能源，包括煤炭、石油、天然气等不可再生的化石能源，以及核能(核裂变和核聚变)、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和氢能等新能源和可再生能源，是人类生存和发展的重要物质基础，是国民经济的重要引擎，为经济增长和人类文明发展提供原始动力。目前我国已成为世界最大的能源生产国和能源消费国。煤炭、油气、电力、新能源和能源装备产业全面繁荣，多个领域在规模和技术上都领先全球。在人类活动中，能源活动是温室气体排放的最主要贡献来源，近年来全球气候变化引发了一系列的极端天气事件（如高温热浪、暴雨洪水、干旱等），直接影响到人们的生产生活和生命安全，能源转型已成为减缓全球气候变化的首要议题。
自《巴黎协定》签署以来，碳中和逐渐成为全球各主要经济体的重要目标。主席在2020年9月联合国大会宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳中和作为全球主要经济体应对气候变化的重要战略目标，其核心是实现能源系统转型。当今世界，百年未有之大变局加速演进，新一轮科技革命和产业变革深入发展，新能源和信息技术紧密融合，能源转型正如火如荼地快速推进，生产生活方式加快转向低碳化、智能化，能源体系和发展模式正在进入非化石能源主导的崭新阶段。能效技术、可再生能源电力、电动汽车、氢能汽车、氢冶金等技术的发展与推广为能源转型提供了技术选项，电力生产的零碳化和终端用能的电气化将是全球应对气候变化的首要切入点。
可再生能源（特别是非水可再生能源）发电技术不同于化石能源发电技术，前者的供应表现出高度的波动性与不确定性，而后者则可以实现稳定供应和灵活调节。新型电力系统需实现电能的大规模存储，储能 技术将在供给侧保障可再生能源提供可控、稳定输出的绿色电力，在电网侧大幅提升电力系统在多时间尺度下的灵活调节能力，在需求侧则赋能用户的需求弹性。储能行业是高科技战略产业，是国家构建新型电力系统、达成双碳战略目标的重要技术保障。发展新质生产力是实现我国能源绿色低碳转型、保障能源安全的关键路径，为发展新质生产力、推动高质量发展培养急需人才，办公厅、国家发展改革委办公厅、国家能源局综合司联合发布了《关于实施储能技术国家急需高层次人才培养专项的通知》，以增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力，推动储能高科技战略产业向高质量发展。
为此，在吸收能源化学的新进展和科研成果的基础上，此次再版，增补、修订和完善了有关内容。例如， 在第1章，针对碳达峰碳中和目标和党的二十大报告，删除原1.5.3 中国的能源环境内容，重新编写。针对实现中国式现代化目标，修改1.7.4 结构变化趋势及1.8.3 中国提高能源供应能力的措施内容。第2章，针对煤炭在我国能源安全的压舱石作用，以及洁净煤技术面向2035年的发展战略目标，增加减碳方式及CO2转化等内容。第5章，增加自主开发的华龙一号和CAP1400先进压水堆（国和一号）等内容。第6章，增加钙钛矿太阳能电池等内容。针对储能行业作为高科技战略产业，第11章增加非补燃压缩空气储能、超级电容器储能、固态聚合物电解质、钠离子电池、储能系统的消防管理等内容。第12章，增加耦合CCUS制氢液氨储氢甲醇储氢氢储能等内容。以更好地适应时代和科技的发展，助力高层次人才培养和行业发展。
党的二十大报告明确提出，要全面建成社会主义现代化强国、实现第二个百年奋斗目标，以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴。自然资源、环境等越来越成为约束经济社会发展的内在因素，加快构建现代能源体系，深入贯彻落实四个革命、一个合作能源安全新战略，力争如期实现碳达峰、碳中和，是推动实现经济社会高质量发展的重要支撑，也是实现中国式现代化绿色发展的内在要求和必须承担的国际义务。能源化学作为新兴交叉学科领域，其高速、健康发展将对推动能源产业结构升级，国家能源安全、国民经济和人民生活水平提高产生重要的积极影响，也对培养支撑能源化学领域核心技术突破和产业发展高层次紧缺人才，提升能源化学领域自主创新能力和战略核心科技作出更大贡献。
本书自2004年面世以来，得到很多同行及读者的关心与支持，已被一些高校与研究所选为学生的教材或主要参考书，许多读者对再版提出了不少宝贵意见，我们在2014年进行了修订再版，此次为第三版。在再版修订过程中，许多读者和化学工业出版社的编辑提出了很多宝贵的意见和建议，在此向他们表示最真挚的谢意和衷心的感谢。
本书虽经努力修订，但仍难免有不当之处，敬请广大读者继续批评指正。
编著者
2024年8月于天津
第1版前言
能源是人类生存和发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的原动力，也是人类社会经济发展水平的重要标志。能源、材料与信息被称为现代社会繁荣和发展的三大支柱，已成为人类文明进步的先决条件。从人类利用能源的历史中可以清楚地看到，每一种能源的发现和利用都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。能源科学技术的每一次重大突破也都带来世界性的产业革命和经济飞跃，从而极大地推动着社会的进步。国家的经济发展中能源先行，而能源供应水平(包含能源的人均占有量、能源构成、能源使用率和能源对环境的影响因素等)也标志着一个国家的发达程度。
能源的分类方法有很多种，按其形成方式不同可分为一次能源和二次能源，按其可否再生可分为可再生能源和非再生能源，按其使用成熟程度不同可分为新能源和常规能源，按其使用性质不同可分为含能体能源和过程性能源，按其是否作为商品流通可分为商品能源和非商品能源，按其是否清洁可分为清洁(绿色)能源和非清洁能源。以可再生能源和非再生能源为例，前者包括太阳能、生物质能、水能、氢能、风能、地热能、海洋能等，而后者包括煤炭、石油、天然气等化石能源。
化学作为一门中心科学与化学工业作为一门关键技术已在20世纪为人类的科学发展和社会进步做出了重大贡献。能源化学作为化学的一门重要分支学科，是利用化学与化工的理论与技术来解决能量转换、能量储存及能量传输问题，以更好地为人类生活服务。物质不灭，能量永恒。但物质可以从一种形式转化为另一种形式，而能量也可以从一种能量转化为另一种能量。在这些转化、转换过程中，能源化学因其化学反应直接或通过化学制备材料技术间接实现能量的转换与储存。
化学变化都伴随着能量的变化，而能源的使用实质就是能量形式的转化过程。能量转化包括同种能量转化和不同种能量转化，又包括能量的直接转化和间接转化。化学反应是能量转化的重要技术。能量的化学转化主要利用热化学反应、光化学反应、电化学反应和生物化学反应等。例如，化学电源中的燃料电池是一种避开卡诺循环的发电装置，可通过电化学反应将化学能直接、高效、清洁地转化为电能，因而燃料电池被认为是今后首选的洁净高效发电技术。
中国现代能源工业的出现至今虽已有百年的历史，但是在鸦片战争之后，旧中国在相当长的时期内一直处于半封建半殖民地的社会状态，工业化进程非常缓慢，经济和社会发展水平低下，商品能源的开发利用水平也很低。
新中国成立以来，中国能源工业在许多领域已接近或赶上世界先进水平。中国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量居世界第三位，水力的可开发装机容量居世界首位。新能源与可再生能源资源丰富，而太阳能、生物质能、海洋能等储量更是属于世界领先地位。目前中国能源工业已经形成了以煤炭为主、多能互补的能源生产体系。中国的一次能源消费已排在世界第二位。但因我国人口众多，能源资源相对匮乏，且分布极不均衡，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为1/10。因此，为保持可持续发展战略，一方面要充分利用已有的能源供应体系，另一方面又要积极开发新能源与可再生能源。
能源的高效、清洁利用将是21世纪化学科学与工程的前沿性课题，这也正是能源化学面临的光荣而又艰巨的任务。
化石能源要高效与清洁生产，材料需不断改进；核能要得到不断发展，材料是关键之一；可再生能源(特别是太阳能、氢能、生物质能)的利用虽然诱人，材料是瓶颈。能源生产与节能的先进技术无一不建立在新材料不断发展的基础之上。新能源的发展一方面靠利用新的原理(如核聚变反应、光伏效应、酶催化等)发展新的能源系统，另一方面还必须靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步提高效率，降低成本。因此，新能源材料已成为材料、化学、物理、生物、能源、环境等诸多学科相互交叉渗透的热点研究领域。新能源材料的最大特点是在提供能量的高效转化与储存时实现清洁生产，即充分利用参与反应的原料原子实现零排放，以获得最佳原子经济性，因而新能源材料对解决能源危机及其所造成的环境污染起着关键作用。而新能源材料的组成与结构、合成与加工、性质与现象、使用性能等都是以能源化学为基础出发点。因此，能源化学不论是在常规能源的综合利用还是在新能源的研究开发中均担当重任。
应该指出，我国广大的科技工作者在能源化学领域开展了比较深入、系统的研究，并取得了许多新成果，从而为国家发展及科技进步做出了重要贡献。为适应未来能源发展的需求，很有必要对现有的能源知识进行总结。作者在总结国内外最新能源科学研究成果的基础上，结合自己的科研成果与积累，探索性地编写了这本《能源化学》。本书包含10章，分别介绍能源、煤炭、石油、天然气、太阳能、氢能、核能、生物质能、地热能及燃料电池。本书较全面地反映了国内外能源及能源化学领域的基本概念、基本理论等基本知识，概括了其研究、开发、应用及前景。希望本书有助于读者较好地了解能源化学所起的关键作用及进行新能源开发的必要性。
作者对南京大学化学化工学院陈洪渊院士之推荐及化学工业出版社之约深表感谢，对课题组李锁龙、徐丽娜等同志在资料整理及编写过程中的大力帮助也要说谢谢，同时对、国家自然科学基金委员会、南开大学给予的支持深表谢意，最后对给予本书以启示及参考的有关文献作者及多功能化信息网络予以致谢。
科技发展日新月异，文献浩如烟海，难以全面收集与一一注明，再由于编著者水平有限，书中难免有疏漏与不妥之处，敬请专家与读者予以批评指正。
编著者
2004年1月于天津
第2版前言
《能源化学》（第1版）于2004年3月出版至今已经十年了，在这期间能源化学作为重要科技，与清洁能源、节能环保、新兴产业等紧密融合，在推动科技进步，改善产业结构，促进经济发展，提高人民生活质量和满足社会重大需求方面都担当重任，能源化学也因此得到发展并不断充实和提高。
能源是人类生存和发展的重要物质基础，包括煤炭、石油、天然气等不可再生的化石能源，以及核能（核裂变和核聚变）、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和氢能等新能源和可再生能源。限于篇幅，已经成稿的风能和海洋能部分未在第1版收录。随着我国能源结构的调整，这一部分所占比重有增加的趋势。
在2009年底哥本哈根世界气候大会前夕，我国提出到2020年单位GDP二氧化碳排放量将比2005年下降40%~45%，通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，争取到2020年非化石能源占一次性能源消费比重达到15%左右等自主减排行动目标，这是我国统筹国内可持续发展和应对气候变化所作的战略选择。要实现这两个刚性指标，一是从总量上合理控制能源消费，提高能源效率，促进节能；二是改善能源结构，大力发展新能源和可再生能源，促进GDP能源强度和CO2强度较大幅度的下降，努力建设以低碳排放为特征的产业体系和消费方式，实现绿色、低碳发展。
为此，在吸收能源化学的新进展和科研成果的基础上，此次再版，增补、修订和完善了有关内容。例如，考虑到大力发展的风能、太阳能等可再生能源在未来能源中的重要地位，以及实施海洋战略、建设海洋强国的发展战略，特地新增了风能（第7章）、海洋能（第10章）；针对可再生能源发展面临电力品质差和并网难、建设坚强智能电网和微电网等电网新技术的瓶颈问题，新增储能技术（第11章）。同时，对于低碳技术的研究和应用，在其他章节的研究内容也做了相关修改补充，如在第1章的能源与经济、碳排放与减排，第2章的洁净煤技术、CO2的捕集与封存技术，第3章的能源安全，第4章的非常规天然气、页岩气，第5章的核燃料循环等都是新增的内容；原来的第6章氢能与第10章燃料电池合并为现在的第12章氢能与燃料电池。这样全书共12章，对人类社会所使用的能源及对通过化学反应、化工制备材料技术直接或间接地实现能量转换与储存的能源化学进行较为全面系统的介绍。
本书自2004年面世以来，得到很多同行及读者的关心与支持，已被一些高校与研究所选为学生的教材或主要参考书，许多读者对再版提出了不少宝贵意见；在再版修订过程中，化学工业出版社的编辑提出了宝贵的意见和建议，在此向他们表示最真挚的谢意。
本书虽经努力修订，但仍难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。
陈军
2014年2月于南开大学
天津化学化工协同创新中心
第1章能源简介
1.1能源的定义及分类1
1.2能源利用史2
1.3能源化学7
1.3.1能量转化8
1.3.2能量储存10
1.4能源与经济13
1.5能源与环境16
1.5.1大气污染和温室效应17
1.5.2碳排放和减排19
1.5.3中国的能源环境21
1.6能源与材料21
1.7能源储量及消费23
1.7.1计量单位及换算23
1.7.2储量24
1.7.3消费25
1.7.4结构变化趋势26
1.8中国的能源发展27
1.8.1中国能源资源的特点28
1.8.2中国能源资源开发面临的挑战29
1.8.3中国提高能源供应能力的措施29
1.9能源发展趋势31
第2章煤炭
2.1煤的形成34
2.2煤的基本分析指标及分类36
2.2.1基本分析指标36
2.2.2煤的分类38
2.3煤的结构模型40
2.4煤的开采与运输43
2.5我国煤炭资源和消费特点47
2.5.1煤炭资源特点47
2.5.2煤炭消费特点48
2.6煤的综合利用与洁净煤技术49
2.6.1煤炭综合利用49
2.6.2洁净煤技术51
2.7煤的净化技术52
2.7.1煤炭分选53
2.7.2型煤和水煤浆技术54
2.7.3煤矸石的综合利用56
2.8煤的先进燃烧技术57
2.8.1燃烧反应57
2.8.2常规燃煤的低氮氧化物燃烧技术58
2.8.3循环流化床燃烧技术62
2.8.4水煤浆燃烧技术65
2.9煤的燃后净化技术67
2.9.1烟气除尘技术68
2.9.2烟气脱硫技术70
2.9.3烟气脱硝技术77
2.10煤的现代化利用技术82
2.10.1煤的液化82
2.10.2煤的气化94
2.10.3洁净煤发电技术110
2.11CO2的捕集利用与封存技术118
2.12结语124
第3章石油
3.1石油的重要性126
3.2石油的生成和聚集127
3.3石油的开采129
3.4石油的组成132
3.5石油的炼制133
3.5.1石油的蒸馏134
3.5.2重油的裂化135
3.5.3催化加氢142
3.5.4催化重整145
3.6石油化工国民经济的支柱151
3.7工业的血液流动的乌金152
3.7.1汽油的使用牌号和优质汽油的制备153
3.7.2航空煤油154
3.7.3柴油155
3.7.4燃料油和润滑油156
3.8我国的石油发展157
3.9能源安全160
3.10结语161
第4章天然气
4.1天然气的组成和分类163
4.2天然气的开采和储运164
4.3天然气化工166
4.4天然气实用技术169
4.5非常规天然气170
4.5.1煤层气及其利用170
4.5.2页岩气172
4.5.3天然气水合物180
4.6中国的天然气发展及市场188
4.7结语190
第5章核能
5.1核能发现史话191
5.2核能的利用192
5.3核裂变和核聚变193
5.3.1核裂变193
5.3.2核聚变194
5.4核反应堆195
5.4.1裂变装置195
5.4.2聚变装置198
5.4.3核能发电原理201
5.4.4不同形式反应堆203
5.4.5核能技术发展趋势208
5.5核燃料循环211
5.5.1核燃料循环过程211
5.5.2核燃料循环体系213
5.5.3核燃料循环方式214
5.6核能利用与环境215
5.7迅速发展的核电事业216
5.7.1简史216
5.7.2我国的核电发展218
第6章太阳能
6.1太阳能简介221
6.2太阳能的光热利用223
6.2.1太阳能热水系统224
6.2.2太阳能热发电226
6.2.3太阳能制冷与空调技术228
6.2.4太阳房229
6.2.5其他太阳能热利用技术231
6.3太阳能的光电利用太阳能电池234
6.3.1太阳能电池简介234
6.3.2太阳能光谱235
6.3.3太阳能电池发电原理236
6.3.4太阳能电池效率和评价参数240
6.3.5几类太阳能电池242
6.4太阳能光化学利用301
6.4.1光合作用301
6.4.2光化学作用光解水制氢306
6.4.3光电电解/热解制氢314
6.5空间太阳能电站316
6.6太阳能在我国的应用319
6.6.1我国太阳能利用发展历程319
6.6.2我国的太阳能资源及市场321
第7章风能
7.1风的形成及特点323
7.2我国风能资源325
7.3风能利用326
7.3.1风力发电概况327
7.3.2风力发电系统的种类328
7.4风力发电场的选择和风力发电机329
7.4.1风电场选择329
7.4.2风力机330
7.5大规模风电发展面临的主要问题333
第8章地热能
8.1地热能简介336
8.2地热流体的性质338
8.3地热开采技术338
8.4地热能的利用339
8.4.1地热的直接利用340
8.4.2地热发电344
8.5我国地热能利用技术展望346
第9章生物质能
9.1生物质最古老的能源348
9.2生物质能资源349
9.3国内外生物质能发展现状及趋势351
9.4生物质的利用352
9.4.1生物质直接燃烧353
9.4.2生物质固化技术354
9.4.3生物质气化技术354
9.4.4生物质液化技术361
9.5生物质发电369
9.6我国生物质能源发展战略372
第10章海洋能
10.1海洋能概况374
10.2潮汐能374
10.2.1概述374
10.2.2潮汐电站的分类376
10.2.3潮汐电站的选址378
10.2.4我国潮汐能的开发380
10.3海流能382
10.3.1概述382
10.3.2海流的涡轮发电机类型383
10.3.3海流能发电现状385
10.4波浪能386
10.4.1概述386
10.4.2波浪能发电装置的分类387
10.4.3国外波浪能的研究现状389
10.4.4我国波浪能的研究现状392
10.5温差能394
10.5.1概述394
10.5.2温差能发电装置分类396
10.5.3温差能发电装置的结构401
10.5.4温差能发电站的选址403
10.5.5国外温差能发电研究现状405
10.5.6我国温差能发电研究现状406
10.6盐差能409
10.6.1概述409
10.6.2盐差能发电方式分类410
10.6.3盐差能发电的研究现状413
10.7我国海洋发展战略413
第11章储能技术
11.1发展储能技术的必要性415
11.2储能技术发展417
11.3储能技术分类418
11.4物理储能419
11.4.1抽水蓄能419
11.4.2压缩空气储能420
11.4.3飞轮储能422
11.4.4超导磁储能425
11.5化学储能427
11.5.1电化学电容器427
11.5.2蓄电池431
11.5.3铅酸蓄电池431
11.5.4超级电池（铅碳电池）436
11.5.5镍氢电池438
11.5.6钠硫和钠金属卤化物电池442
11.5.7液流电池447
11.5.8锂离子电池456
11.5.9金属空气电池474
11.5.10钠离子电池495
11.6储能逆变器521
11.7电池管理系统525
11.8储能系统的消防管理527
第12章氢能和燃料电池
12.1氢能特点531
12.2氢的制取532
12.2.1实验室中制备氢气532
12.2.2氢气的工业生产533
12.3氢的存储与运输542
12.3.1压缩气体储氢545
12.3.2低温液氢储存546
12.3.3金属氢化物储氢547
12.3.4复合氢化物储氢553
12.3.5有机液体储氢563
12.3.6物理吸附为主的储氢材料564
12.3.7氢气输送体系567
12.4氢的利用570
12.4.1液氢的使用570
12.4.2化学工业用氢570
12.4.3镍/氢电池的负极储氢材料571
12.4.4氢能汽车573
12.4.5家庭用氢573
12.4.6燃料电池574
12.4.7氢储能574
12.5燃料电池概述575
12.6燃料电池的特性576
12.7燃料电池类型577
12.8燃料电池发展简史579
12.9碱性燃料电池580
12.9.1原理581
12.9.2AFC关键部件582
12.9.3阿波罗系统584
12.9.4其他AFC系统585
12.10磷酸燃料电池587
12.10.1简介587
12.10.2关键部件587
12.10.3应用589
12.11熔融碳酸盐燃料电池590
12.11.1简介590
12.11.2关键部件592
12.11.3重整594
12.11.4应用595
12.12固体氧化物燃料电池596
12.12.1简介596
12.12.2关键部件598
12.12.3类型599
12.12.4应用601
12.13质子交换膜燃料电池604
12.13.1简介604
12.13.2关键部件605
12.13.3应用611
12.14直接甲醇燃料电池617
12.14.1简介617
12.14.2关键部件618
12.14.3结构621
12.14.4应用622
12.15其他燃料电池626
12.15.1再生型燃料电池626
12.15.2生物燃料电池628
结束语
参考文献
书单推荐 更多
