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求解:能源革命该如何“闹”?

作者:admin     阅览次数:466      发布时间:2019-05-14     [返回上一页]

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  摘要:

  A  能源革命起因、过程,最终走向何方?

  B  个人、企业、国家在能源革命中扮演什么角色?

  C  如何从技术原理、实现角度判断能源技术的发展?

  D  LY混动车在太阳能利用系统中是一个双向终端,既是能源消耗终端,也是能源生产终端,其巨大并且廉价的储能、变换能力使得LY混动车是太阳能利用系统中最重要环节。

  对于二十世纪五十年代以来的能源领域的科技、经济变化,统称为能源革命。人们对能源革命的起因,众说纷纭、莫衷一是。人们对能源革命的发展形态,百花齐放、百家争鸣并投入大量有价值的实践。对于能源革命将去往何方、至于何处,未曾有人说起。

  本文以较肤浅并且通俗易通的话语,试图将事关人类幸福能源革命的概况用最简短的文字描述出来。让每个读者明白自己身处一个什么样的时代。

  能源革命为什么会在第二次世界大战后萌芽、缓慢地成长,步履瞒珊地一路走来,发展到今天、能源革命的决战时刻到来了。起因非常简单的、是一个的矛盾:人类对能源需求造成的能源资源、利益分配矛盾,促使了能源革命的萌芽。

  二战之前,人类对资源、能源等生存必需品的争夺、分配。除了合理社会构架之外,还有大规模的的战争。而战争技术发展到核武器的级别,因战争的支出远比获得要少,使得战争无法再成为能源分配的方式。相对和平的环境,地球上的人口迅速增长,能源需求矛盾凸显。

  在化石能源等能源供求矛盾日益紧张的同时,人们发现技术的发展,如光伏、光热、储能技术的发展。理论上能够解决能源供求矛盾。因此萌发了能源革命。

  

  图 1 二战以来全球能源消耗变化

  

  图 2 中国燃料消耗能源需求变化

  能源革命这半个多世纪以来,发展非常缓慢。尽管能源革命的理论、技术在能源革命萌发之前已经存在、并成熟了。但是理论、科技的实践成本过高,经济上无法满足人们对能源的需求。能源革命是要更多从经济学上的行为注释,而从理论、技术等自然科学思考则是辅助注解。

  除经济因素外,影响能源革命最深的是遵循“摩尔定律”发展的半导体工业等信息技术。信息技术扮演着降低能源革命成本的关键角色,由信息技术演变而来的智能制造在光伏等新能源提高效率、降低成本的技术更新中承担了近100%的决定性作用。如果没有这些作用,能源革命将无法进入决战时刻。

  什么才是决战时刻呢?由能源革命产生的新能源将大范围地替代化石能源,这一时期将会是二十一世纪前50年完成。直到2020年,人们仍对未来的能源之路充满忧虑、恐慌。忧虑来自无知、无望。恐慌来自温室效应的恐吓、环境恶化和已探明化石能源储量将会在百年耗尽。

  然而,当人们跳出自己身处的时代,以一个历史审视者,而非亲历者的角度看待这半个世纪的能源发展,你会枉然大悟。并得到如下结论。

  1:能源革命缘起能源供求矛盾,有两个特征:一是获取方式多样化,可持续化,如太阳能和核能利用。二是能源的存储和转换高效化,并且经济实用。

  2:能源革命的第一阶段是以太阳能利用为核心,以“STS”(即solar to service。即太阳能转换为服务人们生产生活的有用功)和经济经济价值为评判标准,需找出太阳能应用的终极方案,并以太阳能空间能源的规模应用为成熟标志(如空间电推、月球、火星、空间站能源的规模化能源应用)。

  基于上面的两个结论。我们再去探讨未来30年的能源革命趋势。未来30年内人类一定能实现第一阶段的高效经济太阳能利用终极方案。这个终极方案相对于当前以化石能源为主的模式更有优势。尤其是经济价值上,能源获取成本更低。如果能源变革方案符合这样的预期、那么这样的能源变革方案就会是能源革命的方向。

  学术、课本、及新闻报道上,人们都将氢能源称为终极能源。然而这样错误的想法将会耽误能源革命的进程速度。为什么这样说呢?评判体系的不同,思考问题的出发点不同就会得到氢能源不同的结论。氢能源的支撑观点是能量密度高、在电能充足廉价的地方,电解水存储起来会是太阳能的最佳存储方式,氢能源发电效率高。而氢能源的反对观点是考虑储氢介质后,其能量密度低于甲醇等,电解水效率低,整体“STS”效率更低。氢燃料电池价格昂贵。尽管这些争论是存在,但是任何技术都是有尝试的必要,即便试错也会得到经验教训。

  在作者看来氢能源不会是太阳能终极利用的最佳载体。太阳能光伏、光热、光液技术和生物质、电动车构成一个新的能源利用体系有可能成为太阳能终极利用方案的一种。为什么这样说呢?

  

  图 3  太阳能利用LY系统图示

  基于以下9种评价标准,你将会理解这样的方案为什么会是一个太阳能终极利用方案的可能方向。

  1:STS效率。

  2:能量载体有效密度。

  3:方案实现后的综合能源价格,折算?元/度电。

  4:技术发展、工程实现的难易程度。

  5:如何有效适应需求。

  6:新能源构筑的社会结构是否公平,能源分配原则能否适应社会发展。

  7:能否解决太阳能间断性、能量密度低等缺点。

  8:太阳能能源载体的有效位移、传递环节。

  9:太阳能利用对环境的影响。

  我们可以将各种不同形式的太阳能利用方案拿出来,放入实际应用场景中采用以上9点评价标准来评判。你会发现太阳能光伏、光热、光液技术和生物质、电动车构成一个新的能源利用体系(简称太阳能利用LY系统)非常完美地从众多的方案中脱颖而出。

  限于篇幅,本文仅对太阳能利用LY系统进行9个方面的评价分析、探讨。(文中数据均为估算值)

  1:STS效率

  太阳能光伏发电量产已经超过20%,全国电网入口到消费端出口的传送能量损耗在6%左右,电动车慢充快充效率在80%~95%。也就是说从太阳能到电机的能量效率可以高达15%以上。LY混动车有短途纯电、长途增程的两种模式,在短途纯电模式下STS效率会是15%以上,增程模式下,如果采用甲醇为燃料,甲醇又是以太阳能、生物质、水、氢生产得来。这样的情况下,STS会是多少呢?没有具体的工程实例数据。如果以纯生物质为载体,以生物接收到的阳光为能量起点。那么这样的有纯生物质能量转为甲醇的STS效率会低于1%。这是非常低的效率。而以生物质、电解水产氢为原料,不计原料前端太阳能输入,以重整生物质的能量输入和输出为起点,光热作为热源,原料储热,最终得到甲醇和电能。这样的甲醇生产方案,在实现了太阳能储能发电的同时,生产了甲醇。而甲醇的化学反应吸热效率很高。理论上扣除太阳能光热发电的效率及损耗。太阳能到甲醇的能量转换效率可达100%。可实际能达到40%就已经很不错了。按照这样的折算。LY混动车长途增程模式下,太阳能的STS效率仍有可以超过15%。跟光伏相当。这只是统计口径的不同造成的能量差别。如果只考虑净STS效率。那么LY混动车的增程模式净STS效率会很低。

  2:能量载体有效密度。

  太阳能的能源载体系统的密度、以及后端能源利用转换效率。综合起来称为太阳能载体的有效能量密度。此外还要考虑能量存储期间的损耗率。LY混动车的有效能量密度高于续航相同纯电动、传统燃油车。关于这方面的讨论详见本自媒体相关文章。详见《氢能不是未来能源方向!》,《电池车、燃油车、混动车谁将胜出?交通能源的能量密度认识误区》和《走出车辆设计的误区,降低对车载电池能量密度的期望》。

  3:方案实现后的综合能源价格,折算?元/度电。

  在光伏发电条件较好的地区,光伏发电已经达到火力发电水平,约0.32元上网电价。不考虑电力传输成本,电动车充电价格可以为0.32元/度,考虑输配电成本(全国输配电成本平均超过售电价格28%以上),约0.45元/度。考虑快速充电桩标杆电价为1.2~1.8元/度。这是电动车用太阳能光伏所发电的度电成本。利用甲醇作为增程燃料的车载发电度电成本在甲醇价格2~3元/千克,发电效率30~40%情况下,约0.9~1.8元/度。

  4:技术发展、工程实现的难易程度。

  太阳能利用LY系统的所有技术都是成熟的,限于经济价值并没有广泛铺开。而LY混动车作为这个系统中最重要的一环,其投入成本为零,只是利用了LY混动车的闲置时间。例如,生物质沼气发电在没有补贴的情况下,当前不具备大规模推广。而引入LY混动车闲置时间作为发电平台,并且因LY混动车的分散特性减少了生物质运输距离。这使得生物质沼气发电有了更大经济价值。

  5:如何有效适应需求。

  能源需求里有超过三分之一属于交通能源需求,如汽车、轮船、飞机的能源需求量巨大。太阳能利用LY系统是以交通需求为中心的能源系统,太阳能将会完全取代化石能源。满足了超过三分之一的能源需求。并以分布式的能源结构,与现有电网兼容互动。更重要的是在当LY混动车向电网供电的动力供给具备经济竞争力的时候,以平均每辆车发电能力15KW,其发电装机容量由全国3亿辆车辆汇总起来可高达45亿KW,数倍于2018年全国发电装机容量。即便这些容量的有效利用率只有5%~10%,年均发电时间达到3000小时。其带来的发电量提升则为2018年6.5万亿度的15%~30%。

  6:新能源构筑的社会结构是否公平,能源分配原则能否适应社会发展。

  因生物质、太阳能分布的广泛性、普遍性。所有人都均等地、低成本获取。有阳光、有土地就有能源,每个人都可以通过技术手段获取自己生存所需能源。太阳能利用LY系统所构建的社会结构将更加公平,使得人人生而平等有了更强有力的物质经济基础。

  7:能否解决太阳能间断性、能量密度低等缺点。

  

  图 4 LY混动车与光伏发电、电网的互动

  太阳能利用LY系统中,LY混动车假设平均有30度车载电池容量,全国3亿辆车,总储能有90亿度。2018年全国日均电能消耗为约180亿度。如果全部光伏发电,在白天时段,太阳能光伏发电直供电能消耗能够达到135亿度。,LY混动车储能90亿度。那么夜晚的时候LY混动车逆向向电网回馈一半电量,这样的系统足够满足全国电力需求。

  而利用生物质,比如单单是8亿吨秸秆沼气,其发电量也至少能满足全国年耗电6.5万亿度10%以上。而全国年均生物质生产量是610亿吨,低成本地有效利用10%生物质沼气发电。将能满足大部分电力需求。生物质的发电则是应对太阳能间断性的最佳补充。

  LY混动车电池储能、生物质发电可以完美解决了太阳能的储能难题。

  太阳能的能量密度低,则是通过LY混动分散的布置,降低了太阳能光伏发电的输配电距离,而电能的富集是成本低廉的。生物质富集也因LY混动车分散布置大幅降低了运送距离,如将沼气厌氧发酵罐埋在耕地地下,短距离传输沼气到道路边上,沼渣沼液直接翻田作为肥料。也就是LY混动车的存在,使得太阳能低成本富集提高了太阳能利用的能量密度。

  8:太阳能能源载体的有效位移、传递环节。

  STS的提出,也提出了一个更重要的原则,能量转换传递的环节,每个环节的效率不同。尽可能选择最高效率的环节,还有一个是减少传递环节。减少太阳能能源载体的有效位移。太阳能利用LY系统中,光伏发电直接传递到交通工具,传输路径更短,环节更少。生物质、光液的利用中,其能量载体的有效位移可以限制在几十公里以内。

  9:太阳能利用对环境的影响。

  

  图 5 太阳能利用LY系统将创造更美好生活环境

  太阳能利用的各种方式中,大部分是环保、可持续。相对来说,太阳能利用LY系统中,天量生物质产生的沼液、沼渣,满足了全部的农业肥料需求。并且完全没有污染。相比较其他化学储能、物理储能这是一个非常大的优势。

  通过上面9个角度的分析。我们知道,LY混动车在太阳能利用系统中是一个双向终端,既是能源消耗终端,也是能源生产终端,其巨大并且廉价的储能、变换能力使得LY混动车是太阳能利用系统中最重要环节。

  太阳能利用LY系统尽管是刚刚萌芽的技术方向,其众多的优点将会使得它在能源革命进程中脱颖而出,受到重视。而作为能源革命亲历者的读者,如何及时敏锐地找到自己在能源革命里扮演的最佳角色。要做一个革命潮流的反对者、跟随者还是领导者?这事关个人的生活、发展。

  来源:LY说新能源





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