4、生物质能（5%）：

立体农业的沼气热电联产

原料：立体农业工厂的秸秆和收集的厨余等

能量载体：沼气

能量密度：23 MJ/m³ (≈ 6.4 kWh/m³)

系统效率：采用热电联产，发电效率取35%【1】，总能源效率＞80%

资源需求量：约 17,857立方米沼气/年（40,000 kWh ÷ (6.4 kWh/m³ × 35%) ≈ 17857m³）

【沼气的储存】

日均产气量：17857 m³ / 365天 ≈ 49m³/天

所需储气容积：

按8小时缓冲（1/3天）： 35 m³/天 × (8/24) ≈ 16.3 m³

按12小时缓冲（1/2天）： 35 m³/天 × (12/24) =  24.5m³

按24小时缓冲（1天）： 35 m³/天 × 1 = 49m³

【结论】：使用约50 m³的双模储气柜储存沼气，储存点位于立体农业大楼附近

（热电联产产生的热可用于建筑供暖 / 制冷（通过吸收式制冷机），提供工业流程所需的热蒸汽或热水，为垂直农业温室保温等）

【1】张爱华、李启刚、肖志红、李昌珠、李培旺、李 力、吴 红：农林剩余物热解联产生物气-肥关键技术与成套装备研究  2023.5.18

四、氢能

由于本世界大量使用太阳能、风能等具有不稳定性的能源形式，因此储能显得格外重要，而氢能具有储能周期极长、容量大、清洁的优势，所以氢能成为了我们世界的主要储存方式。我们将从氢气的制备（主要是电解水）、储存、运输、利用（转化为电能、热能等）等角度分析。

一、氢制备

       我们的世界主要采用电解水制氢，用太阳能、风能发电来制备氢气。

       当前电解水制氢包括PEM（质子交换膜电解），AEM（阴离子交换膜电解）、ALK（阴离子电解）以及SOEC（固体氧化物电解）等。其中PEM很大程度上依赖贵金属，成本较高。ALK虽然技术最成熟，但是腐蚀性强，响应慢。SOEC要在700-850°C下进行，材料衰减快，寿命短。AEW有极大的发展潜力以及潜在低成本。

       以下是我们查询到的数据：

       使用交联聚芳醚砜基季铵盐离子交换膜，通过多官能度交联结构增强其碱性环境下的稳定性，使用低浓度碱性溶液（0.5M~2.0M的 KOH）作为电解液

       AME 能量转化效率：80%  成本 3.1元/kg~3.5元/kg^【1】

二、氢储存

       氢气储存由高压氢气储存、液氢储存、固态储氢、液体载体储氢。我们决定采用液体载体储氢中的液氨储存。液氨相较固态以及高压储存拥有更好的储氢密度，同时液氨易于液化，相较于液氢减少液化成本。

       根据我们查询到的数据，液氨的理论储氢体积密度达到120.3kg/m³,远高于其他储存方式，并且单罐容量在100m³-100000m³，最大单罐氢储量可达12030t^【2】

            在氨气的合成上，压缩气体到反应压力是有一个高耗能过程。使用铁钌接力催化，可使反应压力下降44.8%，吨氨电耗为1204kwh。^【3】经过多轮循环，氢气的利用率可达98%。

三、氢运输

       考虑到在工作、生活中有直接利用氢气而非利用其产生的电能的情况（例如工业上冶炼金属，生活中烹饪、取暖等），我们决定铺设管道以将氢气输送到各个领域。

       在输氢管道的材料上，我们选用不锈钢S1608作为内衬，碳钢管作为基层材料。不锈钢管道具有优异的抗氢脆性能，同时其内壁光滑，减少高速氢气流作用下会与管壁发生摩擦，极大地避免了燃爆的风险。运用双金属的结构减少管道的成本，同时保证管道强度。^【4

四、氢利用

       基于上文我们主要使用氨作为氢载体，我们准备利用氨燃料电池进行氢能与电能的转化，考虑到进料方式和工作温度，氨燃料电池可分为三种不同的工作模式：直接氨燃料电池、间接氨燃料电池和氨SOFC（solid-oxide fuel cells）。值得注意的是在燃料电池前加入裂解骤可以提高其能量转换效率。而SOFC 通常在 500 °C 至 800 °C 的温度范围内运行，这与氨的分解温度重叠 

       下图展示不同燃料电池的RTE（图a），以及燃料电池以及其他氨利用方式（如氨内燃机）的RTE（图b）

经计算，我们的世界至少需要73.1万kwh的能量储备，考虑到氢气（以及氨气）也要用于其他领域，实际上的数据应该更多。

根据我们查询到的资料，日本文部科学省与日本科学技术振兴机构研发的固体氧化物型燃料电池，在直流发电255W时，其发电效率可达到53％。^【6】

2023年，中国氨总消费量达6116万吨，按照人口计算，每人每年氨消耗量在42.5kg。百万立方世界1500人中，年消耗量大概在于63.8吨左右。这些氨主要用于工、农业生产。

氨气的热值信息：

低位热值： 约 18.6 MJ/kg 

高位热值： 约 22.5 MJ/kg 

       氢气的热值信息：

低位热值： 约 33.3 MJ/kg

高位热值： 约39.4 MJ/kg

       当外界输入73.12万kwh的电力时，将有46.33万kwh的电力用于电解水，剩下的电力主要用于氨气的生产，经计算氨气的产量大概在227吨。如果将其用于发电，发电量大概在于62.16万kwh。加上用于其他领域的氨气，总量大概在于300吨。这些液氨的体积大概在439.24m³。

       总计氨生产的电力消耗在于96.80万kwh（人均653.36kwh）。

参考文献

【1】苏才华.AEM电解水制氢技术的能源转换效率提高.中国战略新兴产业.2025(18):72-74

【2】王海波、赵保林、程灿伟、陈万进、王海.浅谈液氨作为储氢载体的可行性及其储存技术.化工设计.2025,35(01):3-9

【3】首套铁钌接力催化氨合成工业装置通过大考.中国化工报.2021-04-28

【4】薛茹月、李云帅、王磊、李华军、孙嘉悦、殷佩豪.双金属复合管应用于输氢管道的可行性分析.机电产品开发与创新.机电产品开发与创新.2025 ,38 (04):202-204 

【5】Wen, Z., Huang, B., Wang, Y. et al. Ammonia as a renewable energy carrier from synthesis to utilization. Nat. Rev. Clean Technol. (2025) 

【6】罗承先.日本研发氨燃料电池发电效率超45%.中外能源.2018 ,23 (09):75

五、太阳能

*风能总耗：0.25*12999*1500=4874625kwh(每年)

*每月所需  406218kwh,若仅考虑能量转化率25%（常见的转化率主要有26%和23%两类）则每月所需面积如下

*若考虑安装在建筑物表面或考虑光电板倾角并将光线角度变化考虑在内(数据如上)

倾斜面上的直接辐射 

• o ：水平面上的直接辐射。
• o ：入射角（太阳光线与倾斜面法线之间的夹角）。
• o ：天顶角（太阳光线与水平面法线之间的夹角，即 ）。

关键点： 被称为几何因子，它量化了倾斜面对直接辐射的增益。当倾斜面正好对准太阳时（即 ），这个因子最大。

综上，最好采用水平光电板或倾角较小的建筑外立面光电板