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农田将生产液化空气,农民加入新能源产业大军!

已有 1107 次阅读 2022-5-21 06:59 |系统分类:科研笔记

Liquid-Nitrogen-Pour-ChefSteps.jpg

序曲    

    稻草、秸杆、麦秆、棉秆等生物质,虽然不能吃,但它们烧起来火力旺旺的。

    尽管火苗温度不如汽油火焰那么高,但也别瞧不起这类低档能源。

    人类有朝一日,如果学会了善用这些中温热源,一斤稻草也能当半斤汽油用。

    这个不要复杂的证明,查热力学表就能知道,一级柴火燃烧值20MJ/kg,普通汽油燃烧热值40MJ/kg。

    从热值帐面看,1斤稻草的热值,确实与半斤汽油的热值差不多,但在现有动力系统中排不上用场,再好的柴火,也是废柴一捆,它烧出来的热,都管它叫废热,没品味嘛!

    所谓废柴、废热或废品,其实是放错了地方的资源

    后面深水区,我将介绍废柴到底该放到哪里用,才能实现1斤稻草顶半斤汽油。

    再简单介绍一下液化空气,也就是超低温的-196°C液氮和-183°C液氧。

    液化空气,看似空气被加压用力过猛的结果,通常先将空气加压至几百个大气压,等发烫的罐内空气凉下来后,再来个“欲擒故纵”,突然快速放纵泄压,由于汤逊效应,快速降温至-200摄氏度,刚才还硬杠的空气,一下瘫软成液态,被擒拿至罐底。

    像不像孙子兵法的欲擒故纵?

    可惜,空气液化工艺不是擅长欲擒故纵的中国人发明的,而是上世纪末的德国人Carl von Linde(1842–1934)发明的。

    要把标题中的几个概念:农民、农田、液化空气、新能源产业链,有机联系起来,不是一言两语的开场白,立即可说清楚的,姑且耐心看我如何以蒙太奇风格,从理论到实践到推理到展望,逐格解析关联。

理论    

    动力设备之热机,离不开热源与热沉,即heat source 和 heat sink。

    工业革命发端于蒸汽机、内燃机的相继发明。

    发明者都将化石能源的煤、柴油、汽油作为热源的燃料。

    至于热沉,没人动半点心思。方便就手的大气,即我们每天呼吸的空气,自然就当热沉用。

    热源之于热沉,正如电池阳极之于阴极

    无论热源温度多么高,孤立浸淫其中的任何热机,都不会产生可用的动力;正如只有阳极或者正极的电池,无法驱动负载电路。

    所以,谁若吹嘘发明了单热源发动机,那一定是大忽悠,因为违背了热力学第二定理!

    现实:当今全球大规模使用的各类热机,热转功效率都不咋样,例如满大街跑的汽车效率也就20%~25%,柴油车略强些,但也就30%那个谱。

    也就是说,燃料烧得化为乌有,放出的总热量,仅有可怜巴巴的小部分满足做功的目标需求,绝大部分热量去哪了?当然是热沉了!即废热都去加热空气了,恰如洗澡水都倒进了下水道。

    投入使用的热机每年都在不停增长,超期服役的老旧热机、老爷车,也流亡二手市场,迟迟不肯谢幕。

   买电池的时候,你的价款涵盖了正极和负极材料的成本;用车的时候,你频频花钱买汽油当热源,可偏偏没给默默无闻的大气热沉一分钱。这种不合理,终于导致了各国开始征收碳税了。

    顶着这种现实,全球气候不升温才怪。

    抱怨二氧化碳排放造孽了气候变暖?依我看CO2不过是方便的替罪羔羊。

    按理说,CO2的单位浓度的温室效应,远低于水蒸气,而且CO2就算飙升到今天的412ppm,对比常年平均3%即3000ppm的高浓度水蒸气,也是小巫见大巫。

    别叽歪CO2不能像水蒸气那样经常通过降雨回归地表,但蒸发量与降水量是平衡的,不影响年平均浓度。其实,跟降雨一样,降碳也在进行,只是看不见而已,植物光合作用就是在降碳嘛。

    巧就巧在CO2的排放量增长曲线,与全球各类热机保有量的增长曲线是吻合的。

    所以,谴责替罪的CO2,其实歪打正着,暗戳了“真凶”-- 动力需求带动下的大气热沉的过快熵增!

    热力学断言:宇宙的熵永远只升不降,总有一天,“热寂”一定会到来。

    人类唯一可做的,只能是放缓热机的增长量,同时尽可能提高热功效率,以期推迟热寂。

    大家都要讨生活,追求惬意的好日子,所以,放缓热机的增长量不现实,唯一现实的是提高功效。

    理想卡诺热机是功效的极限,现实的热机效率,都要在理想值下打个折。

    极限功效η=(TH - TL)/TH,这里TH=工质的高温做功温度,TL=工质向热沉散热温度。

    把周围空气作热沉时,升效只能指望提升TH,相当于竭尽提高燃烧温度。

    例如:若追求86%的理论功效,TL = 27°C, 则TH = 1870°C。

    目前化石燃料热机的TH,在考虑经济性的条件下,都已做到极限了,上述那个高温望尘莫及,因为燃烧的火苗最高温度也远逊之。

    老话说得好,退一步海阔天空。

    如果改用大量液氮做热沉,TL = -196°C,达到同样86%理论功效,则高温需求TH急降至300°C。

    此时,烧稻草都能轻松应付,烧汽油更是杀鸡用牛刀;但交通工具仍要用此“牛刀”也无可非议,毕竟该应用要讲究爆发力。

    而且,烧生物质配液氮的能源消耗与生产,整体碳足迹是零,即net-zero,因为种植物吸收的CO2,与烧植物释放的CO2,大致抵消了,且都在地表进行,不像化石能源从老深的地下抠出来,凭空给地表增添CO2。

热沉产业化

    问题是哪来用之不竭的液氮?

    既然不像大气那样现成的可免费使用,那就只有大规模发展液氮生产了。

    依赖电网开动液化机器,早已工业化生产了,只是市场狭窄而已;一旦液氮的消费链暴涨,现有的电驱产能是远远不够的。

    当今先进的制程,能耗大约为:每生产1kg液氮,耗电0.5kwh,即1.8MJ/kg。就算大部分电网能量用来液化空气,恐怕也满足不了市场需求。

    咋办?呼唤农民加入主流能源生产大军吧!

    如今碳排放政策收紧,农村年年发愁如何处理收获后的庄稼秆枝叶。

    当柴火烧吧,也远远用不完,况且很多乡村都改烧液化石油气了。

    老传统吧,人类几千年的农耕历史,就是简单的秸杆还田。据说,很多地方的这个传统也废掉了,还不是为了环保呗,只是科学界是否认可其环保性,那还是个问题,反正政策制定者先认了。

    别烦恼了,开发烧柴火的热机,用它驱动液化机器,不就得了?

    柴火火焰温度上不去,也不像燃料油那样可以泵送,凑合着还能把烧煤锅炉改成烧柴火锅炉,反正喂料靠铲 煤也罢,靠自动传送带也罢,这些套路都可用之于格式化(切碎)后的干柴。

    锅炉配老古董瓦特蒸汽机,驱动液化机器,应该不成问题,就是功效极低,也就7%~11%,比烧煤还低那么一点点,因为柴焰温度逊于煤焰。

    这条路显然不可取,因为柴火燃烧热量最终90%都被大气热沉吸收,只比放野火好那么10%不到。

    所以,以大气为热沉的热机,可被柴火一票否决;剩下就只有选液氮做热沉的热机。

    柴火温度虽然太过温柔,但将工质加热到300度还是不成问题;依前面匡算,这样的理想热机,功效竟然也能飙升至86%!

    本来嘛,拉你农民进来一起玩能源大产业,就是为了让你大量生产液氮;你倒好,贪图86%的高功效,就必须先搞柴火-液氮热机,岂不尚未见到液氮产品的影子,竟然先要变成液氮消费大户?

    别怕,有句老话说得好:不会花钱的人,也肯定不会挣大钱!

    我的独门绝技,让农民一边消耗液氮,一边生产液氮,就看液氮热沉的热机之输出的能量,够不够驱动后级的液化机器产生更多的液氮;答案是肯定有盈余的,虽然70%的液氮产量要馈送给前级热机消耗,以保可持续有盈余的液氮生产。

    盈余的30%产量,有三条出路:

        a 上市销售,适当留点给家里液氮消耗型空调使用;

        b 加码热机反馈量,滚雪球式扩大再生产;

        c 不要盈余,全反馈给热机,同时给热机另加发电机负载,发出的电供自家使用,以及外卖给社区电网。

    显然,在我的这个热机-液化机连轴运转的发明中,热机端的液氮可比喻为种子,液化机端的液氮可比喻为种子成熟后的收获,后机反馈给前机液氮,可比喻为留种再生产。

   农民开始从事液氮生产前,要外购少量的液氮做种子,城市液氮厂家满足这个不成问题。种子液氮勿需太多,保证热机可启动就行了,之后扩大生产规模,只需滚动将液氮收获全部投入种子,直至产能达标后,才可将盈余的液氮自由支配。

    传统汽车不是也要从电瓶借点“种子”能量,才能启动跑起来吗?所以,别嫌我的发明也要借液氮“种子”,讲真,能量换来换去就那么回事,星星之火,可以燎原嘛。

    说来说去,大家最关心的性能想必是液氮产率,毕竟连液氮“种子”都用上了,若是烧几十斤柴火,换来1斤液氮,那谁都不满意。

    估计这个产率肯定好得令人吃惊:

    烧1斤柴火,扣除70%产量用于反馈热机,以保障可持续生产,还可结余2斤液氮。

    按这个比例,可以想象过去大量几乎一文不值的农业废柴,将来定可为五湖四海的各类热机应用,提供取之不尽的廉价热沉,从而通过功效的提高,变相节省巨量的其它高贵能源。

    醒悟了吧?带农民进来陪玩大绿色能源,一下子就能触发一场世界范围内的热沉革命,没准一二十年就能有效抑制全球变暖!

    而且谁陪谁玩,话还不能说死了,因为如果用电池类比,正极与负极的吃重应该是平等的,如果热源与热沉都产业化了,按理说,各自的角色吃重,也应大体趋同。保不齐热沉角色更吃重,正如印刷电路板上的负极走线面积都比正极大,那热源岂不成了陪玩的角色?

热源产业大洗牌

    碳税的征收,象征着大气热沉不再免费了;反正都是有偿使用,付费买大气热沉,不如付费给液氮热沉;液氮热沉的新一代热机即将由此被催生出来。

    税例:当前加拿大的汽油价格,每升至少含$0.11的碳税,如果农民大规模生产液化空气的话,1升汽油所含碳税,也许可买2升液氮,其蕴藏的当量热值,近似于2*0.25 = 0.5升汽油。

    热源种类繁多,就连不温不火的空气,都能一改从前当免费热沉使用的境况,如今也可华丽转身,当免费热源使用了,就算是冬天-30度的冷空气,加热-196度的液氮,那是绰绰有余。

     那么多现存高品位热源生产链,尤其是被社会埋怨很久的化石能源产业,是不是该到了大洗牌的时候?

    虽说空气当热源使用没有理论瑕疵,但有影响性能的致命伤。

    液氮的热导率仅为可怜的0.13W/mK,相当于水的四分之一;空气的热导率更低至0.024W/mK,指望这两类介质之间高速传热,想都不用想;非要霸王硬上弓,那得巨大笨重的热交换装置。

    所以,高品位能源还是不能丢,各有各的用途嘛。

    家里液氮空调,顺带做成小热机,用室内空气加热,既制冷又发电,发出的电做大事虽不行,但点亮空调控制面板,驱动风扇,应算小菜一碟。

    风驰电掣的汽车,如还用空气加热,那就说不过去了,一来笨重的热交换器可压得车子开不动,二来就算能开起来,也许比自行车速度强不到那里去。

    所以,交通动力还得高品位热源。但搭配液氮热沉之后,因热功效率可提升至80%~90%,一下子就可将纯油车的油耗打3折!

    液氮热沉汽车也许不再是内燃机,而改为外燃机,此时烧汽油、烧煤、烧柴火,汽车的功效是大致相等的,只不过煤柴的燃料喂送,不易自动化控制。

    我的匡算表明,这样配置的液氮汽油车--20升油箱 + 200升液氮罐,耗完液氮汽油跑出的里程数,等于耗完70升汽油车的可跑里程。

    一旦这样的车全部替换掉当代纯油车,石油、石化产业链的从业队伍,大可砍去70%,分流的人员可去从事液氮物流业,或其它产业。

    这省去的70%高品位热源,完全可让农民种植高生物质产量的能源草顶替。当然,都种植不能吃的能源草也不行,得先解决人类吃饭问题。

    土地极多的国家,可以腾出部分农民专种能源草,大量生产液氮;土地资源不足的国家,可让农民种粮为本,用粮食作物的非食用生物质茎枝叶,间接“种”液化空气。

    总之,农业残余生物质,只要用起来,它就是个宝:既可以拿去烧当热源使用,也可以加一道工序,就地生产液氮,液氮再拿到任何地方当热沉使用。

家电大洗牌

    格力董事长董明珠,不是早说过未来空调不用电,还能发电卖电吗?

    我看过视频,她说的是用光伏技术,真如此的话,肯定不靠谱;没准人家掩遮的技术,其实就是液氮制冷发电的组合机呢?

    前面我说过,液氮空调自带小容量发电是可以的,但大容量发电,还得靠烧燃料,尽管有液氮做热沉。

    农村只要有够量的柴火,家家实现能源自给自足是可期待的。所用设备还是农民生产液氮的那一套,只不过设备要实现小型化,所产液氮全部用来支撑发电。

    不光是液氮空调,液氮冰箱也将顺势推出,都无需电力,还可自身发电;至于看不看得上眼那点电,就是另一回事了。

    唯有一个不便之处:得经常补充液氮,没准一大罐液氮用一礼拜就空了。

    总之,液氮制冷家电这一块大洗牌是肯定了。

    而且制冷用电占电网负荷相当大比重,一旦这一块交给液氮打理,电网轻松多了,夏天再也不愿担心跳闸。

    可喜可贺的是,这类家电再也不用昂贵的制冷剂CFC/HFC了,氟利昂早就被认定贡献了大气变暖。

    买液氮制冷家电,肯定比买氟利昂制冷家电便宜,因为结构原理都简单太多;动手能力强的人,甚至可以自己打造。

    但千万别自作聪明,往闷热的室内直接倾倒液氮,那样会急剧稀释空气中的氧气浓度,从而有窒息危险。安全的简易做法,是用热交换蒸发器循环液氮,等液氮热到不宜再制冷后,排放到室外。   

能源草候选清单

    1、芒属草 miscanthus

miscanthus.jpeg


    2、柳枝稷 switch grass

switchgrass.jpg


    3、拜登草 Bidens pilosa

        别误会成拜登的佩洛西,真的有这个拉丁语学名。

        中文俗名:鬼针草、咸丰草、同治草。

        呵呵,中外帝王都跟这草扯上关系了,堪称帝王草不为过吧?

bidensPilosa.jpg


    我的创新世界能源新秩序理论,已经发表在美国主流媒体EnergyCentral上,有兴趣的读者可点击参考文献给出的链接。


参考文献

Farming liquid air as major energy commodity

https://energycentral.com/c/pip/farming-liquid-nitrogen-major-energy-commodity




https://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1339267.html

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