全球碳中和運(yùn)動(dòng)缺乏一個(gè)明確的理論基礎(chǔ)

文章來(lái)源:中國(guó)能源報(bào)陳新華2021-04-14 10:01

物理學(xué)基礎(chǔ)：碳中和愿景下，需要更多“逆燃燒”和“逆蒸汽機(jī)”技術(shù)

自工業(yè)革命以來(lái)，人為的大規(guī)模CO2排放來(lái)源包括能源領(lǐng)域和非能源領(lǐng)域兩個(gè)方面。能源領(lǐng)域主要是化石能源燃燒所產(chǎn)生的排放，而非能源領(lǐng)域則是來(lái)自于化工、鋼鐵、水泥等工業(yè)制造過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。前者占CO2排放總量的80%左右。

化石能源燃燒主要通過(guò)蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的主要燃料分別是煤炭、石油和天然氣。以上三種燃燒技術(shù)都涉及到共同的物理化學(xué)原理，即碳?xì)浠衔锛友跞紵尫拍芰慨a(chǎn)生動(dòng)力，同時(shí)形成二氧化碳，并通過(guò)水蒸汽散發(fā)余熱。

近兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人類依靠化石能源燃燒的“火”建立了現(xiàn)代工業(yè)與文明。然而事實(shí)證明，這一集中式燃燒化石能源的“舊火”系統(tǒng)越來(lái)越不可持續(xù)，對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全、健康、環(huán)境的威脅也越來(lái)越大。美國(guó)洛基山研究院主席兼首席科學(xué)家Amory Lovins（盧安武）博士在2011年出版的《重新發(fā)明火》【1】一書中指出，鑒于“舊火”系統(tǒng)對(duì)人類在地球上生存的嚴(yán)重威脅，非常有必要重新發(fā)明“火”，以“新火”代替“舊火”，徹底改造現(xiàn)有的能源系統(tǒng)。他預(yù)計(jì)，到2050年，美國(guó)經(jīng)濟(jì)將達(dá)到2010年規(guī)模的2.6倍，而通過(guò)“新火”替代“舊火”，不再需要消耗任何石油、煤炭和核電，就可為美國(guó)節(jié)約5萬(wàn)億美元的能源開支，且這一切可以完全利用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要任何政府補(bǔ)貼和國(guó)會(huì)法案的支持。

這里的“新火”即指那些不需要燃燒碳?xì)浠衔锞湍軌颢@取能量的技術(shù)手段，主要包括源于地上的節(jié)能和可再生能源，廣義層面也包括挖自地下的地?zé)岷秃四?，即我們常說(shuō)的“零碳”能源。然而，以零碳能源代替化石能源來(lái)解決CO2排放問(wèn)題，與CO2的關(guān)系是間接的。由于當(dāng)前CO2排放的主要來(lái)源是化石能源燃燒，因此有必要直接就CO2排放問(wèn)題開展一些理論探索，如化石能源能否不通過(guò)燃燒來(lái)獲取能量？有沒有好的辦法來(lái)消除CO2對(duì)大氣的影響？化石能源燃燒的過(guò)程是否可逆？能否通過(guò)“逆燃燒”的辦法，將CO2和水合成為碳?xì)浠衔铮?/div>

此外，燃燒過(guò)程產(chǎn)生大量的廢熱，除了可以梯級(jí)利用部分之外，大多數(shù)還是通過(guò)水吸熱相變，從液態(tài)變成氣態(tài)，并以水蒸氣的形式散發(fā)到空氣中。有沒有可能通過(guò)“逆蒸汽機(jī)”的方法，將這些水蒸汽冷凝成液態(tài)水，從而釋放熱量，為我所用？

回答上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為答案無(wú)疑是肯定的。

■化石能源能否不通過(guò)燃燒獲取能量？能！燃料電池就是通過(guò)非燃燒的方式從化石能源中獲取能量。

■能否消除CO2對(duì)大氣的影響？能！碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術(shù)就是基于這個(gè)問(wèn)題來(lái)發(fā)展起來(lái)的，核心是轉(zhuǎn)換利用，而不是簡(jiǎn)單的地質(zhì)封存。

■能否通過(guò)“逆燃燒”的辦法，將CO2和水合成為碳?xì)浠衔?？能！這方面的技術(shù)進(jìn)展非?？焖?，并且有望很快得到商業(yè)化推廣。北京光合新能公司的等離激元技術(shù)，就是利用工業(yè)廢熱或太陽(yáng)能光熱，在常溫常壓下將CO2和水低成本地合成為碳?xì)浠衔?，該技術(shù)目前正在中試階段。

■能否通過(guò)“逆蒸汽機(jī)”的方法，將燃燒過(guò)程產(chǎn)生的大量水蒸汽冷凝成液態(tài)水，從而釋放熱量，為我所用？能！這方面我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；茝V的階段了。北京國(guó)際能源專家俱樂部2017年評(píng)估與推廣過(guò)的湖南東尤水汽能技術(shù)就是將空氣中的水蒸汽進(jìn)行冷凝放熱，并通過(guò)熱泵技術(shù)提前所釋放的熱量，給政府辦公大樓、醫(yī)院和廠房提供取暖和制冷服務(wù)，成本比常規(guī)燃?xì)馊∨椭醒肟照{(diào)要低很多。這一技術(shù)在湖南已經(jīng)有了多個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的案例實(shí)證。

筆者認(rèn)為，工業(yè)化時(shí)代是通過(guò)蒸汽機(jī)燃燒化石能源“賣碳”方式來(lái)支持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與CO2排放成正比。與此模式相反，碳中和時(shí)代需要通過(guò)減碳來(lái)支持經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)要與CO2成反比，形成越來(lái)越大的剪刀口。在新模式下，我們需要更多的“逆燃燒”和“逆蒸汽機(jī)”技術(shù)。

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