清潔電力技術(shù)

Kernot Professor of Engineering,University of Melbourne,Australia

Engineering期刊就清潔能源主題適時(shí)出版了一期專題論文。本專題中的研究論文和觀點(diǎn)述評涵蓋了一個(gè)非常多樣化且有爭議的領(lǐng)域。關(guān)于清潔能源主題的觀點(diǎn)十分多樣，從主張采取緊急行動(dòng)防止人類滅絕到否認(rèn)氣候變化的存在，可謂包羅萬象。在排除任何群體之前，對工程師和技術(shù)人員來說，留意圖1所示的對氣候變化的不同態(tài)度呈現(xiàn)相當(dāng)均勻的分布是很有意義的[1]。

因此，我們應(yīng)該注意到，在世界不同地區(qū)如何使用清潔能源的問題上，需要有一系列的論證和選擇。在本期清潔電力專題中，我們將“清潔能源”定義為以經(jīng)濟(jì)、可靠和環(huán)境可持續(xù)的方式輸送能源，來滿足大眾的需求并得到他們的支持。拋開個(gè)人態(tài)度不談，怎樣才被認(rèn)為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，這在世界各地存在著巨大的差異。

讓我們思考一下歐洲、中國和北美洲三個(gè)“超級”清潔能源地區(qū)的做法。歐洲被認(rèn)為是清潔能源發(fā)展的先行者。在各國政府（尤其是德國）的大力支持下，20多年來，歐洲一直鼓勵(lì)對太陽能和風(fēng)能進(jìn)行投資，并且取得了很大成就。事實(shí)上，這期專題包括了兩篇關(guān)于下一代太陽能光伏技術(shù)前沿的研究論文（Yang等及Ramirez Quiroz等），該技術(shù)的基礎(chǔ)是Cu(InxGa1-x)Se2(CIGS)，如銅、銦、鎵、硒化，而不是硅。盡管做出了這些努力，不過現(xiàn)在歐洲大多數(shù)政府仍然認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)2050年的宏偉目標(biāo)，負(fù)排放是絕對必要的。實(shí)際上，最近一項(xiàng)以歐盟為基礎(chǔ)的Meta研究[2]表明，生物能源與造林/再造林和土壤封存一起，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模負(fù)排放的唯一經(jīng)濟(jì)途徑。相比之下，直接收集空氣在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。因此，在本期專題中刊登的由劉偉等撰寫的關(guān)于生物質(zhì)發(fā)電和氫轉(zhuǎn)化的文章既及時(shí)又相關(guān)。低溫生物質(zhì)流動(dòng)燃料電池的概念是新穎的，因?yàn)檫@是利用生物質(zhì)作為電子供體來減少電解水所需能量的方法。

圖1.對氣候變化的態(tài)度。

然而，在中國，我們看到了不同的方法。盡管中國擁有最大容量的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)（中國：0.211 GW；美國：0.096 GW；德國：0.059 GW）[3]，但正如王樹民在本期專題中指出的那樣，煤炭仍然是其主要的動(dòng)力來源（600 GW），并且在可預(yù)見的將來可能會(huì)保持這種狀態(tài)。因此，中國面臨的挑戰(zhàn)是應(yīng)對汞、硫氧化物、氮氧化物和顆粒物的排放。這一問題已被后處理凈化技術(shù)靈活而有效地加以解決，那些污染物的排放量已超過美國燃?xì)獍l(fā)電廠要求的標(biāo)準(zhǔn)，即接近于零。而如何減少煤炭的排放量以符合最近宣布的2060年的零排放要求，還有待觀察。

美國近年來變化最大的是許多燃煤電廠的停用，代之以更為廉價(jià)的天然氣。當(dāng)然，這種轉(zhuǎn)變既能減排，也能降低成本，兩方面都有益處。雖然各州的方法明顯不同，但很顯然的是，北美洲的電力深度脫碳既需要負(fù)排放，也需要大量采用低排放技術(shù)和更多的存儲(chǔ)空間——后者還有待證明是否具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。Greig在本期專題中描述了“Rapid Switch”項(xiàng)目[4]中的一些活動(dòng)，我們對其結(jié)果非常感興趣，但如果看到低排放技術(shù)所需的產(chǎn)能過剩至少是峰值需求的5倍（這是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)），我不會(huì)感到驚訝。電網(wǎng)互連也必須相應(yīng)地增加。至于這種轉(zhuǎn)變所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，只有時(shí)間才能證明。

關(guān)于哪些技術(shù)將會(huì)發(fā)展和繁榮，為全球提供所需的清潔能源，筆者在以前就曾指出[5]，預(yù)測技術(shù)比賽的贏家既是無效的也是不明智的，盡管這對各個(gè)政府、公司和企業(yè)具有吸引力。因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展本來就是不可預(yù)測的，它在過去發(fā)生變化，將來也會(huì)繼續(xù)變化。因此，為了提高我們所使用清潔能源的地位，我們應(yīng)該采取各種可能的解決方案。

碳捕集、利用和封存（CCUS）被許多人認(rèn)為是未來清潔能源的重要組成部分，但目前過于昂貴。正如Singh等[6]所指明的，當(dāng)考慮整個(gè)發(fā)電站時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性很低，而CCUS的部署有望遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的平均成本。也就是說，降低成本對CCUS來說相當(dāng)重要。Alivand等在本期專題中詳細(xì)介紹了改進(jìn)胺吸收的技術(shù)。只有通過這樣的發(fā)展，才能真正有機(jī)會(huì)大規(guī)模采用CCUS。

我們還看到了很多令人激動(dòng)的進(jìn)展，這些進(jìn)展正在推動(dòng)CIGS光伏元件的發(fā)展。盡管基于硅技術(shù)的地位相當(dāng)穩(wěn)固，但仍有競爭空間。

圖2.氫和互換性尚未得到很好的探索。

最后，在考慮清潔能源時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮能源利用的總體情況，特別是金屬等工業(yè)材料的運(yùn)輸和生產(chǎn)情況。Hartley和Au在本期專題中的觀點(diǎn)述評文章中指出，未來以氫為中心的話題可能變成熱點(diǎn)。關(guān)于氫和電在使用方面的互換性，特別是在運(yùn)輸方面，目前還沒有太多討論。氫可以由電產(chǎn)生，也可以產(chǎn)生電。氫氣可以儲(chǔ)存，也可以用于運(yùn)輸。電能也可以用于運(yùn)輸，電動(dòng)汽車還可以在智能電網(wǎng)上提供存儲(chǔ)和負(fù)荷管理，如圖2所示。這些雙重功能和互換性還有待探索，但氫能運(yùn)輸和美國國內(nèi)應(yīng)用的長期市場目前可能被低估。至于阻礙氫能發(fā)展的因素，成本是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)方面的成本。

擴(kuò)大氫能市場需要強(qiáng)大的動(dòng)力。其中一個(gè)動(dòng)力可能是將10%的氫氣注入天然氣供應(yīng)系統(tǒng)。盡管天然氣-氫氣混合物可以用于100%使用天然氣的應(yīng)用，但也有可能從天然氣-氫氣混合物中提取氫氣，以單一地使用氫氣。胡國平等在本期專題中探討了將置換的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫氣，通過天然氣管道輸送，然后在存在氫氣需求的地方進(jìn)行提取的可能性。這種可能性也提醒我們，雖然低排放的能源并不缺乏，但其中很多能源距離投入市場使用還任重道遠(yuǎn)。

總而言之，預(yù)測2050年的清潔能源技術(shù)會(huì)發(fā)展到哪一步是不太容易的。然而，在本期專題中，我們收獲了一些有益于清潔能源發(fā)展的見解，這些發(fā)展可能有助于提供經(jīng)濟(jì)、可靠和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，滿足公眾的需要并得到其支持。