本小节学习重点：

新能源的形式和种类；关于新能源的思考

当今世界，能源安全是各国国家安全的优先领域，抓住能源就抓住了国家发展和安全战略的“牛鼻子”。

习近平同志对能源发展改革高度重视，作出一系列重要论述和指示，特别是2014年6月在中央财经领导小组第六次会议上发表重要讲话，鲜明提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际合作等重大战略思想，为我国能源发展改革进一步指明了方向。

历史上几乎每次工业革命都伴随着新的能源的利用。

在未来，掌握了新能源，就占领了制高点。

能源的开发和利用是一个国家经济和科技发展的标志，新能源对国家的未来至关重要。

第一次能源革命大约发生在40万年前的远古时代，人类学会钻木取火，标志着人类进入以薪柴为主要能源的时代。

第二次能源革命始于18世纪的英国，人类利用煤炭等化石能源为原料。

第三次能源革命开始于19世纪下半期，水电的大规模开发利用，石油、天然气的发现与利用，开启了能源利用的网络化时代。

酝酿中的第四次能源革命，以新能源和信息技术融合为标志，开启了高效化、清洁化、低碳化为主要特征的能源时代。

《能源革命(改变21世纪)》指出，在当今全球化的时代，只有一场新的划时代的能源革命——以新能源替代化石能源的革命，才是当代社会发展面临一系列问题的根本解决之道。

在学习新能源之前，先了解两种新开发的两种能源：页岩油和页岩气。

虽然不算是新能源，但是它们的开采和利用将大大延长传统能源的可使用时间，为人类开发更好的新能源争取更多的时间。

页岩油

页岩油是指以页岩为主的页岩层系中所含的石油资源。其中包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油，也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的石油资源。

通常有效的开发方式为水平井和分段压裂技术。在固体矿产领域页岩油是一种人造石油，是由页岩干馏时有机质受热分解生成的一种褐色、有特殊刺激气味的粘稠状液体产物。

从页岩油制取轻质油品，是目前人造石油制取合格液体燃料的方法中成本最低的一种。

据美国《油气》公布的统计数字，全世界页岩油储量约11万亿~13万亿吨，远远超过石油储量。全球页岩油产于寒武系至第三系，主要分布于美国、刚果、巴西、意大利、摩洛哥、约旦、澳大利亚、中国和加拿大等9个国家。

关于页岩油的科普视频，形象易懂（视频来自网络，版权归原作者所有）

页岩气

页岩气是指附存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料。

世界页岩气资源量为457万亿立方米，同常规天然气资源量相当，其中页岩气技术可采资源量为187万亿立方米。全球页岩气技术可采资源量排名前5位国家依次为：中国（36万亿立方米，约占20%）、美国（24万亿立方米，约占13%）、阿根廷、墨西哥和南非。中国页岩气资源丰富，技术可采资源量为36万亿立方米，是常规天然气的1.6倍。在开采技术成熟、经济性适当时，将会产生巨大的商业价值。

关于页岩气的科普视频，形象易懂（视频来自网络，版权归原作者所有）

未来的能源可能是什么？我们课程中会讲到以下四种：可燃冰、生物质能、氢能、核能。

1、可燃冰

可燃冰是一种天然气水合物，是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生的无色透明的冰状晶体，点燃即可燃烧。

天然气水合物是一种笼型水合物，属于主客体化合物。水分子间以氢键相互吸引构成笼子作为主体，甲烷作为客体居于笼中，以范德华力与水分子相互作用而形成笼型水合物。

（1）可燃冰的特点

能量密度高。每1立方米的固体水合物可释放164立方米左右的甲烷气体。

杂质少，无污染。燃烧后几乎不产生有害气体和杂质，是一种清洁能源。

形成条件复杂。第一温度不能太高，第二压力要足够大，第三要有甲烷气源。

分布广，资源丰富。海底可燃冰分布范围约4000万km2，其储量够人类使用1000年

（2）可燃冰的开采

可燃冰其一是分布在各大陆向海延伸的大陆边缘水深超过300～500m的有利地带，且其大多数处于海底以下100～200m的深层沉积地层中。二是分布在高纬度永久冻土层带。

目前考虑的开采方案有几种：解热法和降压法；还有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解；另外还有一个新的设想，即“置换法”。

由于甲烷对环境破坏作用，所以可燃冰又是一种危险的燃料。除此之外，可燃冰开采还可能会造成大陆架边缘动荡，引发海底塌方并导致灾难性的海啸。。。

关于可燃冰的科普小视频，形象易懂（视频来自网络，版权归原作者所有）

我国蓝鲸一号钻井平台开采可燃冰的小视频（视频来自网络，版权归原作者所有）

CCTV-1《加油向未来》节目中关于可燃冰的视频1

可以真实地看到海底的生物和可燃冰（视频来自网络，版权归原作者所有）

CCTV-1《加油向未来》节目中关于可燃冰的视频2

可以看到可燃冰的采集过程（视频来自网络，版权归原作者所有）

关于可燃冰的扩展阅读资料

20世纪60年代，在进行深海钻探时，技术人员从海底钻取岩芯，第一次在岩芯中见到一些白色或浅灰色形似冰块的结晶物质。当时，他们完全不知道这些貌似冰块的物质是什么。结果发现，这些冰块在空气中很快就“化”了，还不断冒出气泡，最终在岩芯中成为一摊泥水。令人惊奇的是，这些气泡里的气体竟然能被点燃，于是，这种来自海底的冰状晶体就有了“可燃冰”这个很特殊的名字。可燃冰里也有水，但最主要的成分是甲烷。它的组成方式，就好像甲烷分子被多个水分子“囚禁”住，形成一种笼子形状的结构，其中甲烷的成分占到了80%～99.9%。由于甲烷是天然气的主要成分，所以可燃冰被看作是天然气的固体形式（就像冰是水的固体形式），并且有了一个专业名词——天然气水合物，又叫甲烷水合物。

根据后来的分析研究，可燃冰里产生的“气泡”就是甲烷。甲烷和水分子组成的水合物需要在0～10℃、至少30个标准大气压的环境中才能以“冰”的形式存在，这就是为什么可燃冰主要分布在深海底部，或者存在于冻土带的地下深层的原因。也正是这个原因，可燃冰一旦在空气中“露面”，顷刻间就会 “冰”雪消融，最终只剩下一摊水。

我们通常看不到可燃冰，它们一般躲在哪里呢？其实这种天然气水合物广泛分布在世界各地，而且资源量相当丰富。目前，已有100多个国家相继发现了可燃冰的实物样品，主要来自海洋。由于可燃冰中的主要成分就是甲烷，而且含量一点也不比普通天然气中的甲烷含量低，所以可以把可燃冰直接看作固体天然气。全世界可燃冰储量大约是煤、石油、天然气三大能源总量的2倍，可以说是一个巨大的、尚未开发的能源宝库。勘测表明，可燃冰是油气田的好邻居。无论是海底可燃冰的聚集区，还是陆地冻土带的可燃冰埋藏地，常常伴随着油气田的分布。有趣的是，天然气田一般分布在可燃冰的上层，一旦天然气被开采之后，随着压力变小，下层的可燃冰——甲烷水合物会开始分解，再次释放出甲烷。油气田因为可以从甲烷水合物持续得到气源补充，它们的开采时限也被大大延长。

天然气水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate），有机化合物，化学式CH₄·nH₂O，水和天然气在中高压和低温条件下混合而成的类冰的、笼形结晶化合物。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”（Combustible ice）或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。
主要成分：可燃冰的主要成分是甲烷与水分子，甲烷占80%~99.9%，可直接点燃。
分子结构：可燃冰分子结构像一个一个由若干水分子组成的笼子。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。
1立方米的可燃冰可分解产生164立方米甲烷和0.8立方米水，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小。


可燃冰的形成

可燃冰分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。
首先，低温。低温是指可燃冰在 0-10℃下生成，超过 20℃便会分解，而在 0℃时，只需30个大气压即可生成。海底温度一般保持在2—4℃左右；
其次，高压。可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。
最后，充足的气源。海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。

2、生物质能的开发利用

生物质从广义上说是指绿色植物通过光合作用产生的各种有机物。这些有机物为生物提供了食物，提供了各种各样的原料和能量。因此从某种意义上说，绿色植物是巨大的天然能源仓库。

生物质能源的特点

生物质能源产量巨大，生生不息。

生物质能源洁净，环保

生物质能源具有稳定的可获得性

生物质与化石燃料具有兼容性

生物质能源的开发

目前生物质能的利用大多是直接燃烧，能源利用率太低，仅10％

人们对生物质能源的利用模式进行了广泛的基础研究：

一是由含糖类较多的作物中提取酒精或甲醇

二是制造沼气

现代绿色能源的概念不只是指薪柴，它包括植物本身，以及从植物、动物衍生物经发酵工艺所提取的能源

3、氢能

燃烧热很大，每千克燃烧发热量是汽油的3倍。

燃烧产物是水，无污染，可循环使用。

资源丰富。

密度特别小，便于储存、运输。

适用性强

氢气的制备

（1）热化学制氢

         将碳水化合物输入高温化学反应器 ，生成由H2、CO 、CO2和 CH4等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到氢气。甲烷重整制氢是目前运用最为广泛的制氢技术。

（2）电解水制氢

        直接利用电能使水电解产生氢气和氧气。

氢气的储存

气态氢存储瓶

液氢存储装置

储氢合金粉

钛、镁等金属，能像海绵吸水一样将氢吸入储存起来，这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢，更安全，更方便。

氢能的利用

目前开发的氢能电池有两种：

一是贮氢电池：贮氢电池又称金属氢化物—镍电池（MH／Ni 电池），它是用贮氢合金作为阴极，金属镍作阳极，以碱性溶液作电解液组成的新型二次电池。贮氢电池具有高能量密度，无电解液浓缩，耐充放电能力强，无毒性。

二是氢燃料电池。它是指使用氢作为活性物质，与氧气发生电化学反应，在清洁的环境下获得直流电能的发电装置。其反应过程与水的电解过程正好相反。目前，氢燃料电池已成为继水力、火力、原子能发电之后的第四代发电技术装置。

4、核能