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铝工业助推能源产业实现零碳排放

中国有色金属报2021/05/07 10:03:21

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铝道网】当前的能源工业都在想方设法降低碳排放,后达到零排放,所以采用清洁的绿色能源,如太阳能、风能、核能、氢能、氨能、天然气与水力发电等。按照规划,我国将在2060年前实现碳中和,而日本、德国和韩国力争在2050年实现碳中和,这其中我国的任务繁重,因为中国现在的碳排放量是上多的。为此,在这次性的绿色能源革命中,中国起着决定性和性的作用。作为绿色金属,铝产业的低碳发展对绿色能源革命都起着推动性的作用。

据国际能源机构(IEA)数据,铝工业占CO2-eq排放的1%左右。据2016年数据,在原铝生产所用的电力中,煤电占61%、水电占27%、天然气电占10%。同时,电解铝用的电力结构也不均匀,有的地区煤电占比很大,有些地区则几乎是水电。另外,从三大原铝地区的用电种类来看,中国煤电约占80%,欧洲水电占44%,海湾经济共同体国家(GCC)天然气电占87%,而这种能源结构已持续15年之久。

那么,如何降低原铝能耗成为了目前铝行业实现碳达峰碳中和目标的关键。笔者认为,减少CO2排放量的措施,一是采用惰性阳极,不使用炭阳极,目前美国铝业公司、力拓公司等正在联合攻关;二是采用尽量多的清洁绿色能源,主要包括天然气、太阳能、风能、核能、水电、氢电与氨电等。

太阳能的潜力巨大

太阳能是取之不尽用之不竭的,太阳每秒钟释放到地面的能量高达80×104kW,若把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率按5%匡算,则发电量可达5.6×1012kWh,相当于2020年总能耗的近40倍。中国有着丰富的太阳能资源,理论储量约17000亿t/a标准煤。中国地处北半球,南北距离及东西距离都在5000km以上,大多数地区平均辐射量4kW/(m2·d·a)以上,其中,西藏辐射量高达7000kWh/d。与同纬度的其他国家相比,中国的辐照太阳能与美国的相近,而比欧洲及日本的高得多。

大太阳能电站向环球铝业公司供电

据德国刊物《Aluminium》报道,阿联酋环球铝业公司(EGA)划用太阳能提取原铝,已与迪拜电力自来水公司(Dewa)达成协议,将通过穆 罕默德太阳能园向铝业提供电力,输电量560000MWh/a,年可用以提取40kt铝,未来将有更大潜力。环球铝业公司用太阳能生产的铝锭冠以“CelestiAL”为名的商标,在全销售,以标示它们是用清洁能源生产的产品。

该太阳能园是迪拜清洁能源战略2050项目之一,目标是实现环球铝业公司2050年生产的原铝中有75%是用清洁能源生产的。穆 罕默德太阳能园的建成,对于环球铝业公司来说,具有里程碑式的意义,是天下大的单一太阳能项目,2030年的发电量将达5000MW,而2020年光伏太阳能板的发电能力只不过1013MW。

中国可利用太阳能巨大

2007年,中国科学院与资源研究所资源与环境信息系统国家重 点实验室对中国太阳能发电站选址模型进行了研究,结论为:在西北内陆地区和青藏高原,即使仅利用这些地区1%的荒漠进行太阳能发电,在现有技术条件下,也可建设25亿kW的太阳能发电站,其发电量是三峡电站高发电量的50倍,基本可满足2020年的用电需求。

中国现有近500亿m2的建筑面积,屋顶面积约44亿m2,加上南立面约55亿m2的可利用面积,若其中有20%利用光伏发电技术,实现光伏建筑一体化,其安装量就可达100GWh,即相当于5个三峡电站的发电量。

太阳能发电形式

目前,太阳能发电形式有两种,一是光热转换发电(CSP,ConcentratedSolarPower);二是光电转换发电,即光伏发电(PV,Photovoltaic)。中国已是PV发电大国,2020年的装机容量已达约130GW(吉瓦),新疆、青海、甘肃、内蒙古、西藏等地是中国相对较大的太阳能发电省、区。

截至2020年7月,安徽铜陵市利用工业区闲置土地、厂房屋顶架设光伏发电设备,建设分布式光伏电站,目前已建成10余座,总装机容量8MW,平均发电量800万kWh/a,可节约标准煤983.2t/a,减少CO2排放2674余t/a。另外,重庆黔江区利用高山地区充沛的日照,已于2016年起建设了100MW光伏发电项目,首期已于2017年6月并网发电,现该项目已全部建成,平均发电量约1亿kWh/a。

2017年7月,中国熊猫绿色能源集团有限公司在山西大同郊区建设的首座熊猫外形光伏发电站并网发电站项目,全部投入使用后,可提供32亿kWh的绿色电力,相当于节约煤炭105.6万吨,减少CO2排放270万吨。电站由黑白两种颜色组成,从高处俯瞰,犹如一只十分可爱的大熊猫,其黑色部分,如爪子和耳朵,由单晶硅太阳能电池组成,白色部分由薄膜太阳能电池组成。

早在2017年8月,中节能太阳能股份有限公司的个水上漂浮式光伏电站建设项目就在安徽宿州市埇桥朱仙庄启动,这座太阳能电站装机容量70MW,总投资概算为50483.43万元。该项目的顺利投建,对于采矿沉降区综合治理,传统煤炭地区能源转型,具有广泛和深远的社会意义。建设漂浮式光伏电站实现了采煤沉陷区的开发利用,虽然与常规地面光伏发电项目相比,同等规模的水上漂浮光伏电站的建造成本相对较高,但对于像沉陷区这样的地貌特征来说,水上漂浮光伏发电站是很好的解决方案,不仅变废为宝,而且更具经济性。

2012年3月,京东方北京8.5代线厂房光伏发电项目正式竣工,项目总投资9000多万元。据介绍,这也是目前大规模的太阳能光伏屋顶发电项目。北京市发改委相关负责人表示,今年上半年,北京市还将开工建设八达岭太阳能31兆W地面大型光伏发电项目、昌平12.8兆W矿山修复治理太阳能光伏发电项目、密云20兆W地面光伏电站项目等一系列新能源利用项目。据中国航天科技集团公司五院科技委主任李明研究员2017年11月透露:“如能保持并进一步加大研发力度,中国有望成为建成有实用价值空间太阳能电站的国家。”

科学家认为,与日益枯竭、环境污染问题严重的化石能源相比,太阳能是一种、持 久、清洁的能源。目前,俄罗斯、美国和日本纷纷为该领域发展投入资金,印度、韩国和欧洲航天部门也在开展相关研究。中国自2008年开始在建立空间太阳能电站方面采取实际措施,已在无线能量传输等关键技术上取得重大进展。据专 家评估,空间太阳能电站能改善中国的生态和能源形势,并带动技术创新和新兴产业。

太阳能铝材应用市场

在太阳能装备系统中,铝材得到了广泛应用,主要用于边框、支架、电池箔,在砷化镓光伏电池组件中用作支架、立柱、散热器、底板、路灯杆,在光电建筑一体化工程中用于观景平台、幕墙、屋顶等。

太阳能产业对铝材的需求取决于太阳能产业的技术发展趋势和材料的竞争态势,对全太阳能铝材需求的预测主要受两方面影响:一是2006年欧洲联合研究中心(JRC)的预测,认为在未来能源结构中光伏发电将占据极为重要的地位,成为能源主体,到2020年太阳能光状发电在总电力供应中将>10%;到2040年则会达到>40%,而到本世纪末无疑会达到60%或更多;二是国际能源机构(IEA)2010年发布的《太阳能光伏发电路线图》,认为光伏发电是可靠的商用技术,在几乎任何地区都具有长期增长潜力,并预计到2030年,光伏发电可满足5%的电力供应,到2050年,这一占比将高达11%,而在太阳能光热发电(CSP)路线图中,国际能源机构预测,2050年CSP的发电量可满足全11.3%的电力需求。

太阳能热发电(CSP)与太阳能光伏发电(PV)是不同的两种系统,各有所长,宜同时发展。中国在《可再 生能源中长期发展》中指出,力争使太阳能发电装机容量2020年达到1.8GW(百万千瓦),2050年达到600GW;同时2050年可再 生能源电力装机容量将占总装机的25%,其中光伏发电装机将占5%。

在预测太阳能系统对铝材(板、箔、型材、铸件等)需求时,单位太阳能电池的铝材消耗是预测市场的一个基本指标,不过发电方式及技术进步对铝材需求会有相当大的差异。据笔者测算,2020年,中国太阳能装备净铝消费量约360kt,在2060年前的年平均增长率可达22%,其中挤压铝材占70%以上。

亟需关注太阳能铝型材发展

在今后一段相当长的时间内,至少在2060年以前,是利用太阳能的大发展时期。太阳能是一种极为丰富的自然能源,是今后大规模利用的方向,但随着率和大面积光伏电池的不断开发和涌入市场,以及钢-铝混合结构支架的出现,单位功率铝材消耗量会逐渐有所下降。

目前来看,由于6063型合金是一个的久经考验的建筑-结构铝材合金,其光伏太阳能装备边框/支架主流材料的地位是不会改变的,不过随着光伏发电技术的不断提升和使用环境的变化,会有各样改良型合金和新状态出现。同时,太阳能铝材也会形成挤压铝材的一个独 立分支,随着市场的兴旺,会出现一些规模较小的边框/支架厂与大企业内的车间。随着技术的进步与市场的扩大,太阳能装备除用挤压铝型材外,板材与压铸件也会有所应用,但量不会很大。

与此同时,开拓“一带一路”市场,特别是中亚市场,应关注新技术的出现与应用。据英国《卫报》网站2020年8月15日报道,英国牛津光伏太阳能技术公司研制出一种上的新太阳能电池板。他们给传统硅太阳能电池涂上一层薄钙钛矿,提高其发电量,降低清洁电力的总成本,因为这种晶体能吸收太阳光谱中的不同部分,可将27.3%的可用太阳能转化为电,而当前好的硅太阳能电池多只能转化约22%的可用太阳能。另外,在太阳能发电新技术中还值得一提的是,特斯拉汽车公司的光伏屋顶瓦和英国埃克斯特大学于2018年发明的“太阳能方格”新型玻璃砖能把阳光转化为电能。

此外,光伏发电是当下乃至未来城市建筑的标配。据称,2020年中国建成的屋顶光伏发电项目已超过2万个,总容量近100万kW。自2008年以来,中国一直是太阳能电池板的主要出口国,太阳能电池板的生产、供应与出口。据统计,2019年光伏发电量达2243亿kWh,同比增长26.3%;新增光伏发电装机3011万kW,同比下降31.6%。尽管同比有所下降,但中国新增和累计光伏装机容量仍继续保持。

风能

我国生态环境部2019年11月26日发布报告称,中国已经提前达到了2020年的CO2减排目标,说明了中国在推动绿色循环低碳发展的成效。据国家能源局2020年2月发布的2019年风电和光伏发电并网运行情况,2019年风电发电量4057亿kWh,突 破4000亿kWh,占全部发电量的约5.5%,约相当于4个三峡电站2019年的发电量。截至2019年底,风电累计装机2.1亿kW,其中陆上2.04亿kW,海上593万kW,风电装机占全部发电装机的10.4%;2019年风电平均利用小时数2082h,平均利用小时数较高的地区是云南、福建、四川、广西和黑龙江;2019年弃风限电状况进一步缓解,弃风电量169亿kWh,平均弃风率4%,同比下降3个百分点。

中国海上风电项目

2019年3月,中国国家能源集团与法国电力集团签署了国家能源集团东台海上风电有限责任公司《合资合同》和《认购协议》,双方将合资建设并运营装机容量达502MW的东台海上风电项目。据介绍,该项目包括于2019年12月全部并网发电的东台四期项目,装机容量302MW,以及目前在建且预计于2021年初投运的东台五期项目,装机容量200MW。东台海上风电项目位于江苏省东台市,总投资约79亿元,是国家能源集团成立后海上风电项目,也是现阶段国内综合施工难度高的海上风电场项目。全部投入运营后,预计东台四期和五期项目年发电量13.9亿kWh,可满足近200万居民的年用电需求,相当于节省标煤44.19万t,减排二氧化碳93.75万t、二氧化硫1704t。

2020年12月25日,中广核新能源有限公司浙江岱山4号23.4万kW海上风电项目实现54台风机全容量投产运行。此项目采用了深厚软土地质条件坐底式安装工艺,创造了风机安装平台大插腿深 度35m的纪录,年上网电量达6.18亿kWh,可节约标媒170kt/a,减少温室气体排放470kt/a,将改善当地的能源结构,助力生态经济发展。

铝材在风力发电中的应用

风力发电的主柱、叶片、发电设备、紧固件、电力输送导体等都可以用铝、铝基复合材料制备。早在本世纪初期,美国克利斯塔尔·菲尼悉系统公司(CrystalFinishingSystems)与卢西德公司(Lucid)就合作挤压成功了形状复杂的风力发电设备关键构件——叶片与立式涡轮发电机。在发电设备中,螺旋曲线叶片可在一个旋转周期内均匀分配翼的横截面,以使峰值应力小、缓和扭矩、降低噪声和震动,它是用6061铝合金挤压的,热处理状态T6。因为叶片是一种复杂的多腔中空挤压材,要求具有高的性能和长久的使用期,所有叶片型材具有相等的壁厚、扭转强度。

中国虽已成为风电大国,但还不是强国,与北欧挪威相比在风能利用效率和技术方面还有差距,仍需追赶,笔者预计到2025年以后就能赶超他们,成为大风电强国。

氢能

氢是元素周期表中个化学元素,在通常条件下,它是由双原子分子(H2)组成的无色、无臭、无味的气体。氢是水和有 机物的主要成分,不仅广泛地分布于地球上,也充斥于宇 宙间。它有三个同位素,分别为:氕,质量数1,构成天然元素的99.98%;氘,质量数2,构成天然元素约0.02%;氚,质量数3,存在于自然界的量少之又少,但可以用人工方法以不同的核反应产生出来。

地球上只有少量自由状态的氢,大气中的含量还不到1ppm。化合态的氢可占地壳质量的0.76%,是第9位较多的元素,地壳中原子的13.5%是氢,仅次于氧和硅。这些氢大部分在海水中,占10.82%质量;宇 宙中约有90%的原子是氢。其中,氢的热核反应产生的热核能是太阳和其它星球辐射能的主要源泉。

氢能经济时代降临

当前,减少碳排放是全 面临的大挑战之一,所以更应采用清洁能源技术。目前看,具有竞争力的技术就是绿色氢能,氢能在传统可再 生能源不适用的一系列工业用途中均具有潜力,比如炼钢、水泥和重型卡车。若能贮存在地下,它甚至能够为电网提供备用电力。

据彭博新能源财经估计,到2050年,氢能可以满足24%的能源需求,年销售额达到2000亿~7000亿美元。为了刺 激新能源——氢能的发展,各国政 府都应提供补贴,使绿色氢能成本低于传统能源。

我国为加快氢社会的到来,2020年9月,北京市新设大兴国际氢能示范区,建立氢能源基础设施,以此提升拥有核心技术的厂商的技术实力。

氢电列车到来

名为科拉迪·伊林特(Coradiailint)的蓝色列车于2020年6月12日起在德国西北部的绿茵茵平原上奔驰,它的速度140km/h,不排放任何烟气,而是一团团水蒸气。这是氢提供动力的客用列车。所有驱动列车的电力都来自车顶的电池和周围空气中的氧。至2020年10月,两列样车已在德国下萨克森州四座城市间商业运行了23个月,总运行了22万km,达到了预定的运行目标。

首艘远洋液氢运输船

2019年12月11日,神户川崎重工业公司为首艘8000t的远洋运输船举行了下水仪式,标志着氢运输试验性项目的阶段宣告完成。该船下一步将把澳大利亚生产的-253℃的液氢运回日本。目前,该船是上采用国际海事组 织液氢装载临时标准的船只,2020年完成试航后,它的措施无疑会成为业内标准。

空客将推出氢动力飞机

空客计划在2035年底前推出零碳排放的商用飞机,并于2020年9月展示了三种氢动力的“零排放”飞机视觉概念,一种是能搭载120人~200人、航程3700km的涡扇喷气发动机;另一种是使用能搭载100人航程1600km的涡轮螺旋桨发动机;第三种则是采用革命性的“翼合融 合”设计。眼下正在开发验证机,初步成果预计2021年面世。第三种是研发重 点。

据说,为实现2035年底前推出零碳排放商用飞机的目标,空客在2025年底前选定所采用技术;也有人分析,空客要让推进装置使用清洁能源起码要等到2040年。

首架氢燃料飞机成功试飞

2020年10月7日,首架燃氢飞机在英国克兰菲尔德机场成功完成滑行、起飞、所有起落航线飞行、着陆等试飞项目,成为低碳飞行史上具有里程碑意义的重要事件。

这架飞机由泽罗瓦阿(ZeroAvia)航空公司在派珀(Piper)m级6座飞机的基础上改装而成。泽罗瓦阿航空公司表示,该架飞机的飞行距离和有效载荷将与喷气飞机的相当,但运营成本明显降低。

日本将在月球建氢燃料工厂

2020年9月27日,日本宇 宙航空研究开发机构宣称,计划于本世纪30年代中期在月球表面利用存在于月面的水制造氢燃料工厂,以获得往返于空间基地和月球表面移动所必需的动力,以减少从地球运输燃料的时间和费用。据悉,日本将与美国合作建设绕月空间站“入口(Gateway)”。工厂建在月球南极,因为那里有冰;工厂2035年建成,通过利用太阳能电池把水分解为氢与氧,以作为燃料。

欧洲计划2035年实现氢能源客机商业化

航空工业面临的一大挑战是排放的温室气体巨大,目前航空业每年排放的CO2超过9亿t。假设每年工业增长3%~4%,燃油效率提高2%,到2050年排放量将增加一倍以上。在同一时期,航空运输行动小组(ATAG)承诺到2050年将CO2排放量减少50%(与2005年相比),欧盟(EU)也在绿色协议中设定了碳中和的目标。欧盟《氢动力航空航天》研究报告指出,氢适合作通勤、支线、短程和中程飞机燃料,长途航空很可能以液态碳氢燃料为基础。

氢燃料动力系统

2020年6月,以 色列电动垂直起降(eVTOL)飞行器制造商城市航空公司选择美国海波英特(HyPoint)公司为其研发氢燃料动力系统,为该公司“城市鹰”(CityHawk)飞行器提供动力。

中国铝工业在氢能经济时代大有可为

中国已建成了强大的铝工业体系,可为氢能经济建设提供所需要的全部铝材。氢能产业应用铝材较多的板块分别包括:制取氢的工艺设备约含12%的铝;运输与贮存液氢的容器约含>85%的铝,这些容器也可以用钢制造,但铝材是佳的材料选择;使用液氢的设备如航空器与轨道车辆等约含>75%的铝。

氨能

氨在国民经济中有着广泛的应用,而且由于氨在燃烧时不排放温室气体,是一种绿色的燃料。在日本经济产业省2020年底发布的“绿色增长战略”中,“燃料氨产业”是其重 点领域之一。虽然氨和氢在燃烧时都不排放二氧化碳,但氨比氢更易于储存运输。液态氨可以在-33℃储存,而液态氢的储存温度需保持在-253℃上下,而且建造氨储存罐花费更少,氨也更便于运输。

但是,流通量小似乎将成为氨能大的发展障碍。随着未来氨能的流通量增加,制造和运输技术的革新,氨还要克服的另一个困难就是成本。日本政 府估算的1kWh氨电的成本,在“20%混合燃料”的情况下为12.9日元(约合0.79元人民币),在纯氨燃料发电的情况下则为23.5日元。比起运输成本昂贵的氢,用氨发电的成本已经大幅降低,但仍高于用煤炭发电的成本。

核能

利用核燃料(铀235、钚256、铀233)或可聚变核素(氘、氚)裂变反应或核聚变反应产生热能转为动力的装备称为核装备,发出的核电,是当今三大电之一,与火电、水电并列。核动力装备包括核反应堆、产生动力的系统和设备,以及为保证设备正常运行、人员健康和所需要的系统和设备等三个主要部分。

核电站反应堆型主要有沸水堆、压水堆、气冷堆和快中子堆四种。核动力装备主要应用于发电、舰艇和空间技术。核裂变技术已成熟,而可控的核聚变技术尚处于研发阶段,实用核聚变反应装备即将面世。

核电站(原子能发电站)是利用人为控制的缓慢裂变反应释放的能量发电。一座100万kW的核电站每年只需30t浓缩铀,而同等功率的火电站每年需耗2.5×106t煤,同时放出大量的CO2与含硫的有害气体,以及固体废弃物。

中国在建核电规模

1955年1月15日,党中央作出了发展中国原子能事业的战略决策,中国核工业就此诞生。66年来,中国核工业从无到有,从小到大,实现了一系列自主重大跨越,构筑了完整的核工业体系,形成了更高水平的核工业创新链和产业链,提升了中国核工业的资源整合利用水平和整体国际竞争实力。

截至2020年6月30日,中国大陆地区运行核电机组47台,装机容量4876万kW。保持稳定运行,第三;在建核电机组11台,在建核电规模。在反应堆研发、核电站设计、设备制造、工程建设和运行管理等方面积累了大量经验,部分领域已经达到了国际水平。

在环保效益方面,中核集团自北向南建成了田湾、秦山、三门、福清、昌江五大核电基地,商运核电机组达21台,在建核电机组6台,2019年中核集团核能发电量1362.14亿kWh,累计核能发电9690.76亿kWh,相当于节约标准煤38760.8万t,减少二氧化碳排放96611.3万t、二氧化硫排放2907.06万t,相当于造林260万公顷。

在核电方面,中国从未发生二级及以上核事件,核材料保持“一克不丢、一件不少”的纪录,在工业中保持着地位,其经验和成果也为核工业发展作出了贡献。

在对外合作方面,中俄大核能合作项目已进入实施新阶段:田湾核电7、8号机组,徐大堡核电3、4号机组完成全部商务合同签署;中核集团收购纳米比亚罗辛铀矿,跻身前五大天然铀供应商;中法国际联合体成功中标国际热核聚变实验堆项目核心安装工程,将为“人造太阳”安装“心脏”;与俄罗斯、欧洲多个国家深化核能合作,打开了多元化高水平开 放合作的新局面。

中国已是核电大国,但还不是大国,仍在美国与法国之后,在技术方面与他们相比还有差距,正在奋起直追,笔者认为,中国将在2030年超过他们成为大核电国。据核工业联合会统计,截至2020年4月,中国正在运行、在建和拟建核电站的总装机容量为10870万kW,超过美国的10512万kW。如果仅观察正在运行的核电站,位是总装机容量约为9800万kW的美国,约6200万kW的法国次之,中国以约4500万kW排在第三位。但中国正在建造11个核电机组,还有超过40个机组的建造计划。一般来说,核电站从开工建设算起需5年左右完工。

核聚变电

现有的核裂变反应堆与聚变反应堆的大区别在于,前者是通过裂解铀等元素的重原子核获得能量。裂解这些原子核会释放出大量的能量,但也会释放出危险的核辐射。与之相反的是,核聚变将轻原子核结合在一起,形成重原子核。当产生的原子的质量小于参与反应的原子的质量时,多余的质量就会转化为能量,释放出大量光和热,而且不会释放出任何核辐射。核聚变不会产生二氧化碳等温室气体,也不会产生其它污染物,而且其反应所必需的燃料——氢气,在地球上的储量足以满足人类长达数百万年的能源需求。

科学家很早以前就很清楚,核聚变这种核反应能够产生比它所需要的能量大得多的能量,但直到现在,能量余额依然是负数。换言之,用于引发核聚变的能量比核聚变过程本身产生的能量还要多。美国麻省理工学院(MIT)与美国联邦核聚变系统公司2020年开发出了新的名为SPARC的核聚变反应堆。研究人员指出,SPARC将能够产生是其运行所需10倍以上的能量。研究人员预计,未来在SPARC基础上建设的核聚变电站将能产生250MW至1000MW的电力,目前在美国的能源市场中,普通发电厂的发电量一般为100MW~500MW。

核聚变发电厂可以逐步取代现有的化石燃料发电厂,而且不需要像太阳能或风能那样重组电网。

中英在核聚变方面的突 破性成就

据媒体报道,西交利物浦大学与英国利物浦大学合作,在可控核聚变领域取得突 破,于2019年研究出一种可有效获取高纯度氘的工艺。氢的同位素——氘,就是一种潜在的可控核聚变燃料,但氘在自然界中的浓度很低。通常,高纯度、高浓度的氘是通过分离“氢-氘”混合气体来获得的,但目前实现这种分离的技术能耗大、效率低、价格昂贵。由英国皇 家学会的科学家带领的中英联合团队设计出一种新材料,它能通过一种被称为“动态量子筛分”的过程,将氘气体从混合气体中有效地分离出来。

中国“环流器二号M”运行

据我国媒体消息,成都一研究中心开发的新一代可控核聚变研究装置——“中国环流器二号M”于2020年投入运行,它的运行原理与太阳相似,所以又称为“人造太阳”,2019年11月在成都开始安装。

国际“人造太阳”正式组装

国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)旨在模拟类似于太阳内部发光发热的热核聚变过程产生能源。2020年7月28日,该项目在法国圣保罗-莱迪朗斯启动。是人类历史上大的科学项目,是依据2006年达成的一份由35个国家签署的协议而启动。签署协议的国家包括整个欧盟成员以及英国、瑞士、俄罗斯、中国、印度、日本、韩国和美国,预计在2050年将实现制造一种清洁和能源的共同梦想。

这个名为“托卡马克”实验反应堆项目的规模之大让人目眩,仅负责启动等离子内部电流的一个超导磁体线圈就可以举起一艘航母。目前,项目需要的各个组成部分已逐步抵达,剩下的就是组装这些上百万的零件了。组装工程由2300人实施,预计到2024年完工。

铝材是核反应堆不可或缺的材料

在核反应堆用的金属材料中,虽然按质量计算铝材的用量并不多,据估算约为7.5%,但却是不可或缺的关键材料,如装填核燃料的工艺管就是用Al-Mg-Si系的6063型合金制造的,中国用的工艺管的外径为43mm,内径41mm。

反应堆铝材可分为两种:一是在100℃~130℃的低温堆中用元件包壳及结构材料,主要用的是工业纯铝及6063型合金;二是使用温度≤400℃的中温堆用材料,有Al-Ni-Fe系、AI-Si-Ni系合金。其中8001合金(0.45%~0.7%Fe、0.9%~1.7%Ni;其余为AI及不可避免杂质)曾在核电项目建设中获得广泛应用,现在已列入非常用合金。此外,在建设原子能发电站的同时,还要建设大量的基础设施与服务设施,如办公楼房、职工住房等,据笔者粗略匡算,建设一座100×104kW的原子能发电站,生产和生活设施建设用铝材的采购总质量约18kt。

中国广泛采用的元件包壳及结构铝材料有10601050、1030、LT26、LT21型合金,前苏联及俄罗斯采用6063型合金,美国则以1100工艺纯铝作包壳材料,但这些材料的工作温度≤130℃,否则应采用Al﹣Si﹣Ni系合金。此外,中国还用过LT27、305、306、LT24、167等非标准合金作为包壳材料和结构材料。

国外有采用9%~12%Si、1%~1.5%Ni的与11%Si、1.0%Ni、0.5%Fe、0.8%Mg、0.1%Ti的Al-Si-Ni系合金作元件的包壳材料,它们在高离温水中不易腐蚀,后一个合金在260℃~300℃水中的抗蚀性比8001合金的还高。此外,Al-Fe-Ni系合金也得到了应用,这类合金的成分为(质量%):Ni1~5,Fe0.3~1.5,其余为Al及不可避免的杂质。在某些特珠情况下,如果作为屏蔽材料的混凝土的质量与体积不能满足要求,或不便使用,则除水以外,还可以用一种名为波拉尔(Boral)的厚铝板作屏蔽,这是一种含有碳化硼的铝合金,热轧Boral铝板,在其表面包覆一层1100工艺纯铝。

晶间腐蚀对堆用铝材的危害大,是由晶界区与基体之间的电位差引起的。因此凡是能减少这种电位差的措施,都能提高材料抗晶间腐蚀能力。防止铝材晶间腐蚀的有效措施是向铝中添加量的Ni和Fe,使其形成电位较低的阴极相Al3Fe、Al3Ni等。这就是中、高温堆用铝材大都含有量的Fe和Ni的缘由。向Al-Mg-Si系合金中添加少量Cu也能提高合金抗晶间腐蚀的能力。合金的晶粒越细,抗晶间腐蚀能力也相应地增强。热处理条件也因之对合金晶间腐蚀有明显影响。高温退火往往使呈阴极的第二相沿晶界析出和使晶粒长大,增 大合金的晶间腐蚀敏感性。

为了发展中国的原子能工业与核反应堆的建设,在当时的哈尔滨铝加工厂即现在的东北轻合金有限责任公司建了一个专门挤压-轧制-拉拔-阳极氧化工艺管的车间,有1台挤压机与1条阳极氧化生产线,1965年投产,此前需要的产品都从前苏联进口。1966年~1983年共生产了53306根(352t)工艺管,平均每根6.603kg,是用Al-Mg-Si系合金生产的。工艺管外径43mm,内径41mm,1979年荣 获国家品银质奖章。目前,建设核反应堆所需的铝材中国都能生产。

太空电站又称空间太阳能电站,是太阳能电站家族的成员,只不过不是建在地面,而是建在距地面3.6万km的地球同步轨道上。

太空电站会非常大,它的太阳能电池板面积将达到五六平方千米,相当于约12个天安门广场的面积。关于太空电站形状,各国研究人员已提出了方形、圆形、碗形等几十种设想。为了能用火箭发射到太空,把太空电站的太阳能电池做得非常薄、非常轻,每m2的质量不超过200g。还要突 破率的无线能量转换和传输技术。只有无线能量转换和传输效率达50%左右,太空电站才具有商用价值。

2020年11月初,美国空军宣布了一项激进的新计划,将与国防承包商诺思罗普﹣格鲁曼公司合作投资1亿美元,开发一套带有太阳能电池板的卫星系统,以便在其绕地球轨道飞行时获取太阳能。这些卫星收集的能量随后将被转化为无线电波,并传输到地球表面,在那里它们将被转化为可用的能源。

该系统名为“太空太阳能增量示范和研究”,它要求一大群装有太阳能板的卫星收集太阳能,每个太阳能板的大小相当于两个多足球场。这些卫星可以飞往太阳能充足的地区,比如新墨西哥州,然后将其传送到阳光照射较少的地区。据系统工程师蕾切尔·德莱尼说,该项目眼下面临的大挑战是卫星在处理如此大量的太阳能时要控制其热度;此外,还要长期维护这些大型卫星的后勤问题。

结语

2020年9月底,习 近平主席宣布,中国力争在2030年达到其碳排放峰值,并努力争取在2060年前实现碳中和目标。为实现这个目标,中国正在扩大绿色能源技术的国内市场,很多清洁技术是中国创造的,近些年来,中国在此领域取得的专 利居,中国正在赢得清洁能源竞赛,已成为这场绿色革命的,获得了国际社会的广泛赞誉,充分彰显了中国重信守诺、为应对气候变化作出贡献的大国担当。

当前,绿色能源特别是光伏发电已在许多国家和地区成为经济的发电方式,近10余年来,其发电成本不断下降,低中标电价纪录被不断刷新。中国光伏发电成本也有了大幅降低,2021年有望全部实现平价上网,不再需要补贴,预计“十四五”期间光伏发电成本将低于大部分煤电。

在常用的大宗金属中,铝是绿化率高的,是这场能源绿色革命的关键材料,是可以推动光伏发电、风电、核电、水电等绿色产业高速向前奔驰的材料。可以说,没有铝就没有今天这样兴旺发达的清洁能源产业。到2025年,铝在能源中的用量将成为大金属,在国民经济中的用量将仅次于建筑-结构、交通运输装备、包装,而成为第四大用量的结构-功能(导电与热传输)材料,铝在国民经济中的作用将会越来越重要与。(王祝堂)

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