发布时间: 2024-01-18
（项目介绍）
（专利号：2021.10629970.8）
（公布日：2021.08.31日）
（一）紧迫的形势。
21世纪的全人类正面临着在全世界展开的两大斗争，没有任何一个国家可以置身事外。一是全球防疫斗争（以新冠肺炎为代表），二是全球“碳中和”斗争（以禁用碳系化石燃料为代表的全球绿色能源革命）。其中，绿色能源又是人类文明长期可持续发展的基础和动力。在这方面，我国于2020年已将水电、风电、光伏发电等非化石电能装机容量的占比率达到15%。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上宣布：我国将在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。联合国设定的目标是：到2070年前，全球实现碳中和。此后应对气候变化的形势发展很快，到2021年3月底，全球已有27个国家或地区宣布要在2050年前实现“碳中和”，包括欧盟、美国、法国、英国、葡萄牙、瑞士、智利、日本、韩国，南非等。巴西也在4月份宣布到2050年实现“碳中和”，至此，只有乌克兰和中国一样，是宣布在2060年达到“碳中和”的目标。此外，宣布更早实现“碳中和”目标的还有乌拉圭和马尔代夫为2030年，芬兰为2035年，冰岛和奥地利为2040年，瑞典为2045年，内陆的亚洲小国不丹，则已宣布实现了“碳中和”。同样，在具体的行业领域，世界各国不自觉地已形成了争相向绿色零碳快速转型的全球竞争格局，例如：荷兰自2025年，印度自2030年，均禁止燃油汽车出售；德国自2030年禁止内燃机汽车出售，实现新售汽车的零碳排放；奥地利冰岛也宣布自2030年淘汰交通的碳排放；法国自2022年起将终止全国的燃煤火力发电厂的运营，全部改用“绿电”；智利则宣布到2040年淘汰燃煤发电厂。日本则计划在2040年后实现用液氨燃料代替煤炭发电的目标；瑞典的“氢能炼铁技术”计划在2026年投入使用；日本的新日本制铁公司以其“氢燃料炼铁”来代替焦炭炼铁的技术也将在2030年投入生产运用，等等。对照当前国际上“碳中和”的发展大潮，显然，早先中国所宣布的“碳中和”时间表，已经相对滞后，有必要采取措施，尽早提前。为此，中国政府已在2021年5月成立了“中央应对碳达峰及碳中和专门委员会”，专门统筹安排这项工作。时至今日，中国所缺的就是绿能战略大框架下的颠覆性原创技术突破，有必要加大攻关力度。此外，我国还在2021年宣布开展全国性的碳排放权的市场交易，定价为40元/吨，也是进一步催促企业节能减排，零碳转型的有力举措。
综上所述，目前，我国在“碳达峰”和“碳中和”方面所面临国内与国际承诺的压力都是巨大的，为此，就必然催迫我国尽快自主自立地去从技术大局上求变通，走向该领域的世界前列。而在“变”中求“通”正是本项目的目标。
（二）方法之变。
（1）全局谋划：人类的化石（煤、石油）能源时代，从蒸汽机开始，已历经近240年之久，迄今已覆盖全球人类的生产与生活，无所不在的巨大煤、油化石能源体系。如今，要想彻底在本世纪内，全面建成零碳绿色能源全球体系，其艰巨性改变的全局性都是其他转型无与伦比的。所以，建立新的全球零碳绿色能源体系，就不能头痛医头，脚痛医脚，而应从绿色能源体系所涉及的时间、空间所有要素变量，同时系统地加以考量，并以科学的、合理的、恰当的，有效进行人工改变，使之最终达到建立绿色零碳能源体系的目标。而本项目则正是为此而抛砖引玉的初步尝试。
（2）方法之变：（详见本项目的专利说明书）
本项目采用了以下几种成系统的方法，方式之变。
一是改变燃料。在旧有的化石能源应用体系中，煤和石油都是以氧化燃烧来释放驱动能量的，是一种燃料燃烧驱动。在本项目中，为达到零碳驱动的目的，就必须完全取消煤炭、石油的动力驱动，而代之以各种清洁的非碳燃料、材料的动力驱动。
二是改变发动机。随着所用燃料由化石燃料向非碳燃料的转变，与之配套的发动机，必然也在本项目技术中，做出了相应的结构性重大改变，即：采用高压高速高频脉冲多燃料适用的应用方式。
三是改变能量来源。本项目中的能量来源，除了非碳燃料的燃烧供能以外，还采用了流体物理储能供能、物质化学储能供能等多种供能驱动的方法，以确保有充足的非碳绿色能源供给。
四是改变空气用途。在原有的化石能源应用体系中，以空气作为碳系燃料唯一的氧化剂，其作用就是完成碳的氧化燃烧。而在本项目技术中，空气的作用则有两个，其一是作为氧化剂，参与非碳燃料的燃烧释能反应；其二是作为一种优良的气态储能材料，而加以大容量的储能应用。
五是变工质为多元储能工质。即：在本项目技术中，将所有参与驱动的工质材料，一律变为复合多元的储能材料，从而使本项目的特性与不稳定性、随机性、间歇性为特征的风电、光伏电、海洋能电构成互补，闭合的完整产业链。
（三）经济效益：
本发明项目若能得到规模化的社会运用，就必将会产生大量有益的社会环保和产业经济效益，具体如下：
（1）可实现煤电的转型。我国在2021年底预计有发电装机容量23.7亿千瓦，其中有化石燃料发电12.5亿千瓦（即煤电）。而按照我国的国际承诺，在2030年前碳达峰，2060年前碳中和的目标，其任务十分紧迫而艰巨；而日本政府在2020年底提出的《绿色增长战略》中，以燃料氨产业为重点，在火力发电厂中应用，到2025年实现20%氨燃料发电，2040年实现纯氨燃料发电，2050年实现温室气体净零排放的目标。而在我国若采用本专利项目的装置及方法和压缩空气+若干增能燃料如氢、氨、H2O2、生物质燃料等来取代发电燃煤的升级转型，就可超越日本15年，在2035年达到温室气体的零增加排放。
（2）可分散大量地储存电能。若我国在约60万个行政村中，仅建设一座2000千瓦的空气复合储能发电站，则全国就将有12亿千瓦的常年电能储备，随时可以启用，有力地促进电能产业的绿色转型，每1次加料，可运行8天左右。
（3）实现汽车产业的转型。人类应用能源的最大两个方面：一是用于发电，二是用于机动车行驶。若采用本发明的绿色能源技术，即：用空气复合储能驱动的外燃活塞式发动机（或涡轮机）来取代现在机动车上使用的内燃活塞发动机，则可以实现汽车行业向清洁、经济，可持续发展的快速产业转型。而且，机动车不烧汽油，不烧柴油，不充电，一次加料可行驶1000公里以上。
（4）油气钻井产业的转型。随着化石能源全国总体向绿色能源转型的加速推进，在石油钻井产业方面，也将会出现加快产业转型的需要。而本发明技术的地下深井恒温储能井筒，其钻井部分的工程，则正好结合利用久已成熟的石油钻井技术，找到一个新型而持久的产业转型用武之地。若我国兴建村级空气复合储能电站60余万座，每一站钻井2孔，则应有120万孔储能筒井，设若定40年一个大修或报废周期，则每年将会有3万孔井需大修或报废新钻，足可以长期可持续地保持钻井行业的规模化繁荣，以及几十万人的永久就业。
（5）煤和石油产业的升级转型。我国现有的煤炭和石油产业，在2020年的规模有年产原煤39亿吨，年产原油近2亿吨之多，在实现碳中和进程中，如何化解这五种炭能源为非碳产能，也是一个巨大的艰难任务。但若运用本项目技术，则可以：
煤炭 生产水煤气（CO和H2） 合成氨及尿素或炭黑或石墨 NH3，液氨就是一种本项目技术中可使用的一种优良的非碳燃料。
原油 将原油（CnHm）进行深度的催化裂化反应，最终生成甲烷（CH4，即与天然气相同），再以常规工艺生产出非碳燃料——液氨（NH3）。
其富余的CO2则用于生产尿素，CO（NH2）2，不会散发到大气中。
这也就是说，通过本项目技术的推广应用，将可以牵动煤炭产业和石油产业从黑色碳能源产业向绿色零碳能源产业的可持续高端升级转型，这又可长期保持几百万人以上的就业。
（6）空气压缩机产业兴起。我国若建60万座乡村复合储能电站，按每一座电站配套设置2台空气压缩机（一台投入运行，一台备用），则应配置120万台空气压缩机，每1台的装机容量在132KW以上。设定空压机运行寿命为20年，则全国每年将需生产供应6万台。这个规模足以长期保持几十个厂家的长期繁荣兴旺。
（7）高强度管材行业兴起。一是高强储能筒的产供行业兴起，例如：在筒外径0.6m，管壁厚为15mm时，抗压25MPa；若筒井深1000m，其钢井筒将重达216t，全国60万座电站，就将需要钢筒近2.6亿吨，钢筒使用寿命设为40年大修更新一次，则每年将耗更新筒材647万t，已足可以使千数计的生产厂持久营运。
至于高压理化反应产、供循环，其不少于100MPa承压强度，在我国的现有条件下，已可以达到（如万米深海下潜的钛合金艇壳；以及耐抗压140MPa的页岩气钻探压裂液管）。所以，生产供给抗压100MPa强度的反应筒是有保障的，而我国现有2亿多辆机动车的绿色升级，就需要2亿多套反应筒，按10年使用寿命更新，则每年将需要更新2000多万套，足可形成一个产业群。
（8）爆轰储能材料产业兴起。在本发明方法中，已经列举了液氢、双氧水、液氨、T•N•T、硝酸铵、硝酸钙、铝粉、镁粉、硝化纤维，硝化淀粉等十多种爆轰储能材料，都可以通过一定的理化反应释放出巨大的能量。我国目前每年消耗的煤炭、石油有几十亿吨之多，哪怕替代其十分之一，也有每年几亿吨的巨大数量，也足以支撑起一个新兴的爆轰储能材料产业。
（9）有效助力应对全球气候变化。若本发明的装置和方法能够获得规模化普及应用，则必将十分有效地助力于人类应对地球气候快速恶化的努力，将碳能源的使用以10亿吨数量级的规模减小。
作者简介：张慧书，男，籍贯重庆市巴南区，汉族，1939年3月生，1957年8月自重庆工学院兵器制造专业毕业，分配到包头市447厂工作，任技术员。1970年至今，先后从事农业科研、乡镇企业、民营企业的技术工作，现任重庆天豪建材有限责任公司总技术负责人。1989年开始致力于可再生能源应用的研究，1990年所研发的“高能液体组合燃料”以甲醇为主，可代替汽油80%。自2006年起，申请了并正致力于《生物燃油气汽车》（专利证书427180号）和《一种高能蓄电池材料，发动机组及电池电动汽车及其使用方法》（专利证书号为：第1456342号）等的应用推广工作。
来源：中国科学家杂志社
