我們為什么要燒開水發電？

序言：

常見到有人吐槽：人類的發展就是燒開水和扔石頭。前者意思是現代電力的生產方式主要依賴水蒸氣為工質的熱力循環方式發電，后者是人類的攻擊方式主要依賴質量投射來造成殺傷。本文我們將聚焦到能源利用中，從能量的來源、能量的使用方式和效率上限，來探究從第一次工業革命至今幾百年時間，人類為什么還依賴“燒開水”來制造動力與電力。

能怎么發電？

讓我們先檢查下我們現有的發電路徑，常用的發電路徑有下面幾條：

1. 熱->功->電熱力循環發電：系統首先產生熱量，然后將熱量轉化為各種形式的功，最后通過做功發電。

2. 動能->功->電：這類系統的代表是風力和水力發電等采用流體機械將流體的動能轉換為功再進行發電的方式。

3. 光->電：光伏是這類發電方式的主要代表，通過光電效應將光轉化為電能。

4. 熱->電：這類發電方式的代表是核電池，通過熱電效應將熱能轉化為電能。

5. 化學->電：燃料電池和電化學電池是這類發電方式的主要代表，通過氧化還原反應將化學能轉化為電能。

6. 直接利用電能：磁流體發電是這種方法，通過霍爾效應利用等離子體的電荷量進行發電。

在介紹熱力循環之前，讓我們首先看看其他循環的缺點。

光伏發電、風電和水電等新能源發電方式在能源系統的占比逐漸提高，但是仍然無法取代熱力發電。這是因為對于光伏發電和風力發電，天氣的波動性（云層的變化，風力的變化）導致功率出力變化極大，對于強烈依賴穩定性的電網造成了極大的沖擊。因此，對于新能源高滲透率的電網需要儲能、備用容量、輸電擴容、靈活調度與市場機制配套，造成整套系統的配套成本高。此外，設備本體成本下降很快，但系統層面邊際成本（消納、調峰、穩定控制）上升快。而對于水力發電，水的動能來自于高度勢能，因此水力發電設施的建設受限于地形，難以在全國范圍內大面積鋪開。因此，想讓光伏、風電、水電

等新能源發電系統成為主力，還需要復雜的電力系統工程與之配套[1]。

圖1 利用儲能系統消納新能源發電的波動性[1]

而由熱電效應直接將熱能轉化為電能的同位素熱電發電機的電功率僅有100W，熱功率約為2000W，效率僅有5%，因此只在深空探測器等領域中見到。

而在化學能的利用中，一次電池的造價高昂和短壽命無法用于現代電力系統發電，而二次電池多作為儲能系統而非發電設備使用。因此，在發電側主要為燃料電池。燃料電池直接通過電極上的氧化還原反應將化學能轉化為電能，理論上可繞開卡諾循環效率的限制，在分布式儲能中具有極佳的優勢；但同時，下面幾個原因也限制了燃料電池的使用：

對于電堆本身：貴金屬催化劑成本高、燃料雜質敏感和耐久性能差限制了燃料電池電擴大化應用。

首先是貴金屬催化劑：以氫燃料電池為例，電池的工作原理就是我們熟悉的氫氣和氧氣反應生成水：

而氧化和還原兩個過程分辨在陰極和陽極進行。而為了保證化學反應速率，電極普遍采用鉑族金屬催化劑，因此價格居高不下。

對于燃料本身，當前氫氣主要來自石油氣加工后產生的重整氣得到的藍氫，不充分凈化的氫中常含一氧化碳，而一氧化碳對燃料電池的催化位點的占據會顯著降低性能。在工程上，解決這個問題要么使用更高純度氫，要么在系統里加凈化與控制。導致燃料和供應鏈成本居高不下。

而大規模燃料電池中的膜的化學/機械老化、催化劑與載體衰減、電池放熱負荷等因素成為了大功率電池和長時間穩定運行的門檻。因此在動輒兆瓦級別的發電站中很難見到燃料電池商業化運行的身影[2]。

圖2 燃料電池工作原理示意圖[2]

磁流體發電一直被認為是核聚變商業化發電后的一個有效途徑，其工作原理是將高溫導電流體（等離子體或液態金屬）當作運動導體，讓其在強磁場中流動，直接產生感應電動勢輸出電流。從工作原理的描述就可以看出來，磁流體發電的門檻在于四個難點。第一個是高溫熱源從何而來：燃燒產物/氣體在常規溫度下電導率太低，必須靠極高溫度電離，且經常需要堿金屬種子提升導電性。而這又緊接著引發了第二個問題：結構穩定性：熱源側要把工質推到接近材料極限的溫度區間以提升磁流體電導率，系統的每個部件都被迫進入高溫高腐蝕、高熱通量環境，而堿金屬的加入又進一步加劇了磁流體的腐蝕性，對發電系統的穩定運行帶來了極大的挑戰。而第三個挑戰來自于維持發電的主要因素：磁場。產生感應電動勢需要在電極板之間維持強磁場，而維持磁場要么消耗大量電能，要么依賴使用超導材料。而磁流體發電結束后的排放污染和導電種子的回收也影響著磁流體發電的環保和運行成本。看似簡潔高效的磁流體發電需要眾多周圍設備維持系統運行，總體系統的成熟度還遠未達到商業發電的需求，而全生命周期成本也比不過熱力循環電站，依賴于材料性能的進一步提升[3]。

圖3 液態金屬磁流體發電系統的原理圖[4]

最后我們回到熱力循環，為什么“燒開水”這個路徑能在300年的發展中經久不衰。而看待這個問題，則需要從電力系統的視角，什么樣的電才是電網所需要的電力。

1. 熱力循環作為一個能量轉換的接口，可以適配幾乎所有一次能源。人類易獲得、可規模化、可穩定供給的一次能源中，很大一部分首先表現為熱：化石燃料燃燒放熱、核裂變堆芯放熱、聚光/地熱本身就是熱。于是熱力循環天然成為把這些一次能源接入電網的通用接口。

2. 熱力機組更容易滿足電網的運行要求。熱電大機組普遍采用同步發電機并網，而這有利于系統的調頻。

3. 熱力循環提升系統總體功率的方式簡單，可以通過提高溫度、增大流量、更換工質等方法對不同需求進行適配。

圖4 朗肯循環流程示意圖[5]

熱力循環發展了百年，還有什么可以做?

回答這個問題，我們就需要回到決定熱力循環系統的公式上，探究如何接近物理學和工程學的極限。任何熱力循環的工作效率上限由卡諾循環工作在兩個熱源之間的溫差決定：

例如，現在有一個發電廠通過燃燒得到的熱源溫度為900K并在鍋爐內向鍋爐水放熱，冷源為向293K（20攝氏度）的環境放熱。那么這個電廠由熱力學第二定律決定的最高效率為：67.4%。而發電過程中的各種不可逆損失又會導致效率進一步的下降。因此，現代熱力循環研究的第一個關鍵：是如何設計流程和優化部件實現效率的進一步提升。

在電廠完成發電后，燃燒產生的尾氣被排出，但此時尾氣的溫度并沒有完全被鍋爐中的水吸收，依然有400K的高溫；而此時，這個電廠為旁邊的鋼鐵廠供應電力，鋼鐵廠在煉鐵煉鋼后倒出的廢渣有600K的高溫，這部分余溫沒有被進一步利用而是直接向環境放熱，屬實是有點可惜。而這就是熱力循環研究的第二個關鍵：如何設計各類聯合循環來利用廢棄的余溫以提升能量利用效率。最近登上熱搜的二氧化碳發電正是利用超臨界二氧化碳作為工質來吸收鋼廠產生的廢熱進一步利用發電。

第三個核心是構造小型化、特種化和定制化的發電設備。例如在開采地熱資源時，地熱的溫度低，因此采用有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle）吸收熱源；核電站中裂變產生的熱量使用超臨界水作為工質；更極端的有利用數據中心處理數據同時大量發熱的熱源，構造園區的廢熱回收系統。熱電聯產、冷熱聯產、裂化熱能回收等產生不同人類所需要的能量資源的方式也是當前的設計主流[6]。

總結

綜上所述，“燒開水”發電暫時無法被取代的原因是：1.其完美的適配了各種一次能源的能量轉換方式；2.熱力循環發電的方法有利于維持電網運行的穩定；3.熱力循環發電可以做到高功率、大規模，適應當前的工業發展需求。而經過百年的發展，熱力循環在新時代的需求中仍然有旺盛的發展前景。

參考資料

[1] Liu T, Wu S, Zhong L, et al. Parametric assessment and multi-objective optimization of an ejector-enhanced compressed air energy storage system based on conventional and advanced exergy[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2024, 16(5): 054101.

[2] 姚曉多, 許強輝, 張文強. 燃料電池數字孿生系統綜述[J]. 化工學報: 1-18.

[3] Bowen M S, Kwong K S, Hsieh P, et al. High temperature corrosion stability of ceramic materials for magnetohydrodynamic generators[J]. Materials Performance and Characterization, 2022, 11(2): 127-138.

[4] 田茹夢, 孫軒懿, 梁紅雯, 等. 液態金屬磁流體發電研究進展[Z]//能源與節能. 2020: 68-71+138.

[5] 谷志卿, 宋海琛, 尹金城, 等. 有機朗肯循環在低溫余熱發電的應用進展[J]. 燒結球團, 2025, 50(04): 32-39+72.

[6] Zhou N, Price L, Yande D, et al. A roadmap for China to peak carbon dioxide emissions and achieve a 20% share of non-fossil fuels in primary energy by 2030[J]. Applied Energy, 2019, 239: 793-819.

來源：APC科學聯盟

編輯：晨曙

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號