我們?yōu)槭裁匆獰_(kāi)水發(fā)電？

序言：

常見(jiàn)到有人吐槽：人類(lèi)的發(fā)展就是燒開(kāi)水和扔石頭。前者意思是現(xiàn)代電力的生產(chǎn)方式主要依賴(lài)水蒸氣為工質(zhì)的熱力循環(huán)方式發(fā)電，后者是人類(lèi)的攻擊方式主要依賴(lài)質(zhì)量投射來(lái)造成殺傷。本文我們將聚焦到能源利用中，從能量的來(lái)源、能量的使用方式和效率上限，來(lái)探究從第一次工業(yè)革命至今幾百年時(shí)間，人類(lèi)為什么還依賴(lài)“燒開(kāi)水”來(lái)制造動(dòng)力與電力。

能怎么發(fā)電？

讓我們先檢查下我們現(xiàn)有的發(fā)電路徑，常用的發(fā)電路徑有下面幾條：

1. 熱->功->電熱力循環(huán)發(fā)電：系統(tǒng)首先產(chǎn)生熱量，然后將熱量轉(zhuǎn)化為各種形式的功，最后通過(guò)做功發(fā)電。

2. 動(dòng)能->功->電：這類(lèi)系統(tǒng)的代表是風(fēng)力和水力發(fā)電等采用流體機(jī)械將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為功再進(jìn)行發(fā)電的方式。

3. 光->電：光伏是這類(lèi)發(fā)電方式的主要代表，通過(guò)光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)化為電能。

4. 熱->電：這類(lèi)發(fā)電方式的代表是核電池，通過(guò)熱電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

5. 化學(xué)->電：燃料電池和電化學(xué)電池是這類(lèi)發(fā)電方式的主要代表，通過(guò)氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

6. 直接利用電能：磁流體發(fā)電是這種方法，通過(guò)霍爾效應(yīng)利用等離子體的電荷量進(jìn)行發(fā)電。

在介紹熱力循環(huán)之前，讓我們首先看看其他循環(huán)的缺點(diǎn)。

光伏發(fā)電、風(fēng)電和水電等新能源發(fā)電方式在能源系統(tǒng)的占比逐漸提高，但是仍然無(wú)法取代熱力發(fā)電。這是因?yàn)?strong>對(duì)于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，天氣的波動(dòng)性（云層的變化，風(fēng)力的變化）導(dǎo)致功率出力變化極大，對(duì)于強(qiáng)烈依賴(lài)穩(wěn)定性的電網(wǎng)造成了極大的沖擊。因此，對(duì)于新能源高滲透率的電網(wǎng)需要儲(chǔ)能、備用容量、輸電擴(kuò)容、靈活調(diào)度與市場(chǎng)機(jī)制配套，造成整套系統(tǒng)的配套成本高。此外，設(shè)備本體成本下降很快，但系統(tǒng)層面邊際成本（消納、調(diào)峰、穩(wěn)定控制）上升快。而對(duì)于水力發(fā)電，水的動(dòng)能來(lái)自于高度勢(shì)能，因此水力發(fā)電設(shè)施的建設(shè)受限于地形，難以在全國(guó)范圍內(nèi)大面積鋪開(kāi)。因此，想讓光伏、風(fēng)電、水電

等新能源發(fā)電系統(tǒng)成為主力，還需要復(fù)雜的電力系統(tǒng)工程與之配套[1]。

圖1 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)消納新能源發(fā)電的波動(dòng)性[1]

而由熱電效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)的電功率僅有100W，熱功率約為2000W，效率僅有5%，因此只在深空探測(cè)器等領(lǐng)域中見(jiàn)到。

而在化學(xué)能的利用中，一次電池的造價(jià)高昂和短壽命無(wú)法用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)電，而二次電池多作為儲(chǔ)能系統(tǒng)而非發(fā)電設(shè)備使用。因此，在發(fā)電側(cè)主要為燃料電池。燃料電池直接通過(guò)電極上的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，理論上可繞開(kāi)卡諾循環(huán)效率的限制，在分布式儲(chǔ)能中具有極佳的優(yōu)勢(shì)；但同時(shí)，下面幾個(gè)原因也限制了燃料電池的使用：

對(duì)于電堆本身：貴金屬催化劑成本高、燃料雜質(zhì)敏感和耐久性能差限制了燃料電池電擴(kuò)大化應(yīng)用。

首先是貴金屬催化劑：以氫燃料電池為例，電池的工作原理就是我們熟悉的氫氣和氧氣反應(yīng)生成水：

而氧化和還原兩個(gè)過(guò)程分辨在陰極和陽(yáng)極進(jìn)行。而為了保證化學(xué)反應(yīng)速率，電極普遍采用鉑族金屬催化劑，因此價(jià)格居高不下。

對(duì)于燃料本身，當(dāng)前氫氣主要來(lái)自石油氣加工后產(chǎn)生的重整氣得到的藍(lán)氫，不充分凈化的氫中常含一氧化碳，而一氧化碳對(duì)燃料電池的催化位點(diǎn)的占據(jù)會(huì)顯著降低性能。在工程上，解決這個(gè)問(wèn)題要么使用更高純度氫，要么在系統(tǒng)里加凈化與控制。導(dǎo)致燃料和供應(yīng)鏈成本居高不下。

而大規(guī)模燃料電池中的膜的化學(xué)/機(jī)械老化、催化劑與載體衰減、電池放熱負(fù)荷等因素成為了大功率電池和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的門(mén)檻。因此在動(dòng)輒兆瓦級(jí)別的發(fā)電站中很難見(jiàn)到燃料電池商業(yè)化運(yùn)行的身影[2]。

圖2 燃料電池工作原理示意圖[2]

磁流體發(fā)電一直被認(rèn)為是核聚變商業(yè)化發(fā)電后的一個(gè)有效途徑，其工作原理是將高溫導(dǎo)電流體（等離子體或液態(tài)金屬）當(dāng)作運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體，讓其在強(qiáng)磁場(chǎng)中流動(dòng)，直接產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出電流。從工作原理的描述就可以看出來(lái)，磁流體發(fā)電的門(mén)檻在于四個(gè)難點(diǎn)。第一個(gè)是高溫?zé)嵩磸暮味鴣?lái)：燃燒產(chǎn)物/氣體在常規(guī)溫度下電導(dǎo)率太低，必須靠極高溫度電離，且經(jīng)常需要堿金屬種子提升導(dǎo)電性。而這又緊接著引發(fā)了第二個(gè)問(wèn)題：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：熱源側(cè)要把工質(zhì)推到接近材料極限的溫度區(qū)間以提升磁流體電導(dǎo)率，系統(tǒng)的每個(gè)部件都被迫進(jìn)入高溫高腐蝕、高熱通量環(huán)境，而堿金屬的加入又進(jìn)一步加劇了磁流體的腐蝕性，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。而第三個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于維持發(fā)電的主要因素：磁場(chǎng)。產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)需要在電極板之間維持強(qiáng)磁場(chǎng)，而維持磁場(chǎng)要么消耗大量電能，要么依賴(lài)使用超導(dǎo)材料。而磁流體發(fā)電結(jié)束后的排放污染和導(dǎo)電種子的回收也影響著磁流體發(fā)電的環(huán)保和運(yùn)行成本。看似簡(jiǎn)潔高效的磁流體發(fā)電需要眾多周?chē)O(shè)備維持系統(tǒng)運(yùn)行，總體系統(tǒng)的成熟度還遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)發(fā)電的需求，而全生命周期成本也比不過(guò)熱力循環(huán)電站，依賴(lài)于材料性能的進(jìn)一步提升[3]。

圖3 液態(tài)金屬磁流體發(fā)電系統(tǒng)的原理圖[4]

最后我們回到熱力循環(huán)，為什么“燒開(kāi)水”這個(gè)路徑能在300年的發(fā)展中經(jīng)久不衰。而看待這個(gè)問(wèn)題，則需要從電力系統(tǒng)的視角，什么樣的電才是電網(wǎng)所需要的電力。

1. 熱力循環(huán)作為一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的接口，可以適配幾乎所有一次能源。人類(lèi)易獲得、可規(guī)模化、可穩(wěn)定供給的一次能源中，很大一部分首先表現(xiàn)為熱：化石燃料燃燒放熱、核裂變堆芯放熱、聚光/地?zé)岜旧砭褪菬帷Ｓ谑菬崃ρh(huán)天然成為把這些一次能源接入電網(wǎng)的通用接口。

2. 熱力機(jī)組更容易滿(mǎn)足電網(wǎng)的運(yùn)行要求。熱電大機(jī)組普遍采用同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，而這有利于系統(tǒng)的調(diào)頻。

3. 熱力循環(huán)提升系統(tǒng)總體功率的方式簡(jiǎn)單，可以通過(guò)提高溫度、增大流量、更換工質(zhì)等方法對(duì)不同需求進(jìn)行適配。

圖4 朗肯循環(huán)流程示意圖[5]

熱力循環(huán)發(fā)展了百年，還有什么可以做?

回答這個(gè)問(wèn)題，我們就需要回到?jīng)Q定熱力循環(huán)系統(tǒng)的公式上，探究如何接近物理學(xué)和工程學(xué)的極限。任何熱力循環(huán)的工作效率上限由卡諾循環(huán)工作在兩個(gè)熱源之間的溫差決定：

例如，現(xiàn)在有一個(gè)發(fā)電廠通過(guò)燃燒得到的熱源溫度為900K并在鍋爐內(nèi)向鍋爐水放熱，冷源為向293K（20攝氏度）的環(huán)境放熱。那么這個(gè)電廠由熱力學(xué)第二定律決定的最高效率為：67.4%。而發(fā)電過(guò)程中的各種不可逆損失又會(huì)導(dǎo)致效率進(jìn)一步的下降。因此，現(xiàn)代熱力循環(huán)研究的第一個(gè)關(guān)鍵：是如何設(shè)計(jì)流程和優(yōu)化部件實(shí)現(xiàn)效率的進(jìn)一步提升。

在電廠完成發(fā)電后，燃燒產(chǎn)生的尾氣被排出，但此時(shí)尾氣的溫度并沒(méi)有完全被鍋爐中的水吸收，依然有400K的高溫；而此時(shí)，這個(gè)電廠為旁邊的鋼鐵廠供應(yīng)電力，鋼鐵廠在煉鐵煉鋼后倒出的廢渣有600K的高溫，這部分余溫沒(méi)有被進(jìn)一步利用而是直接向環(huán)境放熱，屬實(shí)是有點(diǎn)可惜。而這就是熱力循環(huán)研究的第二個(gè)關(guān)鍵：如何設(shè)計(jì)各類(lèi)聯(lián)合循環(huán)來(lái)利用廢棄的余溫以提升能量利用效率。最近登上熱搜的二氧化碳發(fā)電正是利用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)來(lái)吸收鋼廠產(chǎn)生的廢熱進(jìn)一步利用發(fā)電。

第三個(gè)核心是構(gòu)造小型化、特種化和定制化的發(fā)電設(shè)備。例如在開(kāi)采地?zé)豳Y源時(shí)，地?zé)岬臏囟鹊停虼瞬捎糜袡C(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle）吸收熱源；核電站中裂變產(chǎn)生的熱量使用超臨界水作為工質(zhì)；更極端的有利用數(shù)據(jù)中心處理數(shù)據(jù)同時(shí)大量發(fā)熱的熱源，構(gòu)造園區(qū)的廢熱回收系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱聯(lián)產(chǎn)、裂化熱能回收等產(chǎn)生不同人類(lèi)所需要的能量資源的方式也是當(dāng)前的設(shè)計(jì)主流[6]。

總結(jié)

綜上所述，“燒開(kāi)水”發(fā)電暫時(shí)無(wú)法被取代的原因是：1.其完美的適配了各種一次能源的能量轉(zhuǎn)換方式；2.熱力循環(huán)發(fā)電的方法有利于維持電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定；3.熱力循環(huán)發(fā)電可以做到高功率、大規(guī)模，適應(yīng)當(dāng)前的工業(yè)發(fā)展需求。而經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，熱力循環(huán)在新時(shí)代的需求中仍然有旺盛的發(fā)展前景。

參考資料

[1] Liu T, Wu S, Zhong L, et al. Parametric assessment and multi-objective optimization of an ejector-enhanced compressed air energy storage system based on conventional and advanced exergy[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2024, 16(5): 054101.

[2] 姚曉多, 許強(qiáng)輝, 張文強(qiáng). 燃料電池?cái)?shù)字孿生系統(tǒng)綜述[J]. 化工學(xué)報(bào): 1-18.

[3] Bowen M S, Kwong K S, Hsieh P, et al. High temperature corrosion stability of ceramic materials for magnetohydrodynamic generators[J]. Materials Performance and Characterization, 2022, 11(2): 127-138.

[4] 田茹夢(mèng), 孫軒懿, 梁紅雯, 等. 液態(tài)金屬磁流體發(fā)電研究進(jìn)展[Z]//能源與節(jié)能. 2020: 68-71+138.

[5] 谷志卿, 宋海琛, 尹金城, 等. 有機(jī)朗肯循環(huán)在低溫余熱發(fā)電的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2025, 50(04): 32-39+72.

[6] Zhou N, Price L, Yande D, et al. A roadmap for China to peak carbon dioxide emissions and achieve a 20% share of non-fossil fuels in primary energy by 2030[J]. Applied Energy, 2019, 239: 793-819.

來(lái)源：APC科學(xué)聯(lián)盟

編輯：晨曙

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