低碳经济环境下的新能源发展.docx

低碳经济环境下的新能源发展一燃料电池的战略意义日本福岛核电站事故提醒我们思考以下问题：将核电作为低碳发展的重要方向是否正确？在潜在风险与预期收益之间应当如何评估可行性？向人类社会这一“黑箱”输入的能源，也即一次性能源，包括化石能（煤、石油、天然气）、核能、水电以及其他可再生能源；在“黑箱”内转化提供给人类以有用功；同时，向“黑箱”外输出废物，包括热能和二氧化碳等；可用图1来表达。图1排放碳的“黑箱”模型当我们期望通过减少二氧化碳排放来缓解人类活动对自然的影响时，思维习惯使得我们往往最先从输出和输入中去考虑、寻找方案。例如，打造二氧化碳的“汇”——植树造林、深海/深井灌注，或者减少二氧化碳的“源”——发展非化石能源。而更重要的方案，还存在于“黑箱”内的过程，即提高能源的利用效率。社会经济的历史告诉我们：能源产业革命往往是由用能方式的变迁而引发的，比如：蒸汽机引发煤经济、内燃机带来石油经济。因之，发掘“黑箱”内部过程的新兴产业，是打造低碳经济的核心环节。迄今，“黑箱”内部实现从能源到有用功转化的产业方式，除了风电、水电直接将自然界的机械能转变为电能外，其他都依赖热机，即将化石能、生物质能、核能转变成热能，然后从热能转换为机械功。目前利用这种方式消耗的一次能源输入占比超过91%，其中以C-H键能提供的化石能为85%（见表1）。热机，包括轮机、燃机等，其运作的极限最高效率受卡诺循环限制，在实际工作时最接近极限最高效率的负荷区分布很窄，而绝大部分的负荷点效率均远低于极限效率。提高转化效率的办法有两种：其一，基于热机持续优化，努力让热机保持在高效区运行；其二，变革能量转化原理，采用比热机更先进的能量利用方式。|Excel下载表1一次能源消耗比例构成及预测优化热机效率路线，有很多新的技术与产业在出现。已经开始形成规模化、产业化的混合动力汽车，就是利用电池和电解过程的高效率，在传统的纯内燃机汽车上集成了二次电池，在内燃机低效率的负荷区让电池出力，而在内燃机高效率的负荷区内燃机出力并向电池充电（电解过程）。从汽车的局部空间扩展到火力或热力电厂和电网覆盖的空间，发展高效率储能技术来实现电力消耗波峰/波谷时电厂端热机效率的优化提升，也是当前的热点，例如，纯电动汽车与插电式汽车、液流电池、抽水蓄能等都是其手段之一。变革能量转化原理路线，目前只有燃料电池（FuelCell，FC）这一类可能的选择。燃料电池遵循电池原理，而不是热机原理。即：活性物质——氧化剂、还原剂（即燃料）——不用经过热化学过程先变成热能再去转成有用功，而是经过电化学过程一步直接获得电能，并获得产物。这一电化学过程能量转化效率由于不受卡诺循环限制，相同用途的燃料电池效率都要比热机高出70%以上。燃料电池与蓄电池或者二次电池工作原理相同，但蓄电池将活性物质、产物和反应场所放在一个独立封闭的空间内，只是随着外界放电/充电循环、内部从活性物质到产物/产物到活性物质，与外界没有能量物质的交换，不能构成能量转化的功能，只是一个储能体，可以起到优化效率的作用。鉴于燃料电池是热机唯一的换代换选者，从20世纪90年代以来技术快速发展，已处于产业化的前夜，各国均将其作为未来产业的战略储备。当前燃料电池技术发展与产业铺垫主要围绕汽车、电源以及发电，这与低碳经济发展的需求相吻合。图2表明能源生产和交通应当是发展低碳技术与产业的主要领域。二燃料电池的产业经济模型自1839年WilliamGrove爵士发明燃料电池，特别是20世纪60年代美国将燃料电池成功应用于航天器以来，燃料电池研究者针对各种需求进行了持之以恒的研究开发。燃料电池分散发电装置的示范应用，表现出相对于火力发电的巨大效率优势。在这一领域中，固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是最具发展潜力的种类，西门子—西屋公司是SOFC的开发商代表。这类燃料电池操作温度比较高，可直接以重整气、合成气、天然气为燃料，而氢是最佳的燃料选择。燃料电池汽车的示范运行，同样显示出相对内燃机汽车的效率优势。汽车用燃料电池的种类是质子交换膜燃料电池（PEMFC），其最佳燃料为车载氢。表2说明与传统燃油汽车相比，燃料电池汽车有潜力将效率提升2倍，相应的二氧化碳的排放也就减少2倍。表2丰田公司燃料电池汽车研发目标自1993年以来，燃料电池技术在汽车领域取得了突飞猛进的发展，让人们感知到一次深刻的产业变革在孕育。美国、欧盟以及日本先后在2002～2003年宣布了支持燃料电池的国家策略，并提出了氢能经济的产业模型构想，宣布期望在2040～2050年进入氢能经济时代。在这一构想中，氢与电被设计成洁净的二次能源载体，如图3所示，分别供给移动分散设备和固定场所设备去使用（用氢取代现在的汽油、柴油、煤气等含碳的、依赖于一次能源的二次能源），则在消费终端没有污染，二氧化碳可方便地在发电、制氢