热能领域应对全球变暖的五大挑战

太阳能和风能是解决气候变化问题的重要组成部分，但是这些可再生技术本身可能永远无法为许多工业过程（如炼钢）提供能源。

 

世界上约90％的能源使用涉及热量的产生或控制，包括建筑物和食物的冷却。麻省理工学院和劳伦斯·伯克利国家实验室在《自然能源》杂志上发表的一篇新论文指出，要维持现代经济并改善发展中经济体的生活，同时缓解气候变化，将需要我们在热能转换，存储和传输方式上取得五项重大进展。

 

第一个挑战是开发用于电网，电动汽车和建筑物的蓄热系统。就拿电网：有一个国际比赛正在进行开发的网格存储系统多余的电力来自可再生能源储存，以便您可以在以后使用它。这将使可再生能源渗透到电网中。如果我们能够找到电网完全脱碳的方法，仅此一项就可以将电力生产中的二氧化碳排放量减少25％。这样做的好处是，一旦您对电网进行了除碳处理，就可以使用电动汽车为交通运输部门除碳。该挑战有助于将全球碳排放量减少40％。

 

第二个挑战是使工业过程脱碳，这占全球二氧化碳排放量的15％。这里的主要参与者是水泥，钢铁，铝和氢。这些工业过程中的某些过程本质上涉及二氧化碳的排放，因为反应本身必须以当前形式释放二氧化碳才能使其工作。问题是，还有另一种方法吗？我们要么考虑另一种制造水泥的方法，要么提出一些不同的东西。这是一个极其艰巨的挑战。

 

第三个挑战是解决冷却问题。空调和冰箱中含有对环境非常有害的化学物质，按摩尔计算，其危害是二氧化碳的2000倍。如果密封件破裂而制冷剂散发出来，那么少量的泄漏将导致全球变暖发生明显变化。如果您考虑到印度和其他现在可以使用电力基础设施来运行交流系统的发展中国家，那么到2050年，这些制冷剂的泄漏将占全球变暖的15％至20％。

 

第四个挑战是热量的长距离传输。我们传输电力是因为它可以以低损耗传输，而且价格便宜。问题是，我们能像传递电一样传递热量吗？发电厂有大量的余热，问题是发电厂所在的地方和人们居住的地方是两个不同的地方，而我们没有连接器来从这些发电厂提供热量，这实际上是浪费了。您可以用一部分废热来满足世界上整个住宅的供热负荷。我们没有的是连接它们的输送途径。问题是，有人可以创造一个吗？

 

最后一个挑战是可变电导构建包络。有一些演示表明，在物理上可以创建导热材料或会改变其电导率的设备，以便在热的时候可以阻止热量穿过墙壁，但是当您需要时，您可以改变其电导以让热量流入或流出。我们离拥有一个运行正常的系统还很遥远，但是基础就在那里。

 

三位合著者之一，斯坦福大学机械学教授之一阿伦·马朱达尔（Arun Majumdar）表示：“现代可再生技术是当今我们拥有的最便宜的电力，但是太阳能和风能是间歇性的，仅占世界能源的一小部分。” “我们需要增加这一百分比，但我们还必须对热量进行脱碳，并利用热量来储存来自太阳能和风能的电能。”

 

分析强调了迫切需要研究和开发热技术突破，这有可能将温室气体排放量减少至少一千兆吨，约占全球每年与能源相关的温室气体排放量的3％。

 

麻省理工学院机械工程副教授Asegun Henry说：“作为一个物种，我们正在为改善生活质量而建立的基础设施危害自己。” “历史上有几次科学家和工程师齐心协力，在很短的时间内取得了令人瞩目的成就。这肯定是其中之一。”

 

 

 

热量储存

 

热工学的一大挑战是将多余的风能和太阳能作为热能存储多天，然后在需要时将其转换回电能。电力的完全脱碳将使人为的全球温室气体排放减少约四分之一。从间歇性可再生能源中获取70％或更多的电力将需要大量增加电力存储。扩展最普遍的当前技术，即抽水蓄能，受到地理位置的限制，并且锂离子电池太昂贵，无法在几天内存储过多的可再生能源。

 

劳伦斯伯克利国家实验室能源技术副实验室主任拉维·普拉瑟（Ravi Prasher）表示：“ 热能存储的主要优势在于其潜在的大规模低成本优势。”

 

Prasher解释说：“虽然将电能转换为热量相对容易，但热能存储的主要挑战是将热量转换为电能时效率高。”

 

研究人员总结说，几种大规模的热能存储技术仍处于早期开发中，因此必须继续探索使用其他热能存储材料和机理的竞争技术。

 

“尽管往返效率可能只有50％到60％，但成本仍可能在每千瓦时不足10美元的范围内，”也是斯坦福大学Precourt能源研究所联合主任的马朱达尔说。

 

 

 

工业和制冷

 

另一个巨大的挑战是产生工业过程中所需的极高热量，例如制造水泥，钢铁，铝和氢。工业部门的温室气体排放量占全球排放量的15％以上，其中大部分与在100至1,000摄氏度（华氏212至1,832华氏度）的温度下提供热量有关。

 

分析认为，随着可再生电力和可能不含温室气体的氢气的成本迅速下降，可以想象通过使用电阻加热器或氢气燃烧器使工业领域脱碳。但是，仍然存在重大的科学和工程挑战。对于间歇性可再生电力，需要开发廉价的高温存储或低容量因数的熔炉。

 

第三大挑战是与热相反的热谱：制冷。目标是发明用于食品和空调的制冷剂，而不会泄漏当今的氢氟碳化合物，氢氟碳化合物是一种极为强大的温室气体。Majumdar说，成功的新型制冷剂必须不易燃，无毒且价格合理，并且最好是当今系统的嵌入式解决方案。

 

亨利说：“随着新兴经济体中制冷和制冷技术的兴起，这是一个重大挑战。”

 

Prasher说，在许多发展中经济体中，对空调的日益增长的需求是要降低湿度和降低温度，因此，新的制冷剂也必须做到这一点。或者，可以开发新技术使除湿与冷却脱钩。

 

 

 

建筑物和热力运输

 

住宅和商业建筑中的空间和热水均占美国温室气体排放量的6％以上。需要新型的既能传导热量又能按需阻止热量的建筑材料，以减少用于加热和冷却的能量。研究人员说，控制建筑物外壳导热的能力可以节省10％到40％的温室气体排放，因此这是另一个值得应对的挑战。

 

最后，一个特别大的挑战是要开发出在不损失能量的情况下长距离传输热量的能力。当今，这是通过蒸汽来实现的，但是还没有达到所需的规模或距离。此处的目标是开发电力线的热量当量，这是一种使用最少的设备和材料来传输兆瓦级热量的有效方法。热超导体的发现可以实现这一点，但是大规模部署一个的实用性尚不清楚。研究人员认为，另一种潜在的研究途径是发现具有可逆化学反应的新型可泵送流体，以化学形式而非热能形式传递能量。

 

Majumdar说：“在热科学和工程方面没有突破的深度脱碳似乎是不可想象的，但是研究人员和资助者的关注并没有反映出这一点。” “我们希望这种分析将成为更广泛的研发界采取行动的号召。”

 

参考文献：

Asegun Henry等。脱碳面临的五个热能挑战，《自然能源》（2020年）。DOI：10.1038 / s41560-020-0675-9