铝-空气电池,会成为全球能源格局的颠覆者吗?

2021-11-01 11:39  来源:作者:旭日清风   浏览:  

如果你不了解铝-空气电池的工作原理,没有听说过“金属燃料发电”的概念,不妨仔细体会下面这一段。火力发电输入的燃料是煤炭(或者燃油/燃气)--有用输出是电力--无用的排放物是二氧化碳(温室气体);对比之下的“金属燃料发电”,输入的燃料是铝块--有用输出是电力--无用的排放物是氧化铝(三氧化二铝固体粉末)。

使用金属铝代替燃煤/燃气/燃油作为发电用的燃料,其优点之多超乎想象。

首先,铝(片/块/棒)是绝佳的储能方式,其能量密度高(1立方米=2.7吨,理论储能≈22400千瓦时),运输方便,安全性好(防火、防爆、防水、防雷击),存储成本低(露天堆放即可),长期存储(十年以上)近乎零损耗。总之,你能想到的各种储能技术优点,都汇聚在铝块储能之中。

其次,铝-空气电池发电的优点包括且不限于,①化学能直接转换为电能,其转换效率远高于火力发电(特别是当机组的装机容量比较小时),②发电过程零碳排放,③除氧气和水外,理论上无其它物质消耗,④理论上污染气体零排放,⑤起火-爆炸之可能性极其低微。

最后,在铝-空气电池体系中,消耗铝燃料对应的唯一排放物是氧化铝,不仅很容易回收,更重要的是,它本身就是生产铝的原料,换句话说,在铝燃料发电体系中,铝是可完全再生的,而且理论上是零损耗的。

我们下面探讨“零碳-铝循环”的新能源技术路线:

(1)在西北太阳能丰富的荒漠地带建设足够的超级光伏发电厂,其所发电力就地提供给紧邻建设的超级电解铝厂。

(2)全国各地的用电(部分-大部-全部)来自当地的金属燃料发电厂,其排放物氧化铝收集之后→通过物流(陆路,海运)运输到达超级电解铝厂→氧化铝电解再生重新变成铝块→又运回各地的金属燃料发电厂 ......这是一个可以无限循环的过程,整个循环中唯一消耗的是超级光伏发电厂所生产的光伏电力。

显然,步骤(1)和(2)的本质是用“铝”作为载体,来完成偏远荒漠的光伏电力“搬运-存储”过程,这个新技术路线似乎应该命名为“光伏-铝循环”,但是考虑到除了光伏电站以往,水电/风电等清洁能源都可以作为超级电解铝厂的电源,所以将这条新技术路线命名为“零碳-铝循环”。

“零碳-铝循环”对比目前已经部署和研发中的各种“光伏+储能”技术路线具有很多优点。首先,现有技术下,大规模光伏发电的长距离/超长距离输送到用户是一个难题,特别是如果跨越高山大海,更是成本高昂难以承受。而在“零碳-铝循环”背景下,这个难题被转换成了“xx吨铝棒,xx车皮氧化铝粉末这样的物流问题。如果放大到全球尺度,澳大利亚沙漠的光伏电力输送到加拿大北极圈的用户,也就变成了货轮+卡车的普通货运。

其次,对电力用户来说,“金属燃料发电厂”供电是连续而且稳定的。“超级光伏发电厂”发电的不稳定性(白天/黑夜;冬季/夏季)对其用户“超级电解铝厂”来说,只是来电多时多生产;来电少时减产/保温/停产这样的生产调度问题,可以通过调整原料(氧化铝粉末)和产品(铝块)仓储容量来解决。

最后而且最重要的是,“零碳-铝循环”技术路线具有大规模(甚至完全)替代碳,碳-氢能源(煤/油/气)的自然资源储备和相关主要技术和产业基础(光伏/电解铝)。

我们下面做一个非常粗略的估算,假设在“零碳-铝循环”框架下,全国每年消耗50亿吨铝燃料(存量金属铝10亿吨,每年循环5次)以电解铝每kg耗电12kwh估算,对超级光伏发电厂的要求是年供电满足50亿吨铝电解一共需要消耗(60万亿度?),光伏行业的朋友来验算并估计一下,需要多少万平方公里采光面积,并且这可能吗?

全球气候快速灾变的严峻趋势对各国“碳达峰/碳中和”提出了急迫需求,盘点各国现有/开发中的绿色能源技术,能够“快速拿出来+大规模用起来”的新技术路线并不多。本文所涉的金属-空气电池(铝-空气电池)技术目前也还很不完善,由成千上万个电池单元组成的“金属燃料发电厂”甚至仅仅是概念阶段。(下次专门撰文分析讨论金属-空气电池)。作者推测,如果困扰金属空气电池的几个关键问题得到突破,金属燃料发电厂的进展将是迅捷的,而这条技术路线所蕴藏的潜力也将是难以估量的。

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