氢动力农场

氢动力农场

爱荷华州一家农场利用太阳能就地生产燃料和肥料
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可以说,我的血液里流淌着农业的基因:我的祖父母和外祖父母在爱荷华州都经营着生意兴隆的大型农场。我最美好的童年记忆之一就是参观我外祖父母的农场,观察脱粒机错综复杂的运行机制。因此我最终决定在麻省理工学院学习机械工程也就不足为奇了,但那时我并未真正考虑过从事农业。
我于1957年毕业,进入加州理工学院喷气推进实验室(JPL)工作,之后不久,苏联发射了人造卫星。时机恰到好处。JPL很快被纳入新成立的美国国家航空航天局(NASA)。50多年来,我与世界上那些最聪明的工程师合作,将无人宇宙飞船(包括水手号、海盗号、旅行者号)送往太阳系其他所有行星。
不过,我对农场和农业的热爱从未消失。1999年,我购买了祖父130公顷的地产——派恩赫斯特(Pinehurst)农场,它脱离家族隶属已有55年了。当时我并不确定自己会用这个农场做什么,但是2007年我退休时,有关人为碳排放造成气候变化的讨论越来越多。我知道农业的碳足迹很高,于是想知道是否有办法使农业更具可持续性。最新的数据令人担忧:据世界气象组织报道,到2100年,地球温度将持续上升3~5摄氏度。美国环境保护署估计,2016年,农业和林业占温室气体排放量的近10%。虽然其中一部分明显是牲畜排放物(即打嗝和胀气),但其中大部分排放来自种植、收获和运输粮食的燃烧燃料,以及化肥生产。
我回想起购得农场后,我与父亲和他的朋友罗伊•麦卡利斯特(Roy McAlister)的谈话。罗伊是美国氢协会的主席,他有一辆氢动力日产皮卡车。他们两人都直言不讳地主张用氢气代替化石燃料,以减少美国对进口石油的依赖。这种转变也会对碳排放产生重大影响。

因此,2008年,我决定为派恩赫斯特农场创造一个太阳能-氢气系统,以此纪念我的父亲。我用太阳能来驱动可为氢动力拖拉机生产燃料的设备。这个项目进行了几年后,我又决定制造氨气NH3,用作拖拉机燃料和作物肥料。

我的目标是让公众(尤其是农民)意识到随着化石燃料的枯竭和价格上涨,以及气候变化加剧,我们将需要开发这种替代燃料和肥料。发展本地制造工艺生产无碳燃料和肥料,用太阳能和风能等可再生能源为其提供动力,将消除农民对化石燃料的依赖。就地完成这一系列操作还能大大降低运输大量燃料和肥料的成本。在派恩赫斯特的示范项目中,我和我的同事戴维•托因(David Toyne,他是一名来自加利福尼亚图洪加的工程师)已经证明了可持续农业的可能性。但就像设计航天器一样,这项工作花费的时间比我们最初预期的时间长很多,带来的挑战也很多。
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我们现在的系统包括几个主要组件:一台可以以氢气或氨气为燃料的改装拖拉机、生产纯氢气和纯氮气的发生器、将这两种气体合成氨气的反应器、存储各种气体的存储罐,以及为设备提供动力的并网太阳能电池组。在我开始的时候,还没有其他太阳能-氢农场可以参考,所以每一个方面都必须从零开始精心设计,在这个过程中有大量的修正、事故,也有很多发现。
这项工作于2009年正式开始。在正式开始建造任何东西之前,我仔细计算了一下数据,了解了完成这个项目需要什么。我发现,如果种植玉米,一台112千瓦的拖拉机每公顷大约要消耗47升燃油,种植大豆的燃油消耗量大约是种植玉米燃油消耗量的2/3。同一地区将需要5千克氢燃料。这意味着,从种植到收获,我们需要为拖拉机和其他农用车辆提供大约1400千克氢燃料。派恩赫斯特的耕种者丹尼斯•克罗(Dennis Crow)告诉我,大约一半燃料将用于春种,另一半燃料用于秋收。爱荷华州的作物生长期约为150天,因此我们每天需要生产约4.5千克的氢气,才能有700千克的氢气用于秋收。春种会更容易,我们一年有215天可以生产剩余所需燃料。
为了生产氢气,我们将水分解为氢和氧。据我计算,运行氢气发生器和相关设备需要约80千瓦的太阳能。我决定使用双轴太阳能电池组,该电池组可以追踪阳光,将收集能力提高30%。根据2008年商用光伏电池板的效率,我们需要30个太阳能电池组,每个电池组容纳12块太阳能电池板。
这需要安装、操作及维护大量的太阳能电池板,还需要生产和存储大量氢气。我很快意识到,我无法负担起建造一个完整的运行系统的费用。因此,我决定专注于建造一个示范系统,其规模只有完整运行系统规模的1/10。此示范系统使用3个太阳能电池组而非30个。虽然拖拉机是按实际大小来的,但我们只能制造10%的氢燃料。我认为即使是有限的示范,也会是有意义的理念证明。现在我们必须想法设法使其成为现实,就从拖拉机开始。
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事实证明,我不是第一个想到用氢气作为拖拉机燃料的人。早在1959年,机械制造商Allis-Chalmers就展示了一种以氢燃料电池为动力的拖拉机。52年后,纽荷兰农业机械公司采取了相同的行动。可惜,这两家公司都没有将其发展为商业模式。经过进一步研究,我发现燃料电池的价格(现在仍然)太高。因此,我不得不购买一台普通的柴油拖拉机,将其改造为以氢为燃料的拖拉机。
汤姆•赫德(Tom Hurd)是一名来自爱荷华州梅森市的建筑师,他专门研究可再生能源设备,协助参与了农场的整体设计工作。根据他的建议,我联系到了附近位于爱荷华州阿尔戈纳的氢发动机中心公司(Hydrogen Engine Center)。该公司的专长是改造以氢气、天然气或丙烷为燃料的内燃机。该中心主席特德•霍林格(Ted Hollinger)同意为拖拉机提供氢燃料发动机。
霍林格的设计始于以汽油为燃料的福特460 V-8发动机机体。他建议我们增加一个小型的丙烷罐作为备用,以防拖拉机在田间用完氢气。几个月后,他建议我们使用氨气来代替丙烷,以完全避免使用化石燃料。这个建议能够减少农场的碳足迹,所以我采纳了该建议。
负责看守我存放在农场的旧车的斯科特•麦克梅因斯(Scott McMains)找到了一辆二手的约翰•迪尔(John Deere)7810型拖拉机以及一台福特460发动机。拉斯•修斯(Russ Hughes)完成了在拖拉机上安装福特发动机的工作,他住在爱荷华州的蒙蒂塞洛,并且已经在修理我的别克1947路霸轿车。
拖拉机需要装载几个大型的重型氢气和氨气燃料箱。鲍勃•班福德(Bob Bamford)是一位从JPL退休的结构设计分析师,他查看了我的油箱支撑结构方案,并重新对其进行了设计。在我的原始方案中,支撑结构用螺栓连接在一起,但班福德的设计则使用焊接来提高强度。我在加利福尼亚完成了经过改进的新设计。
制造完成的拖拉机已于2014年底交付到农场。只需轻轻转动驾驶室的开关,我们的拖拉机就可以在燃烧纯氢气和燃烧氢氨混合物之间切换。纯氨在内燃机中不会燃烧;首先需要将其与大约10%的氢气混合。一加仑氨的能含量约为柴油能含量的35%,然后燃料与进气混合,并注入拖拉机内由电脑控制、火花点火的发动机气缸。拖拉机加一次燃料可以满负荷运转6个小时。

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在研究拖拉机的同时,我们也在研究如何生产可供拖拉机燃烧的氢气和氨气。
爱荷华州卡洛纳市的Ramsey Creek Woodworks公司对农场的旧猪棚进行了改造,以存储氢气发生器、控制设备及拖拉机。该公司还帮助安装了太阳能追踪器和太阳能电池组。
我们建造了一个小建筑来存储泵,这些泵能压缩氢气以便进行高压存储。氢气极其易燃,为安全起见,我在两边的墙壁上设计了低矮的槽,以便空气从顶部进入和排出,并带走泄露的氢气。
那么这个系统实际上是如何生产氢的呢?我从康涅狄格州Proton OnSite公司购买了发生器,它能分解我们从农场的井中输送的水,生产氢气和氧气。该发生器的额定产氢量为每小时90克。根据爱荷华州的阳光照射量,我们的系统每天可以制造450克氢气。与冬天相比,夏天阳光充足时可以制造更多氢气。
发电机被设计成了可持续运转模式,但是我们所利用的太阳能资源却不具备持续性,因此专门研究工厂自动化和定制系统的戴维•托因与Proton公司合作对其进行了改造。现在,发电机阴天时生产的氢气较少,并在太阳能电池组输出功率太低时进入待机状态。每天结束时,发电机会在待机20分钟后自动关机。
制氨还带来了一些其他挑战。我想在现场制造氨,这样我就可以证明农场可以自行生产燃料和肥料而不产生碳排放。
世界上相当大比例的人口依赖着使用氮基肥(包括氨基肥)种植的粮食。提高作物产量很难。例如,派恩赫斯特农场的经理亚当•西尔维斯特(Adam Sylvester)告诉我,如果我们不在玉米田使用氮基肥料,则每公顷的玉米产量约为250蒲式耳(即每英亩100蒲式耳),而不是现在的500蒲式耳。很显然,就地生产氨的好处不仅仅局限在燃料方面。
不过,氨生产也占所有温室气体排放的1%左右,主要来自为大部分反应器提供动力的化石燃料。像氢气一样,氨气也存在着安全问题。氨气对眼睛、呼吸道、粘膜及皮肤有刺激性。
即便如此,氨多年来一直用于制冷和化肥方面。它同样也是极具吸引力的无碳燃料。破裂的氨气罐不会像丙烷罐那样爆炸或着火,并且液氨的存储压强比氢气存储压强低得多(存储氨的压强为1兆帕,存储氢的压强为70兆帕)。
2013年在萨克拉门托参加NH3燃料会议(NH3 Fuel Conference)时,我与NH3燃料协会主管比尔•埃尔斯(Bill Ayres)共进晚餐,我们讨论了我对在独立系统中制造氨的兴趣。埃尔斯为我引荐了道格•卡朋特(Doug Carpenter),他发明了一种小规模制造氨的方法,但前提是要有氢,这一点我已经做到了。2016年,卡朋特交付了反应器,但几个月后他不幸去世。
我们再次转向与Ramsey Creek公司合作来建造氨气生产建筑。这座在设计上类似于氢气棚的9平方米建筑物包括了泵、阀门、控制器、氨反应器、收集罐以及10个高压储罐。我们制造氮气的方法是让压缩空气流过氮气发生器并除去其中大气中的氧气。在进入反应器之前,氢气和氮气会被压缩到24兆帕(每平方英寸3500磅)。
正确安装系统是一个不断试验和纠错的过程。第一次制氢时,我们发现反应器预热器加热氢气和氮气的时间太长,所以我们在装置外围安装了带式电加热器。不幸的是,多余的热量损坏了外层钢壳,我们再次试图制氨时,外壳裂开了。24兆帕压强下储存的混合气体着火了。托因当时在设备间,他注意到了压强下降,于是及时赶到了氨楼,拍下了火情照片。几分钟后,气体全部从楼顶排出。所幸,只有反应器损坏,没有人受伤。
那次事故后,我们重新设计了氨反应器,增加了内置电热器,可在引入气体之前加热设备。我们还将外部压力壳与内部加热组件隔离。一旦机器启动,就不需要额外热量来生产氨了。
我们的氨系统(像氢和氮系统一样)连接在太阳能电池板上,无法全天候运行。此外,由于太阳能资源有限,我们只能在特定日期制造氢或氮。一旦有足够的氢和氮,我们就可以生产出一批氨。起初,我们生产的氮不够纯净,无法用于氨生产,但是后来我们在氮中加入了一点氢,从而解决了这个问题。氢气与氧气结合生成水蒸气,它比大气中的氧气更容易去除。
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据估计,我们的系统制造一升氨共需要14千瓦时电力,其中包含3.8千瓦时的能量。这可能看起来效率不高,但可以媲美我们从柴油拖拉机获得的可用能源量。大约2/3的电能用于制造氢,1/4的电能用于制造氮,其余电能用于制造氨。

每批次约生产38升氨。需要10批次才能生产足够的氨,为近61公顷玉米农场中的1.2公顷玉米施肥。幸运的是,生产的氨有多种用途,但不管我们将其用作肥料还是燃料,它必须是液态氨。
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现在我们有了现场无碳排放系统的基础设备,可以为拖拉机提供燃料及生产肥料,但仍有很多待改进之处。太阳能电池板的尺寸仅够生产氢气。我们需要额外的太阳能电池板或风力涡轮机来制造更多的氢、氮和氨。为了改进这些问题,我们成立了Schmuecker可再生能源系统组织,这是一个接受捐款的非营利性组织。
托因将我们的系统比作莱特兄弟的飞机:这是对可能实现之事的初步示范。随着设备成本降低及人们使用该设备的经验增多,氢和氨燃料会变得更加可行。为此,我已经花费了200万美元退休积蓄,但大部分花费是由工作的定制性质决定的。我们估计,复制农场目前的装置将只需要1/3到一半的费用,并且使用目前改进的装备效率会更高。
到目前为止,外界对我们已安装的产品非常感兴趣。我们的拖拉机引起了爱荷华州其他农民的注意。我们已经收到了来自欧洲、南非以及沙特阿拉伯和澳大利亚关于无碳排放制氨的咨询。2018年5月,我们向两名美国能源部员工展示了我们的系统,他们对此非常感兴趣,同年7月邀请我们在能源高级研究计划署(ARPA-E)可再生无碳能源生产项目上做报告。
人类需要开发可再生、无碳排放的系统,就像我们所展示的系统那样。如果我们不利用其他能源来应对气候变化、代替化石燃料,未来农民要保证人们的温饱将越来越困难。我们正在变暖的世界将每天都有饥荒发生。
作者: Jay Schmuecker 
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原文始发于微信公众号(悦智网):氢动力农场


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