全球碳中和運動缺乏一個明確的理論基礎(chǔ)

文章來源:中國能源報陳新華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”技術(shù)

 
自工業(yè)革命以來,人為的大規(guī)模CO2排放來源包括能源領(lǐng)域和非能源領(lǐng)域兩個方面。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)域則是來自于化工、鋼鐵、水泥等工業(yè)制造過程中的化學(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蒸汽機、內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C進(jìn)行,對應(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?,釋放能量產(chǎn)生動力,同時形成二氧化碳,并通過水蒸汽散發(fā)余熱。
 
近兩個多世紀(jì)以來,人類依靠化石能源燃燒的“火”建立了現(xiàn)代工業(yè)與文明。然而事實證明,這一集中式燃燒化石能源的“舊火”系統(tǒng)越來越不可持續(xù),對經(jīng)濟(jì)、安全、健康、環(huán)境的威脅也越來越大。美國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,到2050年,美國經(jīng)濟(jì)將達(dá)到2010年規(guī)模的2.6倍,而通過“新火”替代“舊火”,不再需要消耗任何石油、煤炭和核電,就可為美國節(jié)約5萬億美元的能源開支,且這一切可以完全利用現(xiàn)有的技術(shù)來實現(xiàn),不需要任何政府補貼和國會法案的支持。
 
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)岷秃四埽次覀兂Uf的“零碳”能源。然而,以零碳能源代替化石能源來解決CO2排放問題,與CO2的關(guān)系是間接的。由于當(dāng)前CO2排放的主要來源是化石能源燃燒,因此有必要直接就CO2排放問題開展一些理論探索,如化石能源能否不通過燃燒來獲取能量?有沒有好的辦法來消除CO2對大氣的影響?化石能源燃燒的過程是否可逆?能否通過“逆燃燒”的辦法,將CO2和水合成為碳?xì)浠衔铮?/div>
 
此外,燃燒過程產(chǎn)生大量的廢熱,除了可以梯級利用部分之外,大多數(shù)還是通過水吸熱相變,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“逆蒸汽機”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?
 
回答上述問題,筆者認(rèn)為答案無疑是肯定的。
 
■化石能源能否不通過燃燒獲取能量?能!燃料電池就是通過非燃燒的方式從化石能源中獲取能量。
 
■能否消除CO2對大氣的影響?能!碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術(shù)就是基于這個問題來發(fā)展起來的,核心是轉(zhuǎn)換利用,而不是簡單的地質(zhì)封存。
 
■能否通過“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)展非常快速,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)廢熱或太陽能光熱,在常溫常壓下將CO2和水低成本地合成為碳?xì)浠衔铮摷夹g(shù)目前正在中試階段。
 
■能否通過“逆蒸汽機”的方法,將燃燒過程產(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!這方面我國已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?;茝V的階段了。北京國際能源專家俱樂部2017年評估與推廣過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)有了多個商業(yè)化運營的案例實證。
 
筆者認(rèn)為,工業(yè)化時代是通過蒸汽機燃燒化石能源“賣碳”方式來支持經(jīng)濟(jì)增長,經(jīng)濟(jì)增長與CO2排放成正比。與此模式相反,碳中和時代需要通過減碳來支持經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長,經(jīng)濟(jì)增長要與CO2成反比,形成越來越大的剪刀口。在新模式下,我們需要更多的“逆燃燒”和“逆蒸汽機”技術(shù)。
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