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文章數：18 |
 農田將生產液化空氣，農民加入新能源產業大軍！ |
| 知識學習｜科學百科 2022/06/10 23:30:19 |
 序曲
稻草、秸杆、麥稈、棉稈等生物質，雖然不能吃，但它們燒起來火力旺旺的。
儘管火苗溫度不如汽油火焰那麼高，但也別瞧不起這類低檔能源。
人類有朝一日，如果學會了善用這些中溫熱源，一斤稻草也能當半斤汽油用。
這個不要復雜的證明，查熱力學表就能知道，一級柴火燃燒值20MJ/kg，普通汽油燃燒熱值40MJ/kg。
從熱值帳面看，1斤稻草的熱值，確實與半斤汽油的熱值差不多，但在現有動力系統中排不上用場，再好的柴火，也是廢柴一捆，它燒出來的熱，都管它叫廢熱，沒品味嘛！
所謂廢柴、廢熱或廢品，其實是放錯了地方的資源。
後面深水區，我將介紹廢柴到底該放到哪裡用，才能實現1斤稻草頂半斤汽油。
再簡單介紹一下液化空氣，也就是超低溫的-196°C液氮和-183°C液氧。
液化空氣，看似空氣被加壓用力過猛的結果，通常先將空氣加壓至幾百個大氣壓，等發燙的罐內空氣涼下來後，再來個“欲擒故縱”，突然快速放縱洩壓，由於湯遜效應，快速降溫至-200攝氏度，剛才還硬槓的空氣，一下癱軟成液態，被擒拿至罐底。
像不像孫子兵法的慾擒故縱？
可惜，空氣液化工藝不是擅長欲擒故縱的中國人發明的，而是上世紀末的德國人Carl von Linde（1842–1934）發明的。
要把標題中的幾個概念：農民、農田、液化空氣、新能源產業鏈，有機聯繫起來，不是一言兩語的開場白，立即可說清楚的，姑且耐心看我如何以蒙太奇風格，從理論到實踐到推理到展望，逐格解析關聯。
理論
動力設備之熱機，離不開熱源與熱沉，即heat source 和 heat sink。
工業革命發端於蒸汽機、內燃機的相繼發明。
發明者都將化石能源的煤、柴油、汽油作為熱源的燃料。
至於熱沉，沒人動半點心思。方便就手的大氣，即我們每天呼吸的空氣，自然就當熱沉用。
熱源之於熱沉，正如電池陽極之於陰極。
無論熱源溫度多麼高，孤立浸淫其中的任何熱機，都不會產生可用的動力；正如只有陽極或者正極的電池，無法驅動負載電路。
所以，誰若吹噓發明了單熱源發動機，那一定是大忽悠，因為違背了熱力學第二定理！
現實：當今全球大規模使用的各類熱機，熱轉功效率都不咋樣，例如滿大街跑的汽車效率也就20%~25%，柴油車略強些，但也就30%那個譜。
也就是說，燃料燒得化為烏有，放出的總熱量，僅有可憐巴巴的小部分滿足做功的目標需求，絕大部分熱量去哪了？當然是熱沉了！即廢熱都去加熱空氣了，恰如洗澡水都倒進了下水道。
投入使用的熱機每年都在不停增長，超期服役的老舊熱機、老爺車，也流亡二手市場，遲遲不肯謝幕。
買電池的時候，你的價款涵蓋了正極和負極材料的成本；用車的時候，你頻頻花錢買汽油當熱源，可偏偏沒給默默無聞的大氣熱沉一分錢。這種不合理，終於導致了各國開始徵收碳稅了。
頂著這種現實，全球氣候不升溫才怪。
抱怨二氧化碳排放造孽了氣候變暖？依我看CO2不過是方便的替罪羔羊。
按理說，CO2的單位濃度的溫室效應，遠低於水蒸氣，而且CO2就算飆升到今天的412ppm，對比常年平均3%即3000ppm的高濃度水蒸氣，也是小巫見大巫。
別嘰歪CO2不能像水蒸氣那樣經常通過降雨回歸地表，但蒸發量與降水量是平衡的，不影響年平均濃度。其實，跟降雨一樣，降碳也在進行，只是看不見而已，植物光合作用就是在降碳嘛。
巧就巧在CO2的排放量增長曲線，與全球各類熱機保有量的增長曲線是吻合的。
所以，譴責替罪的CO2，其實歪打正著，暗戳了“真兇”-- 動力需求帶動下的大氣熱沉的過快熵增！
熱力學斷言：宇宙的熵永遠只升不降，總有一天，“熱寂”一定會到來。
人類唯一可做的，只能是放緩熱機的增長量，同時盡可能提高熱功效率，以期推遲熱寂。
大家都要討生活，追求愜意的好日子，所以，放緩熱機的增長量不現實，唯一現實的是提高功效。
理想卡諾熱機是功效的極限，現實的熱機效率，都要在理想值下打個折。
極限功效η=(TH - TL)/TH，這裡TH=工質的高溫做功溫度，TL=工質向熱沉散熱溫度。
把周圍空氣作熱沉時，升效只能指望提升TH，相當於竭盡提高燃燒溫度。
例如：若追求86%的理論功效，TL = 27°C， 則TH = 1870°C。
目前化石燃料熱機的TH，在考慮經濟性的條件下，都已做到極限了，上述那個高溫望塵莫及，因為燃燒的火苗最高溫度也遠遜之。
老話說得好，退一步海闊天空。
如果改用大量液氮做熱沉，TL = -196°C，達到同樣86%理論功效，則高溫需求TH急降至300°C。
此時，燒稻草都能輕鬆應付，燒汽油更是殺雞用牛刀；但交通工具仍要用此“牛刀”也無可非議，畢竟該應用要講究爆發力。
而且，燒生物質配液氮的能源消耗與生產，整體碳足跡是零，即net-zero，因為種植物吸收的CO2，與燒植物釋放的CO2，大致抵消了，且都在地表進行，不像化石能源從老深的地下摳出來，憑空給地表增添CO2。
熱沉產業化
問題是哪來用之不竭的液氮？
既然不像大氣那樣現成的可免費使用，那就只有大規模發展液氮生產了。
依賴電網開動液化機器，早已工業化生產了，只是市場狹窄而已；一旦液氮的消費鏈暴漲，現有的電驅產能是遠遠不夠的。
當今先進的製程，能耗大約為：每生產1kg液氮，耗電0.5kwh，即1.8MJ/kg。就算大部分電網能量用來液化空氣，恐怕也滿足不了市場需求。
咋辦？呼喚農民加入主流能源生產大軍吧！
如今碳排放政策收緊，農村年年發愁如何處理收穫後的莊稼稈枝葉。
當柴火燒吧，也遠遠用不完，況且很多鄉村都改燒液化石油氣了。
老傳統吧，人類幾千年的農耕歷史，就是簡單的秸杆還田。據說，很多地方的這個傳統也廢掉了，還不是為了環保唄，只是科學界是否認可其環保性，那還是個問題，反正政策制定者先認了。
別煩惱了，開發燒柴火的熱機，用它驅動液化機器，不就得了？
柴火火焰溫度上不去，也不像燃料油那樣可以泵送，湊合著還能把燒煤鍋爐改成燒柴火鍋爐，反正餵料靠鏟 煤也罷，靠自動傳送帶也罷，這些套路都可用之於格式化（切碎）後的干柴。
鍋爐配老古董瓦特蒸汽機，驅動液化機器，應該不成問題，就是功效極低，也就7%~11%，比燒煤還低那麼一點點，因為柴焰溫度遜於煤焰。
這條路顯然不可取，因為柴火燃燒熱量最終90%都被大氣熱沉吸收，只比放野火好那麼10%不到。
所以，以大氣為熱沉的熱機，可被柴火一票否決；剩下就只有選液氮做熱沉的熱機。
柴火溫度雖然太過溫柔，但將工質加熱到300度還是不成問題；依前面匡算，這樣的理想熱機，功效竟然也能飆升至86%！
本來嘛，拉你農民進來一起玩能源大產業，就是為了讓你大量生產液氮；你倒好，貪圖86%的高功效，就必須先搞柴火-液氮熱機，豈不尚未見到液氮產品的影子，竟然先要變成液氮消費大戶？
別怕，有句老話說得好：不會花錢的人，也肯定不會掙大錢！
我的獨門絕技，讓農民一邊消耗液氮，一邊生產液氮，就看液氮熱沉的熱機之輸出的能量，夠不夠驅動後級的液化機器產生更多的液氮；答案是肯定有盈餘的，雖然70%的液氮產量要饋送給前級熱機消耗，以保可持續有盈餘的液氮生產。
盈餘的30%產量，有三條出路：
a 上市銷售，適當留點給家裡液氮消耗型空調使用；
b 加碼熱機反饋量，滾雪球式擴大再生產；
c 不要盈餘，全反饋給熱機，同時給熱機另加發電機負載，發出的電供自家使用，以及外賣給社區電網。
顯然，在我的這個熱機-液化機連軸運轉的發明中，熱機端的液氮可比喻為種子，液化機端的液氮可比喻為種子成熟後的收穫，後機反饋給前機液氮，可比喻為留種再生產。
農民開始從事液氮生產前，要外購少量的液氮做種子，城市液氮廠家滿足這個不成問題。種子液氮勿需太多，保證熱機可啟動就行了，之後擴大生產規模，只需滾動將液氮收穫全部投入種子，直至產能達標後，才可將盈餘的液氮自由支配。
傳統汽車不是也要從電瓶借點“種子”能量，才能啟動跑起來嗎？所以，別嫌我的發明也要藉液氮“種子”，講真，能量換來換去就那麼回事，星星之火，可以燎原嘛。
說來說去，大家最關心的性能想必是液氮產率，畢竟連液氮“種子”都用上了，若是燒幾十斤柴火，換來1斤液氮，那誰都不滿意。
估計這個產率肯定好得令人吃驚：
燒1斤柴火，扣除70%產量用於反饋熱機，以保障可持續生產，還可結餘2斤液氮。
按這個比例，可以想像過去大量幾乎一文不值的農業廢柴，將來定可為五湖四海的各類熱機應用，提供取之不盡的廉價熱沉，從而通過功效的提高，變相節省巨量的其它高貴能源。
醒悟了吧？帶農民進來陪玩大綠色能源，一下子就能觸發一場世界範圍內的熱沉革命，沒準一二十年就能有效抑制全球變暖！
而且誰陪誰玩，話還不能說死了，因為如果用電池類比，正極與負極的吃重應該是平等的，如果熱源與熱沉都產業化了，按理說，各自的角色吃重，也應大體趨同。保不齊熱沉角色更吃重，正如印刷電路板上的負極走線面積都比正極大，那熱源豈不成了陪玩的角色？
熱源產業大洗牌
碳稅的徵收，象徵著大氣熱沉不再免費了；反正都是有償使用，付費買大氣熱沉，不如付費給液氮熱沉；液氮熱沉的新一代熱機即將由此被催生出來。
稅例：當前加拿大的汽油價格，每升至少含$0.11的碳稅，如果農民大規模生產液化空氣的話，1升汽油所含碳稅，也許可買2升液氮，其蘊藏的當量熱值，近似於2*0.25 = 0.5升汽油。
熱源種類繁多，就連不溫不火的空氣，都能一改從前當免費熱沉使用的境況，如今也可華麗轉身，當免費熱源使用了，就算是冬天-30度的冷空氣，加熱-196度的液氮，那是綽綽有餘。
那麼多現存高品位熱源生產鏈，尤其是被社會埋怨很久的化石能源產業，是不是該到了大洗牌的時候？
雖說空氣當熱源使用沒有理論瑕疵，但有影響性能的致命傷。
液氮的熱導率僅為可憐的0.13W/mK，相當於水的四分之一；空氣的熱導率更低至0.024W/mK，指望這兩類介質之間高速傳熱，想都不用想；非要霸王硬上弓，那得巨大笨重的熱交換裝置。
所以，高品位能源還是不能丟，各有各的用途嘛。
家裡液氮空調，順帶做成小熱機，用室內空氣加熱，既製冷又發電，發出的電做大事雖不行，但點亮空調控制面板，驅動風扇，應算小菜一碟。
風馳電掣的汽車，如還用空氣加熱，那就說不過去了，一來笨重的熱交換器可壓得車子開不動，二來就算能開起來，也許比自行車速度強不到那裡去。
所以，交通動力還得高品位熱源。但搭配液氮熱沉之後，因熱功效率可提升至80%~90%，一下子就可將純油車的油耗打3折！
液氮熱沉汽車也許不再是內燃機，而改為外燃機，此時燒汽油、燒煤、燒柴火，汽車的功效是大致相等的，只不過煤柴的燃料餵送，不易自動化控制。
我的匡算表明，這樣配置的液氮汽油車--20升油箱 + 200升液氮罐，耗完液氮汽油跑出的里程數，等於耗完70升汽油車的可跑里程。
一旦這樣的車全部替換掉當代純油車，石油、石化產業鏈的從業隊伍，大可砍去70%，分流的人員可去從事液氮物流業，或其它產業。
這省去的70%高品位熱源，完全可讓農民種植高生物質產量的能源草頂替。當然，都種植不能吃的能源草也不行，得先解決人類吃飯問題。
土地極多的國家，可以騰出部分農民專種能源草，大量生產液氮；土地資源不足的國家，可讓農民種糧為本，用糧食作物的非食用生物質莖枝葉，間接“種”液化空氣。
總之，農業殘餘生物質，只要用起來，它就是個寶：既可以拿去燒當熱源使用，也可以加一道工序，就地生產液氮，液氮再拿到任何地方當熱沉使用。
家電大洗牌
格力董事長董明珠，不是早說過未來空調不用電，還能發電賣電嗎？
我看過視頻，她說的是用光伏技術，真如此的話，肯定不靠譜；沒准人家掩遮的技術，其實就是液氮製冷發電的組合機呢？
前面我說過，液氮空調自帶小容量發電是可以的，但大容量發電，還得靠燒燃料，儘管有液氮做熱沉。
農村只要有夠量的柴火，家家實現能源自給自足是可期待的。所用設備還是農民生產液氮的那一套，只不過設備要實現小型化，所產液氮全部用來支撐發電。
不光是液氮空調，液氮冰箱也將順勢推出，都無需電力，還可自身發電；至於看不看得上眼那點電，就是另一回事了。
唯有一個不便之處：得經常補充液氮，沒準一大罐液氮用一禮拜就空了。
總之，液氮製冷家電這一塊大洗牌是肯定了。
而且製冷用電佔電網負荷相當大比重，一旦這一塊交給液氮打理，電網輕鬆多了，夏天再也不願擔心跳閘。
可喜可賀的是，這類家電再也不用昂貴的製冷劑CFC/HFC了，氟利昂早就被認定貢獻了大氣變暖。
買液氮製冷家電，肯定比買氟利昂製冷家電便宜，因為結構原理都簡單太多；動手能力強的人，甚至可以自己打造。
但千萬別自作聰明，往悶熱的室內直接傾倒液氮，那樣會急劇稀釋空氣中的氧氣濃度，從而有窒息危險。安全的簡易做法，是用熱交換蒸發器循環液氮，等液氮熱到不宜再製冷後，排放到室外。
能源草候選清單
1、芒屬草 miscanthus
 預計年產量液氮25噸/英畝
2、柳枝稷 switch grass
 3、拜登草 Bidens pilosa
別誤會成拜登的佩洛西，真的有這個拉丁語學名。
中文俗名：鬼針草、咸豐草、同治草。
呵呵，中外帝王都跟這草扯上關係了，堪稱帝王草不為過吧？
 高能的太阳盖过任何可燃植物
植被雖能涵養水土，但偏偏有些地方雜草不生，或沒有必要種植，此時，沒有糧食安全、水土涵養的政治正確之約束，就可放開膽子，直接用大面積聚焦太陽能，提供400度高溫熱源饋入我的熱機--液化機連軸生產線，液氮產率將飆升幾十至上百倍，每英畝年產5000噸液氮不是夢。
奇怪為啥直接用太陽能就可飆升產率？原因在於植物光合反應利用太陽熱量的比例僅可憐巴巴的1%；但正是這1%支撐起整個大自然的生物圈，包括讓人類吃飽喝足，過上美滿的好日子；所以荒田、棄糧、求高利潤的液氮生產，我不贊成，但也管不了那麼多。
我的創新世界能源新秩序理論，已經發表在美國主流媒體EnergyCentral上，有興趣的讀者可點擊參考文獻給出的鏈接。
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