生态城市的能源图景——减少发电领域产能浪费

  2008年《》报道说，美国56%的产能被浪费了——在发电领域，66%的能源随着烟尘从烟囱排除，另外10%在电力运输中损耗掉;在能源运输领域，71%的能源在笨重的、空转的单人驾驶货车中凭空流失了。换言之，在全球化石能源消费逐步减少的今天，美国生产的巨额能源中，有超过一半未经利用就蒸发在空气中。

  为了杜绝这种巨大浪费，初步可采取的行动是签署低耗能协议、发展管道运输或者建设由中高层大楼和综合能源使用大楼构成的3D生态城市。城市本身亦可以依靠减少运输和缩短能源传递距离、改变居民出行方式等方法节能。比如，在纽约，75%的家庭没有汽车，生态城市的理念可以在这里更加淋漓尽致地发挥。

  生态城市可以依靠太阳能电池板、风力涡轮机、氢燃料电池乃至生物能源来提供能源。但必须要格外注意的是，在纬度靠北的地区，相对于电力和交通燃料，生态城市有更多的基础能源需求。

  因此，为了确认和保证未来的无碳时代拥有足量而灵活的能源供应，生态城市必须同时具备多种生活基础功能，首先是将偏远的大型电厂转换成地方性的综合供热供电发电厂。这样的工厂足够小也足够安静，适合安置在靠近居民的地区，利用居民废料产能来实现热电联供。

  热电联供可以用汽车引擎的例子来解释。燃料在发动机气缸中燃烧，燃料后大约30%的能源转化为蒸汽去推动活塞运动，其余70%转化为热量从排气管中排出或被汽车的冷却系统带走。

  热电联供系统能使余热得到保留并被加以利用。系统将余热从固定式发电机和蒸汽锅炉中带出，然后用管道将余热运输到供暖供热的设备。同时，余热还能够继续发电。比如，纽约就是用7个地方性热电联供电厂向超过10万个建筑物供暖。热电联供节能潜力巨大，它能将发电机的效率从30%提高到90%，甚至100%

  但除了化石燃料，热电联供的电厂的燃料还有什么呢?燃料可以在废料处理和再回收的“变废为宝”过程中产生，比如厌氧消化和热气化，二者互为补充，尤其结合季节特点共同合作处理有机肥料，效果很明显。

  厌氧消化处理后的沼气是一种非常卓越的清洁燃烧气体，主要由甲烷构成，天然气中也同样存在与甲烷相同的可燃成分。同天然气一样，沼气可拿来烹饪、为发电机和锅炉提供燃料，还可以成为汽车燃料。每立方英尺天然气中含有1000英热单位热量，而每立方英尺沼气中含有600英热单位热量。人们烹饪的时候几乎没办法察觉出天然气和沼气的区别。

  相较于化石燃料，沼气的处理过程(即厌氧消化)优势显著。厌氧消化非常高效，在这样的一个过程中，99.99%的有害病原体和寄生虫被消灭，其产生的副产品则是高质量的富氮肥料和土壤改良剂，它们能替代由化石燃料制成的无机肥料。氮是人类生活在地球上的限制因素，大多数人们所熟知的植物生长都需要氮。氮在普通堆肥中蒸发，厌氧消化过程不仅保留了氮，还能将氮转化为更易被植物吸收的氨。

  气化则类似于在木材炉中燃烧木头的过程。这样的一个过程中通常只有氢气能够从烟囱中溢出并被捕获，用来为引擎和锅炉提供燃料。气化的排放并不像直接燃烧那样会影响空气质量。因为颗粒物必须过滤分离，这使得气化非常适合于人口密集的环境。气化产生的能量可以被捕捉用来集中供暖供能，这种能量的主要成分是合成气，它是一种理想的热电联供燃料。

  热电联供系统能够很好的满足生态城市居民的基本需求，包括食物、干净的水源、公共健康和足够的用于公共运输的电力。此外，这套系统还能为当地轻工业发展提供适当的能源。

  居民在自己家中能够最终靠家庭厌氧消化池、气化炉和家用热电联供系统自产能源。夏天，新鲜的有机废物较多且种类丰富，只需要沼气就能够完全满足烹饪和其余电力需求。一个四口之家每天可以通过厨余垃圾、花园废料以及洗浴废水产出70立方英尺沼气，足够为10个人制作一日三餐或满负荷运转1千瓦发电机3个小时，或为一台55英寸LED平板显示器提供可运行15个小时的电量。

  在所有地区，影响家庭供暖需求的因素都很多，比如房屋的保温值或气候环境条件。为了大致计算生态城市的供暖，我们以一个隔热很好的高能效家庭为例，这个家庭每天需要10个小时供暖，每年需要供暖200天。给这样的家庭供暖，每天需要热量15万英热单位，这些热量可以从30磅木材中得到，折合到年需求就要3吨木材。当供暖和供热水的功能由气化炉来满足时，足够的合成气还可以在沼气供电之余使1千瓦发电机额外发电10个小时。这些额外电量可以让另外5台55英寸LED平板显示器运行5个小时，并驱动5000瓦烘干机烘干大量衣服。

  这种“变废为宝”的集成热电联供系统还能够最终靠邻里合作将效率进一步提升。当整座大楼或小区规模的热电联供系统精诚合作时，燃料的效率将有可能最大化，这样余热和余电可以被用到需要的地方。但这种大规模“合作”系统通常用蒸汽涡轮发电机取代内燃机，而内燃机远比前者更为安静，也不需要经常维护。生态城市的热电联供系统最重要的特征是体积小且足够灵活，居民可以依据需求产能，并且能在夜晚以及温暖的夏季将系统关闭以节约能源。

  从能耗方面出发，仅仅将偏远的燃煤和燃气电厂简单地转换成地方热电联供系统，就能将供热供电的能耗减少2/3。而从偏远地区将能源运输到城市的交通系统被取消之后，能耗将减少3/4。换句话说，这一些方法能够将当前的能源消耗降低70%。

  生态城市的能源供应和能源消耗模式并不是一种创新。人们长久以来忽略了一个很有趣的事实——在工业时代到来前，人类已开始使用沼气和气化方式产能。这在某种程度上预示着，早在100多年前，人们已经在完全无碳的、生态可持续发展的生态城市中过上了绿色生活。

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