清潔能源是未來之星

聯(lián)合國新一輪氣候談判將于11月30日至12月11日在法國巴黎舉行，加快取代部分傳統(tǒng)化石能源的速度，讓清潔能源真正地造福我們的生活，或?qū)⒊蔀楸敬未髸衢T話題之一。

近日，Climatescope——一份展現(xiàn)全球各國家和地區(qū)清潔能源發(fā)展競爭力的研究報(bào)告發(fā)布并宣稱，過去一段時(shí)間發(fā)展中國家和地區(qū)吸引清潔能源投資額度已高達(dá)1260億美元，其中僅在中國的投資額就超過890億美元。金磚國家開發(fā)銀行副行長LeslieMaasdorp日前表示，金磚銀行明年二季度將發(fā)放首批貸款，其中60%的項(xiàng)目落地在清潔能源領(lǐng)域。

顯然，全球在更多使用清潔能源的問題上已經(jīng)達(dá)成了共識。如何讓清潔能源價(jià)格更為低廉，比傳統(tǒng)化石能源更好用，成為擺在人們面前的另一道難題。相關(guān)專家認(rèn)為，持續(xù)進(jìn)行的技術(shù)革命，是清潔能源與傳統(tǒng)能源博弈的一枚重要砝碼。

近期舉行的彭博未來能源亞太峰會上，多位知名企業(yè)高管、投資咨詢機(jī)構(gòu)合伙人在會上展望未來10-20年清潔能源科技創(chuàng)新時(shí)表示，核聚變發(fā)電或成為下一步發(fā)電技術(shù)。氫能源、碳封存等具有爭議的技術(shù)也將有望讓我們的世界變得更為綠色。從應(yīng)用推廣角度來看，能量儲存技術(shù)和電池技術(shù)創(chuàng)新則將是關(guān)鍵。

“不可能”的研究仍在繼續(xù)

面對大氣污染以及溫室氣體排放引發(fā)的各種氣候異常問題，人們已經(jīng)意識到必須減少化石能源在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中比例，同時(shí)尋求更清潔的能源替代?；谏鲜瞿康模^去10-20年間，大量的風(fēng)電、光電、水電、核電廠在全球各地出現(xiàn)，尤其是在歐美國家，光伏發(fā)電的比例逐年攀升。

然而，也有不同觀點(diǎn)認(rèn)為，上述能源并不能完全稱為清潔能源，以光伏發(fā)電為例，光伏電池板制造過程是高耗能的，且充斥著各種污染。核電方面更是存在安全隱患，2011年發(fā)生日本福島核泄漏事件至今讓許多國家心有戚戚焉。

從技術(shù)角度來說，人們似乎還能找到更為清潔的能源。咨詢機(jī)構(gòu)M&LPartners合伙人ChivasLam認(rèn)為，發(fā)電在過去20年沒有什么新的技術(shù)的出現(xiàn)，不管是核能、水電、太陽能還是風(fēng)能，只能說規(guī)模在不斷放大。他認(rèn)為下一步發(fā)電中真正的創(chuàng)新是核聚變，而不是核裂變的發(fā)電。

當(dāng)兩個(gè)原子被狠勁擠壓并最終結(jié)合在一起時(shí)，就會發(fā)生核聚變。由此形成的更大的原子便會釋放出驚人的能量。這種現(xiàn)象一般自然地發(fā)生于太陽中心。核聚變發(fā)電則是把聚變?nèi)剂霞訜岬?億度以上的高溫，讓它產(chǎn)生核聚變，然后利用熱能。相比核裂變，核聚變沒有長久存在的放射性廢棄物，且是一種幾乎無限量的能源供應(yīng)，因此又被稱為人造太陽。

由于目前研究人員仍無法做到自由控制核聚變，不看好此項(xiàng)研究的核物理學(xué)家揶揄稱，核聚變發(fā)電距離商業(yè)化應(yīng)用永遠(yuǎn)都有20年的距離。盡管被認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)，近年來有關(guān)可控核聚變的研究還是不斷傳出取得突破的消息。

中國科學(xué)家在合肥使用熱核聚變裝置EAST（超托克馬克裝置，一個(gè)能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場的裝置）完成了放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。

2014年，美國華盛頓大學(xué)的工程師們在國際原子能機(jī)構(gòu)的聚變能會議上展示了他們設(shè)計(jì)的一種概念核聚變反應(yīng)器，這一設(shè)計(jì)是建立在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在封閉空間里創(chuàng)造了一個(gè)磁場，從而保證等離子體停留足夠長的時(shí)間以引發(fā)核聚變的產(chǎn)生，使得炙熱的等離子體反應(yīng)并燃燒。通過驅(qū)動電流至等離子體里就能夠產(chǎn)生大部分的磁場，這將減少所需要的材料量。根據(jù)與大型燃煤電廠成本進(jìn)行比對計(jì)算，按上述設(shè)計(jì)思路建造的核聚變電廠與燃煤火力發(fā)電廠發(fā)電所耗費(fèi)成本相當(dāng)。

《紐約時(shí)報(bào)》網(wǎng)絡(luò)版今年10月底報(bào)道稱，在一些科技大腕及風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)的支持下，美國的科技創(chuàng)業(yè)公司從政府手中接過了有關(guān)核聚變研究的重?fù)?dān)，試圖在聚變發(fā)電領(lǐng)域取得突破。今年6月份，一家名為TriAlphaEnergy的公司，其開發(fā)的機(jī)器將一個(gè)氫氣體球加熱至1000萬攝氏度，并且在這個(gè)氣體球散開前維持了5毫秒，這比此前政府項(xiàng)目取得的成果要大。

氫能社會或?qū)?shí)現(xiàn)

“我覺得再過5-10年，我們是能夠?qū)崿F(xiàn)氫能的社會，氫氣變成能源。我覺得氫能會有一個(gè)體系、系統(tǒng)的出現(xiàn)，向我們的社會提供能源。”日本新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）新能源技術(shù)局局長ShintaroMatsumoto相對看好氫能源的發(fā)展。

與核聚變一樣，氫能源同樣具有取之不盡且無污染的屬性。但有關(guān)氫能源的推廣應(yīng)用，同樣充滿著爭議。從軍工領(lǐng)域來看，航天飛機(jī)和火箭早就采用了液氫燃料。如今全球研究者們則是在尋找大量且廉價(jià)生產(chǎn)氫燃料的方法。研究者們通過陽光以及加入催化劑等方法分解水來取得氫氣，紅鞭毛桿菌、紅螺菌等微生物也被發(fā)現(xiàn)能在陽光作用下制取氫氣。ShintaroMatsumoto表示，如果氫能源未來幾年被證明是有效的話，將來風(fēng)能也可以轉(zhuǎn)化成氫能進(jìn)行輸送。資料顯示，日本正加速構(gòu)建氫能源社會，目前加氫站密度位列全球第一。制氫方面則從天然氣、水電解、褐煤以及污泥等途徑獲取氫。

對于汽車廠商們來說，對于氫能源的終極使用莫過于氫燃料電池。區(qū)別于傳統(tǒng)的化學(xué)干電池，氫燃料電池其實(shí)是一種發(fā)電裝置，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中只會產(chǎn)生水和熱，不產(chǎn)生污染。近日舉行的第44屆東京國際汽車展上，豐田汽車推出了一輛藍(lán)白色的氫燃料電池概念車——FCVPlu，據(jù)豐田方面介紹，通過不斷提升技術(shù)，未來將減少鉑金這類貴金屬催化劑的使用，進(jìn)一步降低氫燃料汽車的成本。

尋找污染更少的新能源是緩解溫室氣體排放的一個(gè)路徑，直接將二氧化碳捕捉進(jìn)行封存，則是穩(wěn)定大氣溫室氣體濃度的減緩行動組合中的一種選擇方案。這種技術(shù)最早應(yīng)用于煉油、化工等行業(yè)。將二氧化碳注入油氣層起到驅(qū)油作用，既可以提高采收率，又實(shí)現(xiàn)了碳封存，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和減排效果。然而對于燃煤電廠來說，實(shí)現(xiàn)碳捕捉面臨著種種困難。

據(jù)悉，中國一些電廠已經(jīng)進(jìn)行過一些碳捕捉和封存的實(shí)踐，由于成本高且缺少經(jīng)濟(jì)規(guī)模，推進(jìn)并不順利。挪威石油公司中國區(qū)總裁陳新華表示，另一方面碳封存還存在泄漏和安全的問題。如果能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)，在能源轉(zhuǎn)換方面來說將有更好的未來。

資料顯示，南京大學(xué)的研究人員曾利用人工光合成反應(yīng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锶剂稀?美國喬治華盛頓大學(xué)(GeorgeWashingtonUniversity)能源所主任StuartLicht設(shè)計(jì)了最終循環(huán)機(jī)。他和同事在實(shí)驗(yàn)室建造了一個(gè)太陽能反應(yīng)堆，借用太陽光把二氧化碳再一次轉(zhuǎn)化成燃料。

喬治亞大學(xué)生物能源研究部學(xué)者宣布，通過改變所研究的微生物的基因物質(zhì)來模擬植物的光合作用，這種生物與二氧化碳產(chǎn)生反應(yīng)后會生成3-羥基丙酸，這是一種工業(yè)材料。

福特汽車則將投資350萬歐元用于研究可替代燃料，而德國政府也參與資助了這項(xiàng)為期三年的計(jì)劃，用以測試全球首輛以二甲醚和甲氧基乙醚作為燃料的汽車。這兩種醚類物質(zhì)均通過天然氣或沼氣提取，亦可通過一種被稱為“powertoliquid”（利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源和空氣中的二氧化碳為原料）的復(fù)雜工藝合成。

電池、儲能技術(shù)發(fā)展有望立竿見影

“能源是非常短暫的，所以我們需要進(jìn)行儲存。”彭博新能源財(cái)經(jīng)顧問委員會主席MichaelLiebreich指出。在諸多新能源專家看來，一方面需要尋找更有清潔低廉安全的能源來逐步替代現(xiàn)有的化石能源。另一方面大量的可再生能源發(fā)電無法消納，白白浪費(fèi)的問題更迫切需要得到解決。

“能源存儲對于低碳經(jīng)濟(jì)是不可或缺的一個(gè)支柱。”陳新華認(rèn)為。壓縮空氣儲能技術(shù)和其他的電池技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，會是未來解決方案之一。他以中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)電機(jī)系教授盧強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的壓縮空氣儲能罐舉例。壓縮空氣利用了分子的內(nèi)力，儲能罐里的空氣壓力是40兆帕，即400個(gè)大氣壓。只要閘門一開，壓縮空氣就將噴射而出。用12缸、24缸的發(fā)動機(jī)來驅(qū)動一個(gè)轉(zhuǎn)動的大軸，大軸連著發(fā)電機(jī)，給了磁場就能發(fā)電。壓縮空氣儲能不受地理?xiàng)l件限制，可利用無法消納的“垃圾電力”，排放的則是冷空氣，不會造成污染。

軟銀中國資本管理合伙人AlanSong透露，已經(jīng)花了5年的時(shí)間研究電池，他認(rèn)為液態(tài)電池是有發(fā)展?jié)摿Φ?。投資過的幾個(gè)公司正在做能量儲備方面的網(wǎng)絡(luò)，能效非常高，正在利用可再生能源來進(jìn)行電池的生產(chǎn)。

液流電池系統(tǒng)則被認(rèn)為是未來風(fēng)光儲能最佳路徑之一。在可再生能源使用比例較高的德國，相關(guān)公司已經(jīng)可以為客戶提供包括高能鈉硫電池系統(tǒng)在內(nèi)的智能集成控制電池系統(tǒng)，將各種可再生能源存儲起來并隨時(shí)調(diào)用，其反應(yīng)時(shí)間比普通電廠的電力平衡系統(tǒng)要快3000倍。

目前全釩液流電池技和鋅溴液流電池已經(jīng)進(jìn)入了商用和應(yīng)用推廣階段。然而因活性物質(zhì)成本較高，研究人員們也在研發(fā)其他技術(shù)路線的液流電池。哈佛大學(xué)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)去年在《自然》雜志上發(fā)表論文，介紹了“無金屬有機(jī)-無機(jī)水液流電池”，突破了液流電池以金屬為基礎(chǔ)的材料結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)使用了自然界大量存在的廉價(jià)有機(jī)材料醌分子，只需儲油桶大小的醌液流電池，就能借助屋頂太陽能板儲存一天的太陽能，而成本僅為全釩液流電池成本的三分之一。

德國耶拿大學(xué)(FSUJena)的化學(xué)家研究組研究的氧化還原液流電池使用了有機(jī)聚合物和無害鹽水溶液。在測試中，這種液流電池可承受高達(dá)10000次充電周期，且不喪失關(guān)鍵儲存量。而中國同樣走在液流電池研發(fā)技術(shù)前端，中國企業(yè)不但開發(fā)了全球最大規(guī)模的全釩液流電池儲能系統(tǒng)，中國科研人員還參與研究制定了國際的液流電池標(biāo)準(zhǔn)體系。

相較于液流電池系統(tǒng)適用于大規(guī)模的儲能應(yīng)用項(xiàng)目。我們熟悉的鋰電池則在日常領(lǐng)域發(fā)揮著能量儲存作用。大量有關(guān)提高電池性能、降低制造成本以及減少充電時(shí)間的研究仍在持續(xù)推進(jìn)。

近日，日本東京理科大學(xué)研究人員宣稱在新一代鉀離子電池的研發(fā)中獲得突破。這種電池適合在短時(shí)間內(nèi)的充電及一次性釋放大量電流，輸出高功率。不過受制于尚未找到合適的正極材料。預(yù)計(jì)這一鉀離子電池最早將于明年才能問世。

特斯拉純電動汽車在全球掀起風(fēng)暴后，其選用的三元材料電池跟著一起走紅。相對傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池，三元材料電池能量密度更大，續(xù)航里程更長，使得電動汽車的性能逐漸與傳統(tǒng)燃油汽車看齊。這令不少原先生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池的廠家紛紛轉(zhuǎn)向了三元鋰電池。來自德國的最新消息稱，特斯拉CEO馬斯克尋求在德國建造電池制造廠，瞄準(zhǔn)德國的家用儲能市場，或令三元電池的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

比起核聚變發(fā)電、氫能社會構(gòu)建，儲能、電池技術(shù)進(jìn)步看起來要容易得多。相關(guān)專家認(rèn)為，我們的世界變得更加綠色，短期內(nèi)顯然將最先得益于儲能和電池技術(shù)的進(jìn)步。

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測算，到2020年，僅我國儲能產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模有望超過2000億，包括風(fēng)、光電站配套儲能、分布式發(fā)電及微網(wǎng)儲能、新能源汽車車用儲能、通信基站儲能等。而電池儲能方面，據(jù)BCCResearch的預(yù)測，到2020年市場規(guī)模約為39億美元，年復(fù)合增長率保持在25.1%。

中國非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與中國能源網(wǎng)研究中心將于2015年12月10日在北京舉辦“2015非常規(guī)油氣合作伙伴峰會暨非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會”，詳情請點(diǎn)擊
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