二十一世纪的能源革命

二十一世纪的能源革命二十一世纪的能源革命仲武摘要：本文提出一个新的观点，呼吁重视调整、改变、改进长期形成的能源利用方式实现各种能源的高效率利用、循环利用，让“能量动起来、热机冷下来”，希望通过多学科技术交叉应用创新，带来能源应用的变革，进而推动一次新的能源革命的展开。今天能源危机、环境危机已经迫在眉睫，人类亟需一场能源革命。但是革命是什么？革命从哪里开始？靠什么革命？能称之为革命的，应该是大动作，是让能源产业、能源结构、能源效率发生巨大变化的东西。创造是从无到有，创新是从有到用。人类现在对地球资源已经基本上了解清楚，容易获得的资源已经开发殆尽，从创造、发现的角度，已经开始研究、开发页岩气、可燃冰了能不能回头看看，还有什么可以创新的地方？我们有没有忽略什么东西？如果没有机会创造，我们也要看看还能不能创新。本文不研究能源的获取，着重从已有能源的利用方式、利用效率等方面进行探讨，希望能通过创新，在同样满足人类目前生产、生活热量、动力需求的情况下，大幅度减少能源的直接消耗，通过模式改变、效率提高，让已有的、少量的可再生能源、清洁能源资源能逐步满足全社会的用能需求，从而用新的方式找到解决能源危机、环境污染、地球温室效应等一系列问题的出路，来一场新的能源革命。一、改变能源应用方式人类千百年来养成一个惯性思维：需要热量，就习惯用传统的煤、气、油、电等能源转换成热能来利用。人们熟知的能量守恒定律，让我们许多人忽略了使用一种叫“热泵”技术的热能搬运“杠杆”作用。即消耗一份能量，带动其它介质中已有热量的再利用，目标得到同样热能，但新消耗的高品位能源、石化燃料大大减少，实现大幅度节能减排。1、狭义的热泵应用热泵技术有很多种，空调、制冷系统采用的是一种压缩式热泵系统，空调可以高效率地将室内外的热量来回搬运，夏天，把房间里的热量搬到室外；冬天把室外的热量搬到室内，能效比普遍在3倍以上，换句话说，比直接消耗能源物质获得热量的方法，节约能源三分之二以上！人们使用空调、冰箱已超百年，这些年逐步推广开的水源热泵、地源热泵，也都是该原理的典型应用。遗憾的是，虽然能效比高，节能效果明显，但这些应用场合的设计温度太低，以输出温热水为主，主要用于空调、制冷、采暖、生活洗浴等，没有更高的工业利用价值，未能涉及工业领域的高耗能环节，难以产生更好的节能减排社会效益。其实热泵技术本身从来没有“说过”自己不能超过100°C，这二三十的温差会成为物理学上的一个瓶颈吗？难道只能用在几十度上？答案当然是否定的！经过我们的研究实践证明现有的热泵系统输出可以很容易地达到100C以上，并且长时间高效率运行，完全可以介入大多数工业领域的高耗能环节，实现能源消耗关键环节的大比例节能。例如蒸汽锅炉，以前热泵技术只能在水加热70C以下时起作用，涉及的工作范围太小，所节约的热能最大只能占到全热的3%〜8%,从系统复杂性、成本增加量等综合考虑，没有实用价值。当热泵介入“水-汽”沸腾高耗能环节，且保持较高能效比时，才是热泵技术得以获得应用上的突破的基础。热泵有太多种类，从某种意义说，凡是带有热量的物质移动，如果关注的是物质本身那就是“水泵”、“气泵”；但如果设法让移动的物质尽可能多的携带热量，以热量为关注对象，热量的移动为主要目的的话，那就是热泵了。驱动热泵工作的能量来源也包括电能、热能、势能等。以目前的各种成熟的技术来说，只要你的需求不要太高，比如超过200C，现有的设备、技术、工艺完全可以组合出你要的系统，通过热泵方式满足用热需求，实现大幅度节能的目的。如果我们的锅炉能从现在努力追求100%的效率，变成起步就是200%〜300%的效率或更高，节能50%以上，若我们家家户户的厨具节能60%以上，发热量就会成倍减少，厨房、车间就会变得凉爽。采用热泵蒸发方法处理污水、淡化海水，一吨污水耗电仅数十度，还能生产纯水。进一步推广开来，将热泵技术在能源综合利用的场合充分利用，实现将空气中的、污水里的、土壤里的、回收其他排放热源得到的热量搬到生产、生活设备中循环利用，实现企业内冷热作业面的热能调度，从原来需要热量就消耗能源物质转换获得，变为从其他环节高效率回收、搬运获得，系统新增的能量消耗、环境热排放仅是原有直接能耗模式的几分之一、几十分之一，大大提高了能源的利用效率。应该让全社会重视“让能量动起来”，甚至有必要从中学教育开始，让学生在了解能量守恒定律的同时，就了解能量获取的方式不是只有消耗能源物质一对一换取的一种方式还有更高效率获取能量的手段！2、广义的热泵应用本文提出的所谓广义的热泵应用，是指将上述的热泵技术实现时间、空间上的开放式应用。有点像古时候的冬天冰块蓄冷、夏天吸热降温；现有的错峰用电蓄冷、蓄热；天然气液化运输后的液态天热气所含“冷量”再利用等等。把热泵技术的热媒、冷媒传输不要在局限于小系统，实现大系统、跨场景、跨地区、跨时段应用。比如，我们常用的空调，是冷媒在压缩机的抽吸作用下，在蒸发器里降压、吸热蒸发携带汽化热的物质，被压缩机增压，温度随压力增加自然升高，并随着管路移动到另一个位置进入冷凝器后，遇到相对较低的温度条件，就会冷凝、放热，释放大量热量。如果基于这个道理，我们利用热泵技术制作一种新的锅炉，它能把环境空气的热高效率搬运到水里，实现输出热水、蒸汽。这种新的“锅炉”根据逆卡诺循环理论，其效率在100%以上，远远大于现有的电加热锅炉。那些失去热量的环境空气温度降低。如果能实现部分空气的热量进一步被“搬走”，温度大幅度降低，空气就会变成液体，它的凝结热也将一并被搬运到水中，都随着热水、蒸汽输出使用；而某种意义上就可以得到“免费”的液态空气这个“副产品”。进一步，将这种约-200°C的含有“冷量”的物质，通过车辆、管路运输到需要动力的场合，让它通过热交换器、气化器吸收免费的、环境空气热或其他废热，实现沸腾、汽化、气化膨胀成为高压气体，该气体可以推动发动机、气缸活塞运动，实现将低温的、免费的环境热量转化为人们需要的动力，满足新的需求。能量在甲地从空气中进入水里、变成蒸汽进入生产生活环节，最后散发到环境中；失去热量的液态空气经空间移动到达乙地，在乙地由于它自身极低的温度，则又可以吸收、撬动当地已有的“低温”热量转化为高压空气的势能通过热机部分转化为输出动力，泄压后的空气排放回环境。最后在大环境下、大气层内实现热平衡。上述过程中一次电力能源消耗，实现、启动了空气所含的热量流动，进而分别满足了甲地蒸汽、乙地动力的两个需求，用能量流动的方式，替代了原来需要在甲乙两地分别消耗能源物质的能耗模式。英国高瞻公司利用“垃圾电”制作“液态空气”，实现储热、储冷，利用时间、空间差，再次实现储能发电、高压空气动力输出等系统应用。狭义的热泵应用是通过实现小范围的、实时的能量流动满足不同环节的热能、动力需求；广义的热泵应用是通过实现大范围的、异步的能量载体的搬移、流动，分别满足不同场合、不同时间的热能、动力需求。类似的应用早有先例，只是没有系统的、全面的得到推广应用，发挥出更大的社会效益和经济效益。二、发展能源应用理论目前中国电力能源的约70%靠火电提供，但是火力发电的工作原理还是基于100多年前诞生的郎肯循环，几乎没有发展！人们获得动力的主要理论是卡诺循环。现代的汽车虽然外观、构造、舒适度、信息化装置已经千变万化，但是用卡诺循环理论设计的内燃机的工作原理、能源供应模式则几乎没有变化。产业的革命，首先是理论的革命，只有理论的革命性发展，才会带来产业的革命性变革。本文将从基本的郎肯循环和卡诺循环入手，探讨一下如何结合这两大理论诞生后100多年来人们取得的技术进步，进行一次认识创新和理论创新。1、改进发展郎肯循环朗肯循环（英语：RankineCycle）也被称为兰金循环，是一种将热能转化为功的热力学循环。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质（通常使用水）加热，实现热能转化做功。朗肯循环理论虽然诞生于19世纪中期，但即便到了今天，郎肯循环仍产生世界上90％的电力，包括几乎所有的太阳能热能、生物质能、煤炭与核能的电站。郎肯循环是支持蒸汽机的基本热力学原理。因为郎肯循环诞生的年代也有必然的历史局限性，那个时代研究热力学的机械条件、流体力学理论和现在差距很大，难免存在一些缺陷和不足。主要的问题是输出效率低、热量浪费巨大。系统能效理论值上限约50%，而且随着效率的提高，系统成本、安全风险、实施难度均大幅度增加。现在为了改善能源利用率，常用的低成本的方法就是设法利用好冷凝热，利用冷凝废热输出温水、热水、低压蒸汽，但无法提高热电、热功转换效率。通过对朗肯循环特点分析可以得知，造成其效率低下的主要环节就在于冷凝放热部分因此，想要大幅度提高郎肯循环的效率，只有两个出路：1、尽可能减少冷凝放热；2、回收再利用冷凝热。减少冷凝，就意味着应该尽可能直接利用做功后的乏汽。实现蒸汽直接再利用通常能想到的就是机械再压缩，但由于工作过程中需要消耗机械能，通过直观的能量守恒定律分析费效比较低，实际应用中均没有采用这种技术来实现蒸汽再循环利用。随着技术进步，现代已经有许多技术可以满足上述需求，实现对郎肯循环的改进和发展。利用流体力学中的文丘里管原理和科恩达效应，可以实现高压流体、气体带动低压流体运动，并最后混合。以现在工业气动设备领域用于节省压缩空气的“空气放大器”装置为例，如果入口被吸入的气体是低温、低压蒸汽，驱动气流是高温、高压过热蒸汽，在高温蒸汽从环形喷口喷出时，会膨胀、降温、降压，同时与低温、低压蒸汽混合，达到热量动量平衡，最终气流是中温、中压混合蒸汽，从出口排出。高压、高温蒸汽的获得只需要热量就可以实现，实现了没有消耗机械功或电能就达到乏汽增压、增温再利用的目的。有资料报道国内有单位做了这样的应用，产品名称叫“射流凝汽器”，这种装置确实利用水射流、雾化吸热的效果，直接吸收乏汽的热量并实现冷凝。该技术不足之处是没有利用射流的动能，而且蒸汽凝结热量巨大，靠循环冷凝水自身吸热总量有限，单独使用不能解决热量回收利用的问题。因此没有大量推广应用，其节能减排效果也没有得到行业的重视。但和其他方式组合使用、合理使用才能发挥其特殊的功能作用，辅助实现蒸汽乏汽的直接利用，减少蒸汽冷凝量和冷凝散热。一个对高低温、高低压变化非常敏感的蒸汽动力循环系统，应该充分考虑流管面积、空间、流速、压力、温度、动压、静压等混合因素，充分利用这些因素之间的关系，实现高效率的热动力循环。比如，利用流体热力学理论可以通过改进传统凝汽器结构，将蒸汽乏汽一分为二，一部分冷凝，一部分采用其他技术实现直接利用；让不需凝结直接利用的那部分乏汽带走冷凝热，最大限度减少冷凝热的散失，提高热量的利用率。改进后新的循环，首先应利用非机械动力的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用，其次充分设法直接回收再利用未能直接利用的乏汽凝结释放的冷凝热，让未能通过汽轮机一次转化为功的热量有机会参与下一次做功循环，经过多次转化做功，在理论上实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。2、重新认识卡诺循环卡诺循环是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向，可以简要理解为提高高温温度、降低低温温度、减少其它机械摩擦和热损耗。老师在给学生传授有关卡诺定理知识的时候，常常忘不了额外补充几句，比如：“实际上、低温热源温度T2降低很难实现，人们大都考虑如何提高高温热源温度T1，来提高效率”、“显然，高温热源温度T1越高,过程效率越高”、“卡诺循环决定了热机的最高理想最大效率，任何系统的效率都不可能超过这一结果”，等等。这几句话表面上看好像没有问题，但是再仔细推敲一下，还是有点问题，需要回到原点，重新认识一下卡诺循环。首先，现在的热泵技术（逆卡诺循环）已经很成熟，T2的降低不仅很容易，而且还是一个高效率获取热量的过程；回收热量的过程也不一定需要消耗机械功；回收获取的热量可以用于维持T1，也可以用于其他系统、场合。整体的热功转换效率、热能利用率可以大幅度提高。其次，从卡诺循环的公式可以看出，想要提高热效率，除了增大处于分子位置的高温热源T1，还可以通过降低处于分母位置的低温热源T2。而且显然，对于热量总量有限、高低热源温度绝对值差值不大的情况下，减小分母可以迅速提高效率！实际是工作温段越低，热机越容易获得高效。因此，我们应该设法采用让“热机冷下来”的思路，提高低能量消耗、低能量密度的热机效率。再次，即便采用增加高温热源T1的方式提高效率，大量的热量高密度聚集，必然抬高低温热源，或者说低温热源确实难以维持、降低。应该可以利用低温热源设法启动第二个、第三个卡诺循环，利用多个热机做功过程组合改善提高全系统热效率。这也可以解释为什么会有涡轮喷气发动机喷水加力、柴油乳化加水、涡轮风扇发动机等技术应用。事实上应用还不彻底，飞机、火箭、内燃机还在喷火、排热，应该让浪费的、大量的热充分的、多次的、尽可能的转化为功，只有让“热机冷下来”才能大幅度提高动力设备的能源利用率。2019年底英国空天飞机发动机研究工作取得较大进展，从中央电视台13频道2019年12月17日相关新闻消息中看到的发动机工作动画和同时公布的三种燃料成分，已经明确说明液氮是除了液氢、液氧之外的第三种“燃料”介质成分，明确说明空天飞机发动机用它确保发动机内部工作在较低温度，同时发动机仍然保持较高效率。我们提出一个用液态空气作为“工质”的扩展卡诺循环应用的思路。利用超低温的液态空气“撬动”常温热量作为能源。液态空气汽化开始，就从环境空气、水、土壤中吸热获取能量变成势能，形成高压、常温的气体，然后适时、适量的进入现有内燃机的气缸等膨胀做功环节，模拟实现原来靠燃烧释放热量、介质吸热膨胀得到的同等压力场景，后续输出动力的过程则完全一样。卡诺循环的T1\T2大幅度降低。汽车由携带能源利用免费空气，改变为携带空气利用免费能源。这是一个使用液氮吸收环境热的实验，由原来酒精灯烧水，水蒸气推动活塞运动，改为空气热量“烧开”液氮，产生的高压氮气推动活塞运动目前我们已经完成利用高压气体改造现有的汽油机、柴油机的应用实验。三、创新能源应用实践随着能源应用变革的深入展开，必然要求一些传统的能源应用产品发生一些改进、变化，从而进一步提高能源利用过程的综合效率。需要改变的环节很多，不能一一列举，本文只提出两个示例、思路供大家交流、思考。1、要重视换能模式改变当我们从直接消耗能源变成促进能源“流动”获取方式，传统的供热、供冷方式也必须进行调整，从而降低“热泵”的能源消耗，进一步提高利用效率。最典型的理论就是“低温制热、高温制冷”。在空调领域近几年有专家提出这个概念。但在设计应用方面还没有得到足够的重视和应用。未来能源应用模式有了重大改变后，要想确保实现较高的能源利用率，必须尽可能落实、实施这一概念。低温制热：在采用消耗能源物质获取热量的方式下，目标温度的高低和热量的来源成本无关。当热源温度高时，可以减少热媒流动、减少换热体面积，减少少量的成本。但采用热泵方式获取热量时，热泵的效率和热源温度、输出温度的差值有很大关系，会引起能源效率的成倍增大或减小。以供暖为例，同样保持室温18°C，采用75°C热水供暖和采用45°C热水供暖，热泵能效可能会从3倍左右，提咼到6倍！高温制冷：同样保持室温25C的情况下，采用18°C冷源制冷和8°C冷源输出制冷，其热泵系统能效分别约是5~8倍和3~4倍。2、重视热量回收再利用现在人们都比较重视如何获得热量，较少分析热量散失，特别是一些传统行业。比如医药、食品等行业，更多精力关注如何改进锅炉，不重视废热排放回收利用。实际工作中只要需要大量热能消耗的过程几乎都存在大量热能排放的过程，而以前人们常常熟视无睹比如，建筑节能普遍关注如何改进、补充建筑物的能耗，很少关注回收建筑物新风系统、污水系统的热量浪费。现在建筑保温方法很多，保温效果也很好了，再加上建筑接受的太阳能、建筑物内活动的人发出的热、照明电器的发热量等，累计下来也是不小的数目，为什么还需要每平米数十瓦的供暖能耗呢？主要是通过通风、排污带走了大量的热。采用热泵系统，在建筑物的能量排放出口“守株待兔”，以较小的温差、很高的效率回收利用能量、热量，是未来建筑节能的主要手段之一。3、要重视终端设备改进现在使用的热交换器，几十年没有发展变化，都是习惯于冷热媒直接热传导交换，没有考虑利用其它领域的技术，对冷热源进行调整准备。比如对空气增压就可以让空气源换热器的换热起点升高；对空气减压则可以降低散热器冷源温度起点。4、要重视系统设备改进大量的工业系统冷量、热量利用都是独立设计，对单一系统无用的资源普遍采用直接排放的方式，应该系统考虑。例如CNG液化过程产生大量热；LNG汽化过程产生大量“冷量”，现在有些企业已经开始关注，并系统研究系统跨时间、空间实现资源调配调度，综合利用。传统的能源利用观念和节