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风能应率先成为能源的重要组成

2019年9月3日

美国纽约时间2019年3月28日,世界气象组织的《2018年全球气候状况声明》在联合国总部正式发布。与过去不同,联合国秘书长参加发布,足见问题之重大。这份报告全面概述了全球温度、重要影响事件和长期气候变化关键指标的状况,揭示了二氧化碳浓度、北极和南极海冰、海平面和海洋酸化程度等关键数据。其核心结论是,地球病入膏肓,全球正在加速变暖。此次对地球气候的诊断主要涉及以下数据:全球平均温度、全球温室气体含量、海平面高度、海洋热含量、海洋酸碱度、北极海冰、南极海冰、格陵兰岛冰川、南极冰川、山地冰川、极端干旱事件、热带气旋、极端降水事件等。其中,全球平均温度、海洋热含量、海平面高度、全球温室气体含量、两极冰雪量是最为核心的指标。过去5年(2014-2018年)的全球平均温度,比工业革命前高(1.04 ± 0.09)℃。全球碳排放量最近两年连续增加,2018年更是创下历史纪录。人类大量燃烧化石燃料是气候变暖的主要原因,这已经成为共识,但化石燃料仍是当前最主要燃料的状况并没有改变。主要的原因是,目前还没有与它有同样性能或更多优点而可取代它的新能源。要大幅度乃至完全取代它,人们必须找到满足下述要求的能源:(1)具有化石燃料的高能量密度和方便的运输使用性质;(2)能用低碳能源产生出来;(3)能够长距离安全运输,这一点在经济全球化时代尤为重要;(4)能够长期安全存储,而且损失很小;(5)能够用于稳定地发出各种功率的交通工具和电站发电;(6)大量存在,不是稀有物资;(7)最好还能够回收循环使用。地球上的可再生能源储量非常大,人类远远用不完。我国可利用的太阳能、风能也十分丰富,如能充分利用,完全可以成为主力能源的组成部分。我国风电经约30 年的发展,取得了很大成绩,成本可以与化石能源相当,具备与之展开竞争的条件。但为什么风电发电量只占全部发电量的5.2%,还有几百亿千瓦时的弃风电量?尤其是新疆、甘肃、内蒙古,弃风率竟分别达到23%、19%、10% ?虽然花巨额投资建了几条高压直流输电线路,也采取供电转供热和抽水蓄能、高压空气储能、电池储能等措施,取得一定效果,但仍未彻底予以化解。就是因为没能从根本上解决可再生能源资源发电与用电负荷地点不一,和可再生能源的间歇性、不稳定性、大量储能困难的问题。因此,必须从转换风的能量供给和使用方式上下功夫,找到合用的风能载体。这种载体应具有与化石能源一样的优点,又不会造成环境污染,达到上述的七点要求。通过人们不断努力,现在有了已成熟的和经试验证明有效的技术,能够获得符合上述七点要求的风能载体。

现在人类应当重新认识和定位金属颗粒是能源,确定其在能源组成中应有的重要位置。

当下,应当在风能利用已经取得成功的基础上,抓紧时机乘胜前进,使风能率先成为能源的重要组成,也为其他可再生能源扩大应用积累经验。具体途径是:(1)生产大量符合要求的风能载能体——微纳米金属颗粒(粉):原料元素选择的标准是,微纳米金属元素作为燃料,必须能够与氧反应,有足够的能量密度,无毒、无放射性或其他危险元素,无二氧化碳排放。经过认真研究,初步筛选出铁、铝、镁、硅、钛、硼、锌七种材料。其中,铁、铝、硅储量丰富,价格也比较便宜( 以下以铁粉为例)。在冶金文献中, 硅、硼与硒、碲、砷五种元素均被列为“半金属”类, 其物理化学性质介于金属与非金属之间。有单位鉴于硅储量大、价格低,硼能量密度高,也在对将其作为能源的可行性进行研究;但由于目前需要用稀有和昂贵产品作为还原剂,相关研究还在进一步推进中。其实,随着技术的进步,今后可能有更多种元素进入人们的视野。用金属颗粒作为燃料并非始于今日,很久之前就有的烟火,以及近代航天器的助推火箭,都是以金属颗粒为燃料。但由于其使用的局限性(如用于火箭燃料,金属颗粒不与空气中的氧气接触,必须带氧化剂),把金属颗粒作为能源,实际上被人们严重忽视,至今只有极少单位进行研究,更谈不上大量使用。需要大声疾呼的是:现在人类应当重新认识和定位金属颗粒是能源,确定其在能源组成中应有的重要位置。物质达到纳米级大小(10-9米),其声、光、电、热、磁等特性有很大变化。与大块金属相比,微纳米金属颗粒具有很高的比表面积,这就为其点燃和燃烧产生稳定火焰创造了条件。研究实验表明,一种好的方法是直接在空气中燃烧:通过对金属颗粒尺寸的选择,控制金属粉与空气的混合比、混合物预热温度、湍流强度等手段,可获得所需要的点燃温度、燃烧速度、燃烧温度、火焰层厚度等,从而实现金属粉与空气直接燃烧,达到热机要求的功率、效率、稳定性、排放标准。金属颗粒的能量密度,与汽油、柴油相当,比现在遍及全球、到处运输的煤、油、压缩或液化天然气还高,完全能够满足热机循环的要求。它应作为多种热力机械的新一代理想燃料。其燃烧产物,从烟囱中排出的是氮气,既没有二氧化硫、氮氧化物(通过燃烧控制)等有害气体,更没有二氧化碳,完全不用安装现有发电厂中不可少的脱硫、脱硝环保装置,更不需要对二氧化碳进行收集、吸取和储存埋放。燃烧产物的固体部分,乃是固体颗粒氧化物(如用铁粉为燃料,即为氧化铁粒)。另一种方法是,金属燃料与水反应产生氢气和热量。氢气用于内燃机、燃气轮机或燃料电池,但由于这种反应产生的温度和压力低(500度绝对温度,20个大气压),不适合重型车辆和大设备。现在,上述技术在实验室中已经被证明是可行的,最亟需解决的是,加紧研发使用这种燃料的热机。

(2)用风能发电,电解制造金属粉(以铁粉为例),使之成为风能的载体。它既可运输,又能储存;能够与煤、油、气一样随时随地用来驱动热机,进行发电或供给动力。要应用微纳米材料,首先必须解决微纳米材料的制备问题。目前制备金属粉的方法大致可分为三类 : 一是化学气相沉积、直流电弧等离子体、电子束加热等气相法; 二是金属纯盐水解、氧化还原、溶胶凝胶等液相法;三是机械粉碎、气流粉碎、固相反应等固相法。液相法中的电解法比较成熟,也是工业生产金属粉的常见工艺。“电解铁”就是将粗铁预制成厚板作为阳极,纯铁薄片作为阴极,硫酸和硫酸亚铁作为电解液,通入直流电,在阴极析出纯铁。由于对微纳米粉的研究近几年才比较广泛地开展起来, 还有许多问题需要进一步解决,如成本高、产率低、粉的收集和存放困难等。我国的科技人员近些年在超声电解法制备金属粉方面开展了大量工作。该方法具有工艺简单、成本低、无毒、无污染等特点, 是制备金属粉的一种新方法(以常见的金属粉铜粉和镍粉的制备做的实验)。普通电解法制备金属粉虽是一种比较成熟的方法, 然而其制备过程一般是间隔10~20 分钟才将沉积在阴极的金属粉刮掉, 这样, 沉积的颗粒不能及时脱离阴极表面, 就会迅速长大, 其粒度一般在十几微米以上。另外,还要经过球磨、分筛等工艺,方能得到最终粉末。运用超声电解法,首先解决了普通电解中的刮粉问题。此外, 超声振动及产生的射流能使沉积在阴极表面的金属迅速脱离阴极表面,并随溶液的流动分散在溶液中,防止颗粒的长大。超声空化产生的巨大压力或射流能将溶液中的大颗粒粉碎, 即使在沉积速度比较快的情况下,所得粉末粒度也不会很大。研究试验已得到了100 纳米以下的金属粉,超声的加入对粉末粒度的降低有很大作用。此研究对生产制备微纳米铁粉很有帮助。大工业生产已经证明电解工艺是可以大规模应用的,并且电解工艺对风能、太阳能的间歇性不稳定供电有一定的容忍力。

(3)用风能发电电解水产生H2,用于还原金属粉燃烧后的产物,使其再度成为风能的载体,循环使用。铁粉在各种热机做功后的燃烧产物是氧化铁粒(3Fe+2O2 =Fe3O4),很容易回收。然后集中运到铁粉还原工厂,还原为铁粉(Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O);回收的铁粉可以重复使用,真正实现循环经济。还原过程需要H2 和加温,因此,铁粉还原工厂应建于有水资源的风电场附近,H2 是由电解水得到的。按电解水制H2 的效率为30% 计,则还原铁粉的能源利用率约34%。至于电解水既已得到H2,是否就可不再进行铁粉回收,而直接用H2 供给热机使用?这应因地制宜,结合H2 密度低、难于长期储存、存在安全问题进行全面考虑。值得指出的一点是,上述三种途径中的后两种都是电解工艺,用的是直流电。大工业生产已经证明电解工艺是可以大规模应用的,并且电解工艺对风能、太阳能的间歇性不稳定供电有一定的容忍力,这正是风电机组直流发电的极好用户,可因地制宜,选用交流变直流或直流风电。此外,加拿大Mcgill 大学于2018年发表的研究报告表明,微米金属粉的持续燃烧在层流、湍流火焰中均已得到证实。火箭助推器的研发经验也显示,所用的金属铝粉直径是微米级的(0.1~10 微米)。显然,制备微米金属粉比制备纳米金属粉的成本低,大家应当进一步研究。

这条技术路线的主要优点包括:(1)可以比较快地实现减缓气候变暖的目标,这是目前人类面临的严重挑战。(2)金属资源丰富,可以重复使用。如我国的铁矿石储量有500 亿吨;硅、铝储量也十分丰富;铁粉现有产量较多,宜优先考虑。(3)燃烧过程中没有有害物排放,是可持续发展的,不会出现因使用化石燃料而大量增加环境保护成本的情况。(4)只需改造现有热机(如蒸汽轮机发电厂、斯特林机)的进料与燃烧系统,设备的其他系统(如发电厂的蒸汽轮机、发电机、辅助设备及厂房)都可继续使用,大大减少能源转换所需资金量。

为使风能成为能源主力之一,应当大量建设风电场和风能载体金属粉生产厂。在此过程中,需要注意的问题包括:(1)优化风力发电与电解工艺的匹配。开发不同金属粉电解所适用的电解液、电极,避免排放温室气体。(2)应用玻璃钢的风电机组叶片是很难降解的材料。大规模发展风电会导致大量的退役叶片,对环境的影响不容忽视,需要尽早研究妥善处理的方法。如,开发新材料,做到退役叶片材料可回收;设计采用少叶片(两叶片、单叶片)风轮的风电机组。上述技术实际都已有一定基础,加拿大的Mcgill 大学进行了相当深度和系统的研究。我国虽然只有零星单项研究,但一些有远见的单位早已开始微纳米金属燃料的研究,并做出某些很有意义的成果。如浙江大学在十年前就开始了微纳米金属燃料燃烧的研究,并发表微纳米金属铁粉的燃烧特性试验研究成果;烟台海军航空工程学院于十年前发表过制备超细金属粉的研究报告;南京航空学院也在十年前发表过风电直流电网的方案论文;宏海新能源企业近来开始燃烧金属粉的外燃机研究。风能资源丰富地区的相关单位也在千方百计寻找出路。如,几年前,甘肃电力科学研究院的研究人员发表过文章《新建高载能用电负荷提升本地风电消纳容量途径研究》,提出变能源输出为产品输出。若实现了利用当地富有的硅、铝、铁等原料,生产金属粉燃料供应到全国,其意义将十分重大,远远超过解决弃风问题。(当然,要采用先进的工艺,不能排放二氧化碳。)但这毕竟是一个跨多个行业的研发项目,不可能一蹴而就,有些要从实验室做起。改造则涉及原型机的整个燃烧系统,有些需扩大或新建厂,如金属粉制备、还原。但项目的意义重大,关乎国家能源的大政方针。建议国家对此给予充分支撑,并组织产学研有关单位紧密合作,以期在应对气候变暖方面做出我国的一份贡献。

来源(《风能》) 编辑(《风能》)

泰和集团(www.thsyjt.com)

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