風(fēng)能應(yīng)率先成為能源的重要組成

美國紐約時間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)合國總部正式發(fā)布。與過去不同，聯(lián)合國秘書長參加發(fā)布，足見問題之重大。這份報告全面概述了全球溫度、重要影響事件和長期氣候變化關(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，但化石燃料仍是當(dāng)前最主要燃料的狀況并沒有改變。主要的原因是，目前還沒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;(3)能夠長距離安全運(yùn)輸，這一點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)全球化時代尤為重要;(4)能夠長期安全存儲，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量非常大，人類遠(yuǎn)遠(yuǎn)用不完。我國可利用的太陽能、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。我國風(fēng)電經(jīng)約30 年的發(fā)展，取得了很大成績，成本可以與化石能源相當(dāng)，具備與之展開競爭的條件。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、高壓空氣儲能、電池儲能等措施，取得一定效果，但仍未徹底予以化解。就是因?yàn)闆]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、大量儲能困難的問題。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)，又不會造成環(huán)境污染，達(dá)到上述的七點(diǎn)要求。通過人們不斷努力，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。

現(xiàn)在人類應(yīng)當(dāng)重新認(rèn)識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。

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，無毒、無放射性或其他危險元素，無二氧化碳排放。經(jīng)過認(rèn)真研究，初步篩選出鐵、鋁、鎂、硅、鈦、硼、鋅七種材料。其中，鐵、鋁、硅儲量豐富，價格也比較便宜( 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， 其物理化學(xué)性質(zhì)介于金屬與非金屬之間。有單位鑒于硅儲量大、價格低，硼能量密度高，也在對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)在人類應(yīng)當(dāng)重新認(rèn)識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)到納米級大小(10-9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：通過對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)?，既沒有二氧化硫、氮氧化物(通過燃燒控制)等有害氣體，更沒有二氧化碳，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，更不需要對二氧化碳進(jìn)行收集、吸收和儲存埋放。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度絕對溫度，20個大氣壓)，不適合重型車輛和大設(shè)備?，F(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，又能儲存;能夠與煤、油、氣一樣隨時隨地用來驅(qū)動熱機(jī)，進(jìn)行發(fā)電或供給動力。要應(yīng)用微納米材料，首先必須解決微納米材料的制備問題。目前制備金屬粉的方法大致可分為三類 : 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)金屬粉的常見工藝。“電解鐵”就是將粗鐵預(yù)制成厚板作為陽極，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。由于對微納米粉的研究近幾年才比較廣泛地開展起來, 還有許多問題需要進(jìn)一步解決，如成本高、產(chǎn)率低、粉的收集和存放困難等。我國的科技人員近些年在超聲電解法制備金屬粉方面開展了大量工作。該方法具有工藝簡單、成本低、無毒、無污染等特點(diǎn), 是制備金屬粉的一種新方法(以常見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脫離陰極表面, 就會迅速長大, 其粒度一般在十幾微米以上。另外，還要經(jīng)過球磨、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題。此外, 超聲振動及產(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，并隨溶液的流動分散在溶液中,防止顆粒的長大。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，超聲的加入對粉末粒度的降低有很大作用。此研究對生產(chǎn)制備微納米鐵粉很有幫助。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，并且電解工藝對風(fēng)能、太陽能的間歇性不穩(wěn)定供電有一定的容忍力。

(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、難于長期儲存、存在安全問題進(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，并且電解工藝對風(fēng)能、太陽能的間歇性不穩(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)。火箭助推器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)也顯示，所用的金屬鋁粉直徑是微米級的(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。如我國的鐵礦石儲量有500 億噸;硅、鋁儲量也十分豐富;鐵粉現(xiàn)有產(chǎn)量較多，宜優(yōu)先考慮。(3)燃燒過程中沒有有害物排放，是可持續(xù)發(fā)展的，不會出現(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)電場和風(fēng)能載體金屬粉生產(chǎn)廠。在此過程中，需要注意的問題包括：(1)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電與電解工藝的匹配。開發(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)電會導(dǎo)致大量的退役葉片，對環(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。我國雖然只有零星單項(xiàng)研究，但一些有遠(yuǎn)見的單位早已開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;煙臺海軍航空工程學(xué)院于十年前發(fā)表過制備超細(xì)金屬粉的研究報告;南京航空學(xué)院也在十年前發(fā)表過風(fēng)電直流電網(wǎng)的方案論文;宏海新能源公司近來開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)馗挥械墓琛X、鐵等原料，生產(chǎn)金屬粉燃料供應(yīng)到全國，其意義將十分重大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過解決棄風(fēng)問題。(當(dāng)然，要采用先進(jìn)的工藝，不能排放二氧化碳。)但這畢竟是一個跨多個行業(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)乎國家能源的大政方針。建議國家對此給予充分支持，并組織產(chǎn)學(xué)研有關(guān)單位緊密合作，以期在應(yīng)對氣候變暖方面做出我國的一份貢獻(xiàn)。