隨著特朗普的重新上台,和各國反減碳的勢頭的增長,綠色事業將麵臨極大的挑戰。人類在麵對遠慮近憂的選擇時,通常更傾向於去解決近憂。就算地球突破了碳含量極限,走向不可逆的滅絕人類的路程,那也是短則100年,長則200年的過程,現世的人沒人能活到地球末日的那一天;而如果石油汽車工業沒活幹,相關行業的選民就要拒絕投票給“綠黨”,在選票和人類命運之間,政客的選擇是很容易作出的。
相比之下,有無限任期的獨裁政權,可能更容易作出有利於長期考慮的決定。在美國決定退出綠色事業的當頭,中國沒有任何退出的意願,而是將此作為自己能增強國際地位和世界影響力的機會,同時,這樣做也可能讓中國居有世界價值鏈的頂端, 在經濟上坐穩世界霸權的頭號交椅!
在曆史上,誰控製主要的能源,就決定了誰是壓倒性的霸主。英國控製了煤,美國控製了石油, 從經濟上決定了它們的霸權。這裏的控製,不僅包括資源本身,還有如何生產,利用這些能源的技術。未來一定屬於綠色能源。如同煤和石油,下一個控製了綠色能源的國家,有極大可能成為下一個世界霸主。相比之下,芯片的重要性要差很多。迄今為止,在綠色能源方麵,美國差中國很多。
電是綠色能源的核心,但其本身不是能源,而隻是能源利用方式, 因此這裏要談的是各種綠色的發電方式。公認的綠色能源有,太陽能,風能,水電,核電,地熱,潮汐/滲透壓/海浪等。核電和水電是目前最廣泛使用的綠色能源,但各有其它問題,不被推崇。目前公認最有可行性的還是太陽能和風能。核聚變技術,和有效的潮汐/滲透壓/海浪能技術,是未來根本性解決對化石燃料依賴的方向,但現在還不可行或沒有經濟可行性。特別就規模而言,現在中國的年發電量約為10萬億度, 預計到2050年將達30萬億度,水電和核能都沒這個潛能在替代了化石燃料後還能產生這個增量,核電隻能沿海而建,中國的海邊已經布滿已建和在建的核電站了。就算像美國那樣回到化石燃料,加上化石燃料(煤,天然氣)也沒這個潛能。未來這些增量隻能來自於風光發電!
風光發電需要麵積,在城市,就算把所有屋頂都鋪上光伏板,其麵積也是有限的,按現在光伏板的發電效率,一家的屋頂的發電量都不夠自己用的。在郊外,土地需要用於農業和其它用途,將大麵積的土地用於風光發電是不現實的。
沙漠似乎是個理想的發電場所。那兒通常日照豐富,風也很大,土地沒什麽其它用途,幾乎免費。對中國而言,這種荒漠土地(沙漠,戈壁)有70萬平方公裏,居估算,1萬平方公裏就能年發電1萬億度,30萬億度隻需要30萬平方公裏,還不到中國全部荒漠土地的一半呢。如果沙漠能利用起來,光是光伏一項,就能理論上滿足中國的能量需求,更別說還有效率更高的風能,熱光能(利用太陽鏡麵集熱發電)。
中國改造沙漠已經幹了40年,最近因為光伏技術的發展,這種活動加速了。光伏意外地有助於沙漠改造,因為光伏板的遮蓋,減少了地麵的蒸發,而光伏板又是個理想的冷凝界麵,可以在夜間產生積水。中國很多沙漠,如塔克拉瑪幹,有豐富的地下水,有了光電的驅動,可以將地下水抽出澆灌土地,這些都有助於沙漠的綠洲化。最近,中國實現了對33萬平方公裏的塔克拉瑪幹沙漠的合龍,就是在其周圍建成了防護帶,阻止了其進一步擴張,同時建立了深入沙漠的公路,也開始分區塊建設大型風光發電田。現在中國的光伏板麵臨西方的反傾銷,也剛好投入到沙漠光田的建設,也算是一種基礎設施的投入吧。假以時日,中國如果依靠沙漠,建設成能量基地,那是具有戰略性意義的。如果能附帶著將這些本來無用有害的沙漠,建成了良田,對改善中國的糧食安全,也是意義重大的!
但這裏有個問題,中國的沙漠多在西北部,而用電中心在東部,距離在千裏以上。電的唯一傳輸方式是通過輸電線路,還得是特高壓直流線路,雖然中國在這方麵的技術很高,但成本是明擺著的。另外,風光電還有個致命缺陷,就是其波動性,不但時有時無,還時高時低,其電壓,電流,振幅和頻率急劇變化,無法直接輸入電網。因此,還需要儲能調製的技術支持。
大規模的光伏,風電場,調製更加複雜。最理想的是和一個抽水電站耦合,有電時發出的一部分電把水抽到高處,無電時放水發電輸出,水電是比較穩定的電源。但抽水電站需要特殊的地理條件,建設成本也很高,還破壞環境。其它的儲電選擇,如壓縮空氣,飛輪,重力柱,各種化學電池,都各有利弊。其中最好的是鋰電池,但缺點是鋰元素是比較稀缺的資源,目前多用在汽車等動力電池上,用在大規模儲電,太可惜了,沒有可持續性。如果沒有強大的儲能裝置,一旦綠電斷供,需要其它供電方式接手。最理想的是天然氣電廠,可以無縫聯接,但天然氣比較昂貴,中國最常用煤電。而煤電需要至少保持30%的發電狀態,才能在綠電斷供時接手。核電無法擔當這個任務。而維持大量的煤電,對環境和減碳是不利的。
因此,有人提出,何不利用沙漠綠電製造氫氣,氫氣是化石燃料的理想的替代品,化燃能幹的事它都能幹。氫氧反應,可以以燃料電池變成電能,也能以燃燒方式變成熱能,內燃動能。燃料電池技術已經發展得不錯,在大型輪船,卡車上都可以使用,隻要攜帶足夠的氫氣,就可進行越洋的航行,現在的問題要是進一步提高燃料電池的效率。
氫氣的燃燒能力也可用於取代供暖的天然氣,煤氣和木材等,從而降低碳排。用電加熱的效率,不如直接燃燒的加熱效率高。氫氣的內燃功能和汽油類似,能量值更高,理論上現有的汽油機,都可以直接燃用氫氣。而飛機的發動機,經過一定的改裝,也可以直接使用氫氣。氫氣還是高效的還原劑,能在煉鋼業中取代碳, 那可是占總碳排17%的大戶啊!
電製氫目前成熟的工藝是電解法,需要較高的能量製成含能較低的氫氣,一般認為是不合算的。但考慮到沙漠綠電如果不用掉,就隻能浪費掉,現在棄電率有的地區已達30%。這好比一個優秀男人的珍貴的精液,沒法找到一個受主來生孩子,那就是一錢不值。將那些本來一錢不值的棄電拿來製氫,屬於廢物利用,成本等於免費。因此,綠電製氫,然後將氫氣運送到使用地點,這是個很好的思路。
但是,氫氣的儲存和運輸有很大的難題需要解決。微小的氫分子可以穿過微小的縫隙,因此設計用於包容甲烷的結構(例如管道、接頭、鍋爐和炊具)以及用於儲存天然氣的設施(例如儲罐或地質構造(鹽穴或耗盡的天然氣田))會讓氫分子逸出,而甲烷分子則不會。合成液氫的代價太高,隻有在航天上使用,有經濟價值的儲存方式是高壓氣體,這樣就需要很大的體積。以滿足同樣規模的汽油車加油建立一座加氫站,標準麵積就得有三畝地,這在寸土寸金的大城市是不現實的。而如果沒有大量的加氫站,也影響氫動力車的普及。
氫也很難移動。為了讓氣體通過管道移動,必須使用壓縮機將其壓縮並推動。這個過程需要能量:將氫通過管道移動的損失是甲烷的十倍:高達30%。換句話說,你需要用掉近三分之一的氣體來將其從A點運輸到B點。氫還會導致管道和儲存設備中的金屬變脆,導致材料退化和潛在的安全問題。特殊材料或塗層可以緩解這些影響,但它們會給本來就複雜而昂貴的係統增加進一步的複雜性和成本。
事實上,所有這些都很昂貴。氫儲存基礎設施尚不存在,生產設施也大多不存在,而且建造它們將耗費數十億英鎊。然後,儲存氫的基本成本可能至少是儲存甲烷成本的四倍。由於氫的基本屬性,每個階段都會損失大量能量。
針對氫氣儲存和運輸的難題,又有一個思路出現了,能否把氫氣轉變為易於運輸和儲存的物質。眾所周知的費托合成(Fischer–Tropsch process)是將合成氣(CO+H2)在催化劑和適當條件下合成以液態的烴或碳氫化合物(hydrocarbon)的工藝過程。
費托合成的化學方程式如下:
(2n + 1) H2 + n CO → CnH(2n+2) + n H2O
費托合成工藝可以生成多種液體燃料,包括汽油、柴油、煤油、潤滑油等。費托合成的催化劑主要有鐵基、鈷基和鎳基催化劑。其中,鐵基催化劑是最常用的催化劑,具有成本低、反應活性高等優點。費托合成的反應條件為高溫、高壓,通常在 150-300 ℃、15-30 MPa 下進行。這個方法,在二戰中為缺乏石油的軸心國國家廣泛使用,以生產戰爭所需的燃油。中國現在也有很多煤製油的工廠,因為中國貧油,但煤資源很豐富。
氫氣來自沙漠綠電電解水,CO來自空氣中的CO2, 至於費托合成所需要的高溫高熱,都來自於冗餘的綠電,因此成本是可以接受的。這些合成物燃燒後也會排碳,但這個碳是製成時吸收的,因此可以認為碳是中和的。為什麽不合成既有的燃料,如汽油,柴油呢?這裏有個商業的理由,因為合成的肯定價格更高,而市場上存在化石燃料來源的同類燃料時,如果共存,有人就會用化石燃料來源的冒充合成的,造成劣幣驅逐良幣效用。最後,大家都同意選擇合成甲醇, 理由是:甲醇隻含一個碳原子,排碳低;甲醇的燃點高達420度,在室溫成液態,易於運輸和儲存,甲醇可以利用現有的石油基礎設施進行運輸和儲存,無需進行大規模的改造。;甲醇的能量密度較高,作為燃料可以實現高效的能量轉換;市場上其它來源的甲醇不多(不同於乙醇)。
沙漠綠電,通過就近的工廠製成甲醇,被運輸到各地。甲醇可以作為內燃機燃料,供暖,發電燃料,也可以通過重整產生氫氣,按上述方法為各種應用提供能量或原料。
甲醇與水蒸氣在高溫高壓下,通過催化劑作用發生反應,生成氫氣、一氧化碳和二氧化碳。這個過程可以分為兩步:
甲醇裂解: CH3OH + 熱 → CO + 2H2
水煤氣變換反應: CO + H2O → CO2 + H2
總反應式可以表示為: CH3OH + H2O → CO2 + 3H2
以沙漠作為綠電的生產基地,以甲醇作為能量媒介,是未來綠色能源的基本架構。如果中國能成功建立這個體係,那就為中國成為未來霸權奠定了經濟技術基礎。等熱衷於選票的美國回過神來,可能赤腳也趕不上了!
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