使用金屬鋁代替燃煤/燃氣/燃油作為發電用的燃料,其優點之多超乎想象。
首先,鋁(片/塊/棒)是絕佳的儲能方式,其能量密度高(1立方米=2.7噸,理論儲能≈22400千瓦時),運輸方便,安全性好(防火、防爆、防水、防雷擊),存儲成本低(露天堆放即可),長期存儲(十年以上)近乎零損耗??傊隳芟氲降母鞣N儲能技術優點,都匯聚在鋁塊儲能之中。
其次,鋁-空氣電池發電的優點包括且不限于,①化學能直接轉換為電能,其轉換效率遠高于火力發電(特別是當機組的裝機容量比較小時),②發電過程零碳排放,③除氧氣和水外,理論上無其它物質消耗,④理論上污染氣體零排放,⑤起火-爆炸之可能性極其低微。
最后,在鋁-空氣電池體系中,消耗鋁燃料對應的唯一排放物是氧化鋁,不僅很容易回收,更重要的是,它本身就是生產鋁的原料,換句話說,在鋁燃料發電體系中,鋁是可完全再生的,而且理論上是零損耗的。
我們下面探討“零碳-鋁循環”的新能源技術路線:
(1)在西北太陽能豐富的荒漠地帶建設足夠的超級光伏發電廠,其所發電力就地提供給緊鄰建設的超級電解鋁廠。
(2)全國各地的用電(部分-大部-全部)來自當地的金屬燃料發電廠,其排放物氧化鋁收集之后→通過物流(陸路,海運)運輸到達超級電解鋁廠→氧化鋁電解再生重新變成鋁塊→又運回各地的金屬燃料發電廠 ......這是一個可以無限循環的過程,整個循環中唯一消耗的是超級光伏發電廠所生產的光伏電力。
顯然,步驟(1)和(2)的本質是用“鋁”作為載體,來完成偏遠荒漠的光伏電力“搬運-存儲”過程,這個新技術路線似乎應該命名為“光伏-鋁循環”,但是考慮到除了光伏電站以往,水電/風電等清潔能源都可以作為超級電解鋁廠的電源,所以將這條新技術路線命名為“零碳-鋁循環”。
“零碳-鋁循環”對比目前已經部署和研發中的各種“光伏+儲能”技術路線具有很多優點。首先,現有技術下,大規模光伏發電的長距離/超長距離輸送到用戶是一個難題,特別是如果跨越高山大海,更是成本高昂難以承受。而在“零碳-鋁循環”背景下,這個難題被轉換成了“xx噸鋁棒,xx車皮氧化鋁粉末這樣的物流問題。如果放大到全球尺度,澳大利亞沙漠的光伏電力輸送到加拿大北極圈的用戶,也就變成了貨輪+卡車的普通貨運。
其次,對電力用戶來說,“金屬燃料發電廠”供電是連續而且穩定的。“超級光伏發電廠”發電的不穩定性(白天/黑夜;冬季/夏季)對其用戶“超級電解鋁廠”來說,只是來電多時多生產;來電少時減產/保溫/停產這樣的生產調度問題,可以通過調整原料(氧化鋁粉末)和產品(鋁塊)倉儲容量來解決。
最后而且最重要的是,“零碳-鋁循環”技術路線具有大規模(甚至完全)替代碳,碳-氫能源(煤/油/氣)的自然資源儲備和相關主要技術和產業基礎(光伏/電解鋁)。
我們下面做一個非常粗略的估算,假設在“零碳-鋁循環”框架下,全國每年消耗50億噸鋁燃料(存量金屬鋁10億噸,每年循環5次)以電解鋁每kg耗電12kwh估算,對超級光伏發電廠的要求是年供電滿足50億噸鋁電解一共需要消耗(60萬億度?),光伏行業的朋友來驗算并估計一下,需要多少萬平方公里采光面積,并且這可能嗎?
全球氣候快速災變的嚴峻趨勢對各國“碳達峰/碳中和”提出了急迫需求,盤點各國現有/開發中的綠色能源技術,能夠“快速拿出來+大規模用起來”的新技術路線并不多。本文所涉的金屬-空氣電池(鋁-空氣電池)技術目前也還很不完善,由成千上萬個電池單元組成的“金屬燃料發電廠”甚至僅僅是概念階段。(下次專門撰文分析討論金屬-空氣電池)。作者推測,如果困擾金屬空氣電池的幾個關鍵問題得到突破,金屬燃料發電廠的進展將是迅捷的,而這條技術路線所蘊藏的潛力也將是難以估量的。