作者按：在上期“二氧化碳--未來能源解決之道?”一文中，筆者介紹了以二氧化碳為工質，利用環境溫度做功的太陽輻射能熱機的運行原理。熱機利用的是二氧化碳亞臨界循環，因為環境溫度只有20℃，低于二氧化碳臨界點。太陽輻射能熱機不受時空限制，高效率實現光電轉換，適宜作為分布式、移動式能源。本文將重點描述利用地熱能，二氧化碳跨臨界循環，實現大規模基礎發電的設想。希望引起讀者的興趣。

一，霧霾的成因和治理

2013年年初和年尾，中國發生了大事件,霧霾不再是北京、天津、長三角等大城市的特屬品，連“偏遠”的西南地區也不能幸免。霧霾范圍之大波及全國25個省份，100多個大中型城市，覆蓋數百萬平方公里。蒸騰繚繞的霧霾使人間宛如仙境。霧霾天數均創下中國“歷史紀錄”。霧霾不僅禍亂中國，甚至為患世界，韓國、日本，甚至美國阿拉斯加均受到影響。

我國大氣污染的形勢十分嚴峻并日益惡化。世界污染最嚴重的城市排名前十中，中國占了七個，全部位于華北。上海社會科學院不久前發布的《國際城市藍皮書：國際城市發展報告(2014)》指出，北京的生態問題成為城市升級的最大短板，污染指數接近極值，已接近不適合人類居住的程度。對于我們這些身臨其境的人來說，曾經每天呼吸的新鮮空氣已經成了奢侈品。

究其原因在于中國對煤炭不可抑制的嚴重依賴。我國能源結構以燃煤為主，70%的能源需要依賴廉價的煤炭資源，這種情況在過去的三十多年里并沒有多少改善。以2011年中國能源消耗為例，煤炭占69%，石油占18%，水電占6%，天然氣4%，核能小于1%，其他可循環能源僅占1%。

對比之下，美國能源結構則相對合理，石油占36%，天然氣25%，煤炭20%，核能8%，其他可循環能源9%。在可循環能源中，太陽能占1%、地熱梯度2%、風能13%、生物廢物5%、生物燃料21%、木柴22%、水能35%(見下圖)。

那么，是中國對綠色能源投入不夠嗎?不是。實際情況是中國在太陽能、風能和水能等綠色能源上投資高居世界第一，2012年投資為650億美元，相比較美國只有360億美元。問題是我們一邊開發綠色能源，一邊更大程度地增加煤炭能源，其結果只能是污染越來越嚴重。舉例來說，中國在加大綠色能源投入的同時，進一步擴展了煤炭的生產和消耗，僅2013年一年中國就新安裝了約40千兆瓦的新煤炭能源。而到2015年底，中國計劃新增煤炭產量為8.6億噸，這幾乎是印度年產量的1.5倍。

根據相關統計，2013年中國每增加1千兆瓦太陽能資源的同時，增加了27千兆瓦的新煤炭能源，這意味著中國對煤炭的依賴一直持不斷上升的趨勢。中國的產煤量占全球的46%，煤消耗量占全球的49%，也就是說，中國一個國家生產和消耗的煤炭相當于世界其他國家的總和。至今，煤炭一直占據著中國能量消耗的70%，而與此對比美國僅占18%，世界平均值也只不過28%。

上圖：世界銀行發布的世界經濟前四強(中國、美國、日本、德國)二氧化碳排放圖，中國超過美國為世界最大碳排放國。

年初，國務院常務會議明確表示，必須充分認識大氣污染防治工作面臨的嚴峻形勢，堅持不懈付出努力。以霧霾頻發的特大城市和區域為重點，以PM2.5和PM10治理為突破口，抓住能源結構、尾氣排放和揚塵等關鍵環節，在大氣污染防治上下大力、實現重點區域空氣質量逐步好轉，消除人民群眾“心肺之患”。

5月15日在京發布的《中國低碳經濟發展報告2014》，聚焦以霧霾為代表的大氣污染問題，重申中國要根本上治理霧霾、重現藍天白云，按目前經濟發展模式和技術水平，需20-30年時間。報告稱即使采取最嚴厲措施，采用最先進技術，最快地實現經濟結構轉型，奇跡性的改善環境，也需要15-20年左右時間。報告建議征收資源稅、環境稅、房地產稅等，用經濟手段治理霧霾;把環境保護的政府承諾納入法律體系等。

二，治理的困境

找到了霧霾的成因，那么治理霧霾難在哪里?是擺在政府、企業、社會面前的現實問題。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、細微顆粒物等污染物，被認為是PM2.5的主要來源。壓減燃煤、提高可再生能源利用率、“煤改氣”等是環境治理的重要步驟。改變能源結構尤為重要，能源結構不徹底改變，霧霾不可能從根本上解除。

那么，如何轉變能源結構?知易行難。我國是天然氣資源貧乏國家，天然氣對外依存度超過30%，一旦不用煤，改用天然氣，就會出現氣荒，引起天然氣價格暴漲，例如，北京市天然氣發電和供熱補貼就超過100億/年。

據國家發改委能源所的研究，中國能源結構從以煤炭為主轉變為以可再生能源為主的轉折點在2050年左右(實際上，以目前的開發速度，到2050年中國的煤炭資源將接近枯竭--作者語)。如果我國能源新增部分的70%來自新能源，那么從現在起到2050年，在未來的35年內，我國平均每秒鐘要新增40萬平方米的光伏電池板，或每1分鐘新增一座風力發電站，或每個月新建一座核電廠。這顯然是不現實的。要改變當前不合理的能源結構必須有新思維。

三，有機郎肯循環和二氧化碳

迄今，所有的發電應用都是朗肯循環，包括使用太陽熱能、生物質能、火力、核能發電廠。朗肯循環是蒸汽機的基本熱力學循環，利用水的相變來實現熱和功的轉換。熱能由外界(鍋爐)加入封閉工質回路中，廢熱由冷凝器排出。

根據卡諾定理，提高熱機效率的關鍵在于盡可能提高高溫熱源溫度和降低低溫熱源溫度。由于低溫熱源通常是環境溫度難以降低，所以現代熱電廠采取單方向提高溫度，用過熱蒸汽推動汽輪機，并向超超臨界要效率。

有機朗肯循環指使用有機溶液作為工質的朗肯循環，廣泛運用在工業廢熱回收、太陽熱能發電、生物質能發電上。由于有機溶液的沸點低，因此可以利用溫度較低的熱源工作。低沸點有機工質的選配是大幅度降低發電溫度及提高發電效率的關鍵，要綜合考慮其沸點，飽和蒸氣壓，臨界溫度，臨界壓力，蒸發潛熱，比熱容等。有機郎肯循環發電的優點：

1) 效率高，系統構成簡單。不需要設置除氧、除鹽、排污及疏放水設施。

2)透平進排氣壓力高，所需流通面積小，透平尺寸小。

3)余熱鍋爐中不必設置過熱段，工質蒸汽直接以飽和氣體進透平膨脹做功。

4)可實現遠程控制，無人值守，維護運行成本低。

作為溫室氣體禍首的二氧化碳是有機郎肯循環的理想工質。CO2環境友好，臭氧層破壞潛能值ODP為0，全球變暖潛能值GWP為1。CO2臨界溫度低(31.1℃)，臨界壓力高(7.3Mpa)。從三相點-56.6℃到臨界點，87℃的溫差壓力變化12.8倍。水的臨界溫度374℃，對應7兆帕壓力的飽和蒸汽溫度約289℃。如果用CO2替代水作為火力發電介質，現行火電系統的綜合能效比將提高4.3倍。下圖;二氧化碳和水的相圖。在壓力-溫度相圖中，液態和氣態為不同的二相，但若超過臨界點，液態和氣態的相態都消失了，變成單一相態的超臨界流體。

作為制冷劑，CO2有著悠久的歷史，19世紀70年代，世界第一臺制冷機就是以二氧化碳為制冷劑。由于CO2臨界溫度低，臨界壓力高，蒸發密度大等特點給制冷機帶來許多難題。隨著氟類制冷劑的出現，1950年代CO2作為制冷劑停止了使用。直到1990年代，發現CFC類制冷劑對環境的破壞后，CO2才重新受到人們的青睞。

二氧化碳的膨脹過程與通常的高壓氣體膨脹做功是不同的。高壓氣體的膨脹是自發過程，主要靠氣體的體積膨脹輸出軸功。而在CO2的膨脹過程中出現氣液相變，但體積變化不大。它主要是靠勢能和氣液相變提供輸出功。CO2膨脹比小，只有2-4，是常規工質的10%。膨脹功大，為常規工質的3倍，相當于壓縮功的30%，蒸發壓力是常規工質的10倍，跨臨界循環效率遠高于常規工質。上圖：CO2和氟利昂12膨脹機P-V圖。可以看出CO2的膨脹功大部分來自超臨

界相以及液相的功(膨脹體積很小)。

四，二氧化碳地熱發電

筆者在前文中介紹的太陽輻射能熱機利用的是環境溫度(20℃左右)，環境溫度低于CO2臨界點，為亞臨界循環。太陽輻射能熱機適宜作分布式、移動式能源。要建設基礎電力，需要更大規模和更高溫度，最佳的資源是地熱能。

地熱能分為淺層地熱能和深層地熱能。淺層地熱能是指在大地表層(一般四百米以內)形成的相對恒溫層中的土壤、砂巖和地下水所蘊含的低溫熱能。地球每年得到的太陽能輻射總量達95萬億噸標煤，相當于世界全年能源消耗總量的6500倍，太陽輻射能是淺層地熱能的主要補給來源。深層地熱能是指在大地表層400米以下，主要是由于地殼內火山活動和年輕的造山運動，使地球內熱在有限的地域內富集，構成的地熱資源。

地核是一個巨大的核電站，不斷發生核裂變，溫度高達6000℃。其總熱能量約為全球煤炭儲量的1.7億倍。每年從地球內部經地表散失的熱量，相當于1000億桶石油燃燒產生的熱量。對人類來說地熱資源，無論淺地層或深地層，幾乎都是無限的。

碳減排的重要手段之一是捕捉和貯存(CCS)，將二氧化碳注入地下。全世界已經實施了100多個項目。我國神華集團于2010年在內蒙鄂爾多斯建設10萬噸CCS項目，將二氧化碳注入地下3000米咸水層，注入壓力35-40Mpa。

我們知道，地表下每深30米，溫度提高1℃。地下3000米深處，達到100℃。100℃是水的沸點，但對于二氧化碳來說卻達到超超臨界，壓力高達35兆帕

(水的臨界溫度為374℃,壓力22兆帕)。C02壓力與溫度和體積質量關系下圖：

圖中A～Tp線表示CO2氣一固平衡的升華曲線，B～Tp線表示CO2液一固平衡熔融曲線，Tp～Cp線表示CO2的氣一液平衡蒸汽壓曲線。Tp為氣一液一固三相共存的三相點。沿氣一液飽和曲線增加壓力和溫度則達到臨界點Cp。當體系陰影部分為超臨界狀態。CO2超臨界流體介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點，其密度接近液體，而粘度近似于氣體;即密度比氣體密度大數百倍，其數值與液體相當;而粘度比液體小兩個數量級，其數值與氣體相當，擴散系數介于氣體和液體之間約為氣體的1/100，比液體要大數百倍。

可以設想建設大規模二氧化碳地熱能發電廠。將成千萬以致上億噸二氧化碳注入地下斷層，形成流動的CO2地下暗河。CO2被深層地熱加熱，達到超超臨界。在斷層遠端打一口豎井，在地下受到強力擠壓的CO2會猛烈的噴發出來，釋放巨大的能量。釋放了內能的CO2再次回注地下，往復循環。

粗略計算，建設一個1億噸二氧化碳工質的CO2地熱能發電廠就可以完全滿足中國的電力需求。建設成本大大低于火電、核能、光伏以及風力發電。因為CCS發電工程可以與自然融合為一體。

五，資源、技術、經濟、生態可行性

5.1，二氧化碳資源和地下斷層

我國每年僅發電燃煤產生的二氧化碳就高達100億噸，二氧化碳的來源不成問題。以目前技術、工藝二氧化碳回收成本平均約200元/噸。我國地下水超采嚴重，僅河北省年均超采50多億立方米，已累計超采1500億立方米，面積達6.7萬平方公里，形成了世界最大的地下漏斗。這些人為形成的地下漏斗和溝裂為大規模回注二氧化碳，建設CCS地熱發電廠創造了天然條件。

5.2，頁巖氣綜合開發

根據美國能源情報署估計，中國頁巖氣儲量超過世界上任何一個國家，可采儲量約1275萬億立方英尺。按當前的消耗水平足夠中國使用300年。
                 

頁巖氣是一種以吸附及游離狀態存在于泥頁巖中的非常規天然氣，要開采頁巖氣，需要一種介質將頁巖氣從地下驅替出來。國際上多采用水作為壓裂介質。有限的水資源成為制約我國頁巖氣開采的難題。頁巖氣開采的水力壓裂法需水量驚人，即便是水量充沛的美國也視供水為最大瓶頸，而對于水資源緊缺的中國，如何平衡頁巖氣開發與水資源合理利用之間的矛盾，將是一個重大的挑戰。利用超臨界CO2流體作為介質可替代水資源，適合我國國情。利用超臨界CO2開采頁巖氣，具有以下優勢：

超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，對于典型的難鉆頁巖層來說，能夠大大縮短建井周期，降低鉆井費用;超臨界CO2流體既不含固相也不含水，對儲層無任何損害和污染，非常適合于粘土含量較高的頁巖氣藏開發;超臨界CO2流體黏度低、表面張力為零、易流動，容易進入毛細孔隙中，驅替及置換甲烷。利用超臨界CO2流體進行壓裂可防止儲層傷害，提高采收率，降低成本。超臨界CO2代替水做壓裂液，幾乎可以解決水壓裂帶來的所有難題，包括地下水污染。

目前，我國二氧化碳驅油技術已經比較成熟，在油田開發生產中得到了廣泛應用，利用超臨界二氧化碳開采頁巖氣技術仍處于實驗室研究和探索試驗階段，預計2～3年內該技術將在我國頁巖氣勘探開發中得到現場應用和推廣。

5.3，經濟性

建設CCS地熱發電廠的經濟性顯而易見。火電廠運行，燃料一項占總成本的60%。CCS地熱電廠完全不消耗化石能源，意味著成本下降60%。此外，千瓦裝機投入也將大幅度下跌，因為CCS地熱發電循環不需要投資建設燃料鍋爐。這個鍋爐體積無比巨大，非人力可為。

5.4，生態效益

CCS地熱電廠利用的是取之不盡、用之不竭的地熱能，完全不消耗化石能源。全世界修建總量4億噸二氧化碳工質的CCS地熱發電廠就可以滿足所有的能源需求，人類將一勞永逸的告別化石能源。建設大規模CCS發電工程是解決我國能源短缺以及能源結構扭曲，減少碳排放，逆轉環境和生態惡化最為現實、可行、投入最少、效益最高的選項。

六，終極替代--新能源

根據能量守恒和熵的原理，使用化石能源就是在利用成千上萬年的太陽能資源的積累。但是人類使用這些能源的速度比生成的速度要快許多倍，導致化石能源在短期內被大量開發，而新的化石能源卻幾乎不可能再生(與人類發展史比較)。同時因為熵的原理，化石能源被使用后生成大量二氧化碳、氧化硫等低能量的物質，很難再次被利用。它們污染了環境并生成溫室氣體。

人類已經經歷了兩次工業革命，目前正在迎來第三次工業革命的浪潮。每一次工業革命的原動力看似是科技發明，實則是能源革命。第一次工業革命的推動力看似是蒸汽機，實則是煤炭;第二次工業革命的推動力看似是電力，實則是石油。第三次工業革命的推動力又將是什么?當然是非傳統能源的各種新能源。與傳統能源相反，未來不是資源競爭，而是核心技術競爭，誰掌握了核心技術，誰就掌握了能源，站上第三次工業革命的潮頭。

隨著全球變暖給人類持續生存構成的威脅日益加劇。化石燃料驅動的原有工業經濟模式難以支撐全球的可持續發展，這就需要尋求一種能使人類進入“后碳”時代的新模式。前兩次工業革命是用一種化石能源替代另一種化石能源，而第三次工業革命則是用性質完全不同的新能源(即可再生能源)替代化石能源。將來也不會有更新的能源來替代可再生能源，所以這次替代為“終極替代”。

從世界能源結構演變歷史看，煤炭代替木柴成為主要能源的第一次能源消費結構變革用了100多年;石油替代煤炭成為主要能源的第二次能源消費結構變革用了60年;預期到2035年(未來20年)，清潔能源將占全球一次能源利用總量的50%，新能源大規模替代化石能源的時代已經來臨!未來可能是多種新能源并存的時代，但只有太陽能可以挑大梁，風能、水能、波浪能、地熱能、生物質能將是有益補充。

太陽是地球的主要能源供應者。太陽在其核反應過程中釋放的能量是巨大的，其中只有二十二億分之一的能量經過1.5億公里的長途跋涉來到地球，30%的能量被大氣層反射回宇宙，23%的能量被大氣層吸收，最終每秒到達地球表面的功率仍然高達80萬-85萬千瓦，相當于每秒燃燒500萬噸煤釋放的能量，40分鐘的光照即可滿足人類一年的能源需求。這些能量形成了水能、風能、潮汐能、地熱能等。事實上，化石能源也是太陽能的轉化物。然而，如何利用太陽能，什么是利用太陽能最好的方式是可以討論的。

筆者認為光伏發電不是太陽能利用的最好方式，因為這種方式存在硬約束，即必須依靠增加采光面積才能獲得更多的能量，而地球的表面積是有限的。同時，受到晝夜的限制，光伏不能連續工作。這無疑將約束人類對未來能源的更大需求。

而筆者發明的以天然二氧化碳為工質，通過節流膨脹(CO2亞臨界或跨臨界循環)做功的太陽輻射能熱機以及CCS地熱發電廠則不受時空限制，可以高效率，低成本，無約束的實現太陽能資源的終極利用。

邱紀林

2014年5月19日于北京