二氧化碳--未来能源解决之道（之二）

作者按：在上期“二氧化碳--未来能源解决之道?”一文中，笔者介绍了以二氧化碳为工质，利用环境温度做功的太阳辐射能热机的运行原理。热机利用的是二氧化碳亚临界循环，因为环境温度只有20℃，低于二氧化碳临界点。太阳辐射能热机不受时空限制，高效率实现光电转换，适宜作为分布式、移动式能源。本文将重点描述利用地热能，二氧化碳跨临界循环，实现大规模基础发电的设想。希望引起读者的兴趣。

一，雾霾的成因和治理

2013年年初和年尾，中国发生了大事件,雾霾不再是北京、天津、长三角等大城市的特属品，连“偏远”的西南地区也不能幸免。雾霾范围之大波及全国25个省份，100多个大中型城市，覆盖数百万平方公里。蒸腾缭绕的雾霾使人间宛如仙境。雾霾天数均创下中国“历史纪录”。雾霾不仅祸乱中国，甚至为患世界，韩国、日本，甚至美国阿拉斯加均受到影响。

我国大气污染的形势十分严峻并日益恶化。世界污染最严重的城市排名前十中，中国占了七个，全部位于华北。上海社会科学院不久前发布的《国际城市蓝皮书：国际城市发展报告(2014)》指出，北京的生态问题成为城市升级的最大短板，污染指数接近极值，已接近不适合人类居住的程度。对于我们这些身临其境的人来说，曾经每天呼吸的新鲜空气已经成了奢侈品。

究其原因在于中国对煤炭不可抑制的严重依赖。我国能源结构以燃煤为主，70%的能源需要依赖廉价的煤炭资源，这种情况在过去的三十多年里并没有多少改善。以2011年中国能源消耗为例，煤炭占69%，石油占18%，水电占6%，天然气4%，核能小于1%，其他可循环能源仅占1%。

对比之下，美国能源结构则相对合理，石油占36%，天然气25%，煤炭20%，核能8%，其他可循环能源9%。在可循环能源中，太阳能占1%、地热梯度2%、风能13%、生物废物5%、生物燃料21%、木柴22%、水能35%(见下图)。

那么，是中国对绿色能源投入不够吗?不是。实际情况是中国在太阳能、风能和水能等绿色能源上投资高居世界第一，2012年投资为650亿美元，相比较美国只有360亿美元。问题是我们一边开发绿色能源，一边更大程度地增加煤炭能源，其结果只能是污染越来越严重。举例来说，中国在加大绿色能源投入的同时，进一步扩展了煤炭的生产和消耗，仅2013年一年中国就新安装了约40千兆瓦的新煤炭能源。而到2015年底，中国计划新增煤炭产量为8.6亿吨，这几乎是印度年产量的1.5倍。

根据相关统计，2013年中国每增加1千兆瓦太阳能资源的同时，增加了27千兆瓦的新煤炭能源，这意味着中国对煤炭的依赖一直持不断上升的趋势。中国的产煤量占全球的46%，煤消耗量占全球的49%，也就是说，中国一个国家生产和消耗的煤炭相当于世界其他国家的总和。至今，煤炭一直占据着中国能量消耗的70%，而与此对比美国仅占18%，世界平均值也只不过28%。

上图：世界银行发布的世界经济前四强(中国、美国、日本、德国)二氧化碳排放图，中国超过美国为世界最大碳排放国。

年初，国务院常务会议明确表示，必须充分认识大气污染防治工作面临的严峻形势，坚持不懈付出努力。以雾霾频发的特大城市和区域为重点，以PM2.5和PM10治理为突破口，抓住能源结构、尾气排放和扬尘等关键环节，在大气污染防治上下大力、实现重点区域空气质量逐步好转，消除人民群众“心肺之患”。

5月15日在京发布的《中国低碳经济发展报告2014》，聚焦以雾霾为代表的大气污染问题，重申中国要根本上治理雾霾、重现蓝天白云，按目前经济发展模式和技术水平，需20-30年时间。报告称即使采取最严厉措施，采用最先进技术，最快地实现经济结构转型，奇迹性的改善环境，也需要15-20年左右时间。报告建议征收资源税、环境税、房地产税等，用经济手段治理雾霾;把环境保护的政府承诺纳入法律体系等。

二，治理的困境

找到了雾霾的成因，那么治理雾霾难在哪里?是摆在政府、企业、社会面前的现实问题。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、细微颗粒物等污染物，被认为是PM2.5的主要来源。压减燃煤、提高可再生能源利用率、“煤改气”等是环境治理的重要步骤。改变能源结构尤为重要，能源结构不彻底改变，雾霾不可能从根本上解除。

那么，如何转变能源结构?知易行难。我国是天然气资源贫乏国家，天然气对外依存度超过30%，一旦不用煤，改用天然气，就会出现气荒，引起天然气价格暴涨，例如，北京市天然气发电和供热补贴就超过100亿/年。

据国家发改委能源所的研究，中国能源结构从以煤炭为主转变为以可再生能源为主的转折点在2050年左右(实际上，以目前的开发速度，到2050年中国的煤炭资源将接近枯竭--作者语)。如果我国能源新增部分的70%来自新能源，那么从现在起到2050年，在未来的35年内，我国平均每秒钟要新增40万平方米的光伏电池板，或每1分钟新增一座风力发电站，或每个月新建一座核电厂。这显然是不现实的。要改变当前不合理的能源结构必须有新思维。

三，有机郎肯循环和二氧化碳

迄今，所有的发电应用都是朗肯循环，包括使用太阳热能、生物质能、火力、核能发电厂。朗肯循环是蒸汽机的基本热力学循环，利用水的相变来实现热和功的转换。热能由外界(锅炉)加入封闭工质回路中，废热由冷凝器排出。

根据卡诺定理，提高热机效率的关键在于尽可能提高高温热源温度和降低低温热源温度。由于低温热源通常是环境温度难以降低，所以现代热电厂采取单方向提高温度，用过热蒸汽推动汽轮机，并向超超临界要效率。

有机朗肯循环指使用有机溶液作为工质的朗肯循环，广泛运用在工业废热回收、太阳热能发电、生物质能发电上。由于有机溶液的沸点低，因此可以利用温度较低的热源工作。低沸点有机工质的选配是大幅度降低发电温度及提高发电效率的关键，要综合考虑其沸点，饱和蒸气压，临界温度，临界压力，蒸发潜热，比热容等。有机郎肯循环发电的优点：

1) 效率高，系统构成简单。不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施。

2)透平进排气压力高，所需流通面积小，透平尺寸小。

3)余热锅炉中不必设置过热段，工质蒸汽直接以饱和气体进透平膨胀做功。

4)可实现远程控制，无人值守，维护运行成本低。

作为温室气体祸首的二氧化碳是有机郎肯循环的理想工质。CO2环境友好，臭氧层破坏潜能值ODP为0，全球变暖潜能值GWP为1。CO2临界温度低(31.1℃)，临界压力高(7.3Mpa)。从三相点-56.6℃到临界点，87℃的温差压力变化12.8倍。水的临界温度374℃，对应7兆帕压力的饱和蒸汽温度约289℃。如果用CO2替代水作为火力发电介质，现行火电系统的综合能效比将提高4.3倍。下图;二氧化碳和水的相图。在压力-温度相图中，液态和气态为不同的二相，但若超过临界点，液态和气态的相态都消失了，变成单一相态的超临界流体。

作为制冷剂，CO2有着悠久的历史，19世纪70年代，世界第一台制冷机就是以二氧化碳为制冷剂。由于CO2临界温度低，临界压力高，蒸发密度大等特点给制冷机带来许多难题。随着氟类制冷剂的出现，1950年代CO2作为制冷剂停止了使用。直到1990年代，发现CFC类制冷剂对环境的破坏后，CO2才重新受到人们的青睐。

二氧化碳的膨胀过程与通常的高压气体膨胀做功是不同的。高压气体的膨胀是自发过程，主要靠气体的体积膨胀输出轴功。而在CO2的膨胀过程中出现气液相变，但体积变化不大。它主要是靠势能和气液相变提供输出功。CO2膨胀比小，只有2-4，是常规工质的10%。膨胀功大，为常规工质的3倍，相当于压缩功的30%，蒸发压力是常规工质的10倍，跨临界循环效率远高于常规工质。上图：CO2和氟利昂12膨胀机P-V图。可以看出CO2的膨胀功大部分来自超临

界相以及液相的功(膨胀体积很小)。

四，二氧化碳地热发电

笔者在前文中介绍的太阳辐射能热机利用的是环境温度(20℃左右)，环境温度低于CO2临界点，为亚临界循环。太阳辐射能热机适宜作分布式、移动式能源。要建设基础电力，需要更大规模和更高温度，最佳的资源是地热能。

地热能分为浅层地热能和深层地热能。浅层地热能是指在大地表层(一般四百米以内)形成的相对恒温层中的土壤、砂岩和地下水所蕴含的低温热能。地球每年得到的太阳能辐射总量达95万亿吨标煤，相当于世界全年能源消耗总量的6500倍，太阳辐射能是浅层地热能的主要补给来源。深层地热能是指在大地表层400米以下，主要是由于地壳内火山活动和年轻的造山运动，使地球内热在有限的地域内富集，构成的地热资源。

地核是一个巨大的核电站，不断发生核裂变，温度高达6000℃。其总热能量约为全球煤炭储量的1.7亿倍。每年从地球内部经地表散失的热量，相当于1000亿桶石油燃烧产生的热量。对人类来说地热资源，无论浅地层或深地层，几乎都是无限的。

碳减排的重要手段之一是捕捉和贮存(CCS)，将二氧化碳注入地下。全世界已经实施了100多个项目。我国神华集团于2010年在内蒙鄂尔多斯建设10万吨CCS项目，将二氧化碳注入地下3000米咸水层，注入压力35-40Mpa。

我们知道，地表下每深30米，温度提高1℃。地下3000米深处，达到100℃。100℃是水的沸点，但对于二氧化碳来说却达到超超临界，压力高达35兆帕

(水的临界温度为374℃,压力22兆帕)。C02压力与温度和体积质量关系下图：

图中A～Tp线表示CO2气一固平衡的升华曲线，B～Tp线表示CO2液一固平衡熔融曲线，Tp～Cp线表示CO2的气一液平衡蒸汽压曲线。Tp为气一液一固三相共存的三相点。沿气一液饱和曲线增加压力和温度则达到临界点Cp。当体系阴影部分为超临界状态。CO2超临界流体介于气体和液体之间，兼有气体、液体的双重特点，其密度接近液体，而粘度近似于气体;即密度比气体密度大数百倍，其数值与液体相当;而粘度比液体小两个数量级，其数值与气体相当，扩散系数介于气体和液体之间约为气体的1/100，比液体要大数百倍。

可以设想建设大规模二氧化碳地热能发电厂。将成千万以致上亿吨二氧化碳注入地下断层，形成流动的CO2地下暗河。CO2被深层地热加热，达到超超临界。在断层远端打一口竖井，在地下受到强力挤压的CO2会猛烈的喷发出来，释放巨大的能量。释放了内能的CO2再次回注地下，往复循环。

粗略计算，建设一个1亿吨二氧化碳工质的CO2地热能发电厂就可以完全满足中国的电力需求。建设成本大大低于火电、核能、光伏以及风力发电。因为CCS发电工程可以与自然融合为一体。

五，资源、技术、经济、生态可行性

5.1，二氧化碳资源和地下断层

我国每年仅发电燃煤产生的二氧化碳就高达100亿吨，二氧化碳的来源不成问题。以目前技术、工艺二氧化碳回收成本平均约200元/吨。我国地下水超采严重，仅河北省年均超采50多亿立方米，已累计超采1500亿立方米，面积达6.7万平方公里，形成了世界最大的地下漏斗。这些人为形成的地下漏斗和沟裂为大规模回注二氧化碳，建设CCS地热发电厂创造了天然条件。

5.2，页岩气综合开发

根据美国能源情报署估计，中国页岩气储量超过世界上任何一个国家，可采储量约1275万亿立方英尺。按当前的消耗水平足够中国使用300年。
                 

页岩气是一种以吸附及游离状态存在于泥页岩中的非常规天然气，要开采页岩气，需要一种介质将页岩气从地下驱替出来。国际上多采用水作为压裂介质。有限的水资源成为制约我国页岩气开采的难题。页岩气开采的水力压裂法需水量惊人，即便是水量充沛的美国也视供水为最大瓶颈，而对于水资源紧缺的中国，如何平衡页岩气开发与水资源合理利用之间的矛盾，将是一个重大的挑战。利用超临界CO2流体作为介质可替代水资源，适合我国国情。利用超临界CO2开采页岩气，具有以下优势：

超临界CO2破岩门限压力低、破岩速度快，对于典型的难钻页岩层来说，能够大大缩短建井周期，降低钻井费用;超临界CO2流体既不含固相也不含水，对储层无任何损害和污染，非常适合于粘土含量较高的页岩气藏开发;超临界CO2流体黏度低、表面张力为零、易流动，容易进入毛细孔隙中，驱替及置换甲烷。利用超临界CO2流体进行压裂可防止储层伤害，提高采收率，降低成本。超临界CO2代替水做压裂液，几乎可以解决水压裂带来的所有难题，包括地下水污染。

目前，我国二氧化碳驱油技术已经比较成熟，在油田开发生产中得到了广泛应用，利用超临界二氧化碳开采页岩气技术仍处于实验室研究和探索试验阶段，预计2～3年内该技术将在我国页岩气勘探开发中得到现场应用和推广。

5.3，经济性

建设CCS地热发电厂的经济性显而易见。火电厂运行，燃料一项占总成本的60%。CCS地热电厂完全不消耗化石能源，意味着成本下降60%。此外，千瓦装机投入也将大幅度下跌，因为CCS地热发电循环不需要投资建设燃料锅炉。这个锅炉体积无比巨大，非人力可为。

5.4，生态效益

CCS地热电厂利用的是取之不尽、用之不竭的地热能，完全不消耗化石能源。全世界修建总量4亿吨二氧化碳工质的CCS地热发电厂就可以满足所有的能源需求，人类将一劳永逸的告别化石能源。建设大规模CCS发电工程是解决我国能源短缺以及能源结构扭曲，减少碳排放，逆转环境和生态恶化最为现实、可行、投入最少、效益最高的选项。

六，终极替代--新能源

根据能量守恒和熵的原理，使用化石能源就是在利用成千上万年的太阳能资源的积累。但是人类使用这些能源的速度比生成的速度要快许多倍，导致化石能源在短期内被大量开发，而新的化石能源却几乎不可能再生(与人类发展史比较)。同时因为熵的原理，化石能源被使用后生成大量二氧化碳、氧化硫等低能量的物质，很难再次被利用。它们污染了环境并生成温室气体。

人类已经经历了两次工业革命，目前正在迎来第三次工业革命的浪潮。每一次工业革命的原动力看似是科技发明，实则是能源革命。第一次工业革命的推动力看似是蒸汽机，实则是煤炭;第二次工业革命的推动力看似是电力，实则是石油。第三次工业革命的推动力又将是什么?当然是非传统能源的各种新能源。与传统能源相反，未来不是资源竞争，而是核心技术竞争，谁掌握了核心技术，谁就掌握了能源，站上第三次工业革命的潮头。

随着全球变暖给人类持续生存构成的威胁日益加剧。化石燃料驱动的原有工业经济模式难以支撑全球的可持续发展，这就需要寻求一种能使人类进入“后碳”时代的新模式。前两次工业革命是用一种化石能源替代另一种化石能源，而第三次工业革命则是用性质完全不同的新能源(即可再生能源)替代化石能源。将来也不会有更新的能源来替代可再生能源，所以这次替代为“终极替代”。

从世界能源结构演变历史看，煤炭代替木柴成为主要能源的第一次能源消费结构变革用了100多年;石油替代煤炭成为主要能源的第二次能源消费结构变革用了60年;预期到2035年(未来20年)，清洁能源将占全球一次能源利用总量的50%，新能源大规模替代化石能源的时代已经来临!未来可能是多种新能源并存的时代，但只有太阳能可以挑大梁，风能、水能、波浪能、地热能、生物质能将是有益补充。

太阳是地球的主要能源供应者。太阳在其核反应过程中释放的能量是巨大的，其中只有二十二亿分之一的能量经过1.5亿公里的长途跋涉来到地球，30%的能量被大气层反射回宇宙，23%的能量被大气层吸收，最终每秒到达地球表面的功率仍然高达80万-85万千瓦，相当于每秒燃烧500万吨煤释放的能量，40分钟的光照即可满足人类一年的能源需求。这些能量形成了水能、风能、潮汐能、地热能等。事实上，化石能源也是太阳能的转化物。然而，如何利用太阳能，什么是利用太阳能最好的方式是可以讨论的。

笔者认为光伏发电不是太阳能利用的最好方式，因为这种方式存在硬约束，即必须依靠增加采光面积才能获得更多的能量，而地球的表面积是有限的。同时，受到昼夜的限制，光伏不能连续工作。这无疑将约束人类对未来能源的更大需求。

而笔者发明的以天然二氧化碳为工质，通过节流膨胀(CO2亚临界或跨临界循环)做功的太阳辐射能热机以及CCS地热发电厂则不受时空限制，可以高效率，低成本，无约束的实现太阳能资源的终极利用。

邱纪林

2014年5月19日于北京