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奧運火炬變遷背后的能源變革

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奧運火炬變遷背后的能源變革

兼顧美學與實用的平衡中,綠色環保的概念也逐漸滲透在火炬之中。

文|智造前研  

1934 年,在國際奧委會雅典會議上決定,恢復部分古代奧運會舊制。規定運動會期間,從開幕日期至閉幕式止,在主體場燃燒奧林匹克圣火。火種必須來自奧林匹亞,采取火炬接力方式從奧林匹亞傳到主辦國。

自此之后,從 1936 年柏林奧運會起,點燃奧林匹克火焰是每屆奧運會開幕式不可缺少的儀式之一,延續至今已經經過了 39 屆。而在這 39 屆奧運會中,奧運火炬從設計、材質以及燃料都發生了巨大的變化,在兼顧美學與實用的平衡中,綠色環保的概念也逐漸滲透在火炬之中,見微知著,奧運火炬變遷的背后是一場能源變革。

01. 第一支傳遞圣火的火炬

柏林奧林匹克體育場的主火炬呈三腳架形狀,靈感來自古希臘的圖案,大約有 2.20 米高。柏林奧運圣火傳遞為第一次成功舉辦的圣火傳遞,媒體、電臺和拍攝奧運會官方電影的團隊都對此進行了記錄和報道。

在第一次奧運火炬傳遞之前,1928 年阿姆斯特丹奧運會和 1932 年洛杉磯夏季奧運會都有標志性的主火炬點燃儀式。然而,點燃主火炬的火種并非采集自奧林匹亞,也沒有通過傳遞的方式被運送到開幕式現場。

使用火炬傳遞圣火的想法并不是突發奇想。受到古代方法啟發組委會最初的想法是將圣火保存在樹莖上,這種樹莖取自地中海的一種樹,這種樹以燃燒緩慢而聞名。但是,從實際出發,最終采用了火炬傳遞的方式。由于市場上沒有符合要求的火炬,組委會決定制作特定火炬。

(圖為 1936 年柏林奧運會火炬,銀色鋼制材質,整個火炬 70 厘米,其中支架 28 厘米,燃料采用鎂管、易燃膏。燃燒時間至少為 10 分鐘)

02. 奧運火炬變遷百年

現代奧運會火炬傳遞儀式,經歷了三個發展時期 1896 至 1932 年的醞釀萌芽期、1936 至 1980 年的儀式形成期和 1984 年至今的創新發展期。經過 80 余年的發展完善,火炬傳遞已經形成了完善的儀式。智造前研對過去的 39 屆奧運會的火炬細節做了詳細的統計。

奧運火炬的傳遞需路經各種自然環境,冬奧會火炬尤其要注意應對冬季地溫、多風、多雨雪的氣候條件。歷屆奧運火炬設計都必須通過極為嚴苛的環境技術測試,在風雨交加、大雪紛飛的各種惡劣的氣候條件下,均需保證火炬熊熊燃燒產生明亮的火焰,且需要考慮手持奔跑的傳遞姿態下,確保火炬火焰燃燒時火炬手的安全。

此外,對于一些特殊環境,也需針對性的做出技術調整和突破,以使用極端傳遞環境的嚴苛挑戰。而燃料作為火炬燃燒的核心成分,一直是火炬設計者精心考慮的重要方面,除了受到化學工業發展水平的影響外,節能、環保、燃燒安全及火焰顏色等均是影響火炬燃料選擇的因素。

通過上圖我們可以看到,早期的奧運會火炬主要是以金屬鎂作為燃料。鎂的熔點為 65.1 攝氏度。在空氣中就能點燃燃燒,發出耀眼的白光。但鎂十分活潑,同時由于成本較高,燃燒顏色不夠美觀,后不再采用。

天然樹脂松香也曾短暫的出現在奧運會火炬燃料中,但是樹脂在燃燒過程中會產生大量有毒氣體和煙霧,而且有刺鼻的氣味。燃燒中途易熄滅,火焰的焰色也并不美觀,因此天然樹脂松香也只是曇花一現。

液化石油氣出現在了 1972 年慕尼黑奧運會上,但液化石油氣是一種易燃物質,空氣中含量超標后遇明火即爆炸。同時在燃燒的過程中對附近的觀眾的身體健康和生態環境也造成了不低的危害和污染,之后也淡出了奧運會的火炬之中。

火藥、汽油、酒精和特制橄欖油等等也在奧運會的歷史上短暫的留下了一筆,1996 年亞特蘭大夏奧會首次以丙烯作為燃料,丙烯燃燒雖然可以產生清晰顯目的火焰,但卻會產生污染嚴重的黑煙。2000 年悉尼夏奧會火炬采了用更為環保的混合燃氣,丙烷和丁烷以 35:65 的比例混合燃燒產生的火焰無煙塵且清晰明亮。

此外,丁烷丙烷混合燃料沸點低,在常溫常壓下易氣化的特點大大減輕了燃料罐的重量,且更為經濟。在此之后舉辦的 2004 年雅典夏奧會、2006 年多哈亞運會等,均采用了相似的燃料方案。

近代奧運會的火炬燃料通常采用的是丙烷,價格低廉且溫度范圍比較寬,常溫加壓后更易液化,便于貯存在火炬中。丙烷燃燒只形成水蒸氣和二氧化碳,沒有其他物質,不會對環境造成污染,屬于清潔燃料,符合“綠色奧運”的理念。同時丙烷氣體燃燒的火焰顏色為亮黃色,這樣的顏色便于識別和電視轉播、新聞攝影的需要。這也使得丙烷成為了眾多奧運會火炬燃料的首選。

通過觀察幾十屆奧運火炬燃料的變化,我們得知火炬燃料已經從結構復雜、易燃燒產生有毒氣體的天然高分子有機化合物逐漸轉變成結構較簡單、沸點低、燃燒更充分的工業烷烴或烯烴。從萘、樹脂松香、橄欖油到近幾屆奧運會普遍使用的烷烴或烯烴的演變,不僅說明了世界化學工業水平的不斷提升,體現了奧林匹克運動更加關注環保,關注生命健康的綠色理念,更體現了一場能源革命在悄然展開。

03. 氫能源之變:從設想到應用再到突破

2020 年東京奧運會和 2022 年北京冬奧會的火炬燃料都采用了氫氣,但兩者之間也存在本質上的差別。當時日本計劃借助東京奧運勢頭,大力發展氫能。不僅有豐田車企提供的氫能大巴、作為運動員往返場館與奧運村之間的工具,同時日本政府還專門在奧運村附近建設了加氫站。但氫能利用涉及“制備、儲存、運輸、應用”多個環節,對氫能綜合利用水平要求很高。最終由于受到氫燃料電池市場空間小,制氫、儲氫、運氫等環節仍有技術瓶頸,同時成本層面也面臨著很大的壓力,再加上疫情控制不力等因素影響,最終奧運氫能源秀只能擱淺。

而北京 2022 年冬奧會卻順利實現了氫能利用的多個場景,開展制、儲、運、加氫全供應鏈建設,氫能發動機已裝配在公交、物流等不同車型;試制氫燃料電池發電車作為賽事場館應急電源備用,配置輸出功率為 400kW 氫燃料電池發電系統,可實現無時差供電切換。北京冬奧會將在延慶和張家口賽區投入 789 輛氫燃料大巴車服務賽事,賽后將轉換為城市公交。氫能在北京冬奧會的應用,推動了氫能在交通、發電、供能、工業等多領域全場景示范推廣應用,帶動全產業鏈技術進步與產業規模化、商業化發展。

(2022 年北京冬奧會火炬設計靈感:北京將是第一個先后舉辦過夏奧會和冬奧會的“雙奧之城”。2022 年北京冬奧會火炬是向中國首都的奧運遺產致敬,設計上和 2008 年北京奧運會主火炬造型相似,看起來像一個大卷軸。)

目前京張尤其是張家口已形成產業鏈齊全,具備一定發展潛力的氫能產業發展格局。值得一提的是,2 月 4 日,北京冬奧會張家口賽區火炬臺創新采用綠氫作為燃料,點亮冬奧史上首支“綠氫”火炬。氫氣被認為是最為清潔環保的燃料,其燃燒產物只產生能量和水,是完全的零排放燃料。而根據氫氣制備的來源,以煤炭為原料制取的氫氣被稱作“灰氫”,以天然氣為原料制備的氫氣被稱為“藍氫”,用可再生能源電解水制備的氫氣被稱為“綠氫”,是最為環保綠色的氫氣。

結語

百年奧運火炬的變遷是全球能源領域大調整、大變革的縮影,全球能源技術創新進入高度活躍期,呈現多點突破、加速應用、影響深遠等特點。供給側的可再生能源、非常規油氣已進入大規模應用階段,需求側的電動汽車和轉化環節的智能電網處在市場導入期,可燃冰開發、碳捕獲封存等技術有望取得新突破。能源技術革命已經引發了產業革命,將對能源供應結構、生產和利用方式、產業組織、地區格局產生深遠影響,并將引領全球進入新一輪工業革命。

參考資料:

[1] 閆蒙鋼 圣永剛 張劍鋒.奧運火炬中的化學[J].化學教育,2008,(7):1-2.

[2] 于良坤.2022年京張冬奧火炬設計研究[D].北京:北京理工大學, 2018:15-23.

本文為轉載內容,授權事宜請聯系原著作權人。

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奧運火炬變遷背后的能源變革

兼顧美學與實用的平衡中,綠色環保的概念也逐漸滲透在火炬之中。

文|智造前研  

1934 年,在國際奧委會雅典會議上決定,恢復部分古代奧運會舊制。規定運動會期間,從開幕日期至閉幕式止,在主體場燃燒奧林匹克圣火。火種必須來自奧林匹亞,采取火炬接力方式從奧林匹亞傳到主辦國。

自此之后,從 1936 年柏林奧運會起,點燃奧林匹克火焰是每屆奧運會開幕式不可缺少的儀式之一,延續至今已經經過了 39 屆。而在這 39 屆奧運會中,奧運火炬從設計、材質以及燃料都發生了巨大的變化,在兼顧美學與實用的平衡中,綠色環保的概念也逐漸滲透在火炬之中,見微知著,奧運火炬變遷的背后是一場能源變革。

01. 第一支傳遞圣火的火炬

柏林奧林匹克體育場的主火炬呈三腳架形狀,靈感來自古希臘的圖案,大約有 2.20 米高。柏林奧運圣火傳遞為第一次成功舉辦的圣火傳遞,媒體、電臺和拍攝奧運會官方電影的團隊都對此進行了記錄和報道。

在第一次奧運火炬傳遞之前,1928 年阿姆斯特丹奧運會和 1932 年洛杉磯夏季奧運會都有標志性的主火炬點燃儀式。然而,點燃主火炬的火種并非采集自奧林匹亞,也沒有通過傳遞的方式被運送到開幕式現場。

使用火炬傳遞圣火的想法并不是突發奇想。受到古代方法啟發組委會最初的想法是將圣火保存在樹莖上,這種樹莖取自地中海的一種樹,這種樹以燃燒緩慢而聞名。但是,從實際出發,最終采用了火炬傳遞的方式。由于市場上沒有符合要求的火炬,組委會決定制作特定火炬。

(圖為 1936 年柏林奧運會火炬,銀色鋼制材質,整個火炬 70 厘米,其中支架 28 厘米,燃料采用鎂管、易燃膏。燃燒時間至少為 10 分鐘)

02. 奧運火炬變遷百年

現代奧運會火炬傳遞儀式,經歷了三個發展時期 1896 至 1932 年的醞釀萌芽期、1936 至 1980 年的儀式形成期和 1984 年至今的創新發展期。經過 80 余年的發展完善,火炬傳遞已經形成了完善的儀式。智造前研對過去的 39 屆奧運會的火炬細節做了詳細的統計。

奧運火炬的傳遞需路經各種自然環境,冬奧會火炬尤其要注意應對冬季地溫、多風、多雨雪的氣候條件。歷屆奧運火炬設計都必須通過極為嚴苛的環境技術測試,在風雨交加、大雪紛飛的各種惡劣的氣候條件下,均需保證火炬熊熊燃燒產生明亮的火焰,且需要考慮手持奔跑的傳遞姿態下,確保火炬火焰燃燒時火炬手的安全。

此外,對于一些特殊環境,也需針對性的做出技術調整和突破,以使用極端傳遞環境的嚴苛挑戰。而燃料作為火炬燃燒的核心成分,一直是火炬設計者精心考慮的重要方面,除了受到化學工業發展水平的影響外,節能、環保、燃燒安全及火焰顏色等均是影響火炬燃料選擇的因素。

通過上圖我們可以看到,早期的奧運會火炬主要是以金屬鎂作為燃料。鎂的熔點為 65.1 攝氏度。在空氣中就能點燃燃燒,發出耀眼的白光。但鎂十分活潑,同時由于成本較高,燃燒顏色不夠美觀,后不再采用。

天然樹脂松香也曾短暫的出現在奧運會火炬燃料中,但是樹脂在燃燒過程中會產生大量有毒氣體和煙霧,而且有刺鼻的氣味。燃燒中途易熄滅,火焰的焰色也并不美觀,因此天然樹脂松香也只是曇花一現。

液化石油氣出現在了 1972 年慕尼黑奧運會上,但液化石油氣是一種易燃物質,空氣中含量超標后遇明火即爆炸。同時在燃燒的過程中對附近的觀眾的身體健康和生態環境也造成了不低的危害和污染,之后也淡出了奧運會的火炬之中。

火藥、汽油、酒精和特制橄欖油等等也在奧運會的歷史上短暫的留下了一筆,1996 年亞特蘭大夏奧會首次以丙烯作為燃料,丙烯燃燒雖然可以產生清晰顯目的火焰,但卻會產生污染嚴重的黑煙。2000 年悉尼夏奧會火炬采了用更為環保的混合燃氣,丙烷和丁烷以 35:65 的比例混合燃燒產生的火焰無煙塵且清晰明亮。

此外,丁烷丙烷混合燃料沸點低,在常溫常壓下易氣化的特點大大減輕了燃料罐的重量,且更為經濟。在此之后舉辦的 2004 年雅典夏奧會、2006 年多哈亞運會等,均采用了相似的燃料方案。

近代奧運會的火炬燃料通常采用的是丙烷,價格低廉且溫度范圍比較寬,常溫加壓后更易液化,便于貯存在火炬中。丙烷燃燒只形成水蒸氣和二氧化碳,沒有其他物質,不會對環境造成污染,屬于清潔燃料,符合“綠色奧運”的理念。同時丙烷氣體燃燒的火焰顏色為亮黃色,這樣的顏色便于識別和電視轉播、新聞攝影的需要。這也使得丙烷成為了眾多奧運會火炬燃料的首選。

通過觀察幾十屆奧運火炬燃料的變化,我們得知火炬燃料已經從結構復雜、易燃燒產生有毒氣體的天然高分子有機化合物逐漸轉變成結構較簡單、沸點低、燃燒更充分的工業烷烴或烯烴。從萘、樹脂松香、橄欖油到近幾屆奧運會普遍使用的烷烴或烯烴的演變,不僅說明了世界化學工業水平的不斷提升,體現了奧林匹克運動更加關注環保,關注生命健康的綠色理念,更體現了一場能源革命在悄然展開。

03. 氫能源之變:從設想到應用再到突破

2020 年東京奧運會和 2022 年北京冬奧會的火炬燃料都采用了氫氣,但兩者之間也存在本質上的差別。當時日本計劃借助東京奧運勢頭,大力發展氫能。不僅有豐田車企提供的氫能大巴、作為運動員往返場館與奧運村之間的工具,同時日本政府還專門在奧運村附近建設了加氫站。但氫能利用涉及“制備、儲存、運輸、應用”多個環節,對氫能綜合利用水平要求很高。最終由于受到氫燃料電池市場空間小,制氫、儲氫、運氫等環節仍有技術瓶頸,同時成本層面也面臨著很大的壓力,再加上疫情控制不力等因素影響,最終奧運氫能源秀只能擱淺。

而北京 2022 年冬奧會卻順利實現了氫能利用的多個場景,開展制、儲、運、加氫全供應鏈建設,氫能發動機已裝配在公交、物流等不同車型;試制氫燃料電池發電車作為賽事場館應急電源備用,配置輸出功率為 400kW 氫燃料電池發電系統,可實現無時差供電切換。北京冬奧會將在延慶和張家口賽區投入 789 輛氫燃料大巴車服務賽事,賽后將轉換為城市公交。氫能在北京冬奧會的應用,推動了氫能在交通、發電、供能、工業等多領域全場景示范推廣應用,帶動全產業鏈技術進步與產業規模化、商業化發展。

(2022 年北京冬奧會火炬設計靈感:北京將是第一個先后舉辦過夏奧會和冬奧會的“雙奧之城”。2022 年北京冬奧會火炬是向中國首都的奧運遺產致敬,設計上和 2008 年北京奧運會主火炬造型相似,看起來像一個大卷軸。)

目前京張尤其是張家口已形成產業鏈齊全,具備一定發展潛力的氫能產業發展格局。值得一提的是,2 月 4 日,北京冬奧會張家口賽區火炬臺創新采用綠氫作為燃料,點亮冬奧史上首支“綠氫”火炬。氫氣被認為是最為清潔環保的燃料,其燃燒產物只產生能量和水,是完全的零排放燃料。而根據氫氣制備的來源,以煤炭為原料制取的氫氣被稱作“灰氫”,以天然氣為原料制備的氫氣被稱為“藍氫”,用可再生能源電解水制備的氫氣被稱為“綠氫”,是最為環保綠色的氫氣。

結語

百年奧運火炬的變遷是全球能源領域大調整、大變革的縮影,全球能源技術創新進入高度活躍期,呈現多點突破、加速應用、影響深遠等特點。供給側的可再生能源、非常規油氣已進入大規模應用階段,需求側的電動汽車和轉化環節的智能電網處在市場導入期,可燃冰開發、碳捕獲封存等技術有望取得新突破。能源技術革命已經引發了產業革命,將對能源供應結構、生產和利用方式、產業組織、地區格局產生深遠影響,并將引領全球進入新一輪工業革命。

參考資料:

[1] 閆蒙鋼 圣永剛 張劍鋒.奧運火炬中的化學[J].化學教育,2008,(7):1-2.

[2] 于良坤.2022年京張冬奧火炬設計研究[D].北京:北京理工大學, 2018:15-23.

本文為轉載內容,授權事宜請聯系原著作權人。
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