風(fēng)能應(yīng)率先成為能源的重要組成

文 | 原國(guó)家計(jì)委節(jié)能局研究員高工 夏武祥

美國(guó)紐約時(shí)間2019年3月28日，世界氣象組織的《2018年全球氣候狀況聲明》在聯(lián)合國(guó)總部正式發(fā)布。與過(guò)去不同，聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)參加發(fā)布，足見(jiàn)問(wèn)題之重大。這份報(bào)告全面概述了全球溫度、重要影響事件和長(zhǎng)期氣候變化關(guān)鍵指標(biāo)的狀況，揭示了二氧化碳濃度、北極和南極海冰、海平面和海洋酸化程度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其核心結(jié)論是，地球病入膏肓，全球正在加速變暖。

此次對(duì)地球氣候的診斷主要涉及以下數(shù)據(jù)：全球平均溫度、全球溫室氣體含量、海平面高度、海洋熱含量、海洋酸堿度、北極海冰、南極海冰、格陵蘭島冰川、南極冰川、山地冰川、極端干旱事件、熱帶氣旋、極端降水事件等。其中，全球平均溫度、海洋熱含量、海平面高度、全球溫室氣體含量、兩極冰雪量是最為核心的指標(biāo)。

過(guò)去5年（2014-2018年）的全球平均溫度，比工業(yè)革命前高（1.04 ± 0.09）℃。全球碳排放量最近兩年連續(xù)增加，2018年更是創(chuàng)下歷史紀(jì)錄。

人類(lèi)大量燃燒化石燃料是氣候變暖的主要原因，這已經(jīng)成為共識(shí)，但化石燃料仍是當(dāng)前最主要燃料的狀況并沒(méi)有改變。主要的原因是，目前還沒(méi)有與它有同樣性能或更多優(yōu)點(diǎn)而可取代它的新能源。要大幅度乃至完全取代它，人們必須找到滿足下述要求的能源：

（1）具有化石燃料的高能量密度和方便的運(yùn)輸使用性質(zhì)；

（2）能用低碳能源產(chǎn)生出來(lái)；

（3）能夠長(zhǎng)距離安全運(yùn)輸，這一點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代尤為重要；

（4）能夠長(zhǎng)期安全存儲(chǔ)，而且損失很小；

（5）能夠用于穩(wěn)定地發(fā)出各種功率的交通工具和電站發(fā)電；

（6）大量存在，不是稀有物資；

（7）最好還能夠回收循環(huán)使用。

地球上的可再生能源儲(chǔ)量非常大，人類(lèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)用不完。我國(guó)可利用的太陽(yáng)能、風(fēng)能也十分豐富，如能充分利用，完全可以成為主力能源的組成部分。我國(guó)風(fēng)電經(jīng)約30年的發(fā)展，取得了很大成績(jī)，成本可以與化石能源相當(dāng)，具備與之展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)的條件。但為什么風(fēng)電發(fā)電量只占全部發(fā)電量的5.2%，還有幾百億千瓦時(shí)的棄風(fēng)電量？尤其是新疆、甘肅、內(nèi)蒙古，棄風(fēng)率竟分別達(dá)到23%、19%、10%？雖然花巨額投資建了幾條高壓直流輸電線路，也采取供電轉(zhuǎn)供熱和抽水蓄能、高壓空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能等措施，取得一定效果，但仍未徹底予以化解。就是因?yàn)闆](méi)能從根本上解決可再生能源資源發(fā)電與用電負(fù)荷地點(diǎn)不一，和可再生能源的間歇性、不穩(wěn)定性、大量?jī)?chǔ)能困難的問(wèn)題。因此，必須從轉(zhuǎn)換風(fēng)的能量供給和使用方式上下功夫，找到合用的風(fēng)能載體。這種載體應(yīng)具有與化石能源一樣的優(yōu)點(diǎn)，又不會(huì)造成環(huán)境污染，達(dá)到上述的七點(diǎn)要求。

通過(guò)人們不斷努力，現(xiàn)在有了已成熟的和經(jīng)試驗(yàn)證明有效的技術(shù)，能夠獲得符合上述七點(diǎn)要求的風(fēng)能載體。當(dāng)下，應(yīng)當(dāng)在風(fēng)能利用已經(jīng)取得成功的基礎(chǔ)上，抓緊時(shí)機(jī)乘勝前進(jìn)，使風(fēng)能率先成為能源的重要組成，也為其他可再生能源擴(kuò)大應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。具體途徑是：

（1）生產(chǎn)大量符合要求的風(fēng)能載能體—微納米金屬顆粒（粉）：原料元素選擇的標(biāo)準(zhǔn)是，微納米金屬元素作為燃料，必須能夠與氧反應(yīng)，有足夠的能量密度，無(wú)毒、無(wú)放射性或其他危險(xiǎn)元素，無(wú)二氧化碳排放。經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，初步篩選出鐵、鋁、鎂、硅、鈦、硼、鋅七種材料。其中，鐵、鋁、硅儲(chǔ)量豐富，價(jià)格也比較便宜（ 以下以鐵粉為例）。在冶金文獻(xiàn)中，硅、硼與硒、碲、砷五種元素均被列為“半金屬”類(lèi)，其物理化學(xué)性質(zhì)介于金屬與非金屬之間。有單位鑒于硅儲(chǔ)量大、價(jià)格低，硼能量密度高，也在對(duì)將其作為能源的可行性進(jìn)行研究；但由于目前需要用稀有和昂貴產(chǎn)品作為還原劑，相關(guān)研究還在進(jìn)一步推進(jìn)中。其實(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后可能有更多種元素進(jìn)入人們的視野。

用金屬顆粒作為燃料并非始于今日，很久之前就有的煙火，以及近代航天器的助推火箭，都是以金屬顆粒為燃料。但由于其使用的局限性（如用于火箭燃料，金屬顆粒不與空氣中的氧氣接觸，必須帶氧化劑），把金屬顆粒作為能源，實(shí)際上被人們嚴(yán)重忽視，至今只有極少單位進(jìn)行研究，更談不上大量使用。需要大聲疾呼的是：現(xiàn)在人類(lèi)應(yīng)當(dāng)重新認(rèn)識(shí)和定位金屬顆粒是能源，確定其在能源組成中應(yīng)有的重要位置。

物質(zhì)達(dá)到納米級(jí)大?。?0-9米），其聲、光、電、熱、磁等特性有很大變化。與大塊金屬相比，微納米金屬顆粒具有很高的比表面積，這就為其點(diǎn)燃和燃燒產(chǎn)生穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了條件。研究實(shí)驗(yàn)表明，一種好的方法是直接在空氣中燃燒：通過(guò)對(duì)金屬顆粒尺寸的選擇，控制金屬粉與空氣的混合比、混合物預(yù)熱溫度、湍流強(qiáng)度等手段，可獲得所需要的點(diǎn)燃溫度、燃燒速度、燃燒溫度、火焰層厚度等，從而實(shí)現(xiàn)金屬粉與空氣直接燃燒，達(dá)到熱機(jī)要求的功率、效率、穩(wěn)定性、排放標(biāo)準(zhǔn)。金屬顆粒的能量密度，與汽油、柴油相當(dāng)，比現(xiàn)在遍及全球、到處運(yùn)輸?shù)拿?、油、壓縮或液化天然氣還高，完全能夠滿足熱機(jī)循環(huán)的要求。它應(yīng)作為多種熱力機(jī)械的新一代理想燃料。其燃燒產(chǎn)物，從煙囪中排出的是氮?dú)?，既沒(méi)有二氧化硫、氮氧化物（通過(guò)燃燒控制）等有害氣體，更沒(méi)有二氧化碳，完全不用安裝現(xiàn)有發(fā)電廠中不可少的脫硫、脫硝環(huán)保裝置，更不需要對(duì)二氧化碳進(jìn)行收集、吸收和儲(chǔ)存埋放。燃燒產(chǎn)物的固體部分，乃是固體顆粒氧化物（如用鐵粉為燃料，即為氧化鐵粒）。另一種方法是，金屬燃料與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和熱量。氫氣用于內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池，但由于這種反應(yīng)產(chǎn)生的溫度和壓力低（500度絕對(duì)溫度，20個(gè)大氣壓），不適合重型車(chē)輛和大設(shè)備。

現(xiàn)在，上述技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)被證明是可行的，最亟需解決的是，加緊研發(fā)使用這種燃料的熱機(jī)。

（2）用風(fēng)能發(fā)電，電解制造金屬粉（以鐵粉為例），使之成為風(fēng)能的載體。它既可運(yùn)輸，又能儲(chǔ)存；能夠與煤、油、氣一樣隨時(shí)隨地用來(lái)驅(qū)動(dòng)熱機(jī)，進(jìn)行發(fā)電或供給動(dòng)力。

要應(yīng)用微納米材料，首先必須解決微納米材料的制備問(wèn)題。目前制備金屬粉的方法大致可分為三類(lèi) ： 一是化學(xué)氣相沉積、直流電弧等離子體、電子束加熱等氣相法； 二是金屬純鹽水解、氧化還原、溶膠凝膠等液相法；三是機(jī)械粉碎、氣流粉碎、固相反應(yīng)等固相法。液相法中的電解法比較成熟，也是工業(yè)生產(chǎn)金屬粉的常見(jiàn)工藝?！半娊忤F”就是將粗鐵預(yù)制成厚板作為陽(yáng)極，純鐵薄片作為陰極，硫酸和硫酸亞鐵作為電解液，通入直流電，在陰極析出純鐵。

由于對(duì)微納米粉的研究近幾年才比較廣泛地開(kāi)展起來(lái), 還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，如成本高、產(chǎn)率低、粉的收集和存放困難等。我國(guó)的科技人員近些年在超聲電解法制備金屬粉方面開(kāi)展了大量工作。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)毒、無(wú)污染等特點(diǎn), 是制備金屬粉的一種新方法（以常見(jiàn)的金屬粉 銅粉和鎳粉的制備做的實(shí)驗(yàn)）。普通電解法制備金屬粉雖是一種比較成熟的方法, 然而其制備過(guò)程一般是間隔10～20分鐘才將沉積在陰極的金屬粉刮掉, 這樣, 沉積的顆粒不能及時(shí)脫離陰極表面, 就會(huì)迅速長(zhǎng)大, 其粒度一般在十幾微米以上。另外，還要經(jīng)過(guò)球磨、分篩等工藝，方能得到最終粉末。運(yùn)用超聲電解法，首先解決了普通電解中的刮粉問(wèn)題。此外, 超聲振動(dòng)及產(chǎn)生的射流能使沉積在陰極表面的金屬迅速脫離陰極表面，并隨溶液的流動(dòng)分散在溶液中,防止顆粒的長(zhǎng)大。超聲空化產(chǎn)生的巨大壓力或射流能將溶液中的大顆粒粉碎, 即使在沉積速度比較快的情況下,所得粉末粒度也不會(huì)很大。研究試驗(yàn)已得到了100納米以下的金屬粉，超聲的加入對(duì)粉末粒度的降低有很大作用。此研究對(duì)生產(chǎn)制備微納米鐵粉很有幫助。

（3）用風(fēng)能發(fā)電電解水產(chǎn)生H2，用于還原金屬粉燃燒后的產(chǎn)物，使其再度成為風(fēng)能的載體，循環(huán)使用。

鐵粉在各種熱機(jī)做功后的燃燒產(chǎn)物是氧化鐵粒（3Fe+2O2=Fe3O4），很容易回收。然后集中運(yùn)到鐵粉還原工廠，還原為鐵粉（Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O）；回收的鐵粉可以重復(fù)使用，真正實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。還原過(guò)程需要H2和加溫，因此，鐵粉還原工廠應(yīng)建于有水資源的風(fēng)電場(chǎng)附近，H2是由電解水得到的。按電解水制H2的效率為30%計(jì)，則還原鐵粉的能源利用率約34%。至于電解水既已得到H2，是否就可不再進(jìn)行鐵粉回收，而直接用H2供給熱機(jī)使用？這應(yīng)因地制宜，結(jié)合H2密度低、難于長(zhǎng)期儲(chǔ)存、存在安全問(wèn)題進(jìn)行全面考慮。

值得指出的一點(diǎn)是，上述三種途徑中的后兩種都是電解工藝，用的是直流電。大工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)證明電解工藝是可以大規(guī)模應(yīng)用的，并且電解工藝對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能的間歇性不穩(wěn)定供電有一定的容忍力，這正是風(fēng)電機(jī)組直流發(fā)電的極好用戶，可因地制宜，選用交流變直流或直流風(fēng)電。

此外，加拿大Mcgill大學(xué)于2018年發(fā)表的研究報(bào)告表明，微米金屬粉的持續(xù)燃燒在層流、湍流火焰中均已得到證實(shí)?；鸺破鞯难邪l(fā)經(jīng)驗(yàn)也顯示，所用的金屬鋁粉直徑是微米級(jí)的（0.1～10微米）。顯然，制備微米金屬粉比制備納米金屬粉的成本低，我們應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究。

這條技術(shù)路線的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）可以比較快地實(shí)現(xiàn)減緩氣候變暖的目標(biāo)，這是目前人類(lèi)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

（2）金屬資源豐富，可以重復(fù)使用。如我國(guó)的鐵礦石儲(chǔ)量有500億噸；硅、鋁儲(chǔ)量也十分豐富；鐵粉現(xiàn)有產(chǎn)量較多，宜優(yōu)先考慮。

（3）燃燒過(guò)程中沒(méi)有有害物排放，是可持續(xù)發(fā)展的，不會(huì)出現(xiàn)因使用化石燃料而大量增加環(huán)境保護(hù)成本的情況。

（4）只需改造現(xiàn)有熱機(jī)（如蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠、斯特林機(jī)）的進(jìn)料與燃燒系統(tǒng)，設(shè)備的其他系統(tǒng)（如發(fā)電廠的蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔助設(shè)備及廠房）都可繼續(xù)使用，大大減少能源轉(zhuǎn)換所需資金量。

為使風(fēng)能成為能源主力之一，應(yīng)當(dāng)大量建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)能載體金屬粉生產(chǎn)廠。在此過(guò)程中，需要注意的問(wèn)題包括：

（1）優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電與電解工藝的匹配。開(kāi)發(fā)不同金屬粉電解所適用的電解液、電極，避免排放溫室氣體。

（2）應(yīng)用玻璃鋼的風(fēng)電機(jī)組葉片是很難降解的材料。大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電會(huì)導(dǎo)致大量的退役葉片，對(duì)環(huán)境的影響不容忽視，需要盡早研究妥善處理的方法。如，開(kāi)發(fā)新材料，做到退役葉片材料可回收；設(shè)計(jì)采用少葉片（兩葉片、單葉片）風(fēng)輪的風(fēng)電機(jī)組。

上述技術(shù)實(shí)際都已有一定基礎(chǔ)，加拿大的Mcgill大學(xué)進(jìn)行了相當(dāng)深度和系統(tǒng)的研究。我國(guó)雖然只有零星單項(xiàng)研究，但一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的單位早已開(kāi)始微納米金屬燃料的研究，并做出某些很有意義的成果。如浙江大學(xué)在十年前就開(kāi)始了微納米金屬燃料燃燒的研究，并發(fā)表微納米金屬鐵粉的燃燒特性試驗(yàn)研究成果；煙臺(tái)海軍航空工程學(xué)院于十年前發(fā)表過(guò)制備超細(xì)金屬粉的研究報(bào)告；南京航空學(xué)院也在十年前發(fā)表過(guò)風(fēng)電直流電網(wǎng)的方案論文；宏海新能源公司近來(lái)開(kāi)始燃燒金屬粉的外燃機(jī)研究。

風(fēng)能資源豐富地區(qū)的相關(guān)單位也在千方百計(jì)尋找出路。如，幾年前，甘肅電力科學(xué)研究院的研究人員發(fā)表過(guò)文章《新建高載能用電負(fù)荷提升本地風(fēng)電消納容量途徑研究》，提出變能源輸出為產(chǎn)品輸出。若實(shí)現(xiàn)了利用當(dāng)?shù)馗挥械墓?、鋁、鐵等原料，生產(chǎn)金屬粉燃料供應(yīng)到全國(guó)，其意義將十分重大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)解決棄風(fēng)問(wèn)題。（當(dāng)然，要采用先進(jìn)的工藝，不能排放二氧化碳。）但這畢竟是一個(gè)跨多個(gè)行業(yè)的研發(fā)項(xiàng)目，不可能一蹴而就，有些要從實(shí)驗(yàn)室做起。改造則涉及原型機(jī)的整個(gè)燃燒系統(tǒng)，有些需擴(kuò)大或新建廠，如金屬粉制備、還原。但項(xiàng)目的意義重大，關(guān)乎國(guó)家能源的大政方針。建議國(guó)家對(duì)此給予充分支持，并組織產(chǎn)學(xué)研有關(guān)單位緊密合作，以期在應(yīng)對(duì)氣候變暖方面做出我國(guó)的一份貢獻(xiàn)。