧或发酵等方式获取能源，具有碳中性特点可再生能源是指在自然界中可以持续再生、永续利用的能源资源2023年全球可再生能源在一次能源消费中的占比已达到约30%，预计到2030年这一比例将超过40%太阳能发展现状装机规模快速增长全球太阳能累计装机容量超过1400GW中国领跑全球市场占全球太阳能装机容量的40%以上技术效率持续提升主流硅基电池效率已超过22%太阳能产业经历了爆发式增长，成为全球增长最快的可再生能源技术中国、德国、美国、日本等国在太阳能利用方面走在世界前列随着制造成本的大幅下降和转换效率的不断提升，太阳能发电已在许多地区实现平价上网，具备了与传统能源竞争的经济优势未来随着储能技术的发展和智能电网的建设，太阳能将在全球能源转型中发挥更加重要的作用风能利用现状陆上风电海上风电技术成熟，成本较低，是目前风能利用的风资源丰富稳定，发展潜力巨大，是未来主要形式重点发展方向全球布局技术创新中国、美国、德国等国家装机容量位居前大型化、智能化趋势明显，单机容量不断列提升全球风能装机容量已超过900GW，其中中国占比约40%丹麦是风能利用的典型代表，风电在其电力结构中占比超过50%，在风力充足时甚至能够满足全国用电需求海上风电发展迅速，欧洲北海、中国东海等海域建设了大量海上风电场风能具有清洁、可再生的优势，但也面临间歇性和不稳定性挑战，需要与储能技术和智能电网相结合水能与水电水能资源评估全球技术可开发水能资源约16TWh/年，目前开发利用率约30%大型水电站建设三峡水电站年发电量超过1000亿千瓦时，是世界最大水电工程生态环境保护小型水电站注重生态友好，采用鱼道设计保护水生生物多样性电网调节作用水电具有启停快、调节灵活的特点，在电力系统中发挥重要作用水电是目前全球最大的可再生能源发电来源，约占可再生能源发电量的80%中国、巴西、加拿大等国水电装机容量居世界前列水电技术成熟、成本较低，且具有防洪、灌溉、航运等综合效益生物质能与地热能生物质能利用地热能开发生物质能来源广泛，包括农作物秸秆、林业废料、畜禽粪便、城市地热能是来自地球内部的热能，具有储量大、分布广、清洁环保等有机垃圾等通过直接燃烧、气化、液化、发酵等技术路径，可生优势全球地热发电装机容量约15GW，主要分布在环太平洋火山产电力、热能、生物燃料等能源产品带•农林废弃物发电项目遍布全国•冰岛地热发电占比超过25%•沼气工程解决农村能源需求•中国地热直接利用居世界首位•生物燃料替代传统汽柴油•浅层地热在建筑供暖中应用广泛新能源技术氢能及燃料电池氢气制备通过电解水、天然气制氢、煤制氢等多种技术路径生产氢气，绿氢是未来发展方向氢气储运采用高压储氢、液氢储存、固体储氢等技术解决氢气储存和运输难题燃料电池应用在交通运输、分布式发电、备用电源等领域实现产业化应用氢能被誉为21世纪最具发展潜力的清洁能源，具有来源广泛、燃烧清洁、储能密度高等优势燃料电池技术将氢气与氧气反应直接转化为电能，效率高且零排放日本、韩国、德国等国在氢能技术方面起步较早，中国也将氢能列为国家战略性新兴产业目前氢能在交通领域应用较为成熟，氢燃料电池汽车已实现商业化运营，未来在工业、建筑、电力等领域将有更广阔的应用前景核能利用与挑战技术突破20世纪40年代核反应堆技术问世，开启了和平利用核能的新时代发电应用核能发电占全球电力供应约10%，法国核电比例高达70%以上安全挑战切尔诺贝利、福岛等核事故引发安全担忧，推动安全技术升级废料处理核废料长期储存和处理仍是世界性难题，需要技术和制度创新核能具有能量密度高、碳排放少、供应稳定等优势，是重要的清洁能源选择第三代核电技术在安全性方面有显著提升，第四代核电技术正在研发中全球能源消费现状分析化石能源带来的环境挑战全球气候变暖大气污染平均气温上升

1.1°C PM

2.

5、SO

2、NOx等污染•极地冰川加速融化•酸雨影响生态系统温室气体排放•海平面持续上升•雾霾威胁人类健康生态环境破坏CO2排放占75%以上开采活动影响生态•全球年排放量超过360亿吨•森林砍伐加剧•大气CO2浓度已超过420ppm•水土流失严重化石能源的大量使用是导致全球环境问题的主要原因之一燃煤发电和工业用煤是大气污染的重要来源，交通运输的石油消费是城市空气质量恶化的主因能源消耗与气候变化

1.5°C温控目标《巴黎协定》提出将全球平均气温上升控制在

1.5°C以内的目标，需要大幅削减化石能源使用IPCC减排路径联合国气候变化专门委员会建议到2030年全球温室气体排放量需比2010年减少45%极端天气频发能源消耗导致的气候变化加剧了干旱、洪涝、台风等极端天气事件的发生频率和强度全球影响扩散气候变化对农业生产、水资源、海洋生态等产生深远影响，威胁人类可持续发展能源活动产生的温室气体排放是气候变化的主要驱动因素实现气候目标需要能源系统的根本性转型，大幅提高可再生能源比重，同时提升能源利用效率能源危机与安全1973年石油危机中东战争引发石油禁运，油价暴涨4倍，重创世界经济供应链脆弱性地缘政治冲突、自然灾害等因素威胁能源供应稳定价格波动风险国际能源价格剧烈波动影响经济稳定和社会发展能源安全战略各国加强能源多元化布局，提升自主保障能力能源安全是国家安全的重要组成部分历史上多次能源危机表明，过度依赖单一能源来源或供应渠道存在巨大风险发展本土可再生能源不仅有助于环境保护，也是提升能源安全水平的重要途径俄乌冲突进一步暴露了欧洲对俄罗斯天然气的过度依赖问题，推动各国加快能源转型步伐能源可持续利用的核心原则循环再生构建循环经济模式绿色低碳优先发展清洁能源技术节能优先提高能源利用效率是首要任务能源可持续利用遵循节能优先、绿色低碳、循环再生的基本原则这不仅要求在技术层面实现突破，更需要在制度设计、政策引导、社会参与等方面形成合力公平获取原则强调要让全人类都能享受到清洁、可负担的现代能源服务代际公正原则要求我们在满足当代人能源需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力技术创新是推动能源可持续发展的根本动力，需要持续加大研发投入节能减排政策演变欧盟碳交易体系2005年启动，覆盖45%的温室气体排放，是全球最大的碳市场中国碳达峰碳中和十四五期间单位GDP能耗下降

13.5%，碳排放强度下降18%全球碳中和承诺已有130多个国家提出碳中和目标，覆盖全球90%以上GDP绿色金融发展绿色债券、碳基金等金融工具支持清洁能源项目发展各国政府通过法律法规、经济激励、技术标准等政策工具推动节能减排碳定价机制逐步完善，为清洁能源发展创造了有利的市场环境能源转型与中国路径能源结构优化案例德国Energiewende核电退出计划2023年关闭最后3座核电站，完成核电全面退出，优先发展可再生能源替代煤电逐步淘汰计划2038年前关闭所有燃煤电厂，大力推进天然气和可再生能源发电可再生能源主导风电、太阳能发电占比超过45%，目标2030年达到80%以上德国能源转型（Energiewende）是全球能源转型的重要实践案例通过《可再生能源法》等政策支持，德国可再生能源发电比重快速提升虽然面临电价上涨、电网稳定性等挑战，但为其他国家能源转型提供了宝贵经验德国的经验表明，政府政策支持、技术创新和公众参与是能源转型成功的关键因素同时也说明能源转型需要统筹考虑经济性、安全性和环境效益城市与能源可持续发展智能电网电动公交绿色建筑通过数字化技术实现电力供全球已有超过70万辆电动推广绿色建筑标准，建筑能需精准匹配，提高电网运行公交车投入运营，中国占比耗占城市总能耗的30-40%效率和可靠性超过99%循环经济城市废弃物资源化利用，垃圾发电、沼气利用等技术广泛应用城市是全球能源消费的主要载体，消耗了全球约2/3的能源智慧城市建设为能源可持续利用提供了新的解决方案，通过大数据、物联网等技术优化能源配置公共交通电动化是城市交通领域节能减排的重要途径，新能源汽车推广应用成效显著农村能源利用变革分布式太阳能清洁取暖改造农村地区具有丰富的太阳能资源和充足的安装空间，分布式光伏发北方农村地区大力推进清洁取暖改造，减少散煤燃烧造成的空气污电发展迅速户用光伏系统不仅满足农户用电需求，还能通过余电染通过煤改气、煤改电、生物质取暖等多种方式实现清洁供上网获得收益暖•全国累计安装户用光伏超过300万套•累计完成清洁取暖改造超过3000万户•农村地区光伏扶贫项目惠及数百万贫困人口•推广高效节能炉具和清洁燃料•农光互补模式实现土地综合利用•建设区域性清洁供热中心全球能源创新趋势储能技术突破分布式能源成本快速下降就近开发利用•锂电池成本10年下降90%•微电网技术日趋成熟•新型储能技术不断涌现•用户侧储能快速发展数字化转型氢能产业化智能化管理绿氢制备技术•AI优化能源调度•电解水制氢效率提升•区块链能源交易•氢燃料电池商业化全球能源技术创新呈现加速发展态势储能技术的突破解决了可再生能源间歇性问题，分布式能源系统提高了能源利用效率，数字化技术为能源管理带来革命性变化碳捕集与封存技术CCS碳捕集从工业排放源或大气中分离并捕获二氧化碳，捕集效率可达90%以上碳运输通过管道、船舶、车辆等方式将液化CO2运输至封存地点碳封存将CO2注入深层地质构造中长期储存，确保不泄漏到大气中碳利用将捕获的CO2转化为化工原料、燃料等有价值产品，实现循环利用CCS技术是实现大规模减排的重要技术选择，特别适用于钢铁、水泥、化工等难以深度脱碳的行业全球已有30多个大型CCS项目投入运营，年封存能力约4000万吨CO2挪威、美国、加拿大等国在CCS技术方面较为领先中国正在加快CCS技术研发和示范应用，计划在十四五期间建设多个CCUS示范项目智能电网与能源互联网智能计量系统智能电表实现用电数据实时采集和双向通信，为精准的电力供需管理提供数据支撑负载智能调控通过需求响应技术引导用户调整用电行为，削峰填谷优化电力负荷曲线能源互联网架构构建多能互补、信息融合的综合能源系统，实现电力、热力、燃气等多种能源协调优化云端能源管理基于大数据和人工智能技术，实现能源生产、传输、消费全链条智能化管理智能电网是传统电网的智能化升级，能够更好地接纳和消纳可再生能源能源互联网将互联网技术与能源系统深度融合，打造开放共享的能源生态系统中国智能电网投资规模位居全球首位，国家电网公司建成了世界上规模最大的智能电网电动车与绿色交通万辆400060%全球保有量中国市场份额2025年全球新能源汽车保有量预计突破4000万辆中国新能源汽车产销量连续9年位居全球第一—30%充电基础设施电池成本下降全球公共充电桩超过300万个，中国占比约60%动力电池成本较2010年下降约90%，推动电动车普及电动汽车是交通领域实现碳中和的关键技术路径随着电池技术进步和充电基础设施完善，电动汽车的市场接受度快速提升中国在电动汽车产业链方面具有明显优势，比亚迪、宁德时代等企业在全球市场占有重要地位氢燃料电池汽车在长途运输、重型卡车等领域也展现出良好的应用前景未来智能网联汽车将进一步提升交通系统的整体效率太阳能光伏产业链创新硅材料电池片上游多晶硅生产，中国企业占全球产能中游电池片制造，PERC、HJT、80%以上，技术水平不断提升TOPCon等新技术推动效率突破系统应用组件封装终端应用系统，分布式、集中式、水面漂下游组件集成，双玻、半片、叠瓦等技术浮等多种应用模式提升组件性能和可靠性中国已建成全球最完整的光伏产业链，从硅料到组件各环节都具有技术和成本优势隆基绿能、晶科能源、天合光能等企业位列全球光伏组件出货量前十技术创新持续推动光伏发电成本下降，目前光伏发电已成为成本最低的电力来源之一钙钛矿、有机光伏等新一代技术有望进一步提升光伏发电效率风能装备国产化突破陆上风电装备海上风电技术中国风电装备制造技术日趋成熟，单机容量不断提升金风科技、中国海上风电装备技术快速发展，已具备深远海风电开发能力漂远景能源、明阳智能等企业在技术创新方面取得重要突破，产品性浮式风电技术取得重要进展，为开发远海风能资源奠定了基础能达到国际先进水平•海上风电机组单机容量达到10MW以上•主流机型单机容量达到3-4MW•深远海风电项目开发经验日趋丰富•叶轮直径超过150米的大型机组投入使用•海上风电安装船等配套装备技术成熟•智能控制技术提升发电效率全球典型绿色城市案例瑞典斯德哥尔摩美国旧金山丹麦哥本哈根哈默比生态城实现了能源循环利用的典型模旧金山提出到2030年实现碳中和的目标，哥本哈根是全球自行车之都和风能利用的典式通过先进的垃圾分类和生物质能利用技大力推进建筑节能改造和可再生能源利用型代表该市制定了到2025年实现碳中和术，该区域的能源自给率达到50%以上区该市强制要求新建建筑安装太阳能设施，并的雄心目标，通过发展风电、推广绿色交域供热系统利用生活垃圾焚烧和生物质燃实施严格的能效标准公共交通系统全面电通、提高建筑能效等措施，已将碳排放量减料，为居民提供清洁供暖服务动化，减少了交通领域的碳排放少了50%以上工业节能与绿色制造钢铁行业节能水泥行业改造化工行业升级推广先进的炼钢技术，如电弧炉短流程采用新型干法水泥生产工艺，推广低温发展绿色化工技术，推广生物基化学品工艺、氢气直接还原等技术通过工艺余热发电技术协同处置城市垃圾和工生产采用膜分离、分子蒸馏等先进分优化和设备升级，钢铁行业单位产品能业废物，实现废物资源化利用单位产离技术，降低能耗建设化工园区能源耗下降20%以上余热回收利用技术广品综合能耗比传统工艺降低30%以上一体化供应系统，提高能源利用效率泛应用，提高了能源综合利用效率建筑能效提升路径被动房技术通过超级保温、气密性设计等技术，建筑能耗比普通建筑降低90%零能耗建筑结合高效节能和可再生能源利用，实现建筑能耗自给自足建筑光伏一体化BIPV技术将光伏组件集成到建筑立面和屋顶，美观实用建筑领域是能源消费的重要部门，建筑能耗占社会总能耗的30%以上绿色建筑技术快速发展，从节能建筑向近零能耗建筑、零碳建筑演进中国已制定绿色建筑评价标准，推动建筑产业转型升级装配式建筑、智能建筑等新技术为建筑节能提供了新的解决方案未来建筑将成为能源生产者而不仅仅是消费者。