能源模块3——创新技术
创新设计：生物质能 生物质能本身存在能量密度低、产能效率低、相关设施建设成本高等等不可忽视的问题。但是生物质能的相关设施本身就与人类生活密切相关，能回收各种本会被浪费的能源，并带来额外的各种效益。我们将结合茂名市的相关特点，尽可能地建设生物质能的相关产业，面向未来。[1] 主要含秸秆、稻壳、花生壳、甘蔗渣、食用菌基质等等。其中秸秆类又为最主要的来源，主要由水稻、玉米和小麦（少量）三种植物提供。根据公式秸秆量 = 经济产量 × 谷草比，及人均谷物消耗量[3]，我们保守的估计我们的年水稻秸秆产量为0.97*190*2048= 377446.4kg，能量密度约14.0~17.6MJ/kg[4]。当然，这部分秸秆并不能全部用于能源化，如将有一部分秸秆肥料化（还田或处理后还田）、饲料化、基料化（制取微生物栽培基质）、原料化（生产相关化工产品）。我们采用污泥/秸秆共气化的技术转化产氢[13]， 该技术采用污泥：秸秆=4：6的比例混合原料，该技术处理一吨原料需要消耗28.8度电能，产生6.1*10^5L氢气，根据氢气在标准状况下的密度大约是0.09 g/L，氢气的热值为1.43 × 10^8 J/kg，得出其大约对应7.8407 × 10^9 J的能量。每吨净能量产出大概在7.73702×10^9J。 则最终我们能产出约0.154337389318451MW的能量。 主要含边角料、薪柴、枝桠柴、卷皮、刨花等物质，产生于指树木培育、采伐和木材加工过程。 我们将在茂名打造森林城市，将城市和林业资源融合，在森林吸收城市的碳排放、美化城市的同时进行能量的收集。 由于未收集到足够的数据，此项暂且不计。可视为用于参与耦合其他焚烧发电项目中，补足暂时性地能源差额。 主要为排泄粪渣，还包含部分尸体、污水等物质。 其中污水主要用于和秸秆联合发电，见（1）。 其中排泄粪渣部分。根据人均每年消耗25.2kg猪肉，一头猪从出生到出栏约要半年，能提供50-60kg的净肉，得知我们应维持畜养2000头左右的猪，每头猪每天大概产粪3kg；根据人均每年消耗12.3kg的禽肉，假设全部折合为鸡类，我们应维持畜养两万只肉鸡，每只肉鸡每天大概产66g的粪便；对于牛类和羊类，由于数量级较小，我们暂不考虑。这部分粪便归于（1）。 主要为餐饮废弃物和厨余垃圾、排泄粪渣、木制建筑垃圾等等，成分较为复杂。 其中排泄粪渣主要用于和秸秆联合发电，见（1）。 其中市政污泥中的无害类将参与肥料、微生物发酵等项目地构建，有害类将参与生活垃圾焚烧耦合处理。 其中厨余垃圾按照每人每日0.15kg计算，由数据[14]可知能产生2048*0.15*365*126.17L氢气，对应0.0059536149MW的能量产出。 其余可焚烧部分垃圾按每人每日1kg计算，由数据[6]可知每吨垃圾约产540kWh的电。则可产生0.13MW的电能。 在旧世界，受限于收集、分类、管理等等问题，生物质能往往不能被充分的利用，这也导致生物质能储量丰富却一直难以被大范围推广。在新世界，我们会加强相关知识的教育、改善相关制度、优化城市的布局。尽可能提高生物质能的利用率，减少收集运输过程中的成本和消耗。 能源作物主要包括油脂作物（如油菜、大豆、向日葵等）、淀粉作物（如玉米、甘薯、木薯等）、纤维素作物（如柳枝稷、芒草、甘蔗渣等）以及林木类能源作物（如杨树、松树等）。对于可用于作为粮食的作物，我们优先保证对居民的供应，在有盈余且难以储存的情况下，我们才会选择将其转化为生物质能。因此，本部分能量来源主要为纤维素作物和林木类作物。 我们已经充分考虑过种植对土壤质量、结构、肥力等方面的影响，防止土壤退化；考虑过对水资源、质量的影响，防止水污染和水资源匮乏；考虑过种植对当地生态系统生物多样性的冲击。当然，这不可避免地会影响当地生态环境，但我们可以将这种影响几乎控制在百万立方之内，并通过人为地干预使这种影响尽量不是负面的。我们希望我们的能源作物等效于一种对环境有正面效益的太阳能板。 生物质能类作物燃烧的环保性很好。因为生物质能源不含硫化物，燃烧后还可以经由生物分解，不会污染环境。交替种植能源作物和其他作物还可以，防止现代农业中对作物的高度集约化生产和单一作物的种植导致的土壤流失，还可以帮助土壤建立新土壤层，对土壤起到保护作用。[7] 对于芒属作物[10]，其可达到每公顷42132度的年发电量，换算为0.05MW。 在生物柴油方面，我们以微生物发酵油脂、工程微藻等途径作为来源。与传统工艺相比，微生物生产油脂具有油脂含量高､生产周期短､生产成本低等优点，工业废弃物（废糖蜜、粗甘油、油脂废水、味精废水、鱼粉废水、废弃污泥等）、地沟油、农作物秸秆、高糖植物均可作为其生产原料。 在微藻方面，我们注意到其扩散的风险，并通过技术手段做好了相应的生物封存准备[10]。我们可以利用近海优势，通过合理的隔离手段培养微藻。据资料[12]称，在最佳条件下，微藻的产能可达18.945kJ/L，且在一周左右的时间就可以达到饱和产量。我们只需约13000个立方体便可以完成0.4MW的产能。其中制氢阶段和产油脂阶段产能比为11.115:7.830。因而，大概总共产生了0.2346793349MW的氢能，和0.1653206651MW的化学能。 火力发电 我们的生物质能发电系统和火力发电系统紧密耦合。由于旧世界在向清洁能源的转型过程中，对核能的依赖过于严重，在核能失控时难以控制局面，因此我们决定控制核能比例在所有能源的半数左右。而除去核能的其他清洁能源（含生物质能），或多或少都存在不稳定的问题。因此，在更新、更稳定的 清洁能源技术出现之前，我们仍会保留一部分火力发电。但是我们会通过与生物质能联用的方式，通过植树造林、人工碳捕获等方式，使全城市整体达到碳中和的状态，并几乎不排放可扩散的有毒物质。 按照一吨石油对应4600kWh电能的换算关系，我们一年需要消耗1142t石油以保证0.6MW的电力供应。此过程会产生38439720kg的碳排放，以及一些硫化物、氮化物。我们将使用捕碳技术等方式抵消这些排放物的影响。 初步 “数据生态共生体”技术的初步实现（如信息植株、海洋生物体及土壤数据菌群等）按需求来讲依靠我们世界的现有能源供应便可解决，且不需要较现在科技更高阶的能源生产、储存即传递方式。故在这里笔者仅说明过程中的能量传递路径和利用的能源方式。 在初步的实现中，我们希望能实现生物（植株）数据的人为利用，以下是几点事项： （1）能源转换效率与植株特性 1. 生物质能转换方式选择：不同的植株具有不同的特性，在能源转换时要选择合适的方式。例如，对于木质纤维素含量高的植株（如杨树），更适合采用热化学转化（如气化、热解）的方式来制取生物燃气或生物油。而对于富含糖类的植株（如甜菜），则优先考虑发酵法生产生物乙醇。在利用信息植株数据时，要充分考虑植株的化学组成、物理结构等特性，以优化能源转换工艺。 2. 优化转换条件：根据植株的生长阶段和成分变化，调整能源转换的条件。以藻类制氢为例，不同生长阶段的藻类其光合产氢能力不同。在对数生长期，藻类细胞活性高，氢化酶活性也相对较高，此时调整光照强度、温度等条件，如将光照强度控制在适宜范围（100 - 200 μmol photons/m²・s），温度保持在 25 - 30℃，可以提高产氢效率。 （2）能源效率与数据质量 1. 高效能源利用保障数据完整性：高效的能源利用有助于保证数据采集和传输的质 量。如果能源供应不足或不稳定，可能会导致数据丢失或错误。例如，在水下动物数据采集系统中，稳定的能源供应对于维持声学传感器的正常工作至关重要。这些声学传感器用于监测海豚等海洋动物发出的声信号，以研究它们的交流行为和能量获取方式（如海豚利用回声定位寻找食物）。因此，需要采用高效的能源转换和存储技术，如高性能的水下电池或能量收集装置，以确保声学传感器能够持续、稳定地工作，获取高质量的动物数据。 2. 能源质量对数据传输的影响：能源的质量（如电压稳定性、电流纯净度等）也会影响数据传输。在使用有线传输方式将动物数据从传感器传输到数据处理中心时，不稳定的电压可能会造成数据传输线路中的信号干扰。例如，在一个大型养殖场的数据采集系统中，为动物佩戴的电子耳标用于收集个体健康数据（如体温、活动量等），如果供电系统的电压波动较大，会使耳标与数据接收器之间的通信受到干扰，导致数据传输错误或中断。因此，需要配备高质量的电源和稳压器，确保能源质量符合数据传输设备的要求，提高数据传输的准确性和可靠性。 采用先进的低功耗芯片和传感器技术，降低设备在数据采集、处理和传输过程中的能耗。这些低功耗设备可以在相同的能源供应下，实现更长时间的运行，或者在有限的能源条件下，完成更多的数据采集和传输任务。例如，一些新型的低功耗蓝牙传感器，其功耗仅为传统蓝牙传感器的几分之一，但仍能保证稳定的数据传输性能. 智能能源管理系统： 通过智能的能源管理算法和控制策略，对设备的能源消耗进行实时监测和优化管理。根据动物的活动状态、数据重要性等因素，动态调整设备的工作模式和数据传输频率，以达到最佳的能源利用效率。例如，在动物休息时，自动降低数据采集频率或进入休眠模式，减少不必要的能源消耗；当检测到动物出现异常数据时，及时提高数据传输频率，确保重要信息的及时传递 。 电磁感应无线充电：通过电磁感应原理，在充电底座和设备之间传输电能，无需物理连接。对于一些不方便更换电池或使用有线充电的动物数据传输设备，如植入式动物生理监测传感器等，电磁感应无线充电技术提供了一种便捷、安全的充电方式。可以在动物休息或经过特定区域时，自动为设备进行充电，提高了设备的使用便利性和可靠性。 磁共振无线充电：利用磁共振原理实现中距离的高效无线电能传输，具有更高的功率传输效率和更远的传输距离。在大型动物养殖场所或野生动物保护区等场景中，可以设置多个磁共振无线充电基站，当动物携带的数据传输设备进入充电区域时，即可自动进行充电，无需人工干预，大大提高了充电效率和设备的续航能力。 进阶 （1）充电与供电系统 参考资料： [1]庄修政,张兴华,张琦,等.“双碳”背景下中国生物质能利用技术的发展现状及挑战[J].太阳能,2024,(07):40-49.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20240521.06. [3]农业农村部食物与营养发展所. 2022年中国食物与营养发展报告[R/OL].2022. 5448e31152e3427088241991b4921b32.pdf (caas.cn) [4]孙宁.秸秆新能源生态价值量估算方法与碳中和路径研究[D].中国农业科学院,2023.DOI:10.27630/d.cnki.gznky.2023.000021. [5]陈冠英,马宗虎,张万钦,等.干湿耦合厌氧发酵制沼及热电肥多联产技术模式探析[J].中国沼气,2024,42(04):31-37.DOI:10.20022/j.cnki.1000-1166.2024040031. [6]邱留良.垃圾焚烧电厂吨垃圾发电量提高措施分析[J].中国高新科技,2022,(24):93-95.DOI:10.13535/j.cnki.10-1507/n.2022.24.31. [7]何丙辉,曾成.中国能源作物产业特征及环境效应[J].农业环境科学学报,2020,39(04):882-890. [8] 生物柴油的原料来源——微生物油脂与工程微藻 - 知乎 (zhihu.com) [9]梁志杰,林钰凯,张静,等.餐厨废油制备二代生物柴油的加氢催化与水热催化工艺对比[J/OL].土木与环境工程学报(中英文),1-11[2024-09-28].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20240722.1719.004.html. [10]项伟,易自力,肖亮,等.芒属植物能源潜力评价体系的构建[J].中国农业科学,2016,49(24):4687-4700. [11]王晋,宋馨宇,陈磊,等.工程微藻的生物安全风险、管控及生物封存[J/OL].生物工程学报,1-19[2024-09-28].https://doi.org/10.13345/j.cjb.230812. [12]李建瑞.基于营养物质梯级利用的暗发酵制氢-微藻产油脂研究[D].哈尔滨工业大学,2022.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2022.002788. [13]黄明,戴泽军,毛文煜,等.湿污泥/秸秆水蒸气共气化制氢及其碳减排评估研究[J/OL].现代化工,1-13[2024-09-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2172.TQ.20240927.1126.024.html. [14]贾璇,王勇,任连海,等.湿热预处理对北京市典型餐厨垃圾生物制氢潜力的影响[J].环境工程学报,2017,11(11):6034-6040. [15]谈志伟,姬爱民.唐山市畜禽粪便产沼气发电生命周期评价[J].节能,2022,41(09):61-63.
计划在全城建立完备的电网体系，在现有科技基础上提升精密集成电路占比、数据能源去中心化建构，并与生物科技作适当结合。
技术1
集成化微型化通用化芯片的应用，侧面标志着器材发热损耗降低到一个极低的水平，使得人体的数据化成为可能。
技术2
电网损耗减免：变压器优化；智能待机节能；基于微型世界的电网重构（NR）；
（基于少运送距离，多应用方向的新优化）
技术3
创新技术之皮卡丘充电法：以感电、蓄电相关新基因改造生物，使之成为移动的变压、蓄电、充电设施。人道起见大概不会选择湿接。
技术4
移动充电，边用边充，实现逐步无线化自动化。
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