《新能源與船舶節(jié)能技術(shù)》內(nèi)容豐富、覆蓋全面,既有傳統(tǒng)的船舶節(jié)能方法,又有**的研究成果,可以作為理工科院校的本科生、研究生教材,也可供廣大從事節(jié)能減排研究的科研人員和應(yīng)用開發(fā)的工程技術(shù)人員參考,特別是為船舶高校和航海院校的廣大師生提供幫助。
第1章概述
1.1我國的能源現(xiàn)狀
我國地大物博、資源豐富,自然資源總量排世界第七位,能源資源總量約4萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,居世界第三位。煤炭保有儲(chǔ)量為10024.9億噸,可采儲(chǔ)量893億噸;石油的資源量為930億噸,天然氣的資源量為38萬億m3;水力的可開發(fā)裝機(jī)容量為3.78億kW,居世界首位[1]。另外,新能源和可再生能源資源豐富,風(fēng)能資源量約為16億kW,可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約2.53億kW;地?zé)豳Y源的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量為1353.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,探明儲(chǔ)量為31.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤;太陽能、生物質(zhì)能、海洋能等儲(chǔ)量更是居于領(lǐng)先地位。但我國人口眾多,能源資源仍相對(duì)匱乏。我國人口占世界總?cè)丝诘?1%,但已探明的煤炭儲(chǔ)量占世界的11%、原油占2.4%、天然氣僅占1.2%,人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半,石油僅為1/10。我國1997年一次能源生產(chǎn)量為13.34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,人均能源消費(fèi)量僅為1.165噸標(biāo)準(zhǔn)煤,人均電量為893kW?h,不足世界人均能源消費(fèi)水平(2.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤)的一半,居世界第89位。北美人均能源消費(fèi)量超過10噸標(biāo)準(zhǔn)煤,歐洲及蘇聯(lián)人均能源消費(fèi)量為5噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國是世界上能源消耗增長*快的國家,20世紀(jì)90年代我國GDP平均年增長率為8%~9%,經(jīng)濟(jì)的快速增長導(dǎo)致我國能源消耗急劇增長。但我國人均能源可采儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于世界平均水平,2000年人均石油可采儲(chǔ)量只有2.6噸,人均天然氣可采儲(chǔ)量為1074m3,人均煤炭可采儲(chǔ)量為90噸,分別為世界平均值的11.1%、4.3%和55.4%[2]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,我國年人均能源消費(fèi)將逐年增加,2050年將達(dá)到2.38噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右,相當(dāng)于目前世界平均值,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家目前的水平。人均能源資源相對(duì)不足,是我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)限制因素,這也是發(fā)展新能源和可再生能源、開辟新的能源供應(yīng)渠道的一個(gè)重要原因。
我國目前能源形勢非常嚴(yán)峻,我國自1993年成為石油凈進(jìn)口國以來,進(jìn)口石油不斷增加。2004年達(dá)到1.2億噸,到2010年我國石油消費(fèi)超過3億噸。短短幾年時(shí)間,我國已躍升為世界第二大能源消費(fèi)國和世界第二原油、電力消耗大國。2003年我國能源消費(fèi)總量已達(dá)16.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,其中石油達(dá)到2.52億噸,成為僅次于美國的世界第二大石油凈進(jìn)口國。能源短缺不但阻礙整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且拉閘限電、油價(jià)暴漲,老百姓的生活也受到了嚴(yán)重影響。
目前我國的重化工比例持續(xù)居高不下,產(chǎn)業(yè)增長表現(xiàn)出對(duì)投資和資源高度依賴的特征,固定資產(chǎn)投資迅速增加。按照與國際可比的支出法計(jì)算,我國資本形成占GDP的比例,2000~2002年分別為36.4%、38%、39.4%,2006年已高達(dá)53.9%,呈不斷攀升的趨勢,說明產(chǎn)業(yè)增長越來越依賴資本投入的拉動(dòng)[3]。重工業(yè)比例出現(xiàn)了增大趨勢,鋼鐵、建材、電解鋁等高能耗產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張,由此導(dǎo)致了能源消費(fèi)量的急劇增加,甚至超過了經(jīng)濟(jì)增長速度。2002~2005年能源消耗量的增長速度分別為9.9%、15.3%、15.2%和12.7%,同期經(jīng)濟(jì)增長速度則分別為7.5%、8.3%、9.5%和9.5%。2006年我國GDP總量占世界總量的比例約為5.5%,但為此消耗的重要能源資源占世界的比例卻高得多。消耗標(biāo)準(zhǔn)煤24.6億噸,占世界的15%左右;消耗鋼材3.88億噸,占30%;消耗水泥12億噸,占54%。
我國是世界能源生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國,2004年我國能源消費(fèi)量超過19.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,全球能源消費(fèi)總量是102億噸標(biāo)準(zhǔn)油,我國占世界能源消費(fèi)量的13.5%左右。但GDP按美元計(jì)算,2004年全球?yàn)?萬億,我國只有0.164萬億,僅占世界GDP的4.1%[4]。
2004年以來世界原油價(jià)格進(jìn)入瘋狂狀態(tài),國際原油市場的價(jià)格一年之內(nèi)就從28美元漲到了50多美元。截至10月中旬,紐約、倫敦原油期貨價(jià)格已達(dá)到55美元,分別是其近21年、23年的**點(diǎn)。油價(jià)上漲會(huì)促使企業(yè)的生產(chǎn)與銷售增加成本,緊縮開支、減少員工、增加失業(yè),從而嚴(yán)重影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展。有人擔(dān)心,油價(jià)飆升會(huì)使20世紀(jì)70年代初世界石油危機(jī)和西方經(jīng)濟(jì)衰退的情況卷土重來。據(jù)專家分析,國際原油價(jià)格瘋漲對(duì)我國的貿(mào)易平衡、工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸成本和國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都將帶來負(fù)面影響。美國花旗銀行環(huán)球金融集團(tuán)亞洲首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家黃益平估計(jì),原油價(jià)格每上漲10美元,我國GDP將回落0.3個(gè)百分點(diǎn)。
在我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中,降低對(duì)國際石油的依賴是出于對(duì)石油安全的考慮。據(jù)統(tǒng)計(jì),2007年我國生產(chǎn)原油18665.7萬噸,同比增長1.6%;2007年我國進(jìn)口原油15928萬噸,同比增長14.7%。2007年我國原油表觀消費(fèi)量約為3.46億噸,同比增長7.3%,達(dá)歷史高位,原油對(duì)外依存度達(dá)到46.05%。我國原油需求對(duì)外依存度的提高,無疑會(huì)給我國石油安全帶來很大壓力。
我國計(jì)劃到2020年GDP達(dá)到4萬億美元。按照我國現(xiàn)在的需求增長速度,已探明的世界儲(chǔ)油量全部供我國消費(fèi)也只有50年。所以,國際石油大鱷拼命炒作“中國餓虎論”,認(rèn)為“全世界的資源將喂不飽一條中國餓龍”,保證石油的供應(yīng)已成為國家經(jīng)濟(jì)安全的重大問題。我國現(xiàn)在還只是一個(gè)發(fā)展中國家,經(jīng)濟(jì)實(shí)力、軍事實(shí)力、政治實(shí)力都沒有強(qiáng)大到可以左右世界的程度。把國家經(jīng)濟(jì)安全系在需要有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、軍事實(shí)力、政治實(shí)力來保證的原油、礦產(chǎn)進(jìn)口上,不是很懸嗎?因此,減少對(duì)石油、煤炭等不可再生資源的依賴,同時(shí)采取措施為其他替代能源的公平競爭創(chuàng)造條件,將是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的**選擇。
另外,我國工業(yè)原料進(jìn)口也呈大幅增長,僅2003年就進(jìn)口鋼材3717萬噸、氧化鋁561萬噸、鐵礦砂及精礦14813萬噸、錳礦石286萬噸、鉻鐵礦178萬噸、銅礦石267萬噸、鉀肥657萬噸。今后20年我國還將缺鐵30億噸、銅5~6億噸、鉛1億噸,都需大量進(jìn)口。我國45種主要礦產(chǎn)的現(xiàn)有儲(chǔ)量,能保證2010年需求的只有24種,能保證2020年需求的只有6種,礦產(chǎn)資源緊缺矛盾日益突出。據(jù)說,我國有經(jīng)濟(jì)效益的礦只夠繼續(xù)開采50年;水利資源的潛能只剩下2億kW。到2020年,不但石油的對(duì)外依存度將超過60%,鐵礦石也將達(dá)到57%,銅將達(dá)到70%,鋁將達(dá)到80%。這就再一次向我們敲響了警鐘,要高度重視礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用。
一方面,當(dāng)今世界日趨緊張的供需形勢、不斷攀升的國際油價(jià)、對(duì)能源地產(chǎn)和運(yùn)輸通道的戰(zhàn)略競爭,以及與能源相關(guān)的污染和排放等問題使得能源安全問題成為全球**政治會(huì)晤的首要議題,能源安全是影響全球推引低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)訴求。石油、天然氣價(jià)格不斷上漲,中東地區(qū)、俄羅斯等能源生產(chǎn)地區(qū)的能源供應(yīng)安全得不到保障。受一些政治和經(jīng)濟(jì)原因的影響,世界能源生產(chǎn)及供應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)了一些問題,表現(xiàn)出油氣行業(yè)勘探和開采不足、海運(yùn)及管道運(yùn)輸能力遭遇瓶頸、煉油能力遲滯不前等。國際能源機(jī)構(gòu)指出,當(dāng)前世界能源體系正面臨實(shí)現(xiàn)向低碳、高效、環(huán)保的能源供應(yīng)體系的轉(zhuǎn)變,能否解決這個(gè)問題,將決定未來人類社會(huì)的繁榮與否,可以說現(xiàn)在繼續(xù)的是一場能源革命[5]。
而另一方面,一批新興國家的經(jīng)濟(jì)高速增長,導(dǎo)致全球能源需求量和消耗量急劇增加。根據(jù)英國石油公司的研究報(bào)告,2001~2006年,全球的能源價(jià)格經(jīng)歷了急劇上升,世界一次能源消費(fèi)量逐年增加。平均年增長率達(dá)到3%,而且增長主要來自非經(jīng)合組織國家。根據(jù)美國能源部能源信息署(EIA)發(fā)表的《2007年國際能源展望》報(bào)告預(yù)測,到2030年,世界能源的總消耗量將會(huì)比2004年的水平增長57%。其中,經(jīng)合組織國家能源消耗量將增長24%,而非經(jīng)合組織國家的總能源需求增長更為迅猛,幾乎比2004年翻一番(增長95%)。因此,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、轉(zhuǎn)變能源利用模式、節(jié)能降耗、開發(fā)替代能源和可再生能源是保障未來能源安全的必由之路[5]。
美國能源專家保羅?羅伯茨2004年發(fā)表了一篇文章“全球能源爭奪不宣而戰(zhàn)”,他說:“我們正處于一種新戰(zhàn)爭的前沿!爆F(xiàn)在看來,爭奪*后的豐富油氣資源的斗爭很可能成為21世紀(jì)地緣政治的主題。現(xiàn)在全世界的石油儲(chǔ)藏量2003年已探明的大概為11500億桶(1734億噸,其中中東995.88億噸)。以目前的開采速度計(jì)算,全世界現(xiàn)在每天消耗石油8000萬桶,地球上的石油儲(chǔ)量大約只夠滿足全世界石油消費(fèi)需要41年。世界將在2040年后進(jìn)入“石油枯竭時(shí)代”,我們已看到了競爭的輪廓。美國正在不遺余力地全面遏制中國獲得資源的能力。日本則表示,隨著中國的迅速工業(yè)化,需要大量能源,一場與中國爭奪海上自然資源和世界能源資源的斗爭變得日趨激烈和殘酷。目前世界上凡是有石油的地方,日本人與中國人幾乎是如影隨形。在中日兩國就東海大陸架石油開發(fā)出現(xiàn)爭議的情況下,韓國也悄悄加入黃海大陸架石油資源競爭者的行列,欲“渾水摸魚”,因此中國平等利用世界資源的努力將會(huì)遇到越來越大的阻力[6]。亞洲未經(jīng)宣戰(zhàn)的石油戰(zhàn)爭再次提醒我們:在全球經(jīng)濟(jì)基本只依賴石油一種燃料的情況下,能源安全得不到保障則意味著工業(yè)化和現(xiàn)代化失去動(dòng)力而被迫屈服。石油安全面臨的真正困境是,以石油為主的能源經(jīng)濟(jì)內(nèi)部的不穩(wěn)定因素越明顯,世界就越難擺脫石油的束縛,因此人類必須開發(fā)石油以外的可持續(xù)發(fā)展的新能源,以擺脫石油的束縛。
同時(shí),全球變暖給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也帶來了嚴(yán)重?fù)p害,深度觸及能源安全、生態(tài)安全、水資源安全和糧食安全,甚至威脅到人類的生存。由此引發(fā)了國際社會(huì)對(duì)環(huán)境問題的極度關(guān)注和對(duì)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的深刻反思,人類社會(huì)迫切需要探索出一條新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式[7]。
我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主,煤炭消耗占能源總消耗的60%以上。隨著煤炭消耗量的增加,二氧化硫排放量以每年3%~4%的速度不斷增長,使我國酸雨發(fā)展迅速,重酸雨區(qū)從“**”期間的西南、華南局部地區(qū)已擴(kuò)大到華中、華南、長江以南大部分地區(qū),年平均降水pH已低于4.5,并向長江以北發(fā)展。雖然我國單位GDP的二氧化碳排放量從1990年到2001年下降了52%,但二氧化碳排放總量卻從1980年的3.94億噸碳增加到2001年的8.32億噸碳。另外,隨著我國城市化進(jìn)程的加快,我國汽車總數(shù)以13%的年增長率增加,城市中汽車和摩托車數(shù)量劇增,導(dǎo)致城市空氣污染加劇,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。
從能源利用效率來看,我國單位產(chǎn)品的能耗水平較高。2001年,我國終端能源用戶能源消費(fèi)的支出為1.25萬億元,占GDP總量的比例為13%,而美國僅為7%。我國單位產(chǎn)品的能耗水平較高,目前8個(gè)高耗能行業(yè)的單位產(chǎn)品能耗平均比世界先進(jìn)水平高47%,而這8個(gè)行業(yè)的能源消費(fèi)占工業(yè)部門能源消費(fèi)總量的73%。
根據(jù)“十六大”提出的到2020年我國GDP翻兩番達(dá)到4萬億美元的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)估計(jì),屆時(shí)全國需發(fā)電裝機(jī)容量為8億~9億kW。目前國內(nèi)已有裝機(jī)容量為3.5億kW,需要新增量為4.5億~5.5億kW。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),如果全部用煤就必須新增12億噸以上電力用煤,由此將對(duì)資源、采掘、運(yùn)輸及環(huán)境帶來難以承受的負(fù)擔(dān)。
當(dāng)前我國在能源安全方面*突出的是石油問題。我國自1993年從石油凈出口國變?yōu)閮暨M(jìn)口國以來,石油進(jìn)口依存度(凈進(jìn)口量占消費(fèi)量的比例)大幅上升,2000年石油進(jìn)口已超過30%,2010年達(dá)45%以上,2020年將超過60%。當(dāng)今世界風(fēng)云變幻,保障石油的可靠供應(yīng)對(duì)國家安全至關(guān)重要,這是我國能源領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
我國是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一,是煤炭消費(fèi)大國,燃煤造成的環(huán)境問題日益明顯。據(jù)我國新能源和可再生能源1999年白皮書估計(jì),目前我國已探明的煤炭可開采蘊(yùn)藏量為1145億噸,按目前的開采速度可供開采不足百年;已探明的石油剩余可開采儲(chǔ)量為32.735億噸,可供開采不足20年;天然氣可開采儲(chǔ)量為11704億m3,可供開采不足60年。到時(shí),我國面臨嚴(yán)峻的能源短缺問題,同時(shí)化石燃料的燃燒所造成的污染使我國每年損失約1000多億元,這就是我國的能源現(xiàn)狀。
1.2常規(guī)能源的特點(diǎn)
1.常規(guī)能源的有限性柴薪是人類**代主體能源。人類發(fā)現(xiàn)用火之后首先用樹枝、雜草等作為燃料,用于燃燒煮食和取暖,用草飼
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