能源與環(huán)境概論 教學課件 ppt 作者 李潤東 可欣 主編第二章 溫室效應

1、第二章 溫室效應,概念典型溫室效應氣體溫室效應作用溫室效應的控制我國二氧化碳排放現(xiàn)狀及對環(huán)境、經(jīng)濟影響我國二氧化碳減排措施,1 溫室效應概念,大氣中ＣＯ2 等微量氣體能無阻擋地讓太陽的短波輻射射向地球 ,并部分吸收地球向外發(fā)射的長波輻射 ,從而使地面溫度上升 ,這種現(xiàn)象被稱作溫室效應。 1800年左右，法國數(shù)學家、物理學家傅立葉提出了地球大氣與溫室玻璃的功能相似，他的這一比喻沿用至今，產(chǎn)生了溫室效應這

2、一概念。,溫室效應的產(chǎn)生機理,溫室效應由太陽——大氣——地球系的物理學相互作用造成的。 (1 )太陽如溫度大約 5800 K的“黑體”向外發(fā)射光線 ,產(chǎn)生許多波長的光 (2 )光線一部分通過大氣傳到地面 ,其中被陸地或海洋表面吸收一部分； (3)任何溫度大于 0 K的物體會發(fā)射輻射 , 地球表面發(fā)射輻射 ；如果沒有大氣存在 ,這個通量與太陽入射通量平衡 ,產(chǎn)生大約250 K的穩(wěn)定溫度狀態(tài) (4)大氣中所謂

3、“溫室氣體” 在一個或多個狹窄的波長范圍吸收紅外輻射 ,形成紅外吸收帶，形成對大氣的加熱作用,2 典型溫室效應氣體,2.1 溫室氣體種類 大氣中那些吸收和重新放出紅外輻射的自然和人為的氣體成分稱為溫室效應氣體。,大氣層中主要的溫室氣體可有二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，一氧化二氮(N2O)，氯氟碳 化合物(CFCs)及臭氧(O3)。 大氣層中的水氣(H2O)雖然是“天然溫室效應”的主要原因，但普遍認為它的成份并不直接受人

4、類活動所影響。,二氧化碳(CO2)－ 碳和含碳化合物的燃燒、碳酸鹽礦物的分解、動物的呼吸作用及發(fā)酵過程， 每年大約有100億噸～200億噸二氧化碳排入大氣。 氟氯碳化物(CFCs)－以CFC－11、CFC－12及CFC－113佔最大使用量。使用范圍包括冷媒、清洗、噴霧及發(fā)泡等用途，同時此類化合物也是破壞臭氧層的禍首。,2.2 溫室氣體的來源,,,,甲烷(CH4) )─產(chǎn)生自發(fā)酵與腐化的變更過程及物質(zhì)的不完全燃燒，主要來自牲畜、水田、

5、汽機車及掩埋場的排放。 氧化亞氮(N2O) ─是由石化燃料的燃燒，微生物及化學肥料分解而排放出來。臭氧(O3) ─是由石化燃料的燃燒，微生物及化學肥料分解而排放出來。,2.2 溫室氣體的來源,人類還有許多活動也產(chǎn)生了許多溫室效應的氣體，見下表： 人類活動產(chǎn)生的溫室效應氣體,溫室氣體對于全球氣候變暖的貢獻,1. 在大氣中的濃度 （用體積分數(shù)表示） 在多原子分子氣體中，CO2的體積分數(shù)最大，是頭號溫

6、室氣體。,部分溫室效應氣體的濃度,2.在大氣中的增長勢頭,CO2、CH4、N2O都有較快的增長速率，因此在溫室氣體排序中名列前茅。,右圖表示50年來 CO2的增長趨勢，(— )表示每月平均值的長期趨勢,下圖顯示了大氣層中CH4的增長趨勢。藍點表示量度數(shù)據(jù)，紅線 和綠線分別表示CH4濃度短期和長期的變化。,3.大氣壽命 大氣壽命越長的溫室氣體對于全球氣候變暖的貢獻越大。,下表為幾種溫室氣體的大氣壽命,4.每個氣體分子吸收紅外線的能力,5

7、.全球增暖潛勢 100年時間尺度的全球增暖潛勢值是，CO2:1；CH4: 23；N2O:296；CFC11、CFC12:3400～7100,綜合以上因素，IPCC在2001年第3次氣候變化科學評估中提出各溫室氣體對全球氣候變暖的 貢獻比例為：CO2:60%；CH4:20%；N2O:6%；CFC11、CFC12等:14%。,如果設(shè)定1個CO2分子吸收紅外線的能力是1，那么同種能力是，CH4:21；N2O:310；CFC11、 CFC1

8、2:數(shù)千。,空氣中含有二氧化碳，在過去很長一段時期中，含量基本上保持恒定。這是由于大氣中的二氧化碳始終處于“邊增長、邊消耗” 的動態(tài)平衡狀態(tài)。大氣中的二氧化碳有80％來自人和動、植物的呼吸，20％來自燃料的燃燒。散布在大氣中的二氧化碳有75％被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。5％的二氧化碳通過植物光合作用，轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)貯藏起來。這是多年來二氧化碳占空氣成分0.03%（體積分數(shù)）始終保持不變的原因。,溫室氣體的排放

9、,自工業(yè)革命以來，資源與能源大量消耗，特別是煤、石油、天然氣等物質(zhì)的 燃燒所排放的大量CO2 含量增加。,汽車尾氣，森林火災，火力發(fā)電廠等都造成大氣中二氧化碳含量的增加。,全球大氣CO2濃度從工業(yè)革命前的280ppm上升到了2005年的379ppm.目前全球溫室氣體的年排放量一直在增長。相比1970 年, 目前的年排放總量增長了70%, 與1990 年的水平相比也增長24%。,其中CO2 的年排放總量比1970年代增長80%, 相比

10、1990 年水平增長28%。甲烷的排放量相比1970 年增長40%, 相比1990 年增長11%。氮氧化物的排放相比1970 年增長50%, 相比1990 年增長11%。,頭號溫室氣體二氧化碳的成長速度是史前期的30至100倍，二氧化碳濃度則為第二冰河期的1.25倍，為上一次冰河期的1.75倍。,表： 未來大氣中的CO2濃度值（ppm）,數(shù)據(jù)來自IPCC第四次評估報告，2007,世界各國CO2排放量態(tài)勢,1.）氣候轉(zhuǎn)變、全球變暖,近年來

11、地球氣候異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)越來越頻繁氣溫升高，將導致某些地區(qū)雨量增加，某些地區(qū)出現(xiàn)干旱，颶風力量增強，出現(xiàn)頻率也提高，自然災害加劇。英國的歐洲氣候研究所研究員認為，在未來的一百年間，北歐和中歐冬季的降雨量將增加5倍。受氣候異常影響最嚴重的將是英國、荷蘭、丹麥和德國北部，法國南部遭遇冬季暴雨的概率會從2％上升到4％。 20世紀60年代末，非洲撒哈拉牧區(qū)曾發(fā)生持續(xù)6年的干旱。我國2008年初遭受的特大雪災也是全球變暖產(chǎn)生極端天氣的結(jié)果。,

12、3 溫室效應作用,,歐洲北部地區(qū)（法國維姆勒港） 2008年一月遭遇近年來罕見特大暴風雨襲擊,2007年一月歐洲部分地區(qū)遭到暴風雨襲擊，風力達到颶風級別。,2007年長沙出現(xiàn)50年一遇特大旱，圖為長沙瀏陽市北盛鎮(zhèn)一處接干涸的水庫,非洲東部由于雨水不足，遭遇嚴重干旱，導致農(nóng)作物顆粒無收，大量牲口死亡，飲用水短缺。,目前全球平均溫度經(jīng)1000年前上升了0.3~0.6℃。而在此前一萬年間，地球的平均溫度變化不超過2℃。,根據(jù)近年來氣候模型的計

13、算，大氣中二氧化碳及其他溫室效應氣體濃度的增度，將使地球在未來50年內(nèi)上升3.5℃至4.2℃。,在過去一百年間，地球平均溫度已上升0.45℃。,而二十年內(nèi)，北極的夏天就暖和了6度,2、) 冰山融化、海平面升高,假若“全球變暖”正在發(fā)生，有兩種過程會導致海平面升高。第一種是海水受熱膨脹令海平面上升。第二種是冰川和及南極洲上的冰塊溶解使海洋水份增加。,自20世紀60年代起，加利福尼亞海岸附近的水溫在逐漸升高。到1995年，水溫已經(jīng)比196

14、0年升高了將近3華氏度。大約在1963年，肯尼亞山的冰帽開始明顯變小，到1987年已經(jīng)縮小了40%。而且從1960年到80年代初，秘魯境內(nèi)安第斯山脈的冰川融化速度加快了兩倍。,全球變暖導致非洲最高山峰冰雪融化,南極冰川融化速度加快,珠江水位每年升1厘米,全球變暖導致珠江三角洲氣候異常、水平面上升和農(nóng)田被淹。中國科學院廣州分院、廣州地理研究所研究員李平日教授透露，20世紀20年代至今，廣州珠江各年代最高水位已經(jīng)上升了80厘米(平均每

15、年升近1厘米),按最新預測研究結(jié)果，到2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.15-0.95米。海水將淹沒生產(chǎn)的土地，鹽水入侵將污染淡水資源，海平面上升將使洪泛和風暴潮災害增多，改變海岸線和海岸生態(tài)系統(tǒng)，直接威脅沿海地區(qū)以及廣大島嶼國家人民的生存環(huán)境及社會經(jīng)濟發(fā)展。,(1) 對溫熱帶生物多樣性的影響 由于氣溫持續(xù)升高，北溫帶和南溫帶氣候區(qū)將向兩極擴展。氣候的變化必然導致物種遷移。許多物種似乎不能以高的遷移速度跟上現(xiàn)今氣候的迅速變化。

16、所以，許多分布局限或擴散能力差的物種在遷移過程中無疑會走向滅絕。只有分布范圍廣泛，容易擴散的種類才能在新的生境中建立自己的群落。,3、) 對生物多樣性的影響,(2) 對沿海濕地和珊瑚礁生物多樣性的影響,濕地和珊瑚礁是生物多樣性豐富的生態(tài)系統(tǒng)，然而它們也會受到氣候變暖的威脅。溫度升高會使高山冰川融化和南極冰層收縮。在未來的50~100年中，海平面將升高0.15~0.95米，甚至更高。海平面的升高會淹沒沿海地區(qū)的濕地群落。海水溫度

17、升高同樣會對珊瑚產(chǎn)生極大危害。由此將導致大量的珊瑚沉沒以致死亡。,4、) 對人類生活的潛在影響,(1) 經(jīng)濟的影響,全球有超過一半人口居住在沿海100公里的范圍以內(nèi)，其中大部份住在海港附近的城市區(qū)域。海平面的顯著上升對沿岸低洼地區(qū)及海島會造成嚴重的經(jīng)濟損害，例如：加速沿岸沙灘被海水的沖蝕、地下淡水被上升的海水推向更遠的陸地。,英國政府的一份報告指出，如果繼續(xù)忽視溫室效應導致全球氣候變暖，從而造成環(huán)境進一步惡化，人類有可能再次面臨類似上世

18、紀30年代的全球性經(jīng)濟大衰退，全球?qū)⒂袃蓛|人會因為 干旱或食物 短缺而成為 難民。,水蒸氣從英國利茲市附近的發(fā)電站冷卻塔中升起,英國公布了由前世界銀行首席經(jīng)濟師尼古拉斯·斯特恩爵士得出的全球氣候報告，再次敲響全球升溫警鐘。,,,(2) 農(nóng)業(yè)的影響,實驗證明在CO2高濃度的環(huán)境下，植物會生長得更快速和高大。但是，“全球變暖”會影響大氣環(huán)流，繼而改變?nèi)虻挠炅糠植技案鞔笾薇砻嫱寥赖暮?。糧食的質(zhì)量可能隨

19、著二氧化碳的提高而下降，因為葉子的含碳量可能增加，含氮量可能減少。在溫室效應中，害蟲和病害較易蔓延，這就需要噴灑更多的農(nóng)藥。,(3)水循環(huán)的影響  全球降雨量可能會增加。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知道。某些地區(qū)可有更多雨量，但有些地區(qū)的雨量可能會減少。此外，溫度的提高會增加水分的蒸發(fā)，這對地面上水源的運用帶來壓力。,海洋中的浮游生物顯微照片,研究認為，氣溫與人的死亡率之間呈U型關(guān)系，在過冷和過熱條件下的死亡率都將

20、增加，最低死亡率處于16~25℃的溫度范圍內(nèi)，人類為適應預測的21世紀的氣候變化將付出重大代價。,(4)人類健康的影響,4 溫室效應的控制,溫室效應的惡化進程對生物多樣性，將構(gòu)成強大沖擊?？刂茰厥倚?，保護濕地、減緩全球氣候變暖，是世界各國面臨的重大課題。,1.) 控制CO2向大氣的排放量,減緩全球氣候變暖的根本對策是全球參與控制CO2向大氣的排放量。為此，在國際上達成共識，即從政治上和技術(shù)上控制CO2的排放量。,法律上,(1)制定各

21、種旨在限制CO2排放的各種政府和國際的規(guī)定，簽訂各種國際公約。1992年在巴西召開的聯(lián)合國發(fā)展和環(huán)境大會的“氣候公約”，要求占全球CO2排放總量80%的發(fā)達國家到2000年將其CO2排放量降至1990年的水平。1997年12月，在日本京都舉行的聯(lián)合國氣候大會通過了《京都議定書》，目標是在2008年至2012年間，將發(fā)達國家二氧化碳等6種溫室氣體的排放量在1990年的基礎(chǔ)上平均削減5.2%。,(2)采用經(jīng)濟手段，包括提高易排放CO2能

22、源價格和對超標排放課稅, 自愿協(xié)議、能源/ 二氧化碳稅、排放貿(mào)易、可再生能源或熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)配額、能源效率標準、對可再生能源等的直接資金鼓勵如優(yōu)惠費率、贈款、免稅措施等等,自1990年溫室氣體排放量占世界總量36.1%的美國于2001 年宣布退出《京都議定書》后，人們普遍擔心這一關(guān)系人類未來的重要協(xié)議將成為一紙空文。,1990年溫室氣體排放量占世界總量17.4%的俄羅斯2004年11月18日提交加入文件，此舉為現(xiàn)有189個締約方的協(xié)議

23、生效鋪平最后一段道路。,法律上,技術(shù)上,A、提高能源的生產(chǎn)效率和使用效率。 采取措施促進節(jié)能技術(shù)的開發(fā)及普及，擴大新能源利用的可能性，推進物資再循環(huán)、延長產(chǎn)品壽命、完善公共交通體系等。B、改善能源結(jié)構(gòu) 。主要措施是擴大天然氣、液化石油氣的使用比例，開發(fā)煤層氣資源,既可以減少甲烷排放所引起的溫室氣體增加，又可以替代煤炭等高含碳燃料，減少碳排放。C、鼓勵迅速發(fā)展和使用清潔能源及可再生能源，發(fā)展高效價廉、適用的脫硫、除塵、潔凈煤技術(shù)，同時

24、也需采取措施大力發(fā)展水利、風力、太陽能及核能等可再生能源。,預計到2030年，全球能源需求將達到目前的1.5倍,以經(jīng)濟持續(xù)增長的中國、印度等為主的亞洲地區(qū)為中心，全球能源的需求量正急速擴大，預計到2030年，將達目前的1.5倍。在能源需求不斷擴大的情況下，如還利用傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，則必然導致CO2排放量的增加，對防止溫室效應不利。目前，世界各國都急需不增加CO2排放而可以提高電力生產(chǎn)的方法。,太陽能和風力發(fā)電沒有CO2排放，但目前其發(fā)電

25、的成本較高，難以大規(guī)模普及，目前總發(fā)電量還不多。,D、停止大部分氟氯化碳(CFCs )的生產(chǎn)并回收已投入使用的CFCs，允許冰箱生產(chǎn)廠根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、工藝、裝備以及產(chǎn)供銷渠道、國際合作背景等條件，選擇不同替代方案。E、降低森林砍伐、植樹造林和改良農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法，森林是生態(tài)環(huán)境的根本，吸收CO2能力很強。加速天然林保護工程，退耕還林，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。F、人工吸收CO2 。例如日本學者提出在吸收劑中使用沸石對火山發(fā)電中排出的CO2做物理式吸收

26、，或者使用胺化學溶劑進行化學吸收。 G、向海中施鐵 。美國學者提出向海中施鐵，使海生植物大量繁殖，大量吸收的CO2。,2.) 加強濕地保護，減緩溫室效應,A、加大濕地保護的宣傳力度，提高社會公眾濕地保護意識。 B、完善濕地法制體系，把濕地保護與利用納入法治軌道。 C、健全協(xié)調(diào)管理機制，加強各部門間協(xié)調(diào)與合作。 D、多方籌措資金，增加濕地保護的資金投入。 E、加強濕地科研，為濕地環(huán)境保護提供科技支持。 F、加強濕地

27、環(huán)境監(jiān)測，完善濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。,4 我國CO2排放及對環(huán)境、經(jīng)濟的影響,我國CO2排放總量大、增長快，面臨越來越大的減排壓力。 我國當前是CO2排放第二大國，2004年占世界CO2排放總量的 17.8%，目前占20%左右；2000～2004年間，我國CO2排放的增長量占世界同期CO2排放增長量的一半以上。 目前有很多國際報道稱我國CO2排放量已經(jīng)超過美國成為世界第一排放大國，國內(nèi)則沒有發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)。

28、 但是人均和歷史排放量，中國仍然較低。,4 我國CO2排放及對環(huán)境、經(jīng)濟的影響,能源短缺仍是制約國民經(jīng)濟增長的瓶頸以煤炭為主、西源東耗的結(jié)構(gòu)矛盾突出環(huán)境污染日趨嚴重二氧化碳排放量大且增長迅速,2009年冬，全國多處天然氣供應短缺，西安、武漢、重慶、宜昌、南京、揚州、杭州、日照等地紛紛啟動應急預案。武漢市和南京市天然氣日缺口相當于計劃用量的40%。,煤炭短缺：山東今年缺口達1.7億噸需外購；湖北省關(guān)停大約240萬千瓦或17%的

29、火力發(fā)電2009年世界煤炭短缺已達到7,000萬噸,我國近年煤炭消費量快速增長,能源短缺,以煤為主、石油和天然氣短缺的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)無法改變努力適應和改變這一能源結(jié)構(gòu)矛盾是能源科技的核心任務之一,以煤炭為主、西源東耗,環(huán)境污染嚴重,煤是高污染高碳的化石燃料：在沒有任何處理措施的情況下，每燃用1噸煤所排放的污染物情況：約25kgSO2（平均含S量為1.5%）、約10kgNOX、約1.8-2.5噸CO2煤發(fā)電的平均污染物情況：

30、 SO2：約8-10g/Kwh、NOx：約3-5g/Kwh、 CO2：600-1000g/Kwh,2007年全國污染物排放總量：SO2：2320.00萬噸；NOx：1797.70萬噸； 煙塵：1166.64萬噸；工業(yè)粉塵：764.68萬噸；CO2排放量更是全球第一，年均：60億噸左右，約占全球總量的1/5。,二氧化碳排放量大,2020年前后必須有大幅度的下降其中OECD國家需減排40%發(fā)展中國家需保證增量低于20%,5

31、我國CO2減排措施,（1）降低對化石能源的需求（節(jié)能）；（2）改用低碳燃料（如由燃煤改為燃用天然氣）；（3）增加可再生能源和核能的利用；（4）利用生物固化方法（如植樹等）把CO2變?yōu)楣烫迹?）CO2的捕獲與儲存（CCS）,5.1 降低對化石能源的需求（節(jié)能）,此處的節(jié)能既包括“生活中的節(jié)能”也包括“生產(chǎn)中的節(jié)能”（包括提高能源系統(tǒng)效率等）。 節(jié)能是一種沒有“副作用”的減排途徑，節(jié)能還可降低燃料成本支出。

32、 但節(jié)能的潛力受到限制：能源系統(tǒng)效率提高受材料、造價及運行安全性等限制。另外，即使通過節(jié)能可使單位經(jīng)濟產(chǎn)出的能耗下降，但隨著經(jīng)濟的增長，能源消費總量必然增長。 因此，更長遠的思考：轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長模式？？,很有潛力與燃煤電站（約40％）相比，燃燒天然氣的聯(lián)合循環(huán)（效率約60％），發(fā)出相同的電能， CO2排放可減少70％左右但受到資源量和燃料價格的限制：國際上：煤的儲采比最高，價格最低；我國：貧油、少氣、多

33、煤；,5.2 改用低碳燃料,5.3 增加可再生能源和核能的利用,可再生能源和核能等可實現(xiàn) CO2近零排放但可再生能源存在能量密度低、利用效率低和系統(tǒng)造價高等問題；核能（主要是核裂變）也存在造價高、資源量有限的問題，同時還有核廢料處理的問題。擴充知識：從長遠看，核聚變的成功將帶來巨大的經(jīng)濟與社會變革，將有望徹底解決能源短缺和CO2排放問題核聚變技術(shù)的成熟：樂觀的估計：50～100年；從近中期來看，能源短缺以及更為嚴重的CO

34、2排放問題將是困擾人類社會發(fā)展的重要瓶頸,5.4 利用生物固化方法把CO2變?yōu)楣烫?“碳匯”的重要途徑對于其它環(huán)境問題也有極大改善作用，具有重要意義但存在容量問題吸收CO2的速度受植物生長速度的限制是重要途徑，但作用有限,5.5 CO2的捕獲與儲存（CCS）,將能源利用過程產(chǎn)生的CO2分離出來，通過壓縮、冷卻等方式將其液化或成為超臨界流體。再將捕獲后的CO2以特定方式儲存起來類似于某些城市對垃圾的處理模式考慮到在相當

35、長的時期內(nèi)化石燃料（特別是煤等高碳燃料）仍將是主要的一次能源以及CCS方法與現(xiàn)有能源利用設(shè)施所具有的兼容性因此，基于CCS技術(shù)的減排CO2能源系統(tǒng)對于CO2減排具有特殊重要的意義。 CCS：Carbon Capture and Storage,CO2的捕獲與儲存示意圖,,,,,,Sources,Sinks,Transport,Industry,Power Plants,Ships,P