我们为什么要烧开水发电？

序言：

常见到有人吐槽：人类的发展就是烧开水和扔石头。前者意思是现代电力的生产方式主要依赖水蒸气为工质的热力循环方式发电，后者是人类的攻击方式主要依赖质量投射来造成杀伤。本文我们将聚焦到能源利用中，从能量的来源、能量的使用方式和效率上限，来探究从第一次工业革命至今几百年时间，人类为什么还依赖“烧开水”来制造动力与电力。

能怎么发电？

让我们先检查下我们现有的发电路径，常用的发电路径有下面几条：

1. 热->功->电热力循环发电：系统首先产生热量，然后将热量转化为各种形式的功，最后通过做功发电。

2. 动能->功->电：这类系统的代表是风力和水力发电等采用流体机械将流体的动能转换为功再进行发电的方式。

3. 光->电：光伏是这类发电方式的主要代表，通过光电效应将光转化为电能。

4. 热->电：这类发电方式的代表是核电池，通过热电效应将热能转化为电能。

5. 化学->电：燃料电池和电化学电池是这类发电方式的主要代表，通过氧化还原反应将化学能转化为电能。

6. 直接利用电能：磁流体发电是这种方法，通过霍尔效应利用等离子体的电荷量进行发电。

在介绍热力循环之前，让我们首先看看其他循环的缺点。

光伏发电、风电和水电等新能源发电方式在能源系统的占比逐渐提高，但是仍然无法取代热力发电。这是因为对于光伏发电和风力发电，天气的波动性（云层的变化，风力的变化）导致功率出力变化极大，对于强烈依赖稳定性的电网造成了极大的冲击。因此，对于新能源高渗透率的电网需要储能、备用容量、输电扩容、灵活调度与市场机制配套，造成整套系统的配套成本高。此外，设备本体成本下降很快，但系统层面边际成本（消纳、调峰、稳定控制）上升快。而对于水力发电，水的动能来自于高度势能，因此水力发电设施的建设受限于地形，难以在全国范围内大面积铺开。因此，想让光伏、风电、水电

等新能源发电系统成为主力，还需要复杂的电力系统工程与之配套[1]。

图1 利用储能系统消纳新能源发电的波动性[1]

而由热电效应直接将热能转化为电能的同位素热电发电机的电功率仅有100W，热功率约为2000W，效率仅有5%，因此只在深空探测器等领域中见到。

而在化学能的利用中，一次电池的造价高昂和短寿命无法用于现代电力系统发电，而二次电池多作为储能系统而非发电设备使用。因此，在发电侧主要为燃料电池。燃料电池直接通过电极上的氧化还原反应将化学能转化为电能，理论上可绕开卡诺循环效率的限制，在分布式储能中具有极佳的优势；但同时，下面几个原因也限制了燃料电池的使用：

对于电堆本身：贵金属催化剂成本高、燃料杂质敏感和耐久性能差限制了燃料电池电扩大化应用。

首先是贵金属催化剂：以氢燃料电池为例，电池的工作原理就是我们熟悉的氢气和氧气反应生成水：

而氧化和还原两个过程分辨在阴极和阳极进行。而为了保证化学反应速率，电极普遍采用铂族金属催化剂，因此价格居高不下。

对于燃料本身，当前氢气主要来自石油气加工后产生的重整气得到的蓝氢，不充分净化的氢中常含一氧化碳，而一氧化碳对燃料电池的催化位点的占据会显著降低性能。在工程上，解决这个问题要么使用更高纯度氢，要么在系统里加净化与控制。导致燃料和供应链成本居高不下。

而大规模燃料电池中的膜的化学/机械老化、催化剂与载体衰减、电池放热负荷等因素成为了大功率电池和长时间稳定运行的门槛。因此在动辄兆瓦级别的发电站中很难见到燃料电池商业化运行的身影[2]。

图2 燃料电池工作原理示意图[2]

磁流体发电一直被认为是核聚变商业化发电后的一个有效途径，其工作原理是将高温导电流体（等离子体或液态金属）当作运动导体，让其在强磁场中流动，直接产生感应电动势输出电流。从工作原理的描述就可以看出来，磁流体发电的门槛在于四个难点。第一个是高温热源从何而来：燃烧产物/气体在常规温度下电导率太低，必须靠极高温度电离，且经常需要碱金属种子提升导电性。而这又紧接着引发了第二个问题：结构稳定性：热源侧要把工质推到接近材料极限的温度区间以提升磁流体电导率，系统的每个部件都被迫进入高温高腐蚀、高热通量环境，而碱金属的加入又进一步加剧了磁流体的腐蚀性，对发电系统的稳定运行带来了极大的挑战。而第三个挑战来自于维持发电的主要因素：磁场。产生感应电动势需要在电极板之间维持强磁场，而维持磁场要么消耗大量电能，要么依赖使用超导材料。而磁流体发电结束后的排放污染和导电种子的回收也影响着磁流体发电的环保和运行成本。看似简洁高效的磁流体发电需要众多周围设备维持系统运行，总体系统的成熟度还远未达到商业发电的需求，而全生命周期成本也比不过热力循环电站，依赖于材料性能的进一步提升[3]。

图3 液态金属磁流体发电系统的原理图[4]

最后我们回到热力循环，为什么“烧开水”这个路径能在300年的发展中经久不衰。而看待这个问题，则需要从电力系统的视角，什么样的电才是电网所需要的电力。

1. 热力循环作为一个能量转换的接口，可以适配几乎所有一次能源。人类易获得、可规模化、可稳定供给的一次能源中，很大一部分首先表现为热：化石燃料燃烧放热、核裂变堆芯放热、聚光/地热本身就是热。于是热力循环天然成为把这些一次能源接入电网的通用接口。

2. 热力机组更容易满足电网的运行要求。热电大机组普遍采用同步发电机并网，而这有利于系统的调频。

3. 热力循环提升系统总体功率的方式简单，可以通过提高温度、增大流量、更换工质等方法对不同需求进行适配。

图4 朗肯循环流程示意图[5]

热力循环发展了百年，还有什么可以做?

回答这个问题，我们就需要回到决定热力循环系统的公式上，探究如何接近物理学和工程学的极限。任何热力循环的工作效率上限由卡诺循环工作在两个热源之间的温差决定：

例如，现在有一个发电厂通过燃烧得到的热源温度为900K并在锅炉内向锅炉水放热，冷源为向293K（20摄氏度）的环境放热。那么这个电厂由热力学第二定律决定的最高效率为：67.4%。而发电过程中的各种不可逆损失又会导致效率进一步的下降。因此，现代热力循环研究的第一个关键：是如何设计流程和优化部件实现效率的进一步提升。

在电厂完成发电后，燃烧产生的尾气被排出，但此时尾气的温度并没有完全被锅炉中的水吸收，依然有400K的高温；而此时，这个电厂为旁边的钢铁厂供应电力，钢铁厂在炼铁炼钢后倒出的废渣有600K的高温，这部分余温没有被进一步利用而是直接向环境放热，属实是有点可惜。而这就是热力循环研究的第二个关键：如何设计各类联合循环来利用废弃的余温以提升能量利用效率。最近登上热搜的二氧化碳发电正是利用超临界二氧化碳作为工质来吸收钢厂产生的废热进一步利用发电。

第三个核心是构造小型化、特种化和定制化的发电设备。例如在开采地热资源时，地热的温度低，因此采用有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle）吸收热源；核电站中裂变产生的热量使用超临界水作为工质；更极端的有利用数据中心处理数据同时大量发热的热源，构造园区的废热回收系统。热电联产、冷热联产、裂化热能回收等产生不同人类所需要的能量资源的方式也是当前的设计主流[6]。

总结

综上所述，“烧开水”发电暂时无法被取代的原因是：1.其完美的适配了各种一次能源的能量转换方式；2.热力循环发电的方法有利于维持电网运行的稳定；3.热力循环发电可以做到高功率、大规模，适应当前的工业发展需求。而经过百年的发展，热力循环在新时代的需求中仍然有旺盛的发展前景。

参考资料

[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] 姚晓多, 许强辉, 张文强. 燃料电池数字孪生系统综述[J]. 化工学报: 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] 田茹梦, 孙轩懿, 梁红雯, 等. 液态金属磁流体发电研究进展[Z]//能源与节能. 2020: 68-71+138.

[5] 谷志卿, 宋海琛, 尹金城, 等. 有机朗肯循环在低温余热发电的应用进展[J]. 烧结球团, 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.

来源：APC科学联盟

编辑：晨曙

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