浅析获取能源、利用能源的方式转变

摘要

(1)生物质通过厌氧发酵得到沼气，沼渣碳。沼气，沼渣利用太阳能获得电能、肥料、氧气和光液（醇类、醚类、酮类燃料）。光液经过管道输送后到能源消耗地点，燃烧或光液利用太阳能重整获得一氧化碳，氢气。200℃的一氧化碳、氢气燃烧直接带动内燃发动机。内燃发动机带动lightyear结构电动发电机发电。

(2)光液的生产环节，太阳能的利用效率（转换为化学能、电能和热能）会超过40%。光液的使用环节，配合中温太阳能聚光系统。光液重整得到氢气、一氧化碳通过内燃机或燃气轮机发电，其净发电效率高达35%。

关键词太阳能；生物质；LY系统；发电；能源。

中图分类号TK6生物能及其利用

Abstract

(1)Biogas is obtained by anaerobic fermentation, and biogas residue carbon. Biogas, biogas residue carbon and solar energy to generate electricity, fertilizer, oxygen and light-liquid (alcohols, ethers, ketone fuels). The light-liquid is transported through the pipeline to the energy consumption site, and the light-liquid is reformed by solar energy to obtain carbon monoxide and hydrogen. The carbon monoxide and hydrogen at 200 ℃ directly drives the combustion engine. The engine drives the lightyear structure of the motor generator to generate electricity.

(2)In the production of light-liquid, the utilization efficiency of solar energy (converted to chemical energy, electric energy and thermal energy) will exceed 40% maximum. The use of light-liquid is matched with a medium-temperature solar concentrating system. Light-liquid reforming results in hydrogen and carbon monoxide being generated by an engine or a gas turbine, and its net power generation efficiency is as high as 35% maximum.

Keywords: solar energy; biomass; LY system; power generation; energy.

1 引言

目前太阳能的利用方式中绿色植物的光转存储化学能为0%~6%[1]；光热的光转热为0%~80%[2]，光热转电为0%~29%[2][3]；光伏的光转电为0%~46%[3][4]。除了核能、地热这两类能源外的所有能源利用方式，都是太阳能利用。太阳能的储量巨大，要想解决能源问题，提高太阳能的利用效率，降低成本是最有效的办法。人类要想经济地使用太阳能作为能源，必需从提高面积单位能源密度、质量单位能源密度和转换效率这三个方面入手。太阳能的广泛性，及能源密度低的特征，要求分散地、搭配高能量密度能源载体来利用。

根据研究，光合作用的过程是在含锰的催化剂进行的[5]。这一过程是常温常压下进行的化学反应。如果化学反应条件提高，相当用化学吸热反应进行了类光合作用。而生物质+光液+太阳能+lightyear混动车的系统就是利用这个想法去实现太阳能的高效利用。暂时将这一能源转换利用系统称为太阳能转换光年系统（lightyear system）。因为这个系统在解决光年跨越难题的过程中发现的。简称LY系统。

LY系统是一个利用生物质和阳光产生电力、光液、氧气和肥料的太阳能利用方法，遵循了自然界碳循环的规律。

2 LY系统简介

LY系统的整体图示如图一所示。

图 1 太阳能利用lightyear系统图示

2.1 光液生产过程

在地面上收集生物质，经过粉碎、膨化后，进入38℃水解酸化塔，得到小分子的有机物，再经过55℃高温厌氧发酵得到沼气、沼渣[7]。沼渣气化碳化后得到沼渣炭，沼气和炭高温下得到富含一氧化碳、氢气的碳氢氧复合气体[7][8][9]。利用复合气体作为传热工质，炭和熔盐作为储热介质。水蒸气、甲醇蒸汽轮机或内燃机发电。发电的同时得到光液、液态肥料和氧气。

2.1. 基本原理

该化学反应过程是由一系列的吸热和放热化学组成[6]。主要反应如下图二。

图 2 基本原理图示

0.1MPa和2.0MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成分别如图3和图4所示。

图3 0.1MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成

图4 2.0MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成

图3、图4是该连串化学反应的平衡图。［6］

T>900℃，含有等量的H2和CO，其它组分含量接近于零。T↓，H2O、CO2、CH4含量逐渐增加。高温，H2和CO含量高。相同T，P↑，H2O、CO2、CH4含量增加，H2和CO含量减小。低压、高温有利于反应的进行。

这是一个化学储存太阳能的反应，此总反应主要在光热/高温条件下进行。以下是放热反应，主要在水蒸汽锅炉内胆发生，高压、低温有利于反应的进行。

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.194KJ/mol

C(g)+2H2(g)=CH4(g) △H=-74.898KJ/mol

这两个反应不需要催化剂。

而合成甲醇、二甲醚的过程需要催化，也是在主要在水蒸气锅炉内胆发生。

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H=-100.46kJ/mol

2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-20.59kJ/mol

锅炉内胆分层，水蒸气入口温度500℃，最高温度700℃，出口温度420℃。

如上图2所示，这是锰、铁及其复合物组成的在太阳能热源下进行的一系列化学反应。该过程的总反应方程如下

C+H2O(g)+ CH4(g)+ CO2(g) → CH4O(L)＋O2(g) （公式一）

该反应的条件是在最高1600℃温度下，利用锰、铁等物质的催化下，通过控制不同的进气原料比，更替地变换进气成分，得到富含CO或H2的复合气体。该复合气体作为传热介绍给水汽汽轮机发电，降温为400℃，在继续传热给甲醇蒸汽汽轮机发电，降温为200℃。得到一股含CO体积分数20%以上的复合气体，另外一股含H2体积分数40%以上的复合气体。这两股复合气体在200~250℃催化床的作用下，80~90%的H2和CO转换为CH4O。CH4O经压缩到6~8MPa后，变成液体，气体分离。液体甲醇打入甲醇锅炉蒸汽发电。

由公式一可以知道不同的原料成分组成，需要的能量不一样。产物都可以得到甲醇。需求能量最低的组分如下

C+2H2O(g)+ CH4(g)= 2CH4O(L) （公式二）

25℃、101kPa下，炭、氢气、甲烷和甲醇理论净热值33MJ/KG、143MJ/KG、56MJ/KG、23MJ/KG。室温燃烧放热反应过程如下

C（s）+0.5O2（g）=CO（g）△H=-396kJ?mol-1

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-896kJ?mol-1

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=-286kJ?mol-1

CH3OH（l）+1.5O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-736kJ?mol-1

公式二的左边假定有12KG炭、36KG水、16KG甲烷（室温，1大气压力），得到64KG的甲醇。如果炭、甲烷直接燃烧。产生热值为1292MJ。经过光液处理后热值为1472MJ。增加180MJ。甲烷和木炭能量增加14%。1KG甲醇需求2.82MJ能量。

能量需求最高的过程是

8H2O(L)+ 2CO2(g)= 2CH4O(L)＋5O2(g) （公式三）

该过程生产生产64KG甲醇最少能量为2616MJ。1KG甲醇需求40.88MJ能量。

最优的能源需求、最佳产出为甲醇、木炭。光液工艺最佳反应为(在沼气甲烷:二氧化碳=6:4情况下)。

4C+16H2O(g)+6CH4(g)+ 4CO2(g) =14CH4O(L)＋5O2(g)（公式四）

该反应生产554KG甲醇需要能量最少为11734MJ。1KG甲醇需求26.2MJ能量。

2.1.2 主反应选择

根据炭、氧化合物的吉布斯自由能数据二氧化锰在530~560℃起会释放出氧气，碳和二氧化碳的反应启动温度480℃。降低最高反应温度为400℃~600℃，将会使得这个系统更具备经济竞争力。不过工艺过程可能会很长，除非找到一个非常高效的催化反应剂。不然可靠方法还是铁锰反应容器，不同组分交替进料。

在日照条件非常好的情况下，选公式三，作为主反应。在日照条件很差甲烷和煤炭等原料丰富的情况下，选公式二作为主反应。在生物质资源丰富的地方，选择公式四为主反应。

最佳的产出是甲醇、沼渣炭和电能。生物质转化甲醇的年储量是2000~8000吨/平方公里。1平方公里生物质的光液聚光面积需求面积不超过1公顷。1平方公里生物质聚集成本非常低廉。可以得到光液工厂年面积产量密度是0.2~0.8万吨/公顷。

聚光器件是整个光液生产最大成本组成，按光热发电约占到总成本的40~50%。而在最高反应温度降为400℃~600℃时，可以直接使用槽式聚光，成本将会大幅降低。

不需要生产氧气的公式二，或含碳物质化学直接制氢的比较适合反应温度在750~920℃[10][11]。产氧气的公式三、公式四锰铁反应容器最高1600℃[12]直接反应催化的情况下，这个方案的经济性大大折扣。

2.1.3 储能

光液的生产过程是能量的存储和释放过程，这个系统储存多少能量，释放了多少能量呢？

以秸秆为例说明，秸秆碳含量38±5%之间，高位热值15~17MJ/KG[13]。按每吨秸秆含炭元素38%，并完全利用得到约1吨甲醇。查化工手册知甲醇高位热值22.7MJ/KG，低位热值19.9MJ/KG。秸秆热值取最大值17MJ/KG，借助太阳能光热，秸秆的能量等价地完全转化到甲醇，并吸收太阳能，增加了33.5%转化到甲醇。

太阳能的光热储存是以化学能、热能存储的。由公式一，复合气体中CO、H2生产甲醇的的化学储能为2.82~40.88MJ/KG。光液的生产过程中

CH4(g)=C(g)+2H2(g) △H=+74.898 KJ/mol

C+CO2(g)=2CO(g) △H=+131.390 KJ/mol

C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.390 KJ/mol

总反应方程式为

CH4(g)+CO2(g)+H2O(g)=3CO(g)+3H2(g) △H=+206.288 KJ/mol

由这三个化学得知，在化学反应充分、流化床有效分离CO、H2情况下。以CH4(g)、CO2(g)、H2O(g)和炭为原料，化学储能甲烷为12.9MJ/KG，碳为10.95MJ/KG。该储能能量会在光液生产工艺过程中释放一部分。这个系统有一个固态碳高温储能，800℃的单质碳储存能力跟碳热比容、碳质量有关。复合气体的显热也是储能的一部分。

由此，总储能=高温碳单质储能+复合气体内能+已转化甲烷存储化学能+已转化碳化学能。这个总储能可用于替代部分的熔盐储能。

2.2 光液的使用过程

光液经过太阳能低温重整后得到一氧化碳和氢气。经内燃发动机直接燃烧供给lightyear结构混动车动力发电[14][15]。其吸热化学反应如下

CxHyOz(L)+H2O(L)→CO(g)+2H2(g)

2.2.1 光液发电效率

按照隋军[16]计算及实验数据，槽式太阳能能聚光+甲醇。最高太阳能转化化学能可达70%。实际实验数据为30~60%。洪慧，金红光等人理论及研究表明[17][20]，利用热力学第一、二定律改善动力利用系统的效率。并计算出太阳能热力学在适合工况下净发电效率高达35%。曲延涛，张国强等人，发动机余热重整甲醇可使得发动机热效率达到50%[18]。李文甲，郝勇等仿真研究表明甲醇重整、光伏结合发电的情况下。最高净发电效率达43%，综合利用效率达52%。

按曲延涛研究。这样一个甲醇发动机加上传动作为lightyear混动车发动机的动力来源。考虑传动损耗及发电效率。最终有约0.8~0.9的热效转化为电能。综合发电效率约为40%~45%。甲醇低位热值5.53KWH。也就是说1KG甲醇发电2.2~2.5KWH。按3元1公斤甲醇燃料价格，度电成本为1.36~1.2元。

图 5 槽式聚光导热油储能

利用槽式太阳能聚光，导热油储热。再用400℃导热油重整甲醇。甲醇化学能增加12%，热能增加15%。整体能量增加27%。也就是说1KG甲醇理论热值为7KWH。发电系统通过涡轮及废热重整额外的甲醇。综合发电效率扔能达到0.45。也就是说1KG甲醇发电2.8~3.15KWH。按3元1公斤甲醇燃料价格，度电成本为1.07~0.95元。

按照洪慧等提出了集成中温甲醇热分解的太 阳能热动力循环, 其太阳能净发电效率达到35%, 燃烧过程佣损失减少7%。按照李文甲等人研究光热-光伏互补系统产生的电能中约73~76％源于甲醇化学能，其余约25%是来自太阳能，约16%来子太阳能甲醇裂解发电[23]。其太阳能利用效率高达43.5%。光液与LY混动车发电系统跟洪慧、李文甲等提出来的工况有所差别[24]。但达到25%以上是可以预期的。

lightyear混动车和槽式400℃导热油聚光储热组成的发电平台，其成本低廉。

当光液生产工艺成本下降，甲醇的客户端售价降为2元1KG，度电成本会低到0.64元。此外，当重整的光液不是甲醇，而是醚类，如乙醚。太阳能发电量和利用效率有可能会提高，也会降低度电成本。

2.3 光液技术如何推广

Lightyear结构混动车（简称LY混动）不需要光液也可以发展起来。最先会是LY混动卡车，因其高效并有望实现无人驾驶。LY混动卡车实现无人驾驶，将降低物流成本。LY混动小车，也是一种短程纯电动车。成本比长续航车更低，并且无里程焦虑和有更好的安全性能。柴油、重油的燃烧加入光液，将会更加清洁。LY混动车的广泛应用将会建立起一个光液消费市场。这个光液消费市场对光液技术的发展、推广至关重要。

利用甲烷、煤炭生产醇类燃料的技术已经发展了数十年，目前仍然没有经济竞争力。光液技术仍未成熟，也没有形成产业。需要突破多项技术如降低聚光器件成本、获得更高储热温度。找到降低甲烷、炭变为CO、H2的反应温度。提高光液各个化学反应产率。

3 光液技术展望

所有生物质，如树木、农作物废弃物、粪便、厨余垃圾都可以进光液生产系统。光液生产环节太阳能转化学能不低于8%。在光照条件如佛山市5000~5500MJ/m2、使用沼气中甲烷和沼渣炭生产光液140KG/m2，聚光面积如佛山3875平方公里和需求约6~8亿吨生物质条件下，就能获得5.425亿吨甲醇（植物含碳量387~506g/kg）[25]。足够全国LY混动车的燃料需求，同时还获得大量电能。全国生物质总量生产潜力可达650亿吨/年[26]（湿重），只需要将2~5%总量利用起来，生产得到的光液足够满足全部全部能源需求。

4 结论

LY系统及lightyear结构类交通工具（汽车、卡车、高铁、轮船）的使用，很有可能是一种改变当前能源获得和使用的形式的有效方法。这个方法使得太阳能利用效率更高，能源转换更有效率，并解决了储能问题。

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