朱头山

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绿色双娇的困境

(2023-07-24 18:03:40) 下一个

绿色能源是目前最时髦的一个话题,各国都在尽其所能地在推进。尽管有了很大的进步,似乎气候变化的速度比科学家预计的要快,原来设定的比工业化时代平均气温不超过1.5度的阈值恐怕已经打破,或者接近打破。按照公认的模型计算结果,地球将进入一个不可逆的持续温度升高漩涡。而最近全球普遍的惊人的高温,启示这可不是开玩笑,阿联酋的温度已经达到66度,完全可以煮熟鸡蛋,也可以煮熟你的脑子,如果你没有汗腺降温的话。如果全世界都60多度,人类该完犊子了!

不管怎么样,绿色过程都应该加速。除了改进已有的技术手段,如光电,风电,电动汽车,电池技术外,还取决于新的,突破性的思维从而带来突破性的科技。

电池驱动的电动车有了很大进步,但现有电池的能量密度比汽油还是差得很多,就算勉强能驱动通勤小汽车,对驱动长途运输的大卡车,轮船还是力不从心,更不用说飞机了。光风发电由于其时间和电量,频率的不均匀性,在并入统一输电网有个复杂的同步问题,否则会引发电网崩溃,甚至毁坏。除了使用不同的储电设备(抽水电站,压缩气站,飞轮,化学电池), 最可行的还是用天然气发电站作为同步和备用站, 如果用煤电,需要保持至少30%的基础发电量,核电不能用于调节。而天然气与煤电都有碳排的问题。

有一个东西,可以解决上面所有的问题,那就是氢气。 氢气的能量密度比汽油都要高,既可以燃烧,产物只是水,天然气, 煤,燃油能干的事,氢气都能干!也可以作为电池能量的原料,日本的氢动汽车具有比目前已有的电动车更大的优势,而驱动大卡车,轮船也没有问题。

但是,氢气也有问题。氢远非如此简单或干净。首先,氢是最易爆炸和易燃的气体之一——飞艇“兴登堡号”就是用它充满的——但它的真正挑战与其分子非常小以及作为气体的密度非常低有关。这意味着氢很难被包容,需要很大体积的氢来产生能量。与甲烷相比,你需要大约三倍的氢体积才能获得相同数量的能量。

微小的氢分子可以穿过微小的缝隙,因此设计用于包容甲烷的结构(例如管道、接头、锅炉和炊具)以及用于储存天然气的设施(例如储罐或地质构造(盐穴或耗尽的天然气田))会让氢分子逸出,而甲烷分子则不会。测试表明,这种情况所带来的安全问题不大,因为氢的轻意味着它很快就会消散,但泄漏也会加剧使用氢作为能源储存器的经济性。

氢也很难移动。为了让气体通过管道移动,必须使用压缩机将其压缩并推动。这个过程需要能量:将氢通过管道移动的损失是甲烷的十倍:高达30%。换句话说,你需要用掉近三分之一的气体来将其从A点运输到B点。

氢还会导致管道和储存设备中的金属变脆,导致材料退化和潜在的安全问题。特殊材料或涂层可以缓解这些影响,但它们会给本来就复杂而昂贵的系统增加进一步的复杂性和成本。

事实上,所有这些都很昂贵。氢储存基础设施尚不存在,生产设施也大多不存在,而且建造它们将耗费数十亿英镑。然后,储存氢的基本成本可能至少是储存甲烷成本的四倍。由于氢的基本属性,每个阶段都会损失大量能量。

在现有技术条件下,有一种东西,可能是真正的救星,那就是天然气,或更准确地讲,是液化天然气LNG (liquid natural gas).在三种主要化石燃料中,使用天然气,比石油要减排34%,约减排1/3。而比使用煤炭要减排53.5%,即减排一半以上!

以中国2021年的数据为例,煤发电占总发电量的60%。如果全部改为天然气发电,碳排将减少一半,中国差不多能达到许诺的要求了。而且,在风,光等新能源供电方面,需要一个调节系统。如果全依赖蓄水电站等大型储电设施,显然是不现实的,但核电无法瞬间调节发电量,煤电有个明显的延迟(几天),只有气电可以完成瞬间实时调峰。气电和新能源发电,能起到一个完美的配合作用。

除了煤发电,汽车也是重要的碳源。其实,天然气是个替代电池,氢气的理想的车用动力源。天然气在常压下冷却至-162℃后液化形成LNG,其燃点为650℃,爆炸极限为5%~15%,安全性较高。LNG汽车可以明显地压缩天然气体积(600倍体积),一次充气,可以行驶500km甚至1000km以上,非常适合长途运输使用。而使用LNG,只需要对现有汽油汽车作一个简单改装即可。以前中国就有很多使用液化石油气的出租车,使用的是和家用一样的液化钢瓶,因此对此应该不陌生。

碳排中,发电占43%,运输占26%(2020年数据), 主要分别来自于煤发电和汽油开车。如果使用天然气替代,则70%的碳排就腰斩了一半,比费劲在其它方面的努力,效率更高,效果更好。

天然气和LNG还不完全是一会事。理想的能量方式是能实现在时间和空间上的移动,煤,油和核元素都是如此,但风电,太阳能发电等就不能。天然气是气体,移动需要一个管道,和输电线路没啥区别。但将天然气转化为LNG,就非常容易移动了,和汽油在一个水平上。而且,通常天然气要经过过滤后制成LNG,这样,LNG是比天然气更干净的能源。

但是天然气的主要成分甲烷,和二氧化碳同为温室气体,会导致全球变暖。而且,甲烷比二氧化碳对气候的影响更大,因为它比二氧化碳更有效地吸收热量。甲烷的全球变暖潜能(GWP)是二氧化碳的25倍,这意味着在相同质量下,甲烷会比二氧化碳积蓄更多的热量。

天然气,无论是气体还是LNG,都会泄漏。因为其温室效应是二氧化碳的25倍,就算通过使用天然气比煤少了30-75%的二氧化碳排放,如果泄漏了0.03%, 0.03x25=75%,那就抵消了好处。2019年,美国LNG的自然泄漏率为0.02%-0.03%。这意味着每生产1000立方英尺的LNG,会泄漏0.2-0.3立方英尺的甲烷, 和使用煤基本得失相抵。2019年,美国管道天然气的自然泄漏率为0.2%, 0.2x25=500%, 比使用煤还要差!

在走向绿色的道路上,这两个最有希望的东西,都有很大的问题。看来,绿色道路上没有单个的救世主,还是要靠综合的方法来解决!

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评论
朱头山 回复 悄悄话 回复 'Sophie308' 的评论 : 是泄露!
Sophie308 回复 悄悄话 天然气虽是温室气体,但天燃气不会直接被排放到大气里,也就不会对温室效应有太大的影响了。天然气可能比煤贵才不普及?
munchenxx 回复 悄悄话 期待微型可控核聚变技术的成熟!
新林院 回复 悄悄话 朱头山 【似乎气候变化的速度比科学家预计的要快,原来设定的比工业化时代平均气温不超过1.5度的阈值恐怕已经打破,或者接近打破。按照公认的模型计算结果,地球将进入一个不可逆的持续温度升高漩涡。而最近全球普遍的惊人的高温,启示这可不是开玩笑,阿联酋的温度已经达到66度,完全可以煮熟鸡蛋,也可以煮熟你的脑子,如果你没有汗腺降温的话。如果全世界都60多度,人类该完犊子了!】
现在,如朱先生所说:“在走向绿色的道路上,这两个最有希望的东西,都有很大的问题。看来,绿色道路上没有单个的救世主,”
人类拯救自己、拯救地球只有一个解,那就是控制自己的人口。
世界排碳总量是每个人排碳量之和。
总人口减少了,每人的排碳量减少了,这两个因子都变小了,乘积才能变小。
过去,环境保护主义者和科学家们并不忌讳指出人口爆炸是环境恶化的因素之一。
后来,西方以中国控制人口来把中国形容成魔鬼,后来谁也不敢提控制人口。
另外,女人生6、7胎的主要在撒哈拉以南的黑非洲。要把生育率降到2胎左右,减少生孩最多的就必然是黑非洲。白左们怕一提控制人口,就被别人说是想减少黑人,结果谁也不敢说。
这两个忌讳加在一起,结果就是任由全球人口飙升,气温也飙升。
当今,全球变暖即将走上不归路,环境保护主义者和科学家们应该扔掉这一忌讳,把拯救人类、拯救地球放在高于“政治正确”的地位,把控制人口总量和寻找绿色能源并列为两项救命的政策。
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