低碳能源技术创新思维：以碳排放资源化为例

发布时间：2023-06-13 13:08:17

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关键词：碳排放、碳捕集、碳资源化利用、温室效应、温室气体

人类碳排放主要来自于化石燃料的使用以及其他工业生产。煤炭、天然气、石油、水泥产生的碳排放在1960～2012年间的累计排放量占总排放量的比例依次为39.2%、17.2%、40.5%、3.1%。2012年的比例依次为42.8%、19.0%、33.0%、5.2%。从上述数据得知化石燃料能源生产和利用的碳排放占排放量2/3，因此一般性认为减少碳排放的出路是减少石化燃料消耗！

能源是经济增长的基础，所有的发展中国家都面临两难境地，既要发展经济，又要应对、减缓气候变化。在现有理念和技术条件下，如果减少碳排放，就意味着它们要承担经济放缓甚至停滞的巨大成本。这无论从现实和道义上都讲不通。对于中国特别不是一件容易的事情。即使采取较积极的能源政策，包括提高可再生能源和油气等清洁能源的比例，到了2020年我国煤炭消费仍占约60%。

本文将通过用一种新的角度对碳排放现状进行重新分析，提出系列创新理论来减少碳排放、加大碳固定，并以资源化高效利用来保证减排全过程的市场化动力，实现可持续的碳资源循环利用和经济的低碳发展。

碳排放现状成因的创新分析

现在学术界认为森林、海洋吸收二氧化碳的能力是有限的，只能吸收人类活动新增排放的很小一部分。但事实上，人类活动产生的碳排放和自然界本来已有的碳循环总量相比只占很小的一部分【2】。仅仅土壤碳呼吸过程中对环境的碳排放就达到3000~5000亿吨，是人类每年约500亿吨碳排放的8~10倍【3】。在2010年时，这个比例曾经是12~16倍。每年全球由于毁林造成碳循环破坏所产生的二氧化碳排放与同期化石燃料燃烧释放量相当【1】，也能证明这一观点

我们也都知道，不论是陆生植物还是水生植物或藻类，都是碳水化合物，绝大多数植物的碳元素的唯一来源就是二氧化碳，植物每生成1kg干物质就要消耗二氧化碳约1.6kg。在进行无土栽培植物的过程中，只要营养液中有少量必要的无机盐，不需要任何有机物，也就是说不需要碳元素，就可以完全保证植物正常生长发育。那么我们在粮食作物种植的过程中施的有机肥为什么能促进作物生长发育呢？其作用主要是有机物在微生物作用下分解产生二氧化碳和热量。没有有机肥，作物不是不能生长，而是长不好，究其原因也是没有足够的二氧化碳来进行高效率的光合作用。试验研究表明，人类生产生活的环境大气的二氧化碳浓度约在100-2000ppm（0.01%~0.2%）内，作物产量随二氧化碳浓度增加而提高。如果把二氧化碳浓度降到50ppm，光合作用就会停止。生产实践中发现，农业温室大棚中夜间二氧化碳气体因植物呼吸作用和土壤有机物分解释放的积累，达到较高水平，在日出前一般都在600ppm~1500ppm之间，日出后作物开始光合作用，温室内二氧化碳浓度迅速下降，如果没有充足的补充，2小时左右二氧化碳浓度将降至100ppm以下，作物处于二氧化碳饥饿状态!

一般认为植物光合作用最适宜的二氧化碳浓度是800ppm~1500ppm，温棚中喷施二氧化碳，将空气中二氧化碳浓度从野外平均浓度200ppm，提高到1200ppm，即达到或接近我们办公室内的二氧化碳浓度，不同品种农作物的生长速度和产量提高了60%~200%。也就是说提高二氧化碳的浓度可以大大改善植物光合作用的条件，促进光合作用，改善植物的养分合成和加工。当然，也意味着植物固定二氧化碳的能力成倍增加。

显然，大自然植物的主要碳元素来源，不是依靠人类活动提供，植物吸收、再利用的碳元素主要来自其附近土壤因其含有的有机物分解，释放的二氧化碳。通过空气对流、扩散带来的二氧化碳只是占有很小的比例，即便是地球大气层二氧化碳浓度上升50%，从280ppm达到现在的约380ppm，这个浓度还是难以让植物的光合作用有大的变化。因此，靠增加水生、陆生植物面积来大幅度增加环境固碳能力的思路是行不通的。人类对自然环境碳循环的影响，更多体现在对环境产生的干扰，比如砍伐大量森林树木并运离森林、雨林，严重影响陆生植物的碳循环；在海洋中大量过度捕捞，运离海洋到陆地人类环境消费，破坏海洋原有碳循环，产生一系列的海洋生物链破坏。

我们曾经到数个化工厂调研，这种工厂通常都有大量的二氧化碳排放，规模都达到每小时数十、数百吨碳排放。交流中，工厂的朋友都不约而同说到一个现象，工厂建成开工短短几年内，周边小环境、小气候发生很大改观，没有进行人工的特殊干预，不毛之地很快变得郁郁葱葱，风调雨顺。感觉植物非常容易生长、发育。我们分析，这应该就是二氧化碳“气肥”起到的“意外”作用。

因此，我们大胆的提出一个结论：自然界的植物碳汇的潜力是巨大的，远远大于人类活动产生的排放。森林植被破坏能造成碳排放快速增加，而通过植树种草产生的碳固定效果则是缓慢和长期的。利用、影响、恢复碳循环来解决碳排放问题，远比通过减少石化燃料消耗、化学利用二氧化碳、直接物理存贮封存、增加森林植被面积吸收等方式更快速有效。

让我们把人类产生的碳排放尽可能“捕集”起来，输送到海洋、森林、草原，农田、温棚里去，尽可能还给大自然，造成局部二氧化碳浓度大幅度增加，影响碳呼吸、碳循环过程，让水生、陆生植物固碳的作用成倍提高，同时也促进植物的快速生长，农作物产量也大幅度增加，生物链从底层开始恢复，实现低碳、减排、增效、环保多赢的局面。

碳排放来源的创新控制

我们现在还有必要分析一下人类工业化过程产生大量碳排放的历史成因。即使到了今天，工业领域和人们日常生活中都把排放二氧化碳当成一件理所当然的事，如化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等均是排放二氧化碳的集中“大户”。进行环境评价的时候，排放物里面如果没有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉尘即达到清洁排放的标准，排放物含有二氧化碳、水蒸气、热量其实都是局部环境空气的增量和干扰，也将影响局部环境指标，本应同样得到处理。

每个锅炉都有烟囱，煤炭燃烧后碳排放成为习惯，但是仔细分析一下，煤炭的燃烧过程是一个化学反应过程，在生成近4倍重量二氧化碳的同时，释放燃烧热。排放的二氧化碳其实是比燃烧过程释放的热更有价值的资源，目前市场批发价每吨高达500~800元，淘宝零售价更达到每吨一万元。化学产物的价值比释放的热能价值高2~3倍，人们长期以来都是抓了燃烧热这个“芝麻”，扔了燃烧化学产物这个“西瓜”。

造成这个结果也有其历史原因，倒退几十年，烟气中二氧化碳几乎无法回收，回收了也没有什么太多用途，人类当时也没有减少碳排放的环境保护压力。但是今天则完全不同了，回收烟气二氧化碳的技术已经成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途广泛。人们也已经认识到碳排放对环境的危害，到了应该彻底处理碳排放、必须处理碳排放问题、可以从根本上解决碳排放问题的时候了。

我们再提出一个建议，对我们人类普遍使用的燃煤、燃油、燃气过程进行改革，让每一台锅炉、每台燃烧装置像化工厂的反应设备那样工作，既利用燃烧反应释放的热量，还要利用化学反应产生的化学产物，把化石资源的价值“吃光榨净”，在减少环境污染物排放的同时，实现效益的大幅度增加，实现低碳、减排、增效的有机统一。

我们还提醒，对于那些建设在远离城市的化工企业、大量碳排放企业，也许没有必要进行碳捕集，只要要求他们周围小环境加强植物培育，相信很快就可以和前面所说的化工企业一样，通过碳排放的“自产自销”，就地实现低成本、高效率、环境友好的碳固定。而那些周围没有大量植被实现碳固定的碳排放企业、碳排放设备，应该加强碳捕集、碳回收，通过城市捕集、野外排放的空间转移、冬季捕集、夏季排放的时间转移，借助绿色植物的光合作用，高效率实现碳固定，同时实现直接、间接创造新的经济效益。

碳捕集技术的创新

关于碳捕集的技术研究和工程应用已经有很多年历史了【4】。现有的气体冷凝收集虽然是一种很成熟的化工领域常用的手段，但是采用极低的温度来对沸点很低的废气、污染气体进行吸收的具体应用还不多。我们提出一个利用超低温冷源，对成分复杂的工业尾气、废气进行分级冷却、冷凝处理，将尾气中所含的温室气体液化，初步分离、分类存放，可以变废为宝，进一步集中处理，实现尾气零排放。同时可以将尾气所含的显热、潜热部分转换为电能、机械能的解决方案。

1、 利用液态空气冷源

液态空气是把空气制冷降温到空气的沸点以下，空气从常温的气态变为接近-200℃的液态。利用这样的液体作为冷源，通过一个装置，对废气进行制冷，最后沸点较高的二氧化碳等气体液化、固化，低沸点的液态空气吸热气化后排放，通过液体置换，实现了废气中污染气体、温室气体的收集。

废气从废气入口进入风冷蒸发器进一步降温，再进入回热换热器（如板翅换热器或套管式换热器）利用处理后的冷气逐步降温，进一步到换热器进一步降温；到低温冷凝器达到最低温度，废气中二氧化碳冷凝，处理后干净的气体再回到回热换热器，利用排气低温对新进入的废气预冷，冷量充分利用，最后回升到接近进气温度后再排放；液态空气被低温泵送入低温冷凝器作为冷源，同时吸热气化成为高压气体，再经换热器进一步换热升温后，进入膨胀机做功带动发电机发电；膨胀机排出的气体也进入回热换热器对进气预冷。废气中的水蒸气冷凝后再次喷淋到风冷蒸发器蒸发，提高冷量的利用率。

液态空气冷源方法具有系统简单，生产液态空气的过程可以产生大量热量用于提供蒸汽或采暖用热水，可以使用“垃圾电”异地制备。冷凝回收烟气二氧化碳的过程具有可以输出辅助电力、动力等特点，除了用于锅炉烟气硫化物、硝化物、二氧化碳回收利用，实现烟气脱硫、脱销、脱碳，大幅增效之外，还适用于机动车尾气回收。可以由政府带头示范，在城市公交、环保环卫车辆上优先试用，逐步向重点运输单位、物流等企业推广，让他们在减排的同时，也能从节约燃料、销售回收的资源等多方面获得更好的经济效益。

这样的系统，设备成本约每吨位10000元；用1Kg、-191℃、汽化热约37、气体比热0.25的液态空气，经过膨胀机做功发电后再次吸热，大约可以置换 -78℃、汽化热137的二氧化碳0.6Kg，同时可以发电0.15KwH。1吨液态空气批发价150元，回收的0.6吨二氧化碳按批发价650元计算价值390元，还能发电150KwH价值75元，毛利润约315元；还能回收少量浓硫酸盐、硝酸盐溶液。

2、 利用热泵冷源

以现有的二级制冷压缩式热泵系统，很容易实现-80℃ 的输出，利用这样的冷源，通过一个装置，对废气进行制冷，将废气中的二氧化碳等气体液化、固化，实现了废气中沸点低于冷源温度的污染气体、温室气体的收集。

废气从废气入口进入回热换热器（如板翅换热器或套管式换热器）利用处理后的冷气逐步降温，到低温冷凝器达到最低温度，废气中二氧化碳冷凝，处理后干净的气体再回到回热换热器，利用排气低温对新进入的废气预冷，冷量充分利用，最后回升到接近进气温度后再排放；冷凝热被热泵转移到储水罐的热水中备用。

例如从采暖锅炉、工业生产蒸汽锅炉、发电厂的燃煤锅炉排烟口、烟囱，获取本来要排放的烟气，将其中的污染气体、温室气体回收。热泵冷源系统采用的设备，都是工业领域里成熟的系统，制冷冷源从数千瓦到数千千瓦都可以生产，换热系统、冷凝器也都是成熟产品，低温储罐早都有国家标准，很快可以实现规模化生产。这样的系统安装试用过程中，对原有的生产系统不需要改造，具有很好的可行性、安全性，易于工程化，系统安装调试、投入使用过程可以逐阶段实施，实现平稳过渡。后续使用过程中也可以灵活启动、停止。由于具有良好的经济性，企业的改造、使用的积极性会很容易调动起来，市场化操作非常容易整合各方的产能、资金、资源。

这样的系统，设备成本约3000元/KwH；用1KwH的电能，成本0.5元，制冷效率0.85（理论值是2），能输出大约可以输出“冷量”714Kcal，约回收-78℃、汽化热137、气体比热0.25的二氧化碳4.4Kg，按批发价650元/吨计算价值2.86元。同时还能输出120℃的水蒸气2Kg，或者温升50℃的热水31Kg，按每吨热水25元计算，价值0.7元，毛利润约3元。

根据中欧煤炭利用近零排放合作项目在2009年年底作出的报告，二氧化碳的捕集成本为18欧元/吨, 捕集和封存二氧化碳的综合成本为25-30欧元/吨。本文提出的方案和已有数据接近甚至更低，综合效果也更好。从上述两种方式分析，均具有较好的经济性，设备成本不高，通用性强，投资回收期短，社会推广的价值很大，企业的积极性会很高！

碳排放资源化利用的创新

目前工业领域的碳排放比较容易集中捕集，捕集的方法很多，每捕集一吨二氧化碳的成本约合100多元人民币或更低。但近年来碳排放的资源化利用几乎没有大的突破，究其原因是理论界思想观念陈旧，需要进行观念创新和理论创新，才能彻底改变碳排放资源化利用的现状。本文将以干冰作为一种动力转化介质入手，探讨一下碳排放资源化利用的创新。

多年来，有无数的科学家试图让二氧化碳能再次逆变成为某种“燃料”。这些人几乎都在化学逆向反应上做文章。但是这样的过程，都是需要能量，实现燃烧逆向反应也非常困难，而且除了考虑采用太阳能、模拟植物光合作用的方案以外，即便实现逆向反应，也只能算是对高品位能源的储能再释放，得不偿失。

近年来，我们通过对热机的工作原理进行再认识，提出“让热机冷下来”的观点。热机的本质是热量引起介质升温膨胀、做功，加热升温是手段，膨胀增压是目的。人们不应该将热机的工作温段僵化、固定在从常温到高温，而从低温升温到常温也会引起某种介质升温、膨胀，推动活塞、涡轮叶片运动做功，将常温、低温的热量同样转化为机械能。

二氧化碳是个很神奇的物质，常压下，它可以以-78.5℃超低温、固态的形式“干冰”存在；到了约10个大气压的环境中，二氧化碳又会变成液体流动便于输送。用干冰作为工质，可以吸收利用环境介质空气、水的热量受热气化，如果限制在一个封闭的容器中，就可以得到数十个大气压压力的常温二氧化碳气体。这个高压、常温的二氧化碳气体完全可以推动气动机械输出动力做功。由于热机的原理没有改变，热机也无需大的改动，只需要对现有的汽车稍加改进，就可以使得原来消耗燃料，工作在高温温段的发动机，改为利用超低温工质，撬动环境热能参与，让气缸内产生同样大小的膨胀压力来推动活塞，让发动机工作在常温温段继续工作。

改造前，汽车是带着能源物质，吸入不需要付费的环境空气，燃烧后释放的热量让反应后的混合气体升温、膨胀，高压高温气体的膨胀势能在发动机内转换为动能，带动车辆运动，做功后尚有余热的高温废气被排放到环境中；改造后，汽车是带着超低温的工作介质干冰，通过换热器，吸收不需要付费的常温空气的热量，汽化、气化，升温膨胀，最后是高压常温二氧化碳气体推动发动机运转，带动车辆运动，膨胀释放内能后大幅度降温的低温二氧化碳气体则被排放到空气中。这个过程已经在实验中得到验证。初步估算，让发动机输出同样的动力消耗的“工作介质”体积虽是原来燃料消耗的5~8倍，而综合成本是使用燃料时的近三分之一！相当于又回到了蒸汽机时代，不同的只是工质从水变成了干冰，热量的来源不是依靠燃煤，而是取自于环境空气或水等常温物质。

改装实验中还注意到，干冰首次气化的过程，其实是一个吸热过程，也就是一个制冷降温过程，是一个非常不错的“冷源”，可以在提供动力的同时，为冷藏、冷冻运输设备提供大量冷量；为冷冻法海水淡化设备提供优质冷源。做功后，气体温度因为内能减少而再次下降，又达到-50℃或更低，还可以再次作为冷源输出冷量。

用于改造农用机械，在提供动力的同时，干冰气化后的二氧化碳也成为农作物的气肥，降低了农机使用成本，减少石化燃料消耗，还给农作物、农田施了气肥，一举数得。

冬季使用燃料燃烧供暖的时候利用新型可以回收制备干冰的锅炉回收烟气中二氧化碳，制作干冰的过程也实现燃料燃烧热量的高效率、最大化回收再利用。冬天没有植物，应将干冰储存起来；到了夏天，利用干冰吸热制冷，气化后高压二氧化碳气体推动汽轮机输出动力发电，最终排放的低压二氧化碳气体成为夏季植物的气肥，实现碳排放资源的跨时间、跨空间的高效利用、综合利用。

二氧化碳综合利用范例

本文提出解决碳排放的思路主要是设法通过大幅度提高植物生长环境周围二氧化碳的浓度，来充分发挥自然界的植物通过光合作用吸收、固定二氧化碳的巨大潜力来从根本上解决大气层二氧化碳气体积累、增加的问题。实现这个过程主要有碳捕集、碳运输、碳布撒等若干环节。其中碳捕集的有关技术已经相当成熟，本文不再赘述。

二氧化碳的运输曾经是一个较大的问题，因为这个过程中是个消耗能源、成本较高，没有经济回报的过程。现在，利用干冰作为介质，吸收环境的热量，并通过热机转化为动力输出，解决了碳运输过程的高能耗成本的问题。运输过程中少量的消耗其实也实现了某种意义的碳肥“布散”过程。下面通过几个利用二氧化碳的应用范例，来进一步解释说明。

1、 干冰用于森林灭火

森林火灾时有发生，常用的灭火方法很多，但都是常规的手段。以水灭火为例，如果喷洒的消防灭火用水、灭火干粉没有直接喷淋到火源，则几乎不能发挥降温和隔绝空气的作用，即便有条件大量使用，灭火效果也不好。

以前限于经济条件和技术条件，使用干冰灭火都是“高端消费”和“奢侈品”。但是到了今天，干冰容易生产、运输、储存，目前的成本也不高了，应该考虑大量采用干冰这个非常理想的灭火材料来实现森林应急灭火。采用干冰进行森林灭火，制作成一个个干冰炸弹，通过提前布设形成阻火带，通过定时、定温起爆，或者飞机空投，触地爆炸，或者巨型迫击炮抛射、近炸引信引爆。不管干冰是否能接触火源，只要炸碎的干冰颗粒布撒在火源附近、火源的上风口、火源的高处，都能迅速气化实现降低火场温度，隔绝空气阻止燃烧的作用。气化的二氧化碳就像一张巨大的“冷气毯”，覆盖整个火场，并且随着气流的流动自动流向火源，持续气化的干冰还能有效阻止火灾复燃，实现快速、彻底灭火。

最后残留在森林火场的二氧化碳气体，是森林很好的气肥，逐渐被周围的林木吸收，没有任何污染物残留，渗入地下土壤、水分吸收的二氧化碳气体，也有利于火灾现场的植被恢复生长，一举数得。人类使用水灭火，已经数千年历史了，今天该创新、改进一下了，该淘汰这种陈旧、低效率的传统灭火方式了，

2、 干冰作为动力介质

大型渔轮功率在500马力以上，每小时消耗燃油数十公升。需要消耗大量的燃油作为动力。固体二氧化碳（干冰）吸收海水的热量可以气化为50个大气压以上的高压气体，为远洋渔轮提供动力；这个过程中，约10公斤干冰相当于1公斤燃油，输出的动力相当于2~4千瓦时电力。吸热的过程还相当于制冷，提供的“冷量”可以用于冰冻海产品、淡化海水，这10公斤干冰同时累计可以吸收的热量，相当于0.5公斤燃油做功制冷的冷量。10公斤干冰气化过程还能同时淡化产生10公斤以上的淡水。综合估算干冰替代燃油的重量比为6:1，即干冰的使用量比燃油大6倍。而干冰的价格是燃油的十分之一或更低，因此使用干冰的成本是燃油的二分之一，而且实现了真正的“零”排放。

使用干冰作为动力介质，是一个非常好的环保、节能、增效的方案。首先采用的干冰是从其他直接排放到环境中的二氧化碳捕集制取而来，不是增量排放。使用过程中能量的来源取自于环境，没有消耗化石燃料；排放的二氧化碳“尾气”增加了海洋、海平面的二氧化碳浓度，甚至可以直接注入水中，增加了水体的二氧化碳溶解度，促进海洋植物、藻类的光合作用，通过食物链促进了海洋生物、海洋水产资源的再生和恢复，实现安全、低碳、减排、增效、环境友好的综合效益。这种应用方案也同样适用于海岛、远洋货轮、邮轮采用。

我们现在的高铁的每一节车都叫动车，都有独立的动力系统，高铁的车头仅仅是控制室，反而没有动力，合在一起称为动车组。如果每节车厢都能携带5吨干冰作为动力工质，则在运行中可以提供500匹马的动力长达6~8小时。在列车进入人口稠密区域时使用电力牵引，行驶到旷野、草原、森林的时候切换到“干冰”介质的环境热能动力模式，既提供了一种清洁的动力，又实现了碳布撒、碳转移，强化、利用了绿色植物固碳能力，实现了绿色动力。

这些绝非科幻，具体实施过程不存在理论障碍和技术壁垒，推广应用就在眼前。马戏团里表演的大象，都是从小就开始训练的。小象很调皮，故常把小象拴在木桩上。由于小象力量小，经过很多次试验，它都无法将木桩拖出来，时间久了，只要把小象拴在木桩上，它就知道自己无法挣脱，也就会很安分了。小象长成了大象，力大无穷，可以轻松拔起一棵大树，但却能很老实地被绳子拴在木桩上。因为从小的经验告诉它们，木桩的力量比自己大，是唯一可以拴住自己的东西。

基础科学理论确实已经发展完善，但是我们是不是还存在对理论的认识偏颇或惯性思维？应用科学理论和历史生产力发展水平相关，早期提出并沿用至今的一些应用理论肯定存在时代和历史的局限性和不足。《国际歌》有一句歌词唱得好：“要冲破思想的牢笼”。而一旦冲破思想的牢笼，走出思维定势，甩掉那根 “木桩”，我们的潜力将会得到极大释放，将会创造各种奇迹。

后记

在撰写这篇文章的时候，开始作者的思路是为了解决温室气体对环境的影响，而“科学家们”特别是掌握先进科技手段和话语权的国外“专家”们“一致”认为二氧化碳、水蒸气、臭氧层破坏是造成气候变暖、海平面上升、南极冰川消融的主要原因。但随着相关资料的收集整理，一个意外的结论出现了，碳排放真的是造成气候异常的主要原因吗？

大气中水蒸气的含量占1%，是二氧化碳含量的25倍，靠近地面的水汽含量则更高，达到二氧化碳的100倍。二氧化碳的分子结构决定只能和阳光中15微米带、10 微米带、5.2 微米带等波段的长波辐射产生共振。而水汽的共振区间几乎覆盖了所有波段。翻译过来就是水汽的吸收热量、红外线的能力远远大于二氧化碳。更可怕的是我们现在推广“清洁能源”的一个重要举措就是将燃煤改为天然气和燃油，这个过程造成大量的水汽排放，不仅仅是增加了空气中吸收热量的气体，也是大幅度增加了雾霾的主要载体水蒸气的排放。

再冷静的思考一下也让人哑然失笑，地球热容量如此巨大的地表空气和土壤、海洋，怎么就能被含量不到0.04%的微量气体所吸收的热量影响了呢？我们所学的科技理论知识已经难以解释这一结论了。回答这个问题已经超越科技领域，属于政治的范畴了。因此作者为了维护自己的科技道德，从自己的科技素养和认识水平出发，在文章中最终删除了所有关于二氧化碳和温室效应的关联文字，避免对文章的严肃性带来损害。本文提出的技术方案都是出于对环境资源、能源的合理利用、循环利用、高效利用，以创造更好的社会效益和经济效益为出发点，具有实现的可行性和商业价值。