可持续摆烂研究所

能源创新设计

摆【2025】第 0009 号

第一部分：基于未来科技的创新设计

一、能源获取

1、地热：干热岩利用

实现路径：

超临界循环：注入流体，获取远超传统地热电站的效率和功率。

氢制造厂：利用地热高温，高效催化热化学分解水制氢，避免电解的电能损耗。

季节性储热：将非峰值期的多余电能（如太阳能）注入岩体，将其加热至更高温度，在需要时提取，构成跨季度的能源库。

2、生物质能：从“燃烧”到“精准催化”

将生物质（农业废弃物、厨余）作为精细化工的原料。

通过原子打印技术制造的高效催化剂，将生物质在分子级别转化为高价值化学品、可降解塑料前体、甚至航空燃油，能量利用效率提升数倍。

3、人体动能与环境微能源采集

实现路径：

压电地砖：在生活游憩枢纽、运动空间的步道上铺设，将步行、舞蹈的动能转化为电能。

热电转换器：安装在温泉区、工业区等有稳定温差的场所，将废热直接转为电力。

动能收集器：集成在健身器械上，锻炼即为电网做贡献。

二、节流调度

1、AI赋能高效率的能源利用

实现路径：

AI实时分析全网所有终端的用能需求（如一台原子打印机即将开始工作、一个家庭终端请求制冷），动态分配最低成本、最绿色的能源路径。它可能让A区的打印机稍等2分钟，以使用B区刚富余的太阳能。

2、跨模块能源协同

实现路径：

数据中心废热供暖：将数据库“海”和B站服务器的废热，通过管道网络用于冬季建筑采暖或温室农业。

农业-能源共生：在垂直农场的植物工厂中，使用特定光谱的LED照明，其产生的“废热”和富含氧气的空气被导向需要热能和清新空气的办公或居住区。

三、 循环转化

1、原子打印机同时作为用能者与供能者

实现路径：

指令：“将能量转化为物质”：当风电、光伏发电过剩时，AI自动启动分布式打印机，将多余的、可能被浪费的电力，转化为可长期储存的实体物资（如工具、标准件、应急物资）。这是最直接的储能方式。

指令：“将物质转化为能量”：在能源短缺时，系统可指令打印机分解某些非核心储备物资，其分解过程是放热的，这部分热能被收集用于发电或供暖。

2、代谢能回收系统

创意点：回收生命活动本身的能量。

实现路径：

在温泉SPA区和部分居住区，安装特殊的微生物燃料电池。利用水体中或污水中的有机物，通过微生物代谢直接产生电能，同时净化水质。

四、 能源科技树

1、基于原子打印的“定制化”能源材料

实现路径：

打印多孔结构的电极材料以最大化储能电池效率。

打印特定晶格结构的热电材料，实现最佳的废热回收。

打印完美匹配当地太阳光谱的光伏材料，让太阳能板效率倍增。

2、基于量子点与超材料的光子管理

实现路径：

在建筑外立面使用可打印的量子点涂层，将不可见的高能量紫外线转换为可见光，用于室内照明，或转换为红外光用于光伏发电，极大提升对太阳光的全频谱利用。

3、中微子通信与能源信息一体化

假设未来能捕获并解读中微子的微小能量和信息。

实现路径：

发展中微子通信技术，它可以无损耗地穿透整个星球，实现最稳定可靠的能源调度指令传输。甚至，未来或能直接从宇宙中微子背景辐射中提取微不足道但源源不绝的能量。

 这些能源点子共同描绘了一个未来：能源不再是单向的“开采-消耗”，而是变成了一个智能的、可编程的、与物质循环和社会行为深度互动的动态网络。 在这个网络里，每一个公民、每一台设备、每一个建筑，都既是能源的使用者，也是贡献者，共同维系着这个精致文明的永恒心跳。

第二部分：其他创新设计

一、光合微生物制氢

光合微生物制氢只需以水为原料，利用太阳能，借助微生物的强大的光合机制，在细胞核中编码酶（氢化酶和固氮酶）的存在下产生氢。该类微生物包括微藻和光合细菌2种。（如图所示）

二、地热能辅助的生物质

地热加热厌氧消化利用地热低温（50-70℃）优化嗜热厌氧菌（如Caldicellulosiruptor）分解纤维素生产沼气（甲烷）。地热稳定供热，避免传统消化池性效率波动。应用：冰岛Hellisheidi地热电站的试点项目，结合农业废弃物产甲烷。将废弃油气井改造为地热井，为有机废物的厌氧消化过程提供所需热能，生产生物沼气。意大利Irminio油田案例：年处理3.5万吨有机废物，产气量596 m³/h，年减排CO₂312吨。

三、生物质能热电解耦技术

针对生物质热电联产系统热电耦合性强的问题，研究适用于生物质能的热电解耦技术。在传统热电解耦技术的基础上，引入智能控制算法，实现对蓄热罐充、放热过程更为精准的调控。根据实时监测的生物质燃料供应、电负荷和热负荷等数据，智能算法可动态调整蓄热罐的运行模式。当生物质燃料供应充足且电力负荷较低时，系统自动加大蓄热罐的储热功率；当生物质燃料供应不足或电力负荷处于高峰时段时，精准控制蓄热罐的放热速率，确保电、热的稳定供应。）电动热泵与生物质能结合。在电力负荷高峰时段，将电动热泵由电驱动改为蒸汽驱动，以减少电负荷。在电力负荷低谷时段，将电动热泵由蒸汽驱动改为电驱动，提高系统的灵活性。以生物质热电联产机组 Z 为例，电动热泵的应用使机组对电网调峰的响应能力提高了 25%-30%。

孙卫华.基于生物质能的热电联产系统优化运行与协同控制[J].山东电力高等专科学校学报,2025,28(03):56-59.

四、光热与生物质实现电-氢协同生产

结合光热与生物质实现电-氢协同生产。基于此构建的光热-生物质联合制氢厂（solar-thermal and biomass integrated hydrogen production plant，STBIHPP）可以同时实现发电与制氢。STBIHPP 运行框架为实现可再生资源的高效利用，构建了一种 STBIHPP 框架。系统主要由气化炉、PSA装置、储氢罐（hydrogen storage tank，HST）、燃气轮机（gasturbine，GT）、换热器、生物质辅助制氢电解槽、光热发电系统构成。其中，光热发电系统采用槽式熔盐技术，由槽式镜场、透平-发电机、热盐罐、冷盐罐、冷凝器、换热器和蒸发器构成。GT产生的余热可提高光热发电系统的发电能力。最后，经过光热发电系统的余热可供给电解槽的热能消耗。

谭洪,朱建川,关苏敏,等.市场环境下光热-生物质联合制氢厂双层优化运行模型[J].电力系统自动化,2025,49(16):43-51.

五、智能电网

智能电网作为未来电力系统的发展方向，融合了先进的技术和科学的管理模式，具有广阔的发展前景和巨大的应用价值。通过通信技术、测量技术、控制技术等关键技术的应用，智能电网实现了电力系统各环节的智能化运行和管理，提高了能源利用效率，增强了电网的可靠性和稳定性，促进了可再生能源的大规模接入和消纳。同时，科学合理的管理模式，包括运营管理、风险管理和市场管理等，确保了智能电网的稳定运行和高效运营。

倪滢蓥,张国志,李丰男,等.智能电网的技术和管理[C]//吉林省电机工程学会.2025年吉林省电机工程学会年会论文集.国网吉林省电力有限公司长春市双阳区供电公司;,2025:290-293.DOI:10.26914/c.cnkihy.2025.053404.

六、全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源

针对现有太阳能与氢能协同的混合能源系统存在系统能量利用率低、能源供需不匹配等问题，提出了全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源架构。考虑太阳能综合输出效果最佳，确立了光谱分频窗口为 700-1100 nm。

新系统的最佳容量配置是太阳能聚光面积为6 000 m²，储热装置容量比 Nstore 为 0.9。经过容量配置优化后，系统的能效达到 29.03%，比初始设定下系统的能效提高了 3.56%。采用全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源系统，不仅提高了能源利用效率，还有效减少了温室气体排放，为实现可持续发展目标提供了新的思路和方法。

翟宇凯,王炯超,吴寒逸,等.全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源集成与优化[J].洁净煤技术,2024,30(12):171-179.DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.HH24102801.

七、太阳能甲烷重整制氢

基于甲烷重整反应的强吸热特性，太阳能驱动的甲烷重整可吸收最高相当于甲烷高位热值23％的太阳热能，并以化学能的形式实现太阳能储存和利用，达到同时提升氢能中太阳能占比与降低制氢碳排放的有益效果。因此，太阳能驱动天然气重整制氢技术有望在近中期发挥重要作用。在LeChatelier原理基础上，通过产物吸收强化降低重整反应温度，有望突破与太阳能聚光技术结合的瓶颈。进一步，通过突破甲烷转化源头制氢与脱碳的协同，有望解决传统重整制氢的高温、高能耗、高碳排放挑战。

王彬,郭轲,邵煜,等.太阳能甲烷重整制氢研究进展[J].洁净煤技术,2024,30(09):1-25.DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CN24082901.

八、氢制备技术

1、太阳能制备绿氢

太阳能分解制氢包含３种主流方式：光催化法制氢，光热法制氢，光电化学法制氢。光催化制氢是利用光催化剂的吸光特性实现光解水反应．但 目前制氢效率较低，仍处于验证示范阶段．光电化学法制氢利用光电化学电池工作原理需要外加电路参与，而光热解法是直接将系统温度在光照下达到2000Ｋ 以上，使用一步法直接分解水制取氢气和氧气，后两者在某些场景下已有一定的商业化应用。

2、生物质制备绿氢

生物质制氢有２种主要方式热化学法和生物法。热化学法还可以细分为：超临界 水气化、蒸汽气化、生物质热解重整法制氢．其中生物质热解重整法制氢已实现商业应用．热化学法制氢的缺点是制备的氢气纯度不高．生物法制氢包括暗厌氧菌发酵、光合生物及其耦合制氢等。

目前我国单体最大的ＡＬＫ制氢速度可达到3000Nm^３/h．日本PEM电 解 槽 其 制 氢 速 度 高 达3000Nm^３/h，且各项指标远超国际水平．PEM相较ALK其制氢效率更高，体积更小，响应速度也更快。

李致朋,叱干东东,肖仪卓,等.中国氢能产业关键技术发展与应用探究[J/OL].河南师范大学学报(自然科学版),1-11[2025-10-26].https://doi.org/10.16366/j.cnki.1000-2367.2025.08.08.0001.

九、地热-多能联合系统

虽然地热能本身稳定，但其利用效率可以与其他可再生能源耦合而提升。 例如，在日照强烈的白天，利用太阳能集热器预热补给水，再注入地热系统，可以“减轻”地热储层的负担。

同时，根据卡诺原理，热源温度越高，热机理论效率越高。可以通过太阳能、燃烧燃料等高品位热能提高发电工质的初始温度，从而在整体上提高系统的全生命周期效率和可持续性。

生物质能虽热量少，但温度高的优势不容忽视。赵波等提出将生物质燃气(生物质能的一种形式)与热量大、温度相对较低的中低温地热能相结合，用于联合发电，具有良好的经济可行性，并大大提高发电功率。生物质原料(如秸秆等)经酸化水解、厌氧发酵后生成生物质燃气，进入燃气锅炉燃烧，对已经受到地热水加热的低沸点工质进行二次加热，使之由饱和蒸汽转为过热蒸汽，随后进入发电机组实现热能–机械能–电能的转变。该系统的设计思路经热力循环性能分析和发电成本评估，结果表明发电功率可达单一地热发电系统的4.1倍，发电成本可随生物质能利用分数的提高而大幅度降低。 

李克勋, 宗明珠, 魏高升. 地热能及与其他新能源联合发电综述[J]. 发电技术, 2020, 41(1): 79-87 doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19013

如地热−氢能系统：通过耦合地热发电等方式，可以提高制氢的经济性。地热−氢能系统将地热发电产生的电能通过电解池转变为氢气，实现电能与氢能的耦合，产出的氢气不仅能够满足化工园区氢气需求，还能储存于储氢罐中，并可通过燃料电池逆向转化为电力，进而实现多能源协同转换与高效利用。通过建立双层优化模型、系统机理模型及运用工业求解器与优化算法等，实现系统优化、提出新型系统构建方案，并对其可行性进行探讨。具体而言，碱性电解制氢的温度范围为 70-90℃，质子膜电解制氢的温度为 50-80℃，与中浅层地热(80-150℃)部分匹配。

路诗梦,孙建林,曾凡杰,等.零碳地热能综合利用技术研究进展[J/OL].发电技术,1-14[2025-10-19].https://doi.org/10.12096/j.2096-4528.pgt.25046.

十、量子点太阳能电池

1、联合梯级利用

这是对整个系统的规划和补充。首先利用高温和较高温流体（＞90℃）进行发电，发电后的尾水（70℃-80℃）用于区域供暖，再次降温后的水（40℃-50℃）供给种植模块和养殖模块，最后回灌到地下。这种“温度对口，梯级利用”的模式能将地热能的“综合利用率”提升至70%-80%以上。

2、矿物提取

地热流体中常富含锂、铷、铯、硅等有价元素。通过膜分离、吸附法等先进提取技术，可以从地热卤水中提取高纯度矿物质，将地热田变为“液态矿山”，极大提升其经济价值。

3、干热岩开发

如果应用增强型地热系统技术，开发深度3000-5000米、温度＞150℃的干热岩资源，其理论资源量将是现有浅层资源的数倍至数十倍。一个中等规模的EGS项目（占地1-2平方公里）即可持续提供 5-10 MWe（兆瓦电） 的发电能力，对应的热功率在 25-50 MW。

大理州洱源县地表至埋深3500m范围内干热岩资源量约合5．69×10⁸吨标准煤，埋深3500m至7000m范围内的干热岩资源量约为9．16×10¹⁰吨标准煤，总资源量约为9．22×10¹⁰吨标准煤，具有良好的地热资源开发前景。 

毛倩菲. 云南洱源县地热资源三维地质建模及干热岩资源量计算[D]. 北京:中国地质大学(北京),2024.

4、二氧化碳工质流

未有明确效率数据，但采热效率较高，化学惰性大，腐蚀风险较小，可在储层中封存CO₂，适用于低渗透干燥地质条件，表现出明确的优越性，可作为远景规划和技术储备。

秦佐己,金轶斌,胡俊杰,等. 超临界二氧化碳增强型地热系统研究综述[J]. 安全与环境工程,2025,32(4):1-11. DOI:10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.20241102.

超临界CO₂循环在地热与太阳能混合系统中也发挥着重要作用，有效地耦合较低温度的地热和较高温度的太阳能热，系统热效率得以提高，㶲效率也比单独的太阳能热的循环系统提高了5%-10% 

郑开云, 黄志强. 基于超临界CO2循环的地热与太阳能混合系统研究[J]. 新能源进展, 2018, 6 (1): 62- 68.

5、同轴深井换热技术（环保考虑）

这是一种“取热不取水”的闭环技术，通过向深井中注入循环工质与岩石换热，几乎100%的流体被循环利用，避免了流体消耗和化学污染，虽然初始投资高，但长期运行的能量回报率和环境效率极高。