作者按：在上期“二氧化碳--未來能源解決之道?”一文中，筆者介紹了以二氧化碳為工質(zhì)，利用環(huán)境溫度做功的太陽輻射能熱機(jī)的運(yùn)行原理。熱機(jī)利用的是二氧化碳亞臨界循環(huán)，因?yàn)榄h(huán)境溫度只有20℃，低于二氧化碳臨界點(diǎn)。太陽輻射能熱機(jī)不受時空限制，高效率實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，適宜作為分布式、移動式能源。本文將重點(diǎn)描述利用地?zé)崮?，二氧化碳跨臨界循環(huán)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；A(chǔ)發(fā)電的設(shè)想。希望引起讀者的興趣。

一，霧霾的成因和治理

2013年年初和年尾，中國發(fā)生了大事件,霧霾不再是北京、天津、長三角等大城市的特屬品，連“偏遠(yuǎn)”的西南地區(qū)也不能幸免。霧霾范圍之大波及全國25個省份，100多個大中型城市，覆蓋數(shù)百萬平方公里。蒸騰繚繞的霧霾使人間宛如仙境。霧霾天數(shù)均創(chuàng)下中國“歷史紀(jì)錄”。霧霾不僅禍亂中國，甚至為患世界，韓國、日本，甚至美國阿拉斯加均受到影響。

我國大氣污染的形勢十分嚴(yán)峻并日益惡化。世界污染最嚴(yán)重的城市排名前十中，中國占了七個，全部位于華北。上海社會科學(xué)院不久前發(fā)布的《國際城市藍(lán)皮書：國際城市發(fā)展報告(2014)》指出，北京的生態(tài)問題成為城市升級的最大短板，污染指數(shù)接近極值，已接近不適合人類居住的程度。對于我們這些身臨其境的人來說，曾經(jīng)每天呼吸的新鮮空氣已經(jīng)成了奢侈品。

究其原因在于中國對煤炭不可抑制的嚴(yán)重依賴。我國能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主，70%的能源需要依賴廉價的煤炭資源，這種情況在過去的三十多年里并沒有多少改善。以2011年中國能源消耗為例，煤炭占69%，石油占18%，水電占6%，天然氣4%，核能小于1%，其他可循環(huán)能源僅占1%。

對比之下，美國能源結(jié)構(gòu)則相對合理，石油占36%，天然氣25%，煤炭20%，核能8%，其他可循環(huán)能源9%。在可循環(huán)能源中，太陽能占1%、地?zé)崽荻?%、風(fēng)能13%、生物廢物5%、生物燃料21%、木柴22%、水能35%(見下圖)。

那么，是中國對綠色能源投入不夠嗎?不是。實(shí)際情況是中國在太陽能、風(fēng)能和水能等綠色能源上投資高居世界第一，2012年投資為650億美元，相比較美國只有360億美元。問題是我們一邊開發(fā)綠色能源，一邊更大程度地增加煤炭能源，其結(jié)果只能是污染越來越嚴(yán)重。舉例來說，中國在加大綠色能源投入的同時，進(jìn)一步擴(kuò)展了煤炭的生產(chǎn)和消耗，僅2013年一年中國就新安裝了約40千兆瓦的新煤炭能源。而到2015年底，中國計(jì)劃新增煤炭產(chǎn)量為8.6億噸，這幾乎是印度年產(chǎn)量的1.5倍。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2013年中國每增加1千兆瓦太陽能資源的同時，增加了27千兆瓦的新煤炭能源，這意味著中國對煤炭的依賴一直持不斷上升的趨勢。中國的產(chǎn)煤量占全球的46%，煤消耗量占全球的49%，也就是說，中國一個國家生產(chǎn)和消耗的煤炭相當(dāng)于世界其他國家的總和。至今，煤炭一直占據(jù)著中國能量消耗的70%，而與此對比美國僅占18%，世界平均值也只不過28%。

上圖：世界銀行發(fā)布的世界經(jīng)濟(jì)前四強(qiáng)(中國、美國、日本、德國)二氧化碳排放圖，中國超過美國為世界最大碳排放國。

年初，國務(wù)院常務(wù)會議明確表示，必須充分認(rèn)識大氣污染防治工作面臨的嚴(yán)峻形勢，堅(jiān)持不懈付出努力。以霧霾頻發(fā)的特大城市和區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，以PM2.5和PM10治理為突破口，抓住能源結(jié)構(gòu)、尾氣排放和揚(yáng)塵等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在大氣污染防治上下大力、實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域空氣質(zhì)量逐步好轉(zhuǎn)，消除人民群眾“心肺之患”。

5月15日在京發(fā)布的《中國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展報告2014》，聚焦以霧霾為代表的大氣污染問題，重申中國要根本上治理霧霾、重現(xiàn)藍(lán)天白云，按目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和技術(shù)水平，需20-30年時間。報告稱即使采取最嚴(yán)厲措施，采用最先進(jìn)技術(shù)，最快地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，奇跡性的改善環(huán)境，也需要15-20年左右時間。報告建議征收資源稅、環(huán)境稅、房地產(chǎn)稅等，用經(jīng)濟(jì)手段治理霧霾;把環(huán)境保護(hù)的政府承諾納入法律體系等。

二，治理的困境

找到了霧霾的成因，那么治理霧霾難在哪里?是擺在政府、企業(yè)、社會面前的現(xiàn)實(shí)問題。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、細(xì)微顆粒物等污染物，被認(rèn)為是PM2.5的主要來源。壓減燃煤、提高可再生能源利用率、“煤改氣”等是環(huán)境治理的重要步驟。改變能源結(jié)構(gòu)尤為重要，能源結(jié)構(gòu)不徹底改變，霧霾不可能從根本上解除。

那么，如何轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)?知易行難。我國是天然氣資源貧乏國家，天然氣對外依存度超過30%，一旦不用煤，改用天然氣，就會出現(xiàn)氣荒，引起天然氣價格暴漲，例如，北京市天然氣發(fā)電和供熱補(bǔ)貼就超過100億/年。

據(jù)國家發(fā)改委能源所的研究，中國能源結(jié)構(gòu)從以煤炭為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鞯霓D(zhuǎn)折點(diǎn)在2050年左右(實(shí)際上，以目前的開發(fā)速度，到2050年中國的煤炭資源將接近枯竭--作者語)。如果我國能源新增部分的70%來自新能源，那么從現(xiàn)在起到2050年，在未來的35年內(nèi)，我國平均每秒鐘要新增40萬平方米的光伏電池板，或每1分鐘新增一座風(fēng)力發(fā)電站，或每個月新建一座核電廠。這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。要改變當(dāng)前不合理的能源結(jié)構(gòu)必須有新思維。

三，有機(jī)郎肯循環(huán)和二氧化碳

迄今，所有的發(fā)電應(yīng)用都是朗肯循環(huán)，包括使用太陽熱能、生物質(zhì)能、火力、核能發(fā)電廠。朗肯循環(huán)是蒸汽機(jī)的基本熱力學(xué)循環(huán)，利用水的相變來實(shí)現(xiàn)熱和功的轉(zhuǎn)換。熱能由外界(鍋爐)加入封閉工質(zhì)回路中，廢熱由冷凝器排出。

根據(jù)卡諾定理，提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵在于盡可能提高高溫?zé)嵩礈囟群徒档偷蜏責(zé)嵩礈囟?。由于低溫?zé)嵩赐ǔＪ黔h(huán)境溫度難以降低，所以現(xiàn)代熱電廠采取單方向提高溫度，用過熱蒸汽推動汽輪機(jī)，并向超超臨界要效率。

有機(jī)朗肯循環(huán)指使用有機(jī)溶液作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，廣泛運(yùn)用在工業(yè)廢熱回收、太陽熱能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電上。由于有機(jī)溶液的沸點(diǎn)低，因此可以利用溫度較低的熱源工作。低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的選配是大幅度降低發(fā)電溫度及提高發(fā)電效率的關(guān)鍵，要綜合考慮其沸點(diǎn)，飽和蒸氣壓，臨界溫度，臨界壓力，蒸發(fā)潛熱，比熱容等。有機(jī)郎肯循環(huán)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)：

1) 效率高，系統(tǒng)構(gòu)成簡單。不需要設(shè)置除氧、除鹽、排污及疏放水設(shè)施。

2)透平進(jìn)排氣壓力高，所需流通面積小，透平尺寸小。

3)余熱鍋爐中不必設(shè)置過熱段，工質(zhì)蒸汽直接以飽和氣體進(jìn)透平膨脹做功。

4)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無人值守，維護(hù)運(yùn)行成本低。

作為溫室氣體禍?zhǔn)椎亩趸际怯袡C(jī)郎肯循環(huán)的理想工質(zhì)。CO2環(huán)境友好，臭氧層破壞潛能值ODP為0，全球變暖潛能值GWP為1。CO2臨界溫度低(31.1℃)，臨界壓力高(7.3Mpa)。從三相點(diǎn)-56.6℃到臨界點(diǎn)，87℃的溫差壓力變化12.8倍。水的臨界溫度374℃，對應(yīng)7兆帕壓力的飽和蒸汽溫度約289℃。如果用CO2替代水作為火力發(fā)電介質(zhì)，現(xiàn)行火電系統(tǒng)的綜合能效比將提高4.3倍。下圖;二氧化碳和水的相圖。在壓力-溫度相圖中，液態(tài)和氣態(tài)為不同的二相，但若超過臨界點(diǎn)，液態(tài)和氣態(tài)的相態(tài)都消失了，變成單一相態(tài)的超臨界流體。

作為制冷劑，CO2有著悠久的歷史，19世紀(jì)70年代，世界第一臺制冷機(jī)就是以二氧化碳為制冷劑。由于CO2臨界溫度低，臨界壓力高，蒸發(fā)密度大等特點(diǎn)給制冷機(jī)帶來許多難題。隨著氟類制冷劑的出現(xiàn)，1950年代CO2作為制冷劑停止了使用。直到1990年代，發(fā)現(xiàn)CFC類制冷劑對環(huán)境的破壞后，CO2才重新受到人們的青睞。

二氧化碳的膨脹過程與通常的高壓氣體膨脹做功是不同的。高壓氣體的膨脹是自發(fā)過程，主要靠氣體的體積膨脹輸出軸功。而在CO2的膨脹過程中出現(xiàn)氣液相變，但體積變化不大。它主要是靠勢能和氣液相變提供輸出功。CO2膨脹比小，只有2-4，是常規(guī)工質(zhì)的10%。膨脹功大，為常規(guī)工質(zhì)的3倍，相當(dāng)于壓縮功的30%，蒸發(fā)壓力是常規(guī)工質(zhì)的10倍，跨臨界循環(huán)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)工質(zhì)。上圖：CO2和氟利昂12膨脹機(jī)P-V圖?？梢钥闯鯟O2的膨脹功大部分來自超臨

界相以及液相的功(膨脹體積很小)。

四，二氧化碳地?zé)岚l(fā)電

筆者在前文中介紹的太陽輻射能熱機(jī)利用的是環(huán)境溫度(20℃左右)，環(huán)境溫度低于CO2臨界點(diǎn)，為亞臨界循環(huán)。太陽輻射能熱機(jī)適宜作分布式、移動式能源。要建設(shè)基礎(chǔ)電力，需要更大規(guī)模和更高溫度，最佳的資源是地?zé)崮堋?/p>

地?zé)崮芊譃闇\層地?zé)崮芎蜕顚拥責(zé)崮堋\層地?zé)崮苁侵冈诖蟮乇韺?一般四百米以內(nèi))形成的相對恒溫層中的土壤、砂巖和地下水所蘊(yùn)含的低溫?zé)崮堋５厍蛎磕甑玫降奶柲茌椛淇偭窟_(dá)95萬億噸標(biāo)煤，相當(dāng)于世界全年能源消耗總量的6500倍，太陽輻射能是淺層地?zé)崮艿闹饕a(bǔ)給來源。深層地?zé)崮苁侵冈诖蟮乇韺?00米以下，主要是由于地殼內(nèi)火山活動和年輕的造山運(yùn)動，使地球內(nèi)熱在有限的地域內(nèi)富集，構(gòu)成的地?zé)豳Y源。

地核是一個巨大的核電站，不斷發(fā)生核裂變，溫度高達(dá)6000℃。其總熱能量約為全球煤炭儲量的1.7億倍。每年從地球內(nèi)部經(jīng)地表散失的熱量，相當(dāng)于1000億桶石油燃燒產(chǎn)生的熱量。對人類來說地?zé)豳Y源，無論淺地層或深地層，幾乎都是無限的。

碳減排的重要手段之一是捕捉和貯存(CCS)，將二氧化碳注入地下。全世界已經(jīng)實(shí)施了100多個項(xiàng)目。我國神華集團(tuán)于2010年在內(nèi)蒙鄂爾多斯建設(shè)10萬噸CCS項(xiàng)目，將二氧化碳注入地下3000米咸水層，注入壓力35-40Mpa。

我們知道，地表下每深30米，溫度提高1℃。地下3000米深處，達(dá)到100℃。100℃是水的沸點(diǎn)，但對于二氧化碳來說卻達(dá)到超超臨界，壓力高達(dá)35兆帕

(水的臨界溫度為374℃,壓力22兆帕)。C02壓力與溫度和體積質(zhì)量關(guān)系下圖：

圖中A～Tp線表示CO2氣一固平衡的升華曲線，B～Tp線表示CO2液一固平衡熔融曲線，Tp～Cp線表示CO2的氣一液平衡蒸汽壓曲線。Tp為氣一液一固三相共存的三相點(diǎn)。沿氣一液飽和曲線增加壓力和溫度則達(dá)到臨界點(diǎn)Cp。當(dāng)體系陰影部分為超臨界狀態(tài)。CO2超臨界流體介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點(diǎn)，其密度接近液體，而粘度近似于氣體;即密度比氣體密度大數(shù)百倍，其數(shù)值與液體相當(dāng);而粘度比液體小兩個數(shù)量級，其數(shù)值與氣體相當(dāng)，擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液體之間約為氣體的1/100，比液體要大數(shù)百倍。

可以設(shè)想建設(shè)大規(guī)模二氧化碳地?zé)崮馨l(fā)電廠。將成千萬以致上億噸二氧化碳注入地下斷層，形成流動的CO2地下暗河。CO2被深層地?zé)峒訜?，達(dá)到超超臨界。在斷層遠(yuǎn)端打一口豎井，在地下受到強(qiáng)力擠壓的CO2會猛烈的噴發(fā)出來，釋放巨大的能量。釋放了內(nèi)能的CO2再次回注地下，往復(fù)循環(huán)。

粗略計(jì)算，建設(shè)一個1億噸二氧化碳工質(zhì)的CO2地?zé)崮馨l(fā)電廠就可以完全滿足中國的電力需求。建設(shè)成本大大低于火電、核能、光伏以及風(fēng)力發(fā)電。因?yàn)镃CS發(fā)電工程可以與自然融合為一體。

五，資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可行性

5.1，二氧化碳資源和地下斷層

我國每年僅發(fā)電燃煤產(chǎn)生的二氧化碳就高達(dá)100億噸，二氧化碳的來源不成問題。以目前技術(shù)、工藝二氧化碳回收成本平均約200元/噸。我國地下水超采嚴(yán)重，僅河北省年均超采50多億立方米，已累計(jì)超采1500億立方米，面積達(dá)6.7萬平方公里，形成了世界最大的地下漏斗。這些人為形成的地下漏斗和溝裂為大規(guī)?；刈⒍趸?，建設(shè)CCS地?zé)岚l(fā)電廠創(chuàng)造了天然條件。

5.2，頁巖氣綜合開發(fā)

根據(jù)美國能源情報署估計(jì)，中國頁巖氣儲量超過世界上任何一個國家，可采儲量約1275萬億立方英尺。按當(dāng)前的消耗水平足夠中國使用300年。
                 

頁巖氣是一種以吸附及游離狀態(tài)存在于泥頁巖中的非常規(guī)天然氣，要開采頁巖氣，需要一種介質(zhì)將頁巖氣從地下驅(qū)替出來。國際上多采用水作為壓裂介質(zhì)。有限的水資源成為制約我國頁巖氣開采的難題。頁巖氣開采的水力壓裂法需水量驚人，即便是水量充沛的美國也視供水為最大瓶頸，而對于水資源緊缺的中國，如何平衡頁巖氣開發(fā)與水資源合理利用之間的矛盾，將是一個重大的挑戰(zhàn)。利用超臨界CO2流體作為介質(zhì)可替代水資源，適合我國國情。利用超臨界CO2開采頁巖氣，具有以下優(yōu)勢：

超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，對于典型的難鉆頁巖層來說，能夠大大縮短建井周期，降低鉆井費(fèi)用;超臨界CO2流體既不含固相也不含水，對儲層無任何損害和污染，非常適合于粘土含量較高的頁巖氣藏開發(fā);超臨界CO2流體黏度低、表面張力為零、易流動，容易進(jìn)入毛細(xì)孔隙中，驅(qū)替及置換甲烷。利用超臨界CO2流體進(jìn)行壓裂可防止儲層傷害，提高采收率，降低成本。超臨界CO2代替水做壓裂液，幾乎可以解決水壓裂帶來的所有難題，包括地下水污染。

目前，我國二氧化碳驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在油田開發(fā)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，利用超臨界二氧化碳開采頁巖氣技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究和探索試驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)2～3年內(nèi)該技術(shù)將在我國頁巖氣勘探開發(fā)中得到現(xiàn)場應(yīng)用和推廣。

5.3，經(jīng)濟(jì)性

建設(shè)CCS地?zé)岚l(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性顯而易見。火電廠運(yùn)行，燃料一項(xiàng)占總成本的60%。CCS地?zé)犭姀S完全不消耗化石能源，意味著成本下降60%。此外，千瓦裝機(jī)投入也將大幅度下跌，因?yàn)镃CS地?zé)岚l(fā)電循環(huán)不需要投資建設(shè)燃料鍋爐。這個鍋爐體積無比巨大，非人力可為。

5.4，生態(tài)效益

CCS地?zé)犭姀S利用的是取之不盡、用之不竭的地?zé)崮埽耆幌幕茉?。全世界修建總?億噸二氧化碳工質(zhì)的CCS地?zé)岚l(fā)電廠就可以滿足所有的能源需求，人類將一勞永逸的告別化石能源。建設(shè)大規(guī)模CCS發(fā)電工程是解決我國能源短缺以及能源結(jié)構(gòu)扭曲，減少碳排放，逆轉(zhuǎn)環(huán)境和生態(tài)惡化最為現(xiàn)實(shí)、可行、投入最少、效益最高的選項(xiàng)。

六，終極替代--新能源

根據(jù)能量守恒和熵的原理，使用化石能源就是在利用成千上萬年的太陽能資源的積累。但是人類使用這些能源的速度比生成的速度要快許多倍，導(dǎo)致化石能源在短期內(nèi)被大量開發(fā)，而新的化石能源卻幾乎不可能再生(與人類發(fā)展史比較)。同時因?yàn)殪氐脑恚茉幢皇褂煤笊纱罅慷趸?、氧化硫等低能量的物質(zhì)，很難再次被利用。它們污染了環(huán)境并生成溫室氣體。

人類已經(jīng)經(jīng)歷了兩次工業(yè)革命，目前正在迎來第三次工業(yè)革命的浪潮。每一次工業(yè)革命的原動力看似是科技發(fā)明，實(shí)則是能源革命。第一次工業(yè)革命的推動力看似是蒸汽機(jī)，實(shí)則是煤炭;第二次工業(yè)革命的推動力看似是電力，實(shí)則是石油。第三次工業(yè)革命的推動力又將是什么?當(dāng)然是非傳統(tǒng)能源的各種新能源。與傳統(tǒng)能源相反，未來不是資源競爭，而是核心技術(shù)競爭，誰掌握了核心技術(shù)，誰就掌握了能源，站上第三次工業(yè)革命的潮頭。

隨著全球變暖給人類持續(xù)生存構(gòu)成的威脅日益加劇。化石燃料驅(qū)動的原有工業(yè)經(jīng)濟(jì)模式難以支撐全球的可持續(xù)發(fā)展，這就需要尋求一種能使人類進(jìn)入“后碳”時代的新模式。前兩次工業(yè)革命是用一種化石能源替代另一種化石能源，而第三次工業(yè)革命則是用性質(zhì)完全不同的新能源(即可再生能源)替代化石能源。將來也不會有更新的能源來替代可再生能源，所以這次替代為“終極替代”。

從世界能源結(jié)構(gòu)演變歷史看，煤炭代替木柴成為主要能源的第一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變革用了100多年;石油替代煤炭成為主要能源的第二次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變革用了60年;預(yù)期到2035年(未來20年)，清潔能源將占全球一次能源利用總量的50%，新能源大規(guī)模替代化石能源的時代已經(jīng)來臨!未來可能是多種新能源并存的時代，但只有太陽能可以挑大梁，風(fēng)能、水能、波浪能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能將是有益補(bǔ)充。

太陽是地球的主要能源供應(yīng)者。太陽在其核反應(yīng)過程中釋放的能量是巨大的，其中只有二十二億分之一的能量經(jīng)過1.5億公里的長途跋涉來到地球，30%的能量被大氣層反射回宇宙，23%的能量被大氣層吸收，最終每秒到達(dá)地球表面的功率仍然高達(dá)80萬-85萬千瓦，相當(dāng)于每秒燃燒500萬噸煤釋放的能量，40分鐘的光照即可滿足人類一年的能源需求。這些能量形成了水能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿?。事?shí)上，化石能源也是太陽能的轉(zhuǎn)化物。然而，如何利用太陽能，什么是利用太陽能最好的方式是可以討論的。

筆者認(rèn)為光伏發(fā)電不是太陽能利用的最好方式，因?yàn)檫@種方式存在硬約束，即必須依靠增加采光面積才能獲得更多的能量，而地球的表面積是有限的。同時，受到晝夜的限制，光伏不能連續(xù)工作。這無疑將約束人類對未來能源的更大需求。

而筆者發(fā)明的以天然二氧化碳為工質(zhì)，通過節(jié)流膨脹(CO2亞臨界或跨臨界循環(huán))做功的太陽輻射能熱機(jī)以及CCS地?zé)岚l(fā)電廠則不受時空限制，可以高效率，低成本，無約束的實(shí)現(xiàn)太陽能資源的終極利用。

邱紀(jì)林

2014年5月19日于北京