正值夏季用電高峰，燃料電池“黑科技”或?qū)⒅?jié)能減排

炎炎夏日，為確保夏季用電高峰的電力供應(yīng)，作為“發(fā)電主力”的“黑金”—煤炭，迎來了show time。

圖一：煤炭被譽(yù)為“黑金”，是發(fā)電主力，圖為煤場斗輪機(jī)（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

不過，作為一種高碳燃料，傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電一方面能量轉(zhuǎn)化率低，另一方面又會產(chǎn)生大量的二氧化碳，讓人既愛又恨。面對夏天旺盛的用電需求，如何既能保證電力穩(wěn)定供應(yīng)，又達(dá)到節(jié)能降碳的目標(biāo)呢？科學(xué)家有哪些高招呢？

01 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化效率與碳排放

電是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，是當(dāng)代最普遍的能量形式。但電是一種典型的二次能源——電本身不產(chǎn)生能量，而是其他能源的一種轉(zhuǎn)化形式。如：

燃煤發(fā)電廠利用煤炭燃燒產(chǎn)生的蒸汽通過渦輪發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽伙L(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；核能發(fā)電是將原子核裂變產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為熱能；燃?xì)獍l(fā)電的原理也類似，涉及能量的二次轉(zhuǎn)化，即“熱能→機(jī)械能→電能”。

圖二：燃煤發(fā)電廠（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有能量都不可能100%轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化中都會有能量損耗。普通的內(nèi)燃機(jī)由于需要經(jīng)歷熱機(jī)的過程，受卡諾循環(huán)的限制，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的整體能量轉(zhuǎn)化效率大約只有30%左右[1]，會造成大量的能量耗損。

同時，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電會釋放大量的二氧化碳。據(jù)估算，1噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.6噸二氧化碳，用煤炭燃燒發(fā)電，每發(fā)1度電大約就排放0.785千克二氧化碳[2]。

除了較低的能量轉(zhuǎn)化效率與較高的碳排放，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電還有一個明顯的缺點(diǎn)：所產(chǎn)生的電不能大規(guī)模存儲，必須即發(fā)即用。

02 燃料電池的發(fā)明與“節(jié)能減排”

為了解決傳統(tǒng)燃煤電機(jī)能量轉(zhuǎn)化率低、碳排放高且不能存儲的問題，英國科學(xué)家Grove在1839年將燃料燃燒與電池直接聯(lián)合起來，減少了中間的能量損耗最大的渦輪發(fā)電過程，發(fā)明了燃料電池[1]。

燃料電池不同于傳統(tǒng)水力、風(fēng)力、燃煤發(fā)電等需要通過機(jī)械能或化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，而是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能源轉(zhuǎn)化效應(yīng)更高。理論上其熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到100%，但在實(shí)際中考慮到各種技術(shù)限制因素，熱轉(zhuǎn)化效率一般為 40%~60%[1]，如果將余熱充分利用，熱轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)80%以上[1]。

圖三：燃料電池氫站概念圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

燃燒所需燃料要求廣泛，只要含有氫原子的物質(zhì)，如天然氣、石油、煤炭，或是沼氣、酒精、甲醇等都可以作為燃料，其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有水和二氧化碳，很少排放 NOx和 SOx等有害氣體。相比渦輪電機(jī)，燃料電池二氧化碳的排放也減少了40%以上[1]。同時，由于裝置不含或少含的運(yùn)動部件，比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜，其故障率與維修成本更低。因此，無論從節(jié)約能源還是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度，燃料電池都是極具發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色電站”。

03 兩全其美的煤氣化燃料電池

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，燃煤發(fā)電是保證我國電力穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，火電依然是我國的主力基礎(chǔ)電源，尤其是夏季用電高峰期，火電成為我國電力供應(yīng)的主力軍。在夏季用電高峰期，煤電貢獻(xiàn)了我國電力供應(yīng)的將近70-80%[3]。但是煤炭作為一種高碳燃料，燃煤發(fā)電產(chǎn)生大量二氧化碳。

圖四：高壓鐵塔（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

然而，煤氣化燃料電池為這一難題提供了可能的解決途徑[4]。煤氣化燃料電池是將煤氣化與高溫燃料電池結(jié)合的發(fā)電技術(shù)，通過煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學(xué)發(fā)電的技術(shù)跨越，實(shí)現(xiàn)了煤炭低碳高效靈活發(fā)電與低碳排放，極大提高了能量轉(zhuǎn)化效率，降低了二氧化碳的捕集成本，突破了燃煤發(fā)電效率提升和二氧化碳近零排放的瓶頸，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

日前，由國家能源集團(tuán)直屬的研發(fā)機(jī)構(gòu)北京低碳清潔能源研究院（簡稱低碳院）承擔(dān)的“CO2近零排放的煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)”項目成果已經(jīng)通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會技術(shù)鑒定[5]，下一步將開展更大規(guī)模的工程驗(yàn)證與示范，相信不久的將來，這項技術(shù)就能走到我們的生活中。屆時，低碳且節(jié)能的電或許就將不再是鏡花水月的兩難之選！

參考文獻(xiàn)：

[1]侯明,衣寶廉. 燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 電化學(xué), 2012, 18 (01): 1-13.

[2]徐向梅. 推動煤炭清潔高效利用[N]. 經(jīng)濟(jì)日報, 2022-08-15 (011). https://energy.huanqiu.com/article/49FL2ntCAlE

[3]丁怡婷. 用電高峰，保供持續(xù)發(fā)力[N]. 人民日報, 2022-08-08 (002). https://www.gov.cn/xinwen/2022-08/08/content_5704557.htm

[4]彭蘇萍,楊志賓,熊星宇,等. 固體氧化物電池技術(shù)及其在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J]. 新型電力系統(tǒng), 2023, 1 (01): 66-73.

[5]李初福，楊霞. 國家能源集團(tuán)煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)達(dá)國際領(lǐng)先水平[N].中國煤炭報, 2022-05-22.

作者：劉漢斌 山西省煤炭地質(zhì)局高級工程師

審核：楊志賓 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院教授

出品：科普中國