正值夏季用電高峰,燃料電池“黑科技”或?qū)⒅?jié)能減排

科普中國
原創(chuàng)
公眾科普,科學傳播。
收藏

炎炎夏日,為確保夏季用電高峰的電力供應(yīng),作為“發(fā)電主力”的“黑金”—煤炭,迎來了show time。

圖片2.png

圖一:煤炭被譽為“黑金”,是發(fā)電主力,圖為煤場斗輪機(圖庫版權(quán)圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛)

不過,作為一種高碳燃料,傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電一方面能量轉(zhuǎn)化率低,另一方面又會產(chǎn)生大量的二氧化碳,讓人既愛又恨。面對夏天旺盛的用電需求,如何既能保證電力穩(wěn)定供應(yīng),又達到節(jié)能降碳的目標呢?科學家有哪些高招呢?

01 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化效率與碳排放

電是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ),是當代最普遍的能量形式。但電是一種典型的二次能源——電本身不產(chǎn)生能量,而是其他能源的一種轉(zhuǎn)化形式。如:

燃煤發(fā)電廠利用煤炭燃燒產(chǎn)生的蒸汽通過渦輪發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽伙L力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?;核能發(fā)電是將原子核裂變產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為熱能;燃氣發(fā)電的原理也類似,涉及能量的二次轉(zhuǎn)化,即“熱能→機械能→電能”。

圖片1.png

圖二:燃煤發(fā)電廠(圖庫版權(quán)圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛)

根據(jù)熱力學第二定律,所有能量都不可能100%轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化中都會有能量損耗。普通的內(nèi)燃機由于需要經(jīng)歷熱機的過程,受卡諾循環(huán)的限制,傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的整體能量轉(zhuǎn)化效率大約只有30%左右[1],會造成大量的能量耗損。

同時,傳統(tǒng)燃煤發(fā)電會釋放大量的二氧化碳。據(jù)估算,1噸標準煤燃燒產(chǎn)生2.6噸二氧化碳,用煤炭燃燒發(fā)電,每發(fā)1度電大約就排放0.785千克二氧化碳[2]。

除了較低的能量轉(zhuǎn)化效率與較高的碳排放,傳統(tǒng)燃煤發(fā)電還有一個明顯的缺點:所產(chǎn)生的電不能大規(guī)模存儲,必須即發(fā)即用。

02 燃料電池的發(fā)明與節(jié)能減排

為了解決傳統(tǒng)燃煤電機能量轉(zhuǎn)化率低、碳排放高且不能存儲的問題,英國科學家Grove在1839年將燃料燃燒與電池直接聯(lián)合起來,減少了中間的能量損耗最大的渦輪發(fā)電過程,發(fā)明了燃料電池[1]。

燃料電池不同于傳統(tǒng)水力、風力、燃煤發(fā)電等需要通過機械能或化學能的轉(zhuǎn)變,而是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,因此不受卡諾循環(huán)的限制,能源轉(zhuǎn)化效應(yīng)更高。理論上其熱轉(zhuǎn)化效率可達到100%,但在實際中考慮到各種技術(shù)限制因素,熱轉(zhuǎn)化效率一般為 40%~60%[1],如果將余熱充分利用,熱轉(zhuǎn)化效率可以達80%以上[1]。

圖片3.png

圖三:燃料電池氫站概念圖(圖庫版權(quán)圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛)

燃燒所需燃料要求廣泛,只要含有氫原子的物質(zhì),如天然氣、石油、煤炭,或是沼氣、酒精、甲醇等都可以作為燃料,其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有水和二氧化碳,很少排放 NOx和 SOx等有害氣體。相比渦輪電機,燃料電池二氧化碳的排放也減少了40%以上[1]。同時,由于裝置不含或少含的運動部件,比傳統(tǒng)發(fā)電機組安靜,其故障率與維修成本更低。因此,無論從節(jié)約能源還是保護生態(tài)環(huán)境的角度,燃料電池都是極具發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù),被譽為“21世紀的綠色電站”。

03 兩全其美的煤氣化燃料電池

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源,燃煤發(fā)電是保證我國電力穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”。在當前的技術(shù)條件下,火電依然是我國的主力基礎(chǔ)電源,尤其是夏季用電高峰期,火電成為我國電力供應(yīng)的主力軍。在夏季用電高峰期,煤電貢獻了我國電力供應(yīng)的將近70-80%[3]。但是煤炭作為一種高碳燃料,燃煤發(fā)電產(chǎn)生大量二氧化碳。

圖片4.png

圖四:高壓鐵塔(圖庫版權(quán)圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛)

然而,煤氣化燃料電池為這一難題提供了可能的解決途徑[4]。煤氣化燃料電池是將煤氣化與高溫燃料電池結(jié)合的發(fā)電技術(shù),通過煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學發(fā)電的技術(shù)跨越,實現(xiàn)了煤炭低碳高效靈活發(fā)電與低碳排放,極大提高了能量轉(zhuǎn)化效率,降低了二氧化碳的捕集成本,突破了燃煤發(fā)電效率提升和二氧化碳近零排放的瓶頸,具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

日前,由國家能源集團直屬的研發(fā)機構(gòu)北京低碳清潔能源研究院(簡稱低碳院)承擔的“CO2近零排放的煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)”項目成果已經(jīng)通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會技術(shù)鑒定[5],下一步將開展更大規(guī)模的工程驗證與示范,相信不久的將來,這項技術(shù)就能走到我們的生活中。屆時,低碳且節(jié)能的電或許就將不再是鏡花水月的兩難之選!

參考文獻:

[1]侯明,衣寶廉. 燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 電化學, 2012, 18 (01): 1-13.

[2]徐向梅. 推動煤炭清潔高效利用[N]. 經(jīng)濟日報, 2022-08-15 (011). https://energy.huanqiu.com/article/49FL2ntCAlE

[3]丁怡婷. 用電高峰,保供持續(xù)發(fā)力[N]. 人民日報, 2022-08-08 (002). https://www.gov.cn/xinwen/2022-08/08/content_5704557.htm

[4]彭蘇萍,楊志賓,熊星宇,等. 固體氧化物電池技術(shù)及其在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J]. 新型電力系統(tǒng), 2023, 1 (01): 66-73.

[5]李初福,楊霞. 國家能源集團煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)達國際領(lǐng)先水平[N].中國煤炭報, 2022-05-22.

作者:劉漢斌 山西省煤炭地質(zhì)局高級工程師

審核:楊志賓 中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院教授

出品:科普中國

內(nèi)容資源由項目單位提供

評論
科普科普知識的搖籃!
太師級
面對夏季用電高峰,推廣燃料電池技術(shù),尤其是煤氣化燃料電池,不僅能夠有效保障電力供應(yīng),還能大幅降低碳排放,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低,燃料電池有望在未來能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用,推動能源行業(yè)的綠色革命,為實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻力量。
2024-08-02
演繹無限精彩!
大學士級
我國研發(fā)的煤氣化燃料電池,探索了煤炭清潔高效發(fā)電新路徑,是實現(xiàn)“雙碳”目標的一項革命性前沿技術(shù),對推動CO2減排和煤炭清潔、低碳、高效利用具有重要戰(zhàn)略意義。
2024-08-02
臭皮匠心
學士級
燃料電池作為一種先進的能源技術(shù),在節(jié)能減排方面具有顯著的優(yōu)勢。隨著政府政策的扶持和技術(shù)的不斷進步,燃料電池有望在夏季用電高峰等關(guān)鍵時刻發(fā)揮重要作用,為電力保供貢獻力量。要充分發(fā)揮燃料電池的潛力,還需要進一步完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高燃料電池的規(guī)?;a(chǎn)和應(yīng)用水平。
2024-08-02