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第1部分 引言1

第1章 大气中二氧化碳与气候的变化1

1.1为什么考虑未来的能源方案十分重要1

1.2对可持续、安全且无污染的能源的需求2

1.3气候变化3

1.4大气污染与气候变化4

1.5哪些能源方案可用于发电6

1.6哪些能源方案可用于运输燃料7

1.7当今世界的状况8

1.8怎样能减少化石燃料的束缚9

参考文献10

第2部分 化石燃料（能源）12

第2章 常规石油和天然气12

2.1介绍12

2.2油气储层14

2.2.1油气定位和地层评价14

2.2.2碳氢化合物的类型15

2.3碳氢化合物的开采、储备、生产和消耗17

2.3.1能量供应与需求19

2.3.2常规石油和天然气20

2.4全球变暖和碳氢化合物经济26

2.4.1能源和经济27

2.4.2控制碳氢化合物燃烧，减少CO2的排放27

2.5结论29

参考文献29

第3章 煤炭加工与发电35

3.1引言35

3.2煤炭储量、生产和使用36

3.2.1煤炭储量和生产36

3.2.2煤炭的使用37

3.3煤炭的特征38

3.3.1煤炭的成分38

3.3.2电煤的特性38

3.4燃烧前的煤处理39

3.4.1选煤39

3.4.2洗选高硫煤39

3.4.3其他污染物的去除40

3.4.4超洁净煤的制备41

3.4.5煤炭脱水和干燥42

3.5洁净煤技术43

3.5.1燃烧前技术44

3.5.2燃烧技术44

3.5.3燃烧后技术45

3.5.4 C02的捕获和存储45

3.6煤炭在未来能源结构中的作用45

3.7结论46

参考文献47

第4章 油气新领域：深水区和北极50

4.1引言50

4.2深水区51

4.2.1浮式液化天然气设施51

4.3北极54

4.4笼形水合物54

4.4.1流动保障下的水合物54

4.4.2水合物能源57

4.5.地压地热天然气58

参考文献60

第5章 非常规油气：油砂64

5.1引言64

5.2油砂中沥青的开采65

5.2.1矿采技术65

5.2.2就地开采66

5.3从沥青提取运输用燃料68

5.4沥青的特性69

5.4.1沥青的性质69

5.4.2沥青质70

5.5沥青改质过程71

5.5.1减黏裂化72

5.5.2焦化73

5.5.3渣油加氢转化74

5.6油砂的未来75

5.6.1油砂生产和沥青改质中的能源使用75

5.6.2油砂生产的用水管理76

5.6.3提高沥青改质技术76

参考文献77

第6章 岩系碳氢化合物和水力压裂法79

6.1引言79

6.2页岩碳氢化合物80

6.2.1油页岩81

6.2.2含油页岩81

6.2.3气页岩82

6.2.4潜在资源82

6.3提取方法84

6.3.1油页岩干馏84

6.3.2从页岩中生产油气87

6.4页岩碳氢化合物的未来：生产预测91

6.4.1页岩油91

6.4.2岩系油91

6.4.3页岩气92

6.5总结92

参考文献93

第7章 煤层气：储量、生产及未来展望98

7.1引言98

7.2煤层气的性质及其成因98

7.3可用煤层气及其生产100

7.4钻探和开采技术103

7.5煤层气开采的环境问题104

7.6未来展望104

参考文献106

第8章 甲烷水合物108

8.1背景108

8.2甲烷水合物资源预测111

8.2.1海洋甲烷水合物资源111

8.2.2永冻层下的甲烷水合物112

8.3甲烷水合物的勘探112

8.4甲烷水合物生产技术114

8.4.1降压114

8.4.2 CO2—CH4转化115

8.4.3甲烷水合物生产面临的挑战117

8.5总结119

参考文献120

第3部分 核电（能源）124

第9章 核裂变124

9.1引言124

9.1.1核燃料124

9.1.2核裂变124

9.1.3可控裂变反应125

9.2核反应堆技术127

9.2.1核反应堆的发展127

9.2.2过去127

9.2.3现在128

9.2.4尖端反应堆技术129

9.3辐照燃料管理130

9.3.1开放式和封闭式燃料循环130

9.3.2开放式和封闭式燃料循环的优缺点131

9.3.3燃料循环的现状132

9.4用作替代燃料的钍133

9.4.1 钍的特性133

9.4.2 钍燃料的潜力133

9.5核能的实用性134

9.5.1实用性134

9.5.2安全性134

9.5.3废弃物管理134

9.5.4选址和公众接受度135

9.5.5燃料供应135

9.5.6增殖135

9.6总结135

参考文献136

第10章 核聚变137

10.1什么是核聚变137

10.2核聚变发电的理想特性138

10.3聚变发电面临的挑战140

10.4聚变反应方法141

10.4.1惯性约束聚变141

10.4.2磁约束聚变142

10.5聚变反应的经济效益144

10.6聚变能的前景144

参考文献145

第4部分 运输能源（能源）146

第11章 运输用生物燃料146

11.1简介146

11.2运输生物质燃料147

11.3当今世界生物燃料150

11.3.1来自蔗糖的甘蔗乙醇150

11.3.2来自玉米淀粉的生物乙醇151

11.3.3纤维素乙醇151

11.3.4化学催化式乙醇153

11.3.5生物柴油153

11.3.6航空生物燃料153

11.4生物燃料的政策和观点153

11.4.1美国乙醇154

11.4.2欧洲的乙醇和生物柴油155

11.4.3巴西乙醇155

11.5可持续性挑战159

11.5.1土地利用和生物燃料160

11.5.2生物燃料的道德问题162

11.6科学的挑战与机遇163

11.7观点与结论165

参考文献166

第12章 运输用燃料：生物质、煤、天然气和废弃液的前景169

12.1简介169

12.2替代碳液体燃料的过程概述169

12.2.1直接液化法采油概况169

12.2.2间接液化法采油概况170

12.2.3合成法炼油的运输用燃料生产概况171

12.3直接液化171

12.3.1转化原则172

12.3.2油质量173

12.3.3运输用燃料的精炼174

12.4间接液化175

12.4.1天然气重整形成合成气175

12.4.2来自生物质、煤和垃圾汽化的合成气176

12.4.3费托合成178

12.4.4利用费托合成油提炼运输用燃料180

12.4.5甲醇的合成181

12.4.6利用甲醇精炼运输用燃料182

12.5液化的环境足迹183

12.5.1上游对环境的影响183

12.5.2下游对环境的影响184

12.5.3产品使用对环境的影响184

12.6未来能源185

参考文献186

第13章 运输燃料-液化天然气和甲烷188

13.1简介188

13.2天然气的来源188

13.3天然气的开采189

13.4天然气的储量190

13.4.1热成因天然气190

13.4.2生物成因天然气192

13.4.3合成天然气193

13.5天然气在运输燃料方面的利用193

13.5.1直接利用193

13.5.2间接利用194

13.6天然气汽车的区域发展趋势195

13.7天然气作为未来运输燃料的使用前景197

13.8总结199

参考文献199

第5部分 交通能源（储能）202

第14章 运输能源——锂离子电池202

14.1背景202

14.2锂离子电池的类型和材料203

14.3电池的性能和期望概述207

14.3.1性能和操作诊断208

14.4未来技术212

14.4.1锂空气212

14.4.2锌空气212

14.4.3硫化锂212

14.4.4锡化锂213

14.4.5硅化锂213

14.5总结213

参考文献214

第6部分 可再生能源（能源）218

第15章 风能218

15.1全球资源218

15.2资源评估220

15.2.1行星边界层与记录法220

15.2.2长期风力资源估计222

15.3风力发电技术223

15.3.1海上开发225

15.3.2操作与维护225

15.4电力系统集成226

15.4.1高压直流输电网络227

15.4.2风力发电厂常规发电仿真228

15.4.3能源存储229

15.4.4响应载荷和需求侧管理229

15.4.5利用IT改善电力系统运行229

15.5环境影响230

15.6未来需求的发展和研究230

参考文献231

第16章 潮汐能源的起源和挑战233

16.1前言233

16.2潮汐的驱动234

16.2.1天文驱动234

16.2.2潮汐流的产生235

16.2.3科里奥利力236

16.2.4无潮点236

16.2.5海洋潮汐236

16.2.6气象力237

16.2.7测深和地形237

16.2.8潮汐流速237

16.2.9波浪作用239

16.2.10湍流与风暴潮239

16.2.11系泊载荷和结构完整性240

16.3设备240

16.3.1 MCT（西门子）241

16.3.2哈默菲斯特公司241

16.3.3开放的水电241

16.3.4亚特兰蒂斯公司技术241

16.3.5苏格兰可再生能源242

16.3.6国际项目242

16.3.7设备总结242

16.4固定和修理242

16.4.1地基和固定243

16.4.2吸/钻/打入桩固定244

16.4.3海螺号245

16.4.4锚固总结245

16.5生物污损245

16.6结论246

参考文献246

第17章 波浪能248

17.1波浪能的背景及环境和发展动力248

17.2什么是海洋波浪能249

17.3能源及其测量251

17.4预测与预报254

17.4.1预报254

17.4.2预测254

17.5挑战和收益254

17.5.1挑战254

17.5.2收益255

17.6转换器的类型256

17.6.1设备类型分类256

17.6.2装置位置分类258

17.6.3装置运动分类258

17.6.4捕获宽度259

17.7装置等级259

17.8现代设备260

17.9波浪能的经济效益261

17.9.1商业模式的成本261

17.9.2详细资本和运营管理成本263

17.9.3成本对设计产生的影响264

17.10可替代输出265

17.11未来265

参考文献266

第18章 太阳能：光伏267

18.1引言267

18.1.1太阳能资源267

18.1.2光伏技术268

18.2电气运行特性270

18.2.1等效电路270

18.2.2电流和电压特性271

18.3光伏物理272

18.3.1材料带隙能量272

18.3.2掺杂和Pn结273

18.3.3光伏电池的响应273

18.4光伏电池的设计274

18.4.1硅电池制造274

18.4.2纹理和光学反射275

18.4.3电触头275

18.5现场工作性能275

18.5.1电力生产曲线275

18.5.2性能参数277

18.5.3现场性能估计277

18.5.4退化和失效模式279

18.6增长的瓶颈279

18.6.1并网280

18.6.2费用280

参考文献281

第19章 太阳能-聚光太阳能发电282

19.1引言：概念和基本特性282

19.2当前技术发展状况285

19.2.1槽式发电厂285

19.2.2线性菲涅耳系统289

19.2.3中央接收器系统290

19.2.4蝶式发电系统292

19.3成本与市场293

19.3.1成本结构与实际成本图293

19.3.2到2050年CSP的潜在影响296

19.3.3更多选择299

参考文献299

第20章 太阳能热水器303

20.1太阳能热水器的基本原理303

20.1.1平板集热器303

20.1.2真空管集热器304

20.1.3整体式系统305

20.1.4聚光集热器305

20.1.5主动和被动太阳能热水系统305

20.1.6太阳能资源和集热器倾角306

20.1.7性能指标307

20.1.8性能等级评定和认证309

20.2市场评估309

20.2.1全球市场发展趋势309

20.2.2全球市场集热器的类型310

20.2.3全球市场对比310

20.2.4市场壁垒与经济分析311

20.3太阳能热水器的未来312

20.3.1低成本太阳能热水器系统312

20.3.2商业系统314

20.3.3光伏发电/集热器组合系统314

20.3.4太阳能辅助热泵314

20.3.5热水供应和空间采暖组合系统315

20.3.6太阳能热水系统的社区模块化应用/区域供暖315

20.4结论315

参考文献315

第21章 水力发电317

21.1引言317

21.2水力资源319

21.2.1潜能评估319

21.2.2全球和区域概况320

21.3技术322

21.3.1河床式水电站322

21.3.2堤坝式水电站322

21.3.3抽水储能式水电站322

21.3.4引水式水电站323

21.3.5地下水电站323

21.3.6大型和小型水电站323

21.4可持续发展问题324

21.4.1生命周期评估324

21.4.2温室气体排放325

21.4.3能源回报率325

21.4.4气候变化的影响326

21.5成本问题327

21.6并网运行329

21.7未来部署329

参考文献330

第22章 地热能332

22.1热流和地下温度332

22.2地质构造控制因素333

22.3地热系统的类型335

22.4世界各地的地热潜能336

22.5全球各地地热能的发展336

22.6地热发电方法338

22.7地热能的直接应用341

22.8环境挑战344

22.9地热能利用的最新进展345

22.10地热能的前景347

22.11其他信息的来源348

参考文献348

第7部分 新的可能的能源方案350

第23章 氢：一种能源载体350

23.1引言350

23.2氢350

23.2.1特点350

23.2.2用途351

23.2.3问题351

23.2.4潜在的回报351

23.3使用氢所需的基本要素352

23.3.1生产352

23.3.2配送353

23.3.3存储354

23.3.4应用356

23.3.5安全：法规、规范和标准357

23.3.6教育358

23.4现状358

23.4.1市场地位358

23.5世界各国氢能研究的现状和未来发展态势358

23.5.1澳大利亚358

23.5.2巴西359

23.5.3加拿大359

23.5.4中国359

23.5.5法国359

23.5.6德国359

23.5.7冰岛359

23.5.8印度359

23.5.9日本359

23.5.10韩国360

23.5.11新西兰360

23.5.12挪威360

23.5.13俄罗斯360

23.5.14南非360

23.5.15阿联酋360

23.5.16英国360

23.5.17美国360

参考文献361

第24章 燃料电池：能量转换技术362

24.1引言362

24.2固体氧化物燃料电池发电系统365

24.2.1燃料处理器365

24.2.2燃料电池电源模块366

24.2.3功率调节器367

24.2.4换热器368

24.3电损失368

24.4固体氧化物燃料电池材料369

24.4.1阳极369

24.4.2阴极372

24.4.3电解质375

24.4.4互连377

24.4.5密封件378

24.4.6接触层379

24.5研究趋势380

24.6挑战381

24.7结语382

参考文献382

第8部分 环境和相关问题391

第25章 能量生产、分布和运输的环境影响391

25.1能源介绍391

25.2能源生命周期392

25.3上游环节393

25.3.1上游影响394

25.3.2矿山应激源394

25.3.3原油和天然气钻井的应激源402

25.3.4环境公正404

25.4燃料循环406

25.4.1燃料循环的压力源407

25.4.2原油运输的压力源407

25.4.3炼油的压力源409

25.5运作阶段411

25.5.1燃烧411

25.5.2运作411

25.6下游环节411

参考文献412

第26章 CO2的捕获和存储415

26.1 CO2捕获和存储的背景415

26.2 CO2特性416

26.3电力行业的CO2排放417

26.4发电中的CO2捕获417

26.5工业生产过程中的CO2捕获419

26.5.1钢铁行业的CO2捕获419

26.5.2水泥行业的CO2捕获419

26.5.3燃料生产和化工/石化行业的CO2捕获419

26.6 CO2运输420

26.7 CO2存储421

26.7.1地下存储421

26.7.2加强油气中CO2的回收423

26.7.3 CO2地质存储的考虑425

26.7.4其他存储方式427

26.8 CO2捕获和存储成本428

26.8.1捕获成本428

26.8.2运输成本428

26.8.3存储成本428

26.8.4 CCS成本429

26.9 CCS现状429

26.9.1现有大型项目429

26.9.2大型综合项目计划430

26.10 CCS潜能431

26.11 CCS的挑战和动力433

26.11.1政策和金融机制433

26.11.2标准和法规434

26.11.3公众意识434

26.12未来434

参考文献435

第27章 能量存储技术概述437

27.1概述437

27.2能量生产和传输438

27.3能源消费439

27.4能量存储技术概要440

27.4.1电化学储能442

27.4.2静电能量存储443

27.4.3电磁储能444

27.4.4化学能444

27.4.5动能445

27.4.6潜在储能技术445

27.4.7热能存储446

27.5研究和进展447

27.5.1智能电网和网络化储能447

27.5.2车辆到电网447

27.6结论449

参考文献450

第28章 智能电网：优化型电力系统452

28.1概述452

28.2传统电力系统452

28.2.1传统电力系统设计452

28.3新型智能电网中的电力系统模型453

28.3.1配电系统广泛的测量性和通信能力453

28.3.2用户与电力部门的双向通信454

28.3.3电力部门与电力用户的互动性454

28.3.4增强控制454

28.3.5协调与整合454

28.4智能电网的构建模型454

28.4.1高级计量架构和智能电表454

28.4.2配电自动化：变电和馈线的计量与控制455

28.4.3通信系统456

28.4.4用户参与456

28.4.5分布式能源和电动混合动力汽车457

28.5智能电网经济效益简介458

28.5.1降低电力购买和生产成本458

28.5.2降低电力公司的运营成本459

28.6智能电网投资挑战的分析459

28.6.1智能电网的巨大投资成本459

28.6.2挑战分析460

28.6.3智能电网研究联盟商业案例的评价与建议461

28.6.4财务分析结果条理化462

28.7其他智能电网问题463

28.7.1互操作性与网络安全463

28.7.2隐私权463

28.7.3监管问题463

28.7.4信息技术和数据管理系统463

28.8社会效益：能源效率、节约能源、节能装置、减排464

28.8.1提高能源效率464

28.8.2节约能源464

28.8.3节能装置464

28.8.4减排465

参考文献465

第29章 发展中国家的能源资源466

29.1概念和内容466

29.1.1理解“资源”的概念466

29.1.2发展中国家可持续能源方面资源的重要性466

29.2能源资源467

29.2.1自然能源资源467

29.2.2人力资源469

29.2.3技术层面：创新与适应471

29.2.4资本和基础设施：市场、接入和网格472

29.3在水和食物方面资源开发的意义473

29.4结论474

参考文献474

第30章 向未来能源过渡476

30.1引言476

30.2人人享有可持续能源477

30.2.1消除贫困477

30.2.2稳定气候变化477

30.3能源系统过渡面临的主要挑战478

30.4科学与社会的差距479

30.4.1科学家的警告479

30.4.2国际社会的目标及目前的进展480

30.4.3科学与社会的差距481

30.5可持续发展第四个“P”的发展问题——政策制定问题481

30.6本章小结——对社会变革进行引导482

参考文献483

第31章 中国的能源战略选择和预测484

31.1背景484

31.2能源与排放场景484

31.2.1方法框架484

31.2.2中国的排放场景487

31.2.3能源场景487

31.3能量转换和低排放途径的关键能量因素488

31.3.1能源效率的提高488

31.3.2可再生能源的发展489

31.3.3碳捕获与存储490

31.4不确定性分析492

31.5总结493

参考文献493