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

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圖一：煤炭被譽為“黑金”，是發電主力，圖為煤場斗輪機（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

不過，作為一種高碳燃料，傳統的燃煤發電一方面能量轉化率低，另一方面又會產生大量的二氧化碳，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定供應，又達到節能降碳的目標呢？科學家有哪些高招呢？

01 傳統燃煤發電的能量轉化效率與碳排放

電是現代工業的基礎，是當代最普遍的能量形式。但電是一種典型的二次能源——電本身不產生能量，而是其他能源的一種轉化形式。如：

燃煤發電廠利用煤炭燃燒產生的蒸汽通過渦輪發電機將機械能轉變為電能；風力發電是將風能轉變為機械能，再轉變為電能；核能發電是將原子核裂變產生的熱轉能量轉化為機械能再轉化為熱能；燃氣發電的原理也類似，涉及能量的二次轉化，即“熱能→機械能→電能”。

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圖二：燃煤發電廠（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

根據熱力學第二定律，所有能量都不可能100%轉化，轉化中都會有能量損耗。普通的內燃機由于需要經歷熱機的過程，受卡諾循環的限制，傳統燃煤發電的整體能量轉化效率大約只有30%左右[1]，會造成大量的能量耗損。

同時，傳統燃煤發電會釋放大量的二氧化碳。據估算，1噸標準煤燃燒產生2.6噸二氧化碳，用煤炭燃燒發電，每發1度電大約就排放0.785千克二氧化碳[2]。

除了較低的能量轉化效率與較高的碳排放，傳統燃煤發電還有一個明顯的缺點：所產生的電不能大規模存儲，必須即發即用。

02 燃料電池的發明與“節能減排”

為了解決傳統燃煤電機能量轉化率低、碳排放高且不能存儲的問題，英國科學家Grove在1839年將燃料燃燒與電池直接聯合起來，減少了中間的能量損耗最大的渦輪發電過程，發明了燃料電池[1]。

燃料電池不同于傳統水力、風力、燃煤發電等需要通過機械能或化學能的轉變，而是將燃料的化學能直接轉化為電能，因此不受卡諾循環的限制，能源轉化效應更高。理論上其熱轉化效率可達到100%，但在實際中考慮到各種技術限制因素，熱轉化效率一般為 40%~60%[1]，如果將余熱充分利用，熱轉化效率可以達80%以上[1]。

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圖三：燃料電池氫站概念圖（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

燃燒所需燃料要求廣泛，只要含有氫原子的物質，如天然氣、石油、煤炭，或是沼氣、酒精、甲醇等都可以作為燃料，其反應產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，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動部件，比傳統發電機組安靜，其故障率與維修成本更低。因此，無論從節約能源還是保護生態環境的角度，燃料電池都是極具發展前途的發電技術，被譽為“21世紀的綠色電站”。

03 兩全其美的煤氣化燃料電池

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

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圖四：高壓鐵塔（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

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合的發電技術，通過煤基發電由單純熱力循環發電向電化學發電的技術跨越，實現了煤炭低碳高效靈活發電與低碳排放，極大提高了能量轉化效率，降低了二氧化碳的捕集成本，突破了燃煤發電效率提升和二氧化碳近零排放的瓶頸，具有廣闊的應用與發展前景。

日前，由國家能源集團直屬的研發機構北京低碳清潔能源研究院（簡稱低碳院）承擔的“CO2近零排放的煤氣化燃料電池發電系統開發”項目成果已經通過中國煤炭工業協會技術鑒定[5]，下一步將開展更大規模的工程驗證與示范，相信不久的將來，這項技術就能走到我們的生活中。屆時，低碳且節能的電或許就將不再是鏡花水月的兩難之選！

參考文獻：

[1]侯明,衣寶廉. 燃料電池技術發展現狀與展望 [J]. 電化學, 2012, 18 (01): 1-13.

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

[3]丁怡婷. 用電高峰，保供持續發力[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及其在新型電力系統中的應用前景[J]. 新型電力系統, 2023, 1 (01): 66-73.

[5]李初福，楊霞. 國家能源集團煤氣化燃料電池發電系統達國際領先水平[N].中國煤炭報, 2022-05-22.

作者：劉漢斌 山西省煤炭地質局高級工程師

審核：楊志賓 中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院教授

出品：科普中國

來源: 科普中國

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