工程化学概论主题论文新能源

能源概论能源的意义能源［Source of energy］是人类藉以克服困难，维持生存的原动力，譬如太阳给我们光热，风吹动风车可以发电，燃烧汽油可用以推动汽车，使用瓦斯可以烹调、取暖，凡此种种如太阳、风、汽油、瓦斯等都是能源。至於能源存在於自然界中，不需经过转换处理，直接可用的称为「初级能源」［Primary Energy］，例如太阳能、水力等，但凡必须经过转换才可提供使用的能源，称之为「次级能源」［Secondary Energy］，例如：汽油、电能等。【各类能源转换系统图】能源的种类众多，近年来，无论核分裂(fission)、核融合(fusion)和太阳能的研究发展，均呈现出一片蓬勃景象，但目前依赖最重，使用最多的还是化石性燃料［Fossil fuel］，如煤、石油和天然气等，占有90％以上的今日能源供应市场由於这类燃料其蕴藏量有限且日益枯竭、分布不均，使用时又污染严重，鉴於目前已经投置的生产设备和应用技术，预计化石燃料尚可以维持在能源主流的地位直至本世纪之末，因此人类当务之急便是寻求更好用的燃料，并加紧改良现有能源的利用技术。由於人口增加，每人耗费的能源用量也不断升高，但自然界的能源蕴藏并非无穷，於传统能源逐渐枯竭之际，［目前的估计是煤大约可再维持100年左右，石油、天然气亦只有数十年的存量］，对各种形式再生能源的开发研究正被各国重视，现今社会人类终於体悟到能源不容我们的任意挥霍，因此除了积极开发新能源、改善能源利用的效率外，也应研究如何在不降低生活水准、不减缓工业发进步及经济成长的前题下，努力节约能源。--------------------------------------------------------------------------------地球的能源一、 地球上可取用的能源： 1. 人类在地球上可取用的能源，绝大部分来自太阳能，如化石燃料(包括石油、煤、天然气)、水 力、风力、生质能。 2. 小部分来自於核能，这是源自於宇宙的演化过程，在地球形成时就已存在的放射性元素，例如铀。 3. 余下的小量来自於地热(地球内部的热量)和月球运动引致的潮汐作用。 二、 能源分类： 地球能源若依起源来分类，可区分成自有能源和外来能源(来自外太空)两种。自有能源主要包括地热和核燃料；外来能源主要包括月球能(月球对地球之万有引力作用而产生潮汐能)和太阳能等。若依使用结果来分类，可分为： 1. 再生能源（非耗竭能源）：太阳能、水力、风力、生质能、潮汐、地热、海浪能、海洋热能转换、核融合能等能源，在短期内能自行补充，能反覆使用持续供应者 ，称之。 2. 非再生能源（耗竭能源）：煤、石油、天然气、废热、铀等能源，用过即无的，必须另外设法开发转换采取，无法自行补充者，称之。 --------------------------------------------------------------------------------能源的开发与应用：一、 太阳： 1. 每年照射到地球表面的太阳能，估计为1.78×1017瓦-年，约为目前全世界每年所需能量的一万多倍。 2. 其中有30%之太阳能被反射回太空。 3. 约有50%为地球表面吸收后，再重新辐射出去，因此得以维持地球表面的温度。 4. 约20%的太阳能将地表的水蒸发成水蒸气，形成云、雨及空气的流动(水力和风力的由来)，同时也造成海洋表面和底层的温差。 5. 只有很小的比例(约0.06%)用於进行植物生长所需的光合作用，太阳能被转化储存在植物体内碳氢化合物的化学能。 6. 太阳能可经由太阳电池直接转换为电能，或是利用反射镜，将太阳光焦聚直接转换为热能。直接取用的太阳能，没有造成任何污染，是非常乾净的能源。(但成本高，经济价值不高，仅适合在沙漠或偏远地带)。 【太阳能板】 二、 水力与风力发电： 本质上都是太阳能的间接利用，发电过程不会产生污染性废物，是相当理想的清洁能源。(在开发中国家，水力发电资源已趋饱和。且造成对生态环境的影响广受争议，风力发电之风车叶片会产生很大的噪音，使人不安，且对自然景观有负面的影响。) 【风力发电】 三、 潮汐与地热发电： 潮汐发电以及地热发电都是善於利用地区和地形的特性，以产生乾净能源。 【潮汐发电】 四、 生质能的应用： 植物本身、农作物的残渣、动物牲畜的排泄物等，可经化学处理合成为液体燃料，或经微生物的发酵作用产生沼气，可用於燃烧产生热能，这种能量称为生质能。 利用甘蔗或玉米可制成酒精，是当今最主要的生质能能源。而生质能的供应需要依赖大面积种植，因此制作成本甚高，不适合地狭人稠的国家。尽管如此，生质能仍是一个值得选择的替代化石燃料的能源。酒精燃烧固然会产生二氧化碳，但因大量植物的种植，经由光合作用，可回收大气中的二氧化碳而达到平衡。 五、 核能反应发电： 核能和一般火力发电一样，从特定的燃料中，发出大量的能，利用核反应产生巨大的核能，制造高温高压的蒸气或气体，导入输机，驱动发电组发电。 核能所用的燃料，乃是可分裂或融合的放射性物质，例如铀235、钸239、铀233等 核能在近年来由於日本和法国研究发展快滋生核反应炉，利用快速中子撞击铀-238，使转化成可分裂的钸-239，作为核反应的燃料。使先前含量高达99.3%的铀-238，可充分的利用。 核分裂：核能的产生首先是以中子撞击可分裂物［如铀235］使分裂，变成钡及氪等原子，并发出能量以及快速中子，这些中子又会去撞击旁的铀原子核使分裂进行下去，称为连锁反应［或链反应］，为了有效控制反应速率，因此需要「缓和剂」［例如水、石磨、重水等］来吸收中子的能量，使之减速，以及「控制棒」［例如锆金属管中贮存石墨等可以吸收中子的物质］以使参与反应的中子数降低，直到反应以等速进行，反应时发出的能量是靠「冷却剂」来移走，常用的冷却剂有二氧化碳、水、氦、液态钠等，冷却剂流经「热交换器」把热量送出制造高温蒸气，送往汽机，产生动力。 核融合：目前人类只会应用融合时的巨大核能，当作杀伤武器［如氢弹］，由於核子融合［聚变］往往需要摄氏1亿度的高温因此欲将核融合发电，投入的能量比发出的多，迄今能停於研究阶段，但是核融合的生成物很安全，燃料又便宜［例如1m3的水电解所得的天然重氢，采融合反应所发的核能，就超过200吨石油的能量］，所以核融合发电仍是很有发展潜力。 核分裂式的反应器种类很多，例如： 1. 沸水反应器［BWR，Boiling Water Reactor］，以水为冷却剂及缓和剂，让水在炉心沸腾，所生蒸气亦可直接通往汽涡轮发电机。 2. 压水反应器［PWR，Pressurized Water Reactor］，以水为冷却剂及缓和剂，并加压不使水沸腾，极高温的水经热交换器把热量送出，以供制造蒸气，发往汽涡轮发电机发电。 3. 气冷反应器［GCR，Gas-Cooled Reactor］，以气体为冷却剂，以石墨为缓和剂，产生能量亦经热交换器送出。 4. 重水反应器［HWR，Heavy-Water Reactor］，以重水为缓和剂，又分「重水气冷式［HWGCR］」即气体冷却，「沸腾轻水式［HWLWR］」即重水缓和，一般水冷却及「加压重水式［PHWR］」即以重水为缓和剂及冷却剂并加压。 5. 高温反应器［HTR HTGR，High Temperature Reactor］，采用稀有气体为冷却剂，核心采用陶瓷材料，通常采用石墨为缓和剂，其冷却剂出口温度甚高。 6. 钠冷却反应器［Sodium-Cooled Reactor］，以液态钠为冷却剂。 7. 轻水反应器［LWR，Light-Wter Reactor］以天然纯水为冷却剂，分沸水式［SWR］及压水式［PWR］。 8. 快孳生反应器［FBR，Fast Breeder Reactor］，能进行快速孳生［使铀包围钸经反应后，除发出能量，兼产生钸239，产生的可分裂放射性物多於所分裂的反应物］，以液态钠或钠钾为冷却剂，反应生成物仍可再利用。 国内核能发电厂有三，其中金山、国圣附近的核能一厂、二厂所采用的反应器是沸水式，垦丁附近的三厂采用的是压水式。这三个核能电厂发电机组之装机容量，分别为核一厂636MW，核二厂两部各985MW，核三厂两部各951MW。 核能发电成本较火力为低，以核一厂为例每度约4角，燃煤［以深澳、南部火力为例］约每度1元，燃油［以协和、大林火力为例］约每度1.5元。 六、 石油和天然气： 人类应用的最多，依赖得最重的能源，就是石油［又称原油］，由於石油和天然气往往相伴而生，又可互相转化或代用，是所有能源中最方便使用的燃料，它可视需要量的多寡而调节生产量，便於输送，也便於储藏，可直接燃烧用於发电或驱动引擎。因此通称之为「油气」，目前在估计石油之蕴藏及产量时，也往往将天然气，合并计算。(可惜地球的蕴藏量有限，人们开采使用石油的速率远远超过它形成的速率。) 石油和天然气不仅是优良的燃料，而且可供做化工生产之原料［如制造肥料等］。石油经沈淀、过滤、离心处理去除水份及固体，再送入蒸馏槽加温，可依次分馏出各种汽化气约200℃时，汽油已经完全分馏出，称为「分馏汽油」，然后再增高温度可分馏出灯油、轻油、机油、重油等，剩下沥青；轻油及重油在高温高压之下再予化学处理又可得汽油，称为「分解汽油」，总共自石油中可提炼日汽油量约30%。 汽油又是目前机械动力最主要的来源，交通工具［车、船、飞机等］大多以汽油为燃料，汽油含碳83~85%、氢14~15%，另含硫磺、抗燥剂等，在10℃遇火即燃，380℃时能自然，燃烧时空气与汽油之混合比为14.5：1，每燃烧1公斤汽油可发出热量约1万千卡。 天然气开发利用较晚，但蕴藏丰富，使用方便且污染较不严重，而且用途广泛，因此能源价值日益升高。天然气是自然界一切天然生成可燃性气体的统称，譬如火山、温泉、矿山、油田、煤田之气体以及地下腐败物质发酵生成之气体，主要成分可说是各类碳氢化合物［ 如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等］及硫化氢等。 天然气液化卸称为液化天然气［LNG］，液化是为了缩小体积以利运送及贮存，一般而言，液化天然气主要成分是甲烷。若将丙烷、丁烷液化则称为液化石油气［LPG］，俗称煤气，常用做城市住宅工商加热取暖之燃料。目前各国有大量采用天然气取代石油之趋势！ 七、 煤： 能源危机主要的是因为石油蕴藏日益短少之故，而煤和石油同样是开发使用历史悠久的燃料，更因为煤具有存量丰富、用途广泛之优点，因此在发电及工业加热应用上，也常用来取代石油，煤及古代植物，埋在地下经长时间作用碳化而成，煤可分无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤等，发热量每磅约可发6300~14000英热单位，比重在1.25~1.7之间，比热在351℉以下约1.32B.T.U./磅℉。 直接利用系采用各种燃烧器［煤炉］，转化利用是经液化或气化等手续，先把煤变成燃气或液化燃料［如乙炔、醇类、汽油等］再燃烧使用，加工处理是把煤研磨成煤粉，炼成焦煤，制成碳原料或制煤、油混合燃料，以供燃用。 煤燃烧所产生的污染比石油和天然气严重得多，不过近年来工业界已积极在研究如何将煤转化成便宜的、清洁的液体燃料，或转化为可燃气体，以提升煤的应用价值。 目前世界各留大多设法多用煤、天然气，核能及其他能源，以减轻对石油的依赖；我国在能源供应之长期规画中；亦预备将来提高煤、天然气、核能之供应，预定增加情形为煤11.6%，天然气5%，核能7.3%。 八、 化石燃料： 动植物死亡后，埋葬在地下，经过数百万年以上的地压、地热和细菌引致的化学变化后，累积形成煤、石油、天然气等化石燃料。目前全世界每年消耗的能量约有90%来自於化石能源，其余主要由核能和水力发电提供。 【化石能源形成过程】 参考.