化学是什么？-第5章 化学是能源的开拓者（1）

发布时间：2022-01-21　　　来源:北达燕园微构分析测试中心

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化学是能源的开拓者


上一篇文章回顾：化学是什么？-第4章 什么的化学和化学的什么（2）


5.1　能源和化学

能源是指一切可以提供人类能量的资源。能源的种类繁多，那些本来就存在于自然界中，可直接利用其能量的能源，称为一次性能源，如煤、石油、天然气、太阳能、生物质能等；那些人类利用一次性能源经过加工转化而得的能源，称为二次性能源，如电能、氢能、石油制品（包括汽油、煤油、柴油）等。煤、石油、天然气和油页岩等能源是古代生物遗体在地层中沉积变化而得，称为化石能源，随着不断开采利用，它们剩余的蕴藏量越来越少，迟早会枯竭，是不可再生能源。太阳辐射到地球的能量称为太阳能，它一方面直接提供人类利用的热能和光能，另一方面它通过光合作用产生柴草等生物质能、大气流动出现的风能、水能和海浪潮汐能等可利用的能量，在人类未来生存的漫长年代，它们都不会枯竭，是可再生能源。化石能源实际上是远古年代的太阳能在地壳中转化而得。地球地热以及可用作能源的矿产资源也是重要的能源。现在核电站所用的铀和钍等核裂变产生的能源属不可再生能源；未来核聚变所用的氘和氚等，储量丰富，用之不尽。能源是发展工农业生产和提高人民生活水平的重要物质基础。
人类能源的需要量或消费量根据不同的能源有不同的计算方法。对于气态的天然气，通常用立方米表达。液态的油可用它的体积或质量表达：


固体煤通常用其质量吨（t）表示，1 t＝1000kg。能量的单位为焦［耳］（J），标准油的燃烧热值定为41.82 MJ/kg。标准煤的燃烧热值定为29.2MJ/kg。这里的“标准”仅是一种参考标准，便于了解油和煤的品质。电能的单位用千瓦·小时：


一个电厂或电站的发电能力用功率，即瓦（W）表示，因瓦很小，常用千瓦（kW）、兆瓦（MW）或更大的单位表示：


2010年全世界能源消耗的峰值估计达12.5太瓦，这里的能耗包括提供汽车、火车、轮船和飞机等交通工具以及照明、各种电器设备、各种机器等所需的能源。三峡电站的装机容量为1800万千瓦（1.8×1010瓦），即大约需要相当于700个三峡电站的发电量才能满足世界能源的需要。


太阳能是太阳高温条件下，由和进行核聚变反应产生的能量，以摩尔为单位，反应式为：


即反应放热：

ΔH＝-1698 MJ/mol


太阳在上述核聚变反应中发热发光，每秒约消耗6亿吨H，转化为5.95亿吨He，亏损400万吨质量。按照爱因斯坦的质能联系方程：

质量转变成辐射能，其中辐射到地球的光能每秒相当于太阳亏损的1.59 kg。由此可计算地球每秒得到的太阳能为：


上述能量按功率瓦（W）计，为1.43×1017 W。由于地球对太阳光的反射，海洋、大山和大气对阳光的吸收，剩余可用来发电的太阳能约为6500太瓦。


我国对核聚变反应的研究已有一定的进展，预计到本世纪中期，随着化学、物理学、材料科学等的发展，能源供应将会有新的面貌。


在可再生能源中，太阳能和风能分别为最多和发展最快的能源。太阳能资源达6500太瓦，风能资源达1700太瓦。有人预计到2030年全球所需能源峰值达16.9太瓦，届时风能可达5.8太瓦，太阳能可达4.6太瓦。


人类社会进入21世纪时，世界上生产和生活所需的能量有3/4来自化石能源燃烧放出的化学能。化石能源的开采、炼制、加工、利用以及燃烧放出的废气废渣的应用和处理，每个环节都和化学密切相关。能源的可持续发展供应和新能源的开拓也需要化学进行研究。利用太阳能、风能及氢能等能源时，表5.1.1所列的金属元素锂、铂、钕、银、铟及非金属元素硅、碲是必需的。例如太阳能光伏电池需要的单晶硅、多晶硅、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CuInSe）、电池中的银电极，电动汽车的锂电池所需的锂，铝电池所需的铝，燃料电池所需的铂等。这些材料或其替换材料所需的物资，更多地要依靠化学家来解决。表中未列出硅和铝元素，是因为它们在地表含量极为丰富，没有资源问题，仅存在由化学家将它提纯的问题。


表5.1.1　新能源开发中必需的一些元素


能源化学是指从化学的基本原理出发，研究有关的理论和技术，解决能源开采、炼制、加工、利用、废气和废渣的利用与处理、能源的可持续供应、新能源的开拓中所涉及的化学问题。能源化学的任务是和其他科学技术一起，为人类社会的可持续发展提供稳定的能源，为人民的安康、和谐、舒适和富裕的生活提供保证。

化学是什么？从能源领域看，化学是一门可提高开采能源的采收率，延长它枯竭到来的时间的基础科学；化学是一门可提高能源加工、炼制的水平，获得高质量的产品和利用效率的基础科学；化学是一门可开发经济实用、不会枯竭的新能源，满足社会的可持续发展物质基础的基础科学；化学是一门可减少废气、废渣的排放，减轻对环境污染的基础科学。


5.2　石油

5.2.1  石油工业发展概况
世界石油大规模开采和应用是20世纪发生的大事。1900年，世界石油的开采量为2000万吨，1950年达5亿吨。1966年石油首次超过煤炭成为世界第一大能源，占能源总消费量的54％。2000年石油开采量达35.5亿吨，2009年达38.8亿吨。由于水电、核电和煤炭等的发展，石油占能源总消费的40％，仍居第一。在20世纪，石油产业衍生了几乎所有的现代工业，改变了世界上人类衣、食、住、行的各个方面。20世纪被称为“石油世纪”，石油被称为“黑色金子”。

从20世纪40年代起，石油的重要性还在于除用作各个部门的动力燃料外，对化学工业的发展起了更重要的作用。以石油为基础原料，通过化学工业制造出了3000多种产品，占据国民经济的各个领域，例如合成塑料、合成橡胶、合成纤维、化肥和医药等，为现代工农业的发展提供物质基础。

石油在世界上的分布很不均匀。据2000年统计，在已探明的石油总储量约3750亿吨中，中东地区占65％，拉丁美洲占9％，欧洲占8％，非洲占7％，北美洲占6％，亚太地区占4％。

按2009年统计，石油的可采储量为1838亿吨，以每年采油40亿吨计，可采45年，即到本世纪中期，石油就将枯竭。

我国在1948年生产石油不足10万吨。20世纪60年代初发现了大庆油田，1963年发现山东胜利油田，1964年发现天津大港油田，……1978年石油产量突破1亿吨，1995年达1.5亿吨。2009年达1.9亿吨，占世界石油产量近39亿吨的5％。随着我国经济发展，而国内石油储量不丰，产量增加不多，2009年我国消耗石油4亿吨，半数以上靠进口，今后进口数量还将增加。

5.2.2  石油100年都用不完

《环球科学》杂志2009年11月载文《石油100年都用不完》。这和上小节所列情况有很大差异，哪一个可信？应怎样看待？


由于新的采油技术将大幅度提高油田采收率，新的勘探技术将发现更多的石油储量，新的估计应当可信。采油技术主要决定于化学科学的发展。借助先进的化学科学，按现在的采油量，21世纪石油不会短缺。


埋藏在地下的石油，不是以油的湖泊或充满洞穴的油体存在，而是油、水及天然气组成类似糖浆的黏稠液体，储存于沙石的缝隙和毛细孔中，和水渗入到浮石中相似。当钻井到油层，石油摆脱了岩石的长期囚禁，油层内部的压力将油液（包括泥沙和岩石碎片）驱向油井，自喷到地面。这个过程通常会持续几年，直到压力消耗殆尽。这阶段得到的油称一次采油，采收率通常达10％～15％。经过自喷阶段后，为了帮助部分剩余石油透过岩石孔隙渗出到油井中，就需要将水或天然气注入地下，将油挤出油井，称为二次采油，依靠这种方式能使采出率达到20％～40％。近十年来，由于从一开始就逐步采用先进技术，一次采油和二次采油界限已变得模糊。要想采得更多石油，就需要加热油层或用化学试剂降低石油的黏度和阻力。常用的化学试剂为表面活性剂，它可以包住油形成小油滴，这种化学方法的总采出率可达60％，称为三次采油。


早在三四十年前，许多人就预计石油只能开采四五十年。但今天一种新的观点出现，认为石油一百年都用不完，他们依据的理由有下面三点：
（1）石油的储量按现在的估计，常规的可达1万亿吨（7万亿～8万亿桶），非常规石油储量（包括超重油、沥青沙和页岩油）与常规石油储量大致相当。
（2）新技术使采收率提高，20世纪80年代约为20％，现已达35％。
（3）地球上只有大约1/3的面积经过充分勘探（主要在北美洲），新的勘探技术，包括深井和海床钻探可使石油储量大幅度增加。

由于石油资源在世界各地的分布差异很大，上述估计对中东和美国等地区是比较接近的，但对我国就不适用了。现在我国就已经有半数石油依靠进口，石油储量可用100年的估计并不适用于我国。而且特别要以此估计来作警钟，要自力更生，比富藏石油的国家早几十年解决严重石油短缺所带来的困扰。化学应为解决这个困扰发挥重大作用。


5.2.3　留着石油作化工原料

石油资源虽然可用100年，但是要看到下面三个问题：

（1）石油是不可再生能源，若现在不努力开辟新能源，100年后怎么办？

（2）现在石油大半是炼制成汽油、煤油和柴油等燃料油，主要用来开飞机、汽车、轮船、火车等交通工具，也用来发电成为二次能源。这些燃料油只用它和氧气燃烧放出的化学能，将燃烧产物CO2和H2O排放到大气之中，增加了大气中CO2的浓度，和低碳生产背道而驰。

（3）从原子经济观点看，在一切化学工业中要充分利用原子组成的物质，使上一家生产排放的废料，成为下一家的原料，整体生产中没有物质浪费掉。


石油的主要成分是碳和氢，它们的含量分别在84％～87％和11％～14％，两者合计占96％～99％。由于含氢量高，石油的发热量比煤高很多，硫、氧、氮及其他元素的总含量只占1％～4％。含硫的多少是评价石油质量的一项主要指标，通常含硫量高于2％的原油称高硫油，低于0.5％的为低硫油，炼制石油时，要严格采取脱硫措施。由于石油的成分主要是碳氢化合物，已有的化学方法能比较容易地转化为其他国民经济所需的产品，这种化学工业通称为石油化工。

石油化工是以石油为原料，在催化剂作用下，通过催化反应，获得化工产品，其品种有3000多种，涉及国民经济的各个部门，例如轻工、纺织、农药、医药、电子、文化用品、通信、机械等各个领域。世界化工总产值在20世纪末达10000亿美元，其中80％以上的产品均和石油化工有关。单以乙烯为例，20世纪末，乙烯的年产量达5000万吨，以乙烯为原料用不同的催化剂和反应条件可得许多中间产品和不同性质的各种中下游产品。

上述石油能源的情况给化学家提出明确的任务：①提高开采石油的采收率；② 配合其他科技加快可再生能源的利用，代替燃油；③ 发展石油化工，廉价、高效地生产高质量的合成高分子材料及润滑油等特种油品。总之，要合理地使用剩余的石油，减少对地球环境的污染，使子孙后代可持续地发展。

未完待续......


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