無(wú)碳能源:太陽(yáng)氫

毛宗強(qiáng)

據(jù)2009年7月29日新浪網(wǎng)轉(zhuǎn)引英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》網(wǎng)站的報(bào)道，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)近日曝光了過(guò)去10年由美國(guó)同諜衛(wèi)星拍攝的大量反映全球變暖對(duì)北極地區(qū)帶來(lái)的災(zāi)害性影響的照片。這些照片顯示，不過(guò)1年時(shí)間，2007年夏季消失的海冰就比2006年多100萬(wàn)平方千米，令人觸目慷心!我們現(xiàn)在大量使用的煤、石油和天然氣都是化石能源。都含有碳。使用的結(jié)果是大氣中：氧化碳排放量迅速上升、導(dǎo)致災(zāi)難性氣候變化，使洪水、海嘯、干旱、炎熱、冰凍等愈發(fā)肆虐。全球氣候變暖的警鐘早已敲響，這次發(fā)布的照片不過(guò)又增添了新的事實(shí)，再次喚起人們對(duì)無(wú)碳能源的期盼。

太陽(yáng)氫是人類的無(wú)碳能源

在廣袤浩瀚的宇宙里，太陽(yáng)是一顆非常普通的恒星。氣體是組成太陽(yáng)的主要物質(zhì)，其中氫約占71.3％，氯約占27％，其他元素占2％。太陽(yáng)表面的溫度約為6000℃，核心溫度則高速1500萬(wàn)℃，在那里，不停進(jìn)行著氫聚變?yōu)槁鹊臒岷朔磻?yīng)。雖然地球得到太陽(yáng)極小的輻射熱(大約只有其中1／22億的能量)，但是太陽(yáng)卻是地球萬(wàn)物欣欣向榮的主要能源。人類從史前就開(kāi)始利用太陽(yáng)能，而現(xiàn)在，不計(jì)其教的太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置則能幫助人類進(jìn)一步地利用太陽(yáng)能。更有報(bào)道，2009年，20家德國(guó)知名公司南管聚首，提出在非洲撒哈拉沙漠建造世界上最大的太陽(yáng)能電廠的規(guī)劃。這座太陽(yáng)能電廠發(fā)出的100兆瓦電量可以通過(guò)高壓直流線跨越地中海輸送到歐洲，僅此一家電廠發(fā)的電就能滿足歐洲15％的能源需求。雖然這個(gè)電廠項(xiàng)目需要10年～15年的時(shí)間才能并網(wǎng)供電，但是誘人的前景使德國(guó)著名的公司如西門(mén)子、德意志銀行、德國(guó)能源業(yè)巨頭RWE能源集團(tuán)和大型保險(xiǎn)公司都對(duì)其趨之若騖。

氬是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％。氫的單質(zhì)形態(tài)是氫氣(H2)，是最輕的氣體，它無(wú)色無(wú)味，是極易燃燒的雙原子分子。地球表面沒(méi)有游離態(tài)的氫，氫以化合物的形態(tài)存在，水(H₂O)是其最常見(jiàn)的化合物。而太陽(yáng)上則充滿著氫，太陽(yáng)核心一直進(jìn)行著劇烈的氫的熱核聚變，并發(fā)出巨量的能，照亮并溫暖著我們居住的地球。

氫的發(fā)現(xiàn)要追溯到16世紀(jì)，當(dāng)時(shí)不少學(xué)者都在實(shí)驗(yàn)中得到過(guò)氫氣，不過(guò)當(dāng)時(shí)人們對(duì)空氣的組分還沒(méi)有摸透，并不認(rèn)識(shí)氯氣，包括最先把氫氣收集起來(lái)并仔細(xì)加以研究其性質(zhì)的英國(guó)化學(xué)家卡文迪許。直到1782年，法國(guó)人拉瓦錫才通過(guò)實(shí)驗(yàn)明確提出：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了2000年來(lái)人們把水當(dāng)作元素的錯(cuò)誤概念。1787年，他把過(guò)去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H—ydrogne”(氫)，意思是“產(chǎn)生水的”，并確認(rèn)了它是一種元素。

氫元素位于元素周期袁之首，它的原子序數(shù)為1，在各種氣體中，氯氣的密度最小，標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克。在101千帕壓強(qiáng)、溫度為零下252.9℃時(shí)，氫氣可轉(zhuǎn)變成無(wú)色的液體；在零下259.1℃時(shí)，變成雪狀固體；若此時(shí)再將壓力增大到教百個(gè)大氣壓，液氫就可變?yōu)榻饘贇洹?/p>

作為能源，氫有以下特點(diǎn)：

①除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有燃料中最高的，為142351千焦／千克，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

②氫燃燒性能好，與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃燒速度快。

③氫本身無(wú)毒，即使發(fā)生泄漏，也不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染。而汽油、甲醇的泄漏則會(huì)污染環(huán)境。特別是甲醇，本身有毒且是致癌物質(zhì)，而它和水的無(wú)限互溶性，則使泄漏的甲醇會(huì)嚴(yán)重、長(zhǎng)時(shí)期地污染水源。與其他燃料相比，氫燃燒時(shí)最清潔，除生成水外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠嵛铩U化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)；而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。

④氫能利用形式多，既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生電或者熱能，又可以通過(guò)燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱。用氯氣代替石油，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車稍加改裝即可使用，當(dāng)然，如果使用專門(mén)的氯燃料電池汽車，則效率會(huì)提高一倍，即用同樣多的氫氣，氫燃料電池車可以比氫內(nèi)燃機(jī)汽車多跑一倍的路程。

由于氫氣的制得必須消耗一次能源，因此氫是二次能源，是聯(lián)系一次能源和能源用戶的中間紐帶。在未來(lái)的世界能源舞臺(tái)上，氫能將會(huì)成為一種舉足輕重的二次能源。

太陽(yáng)能應(yīng)該伴隨太陽(yáng)氫

我國(guó)是世界氫氣產(chǎn)量最大的國(guó)家，2008年生產(chǎn)大約1500萬(wàn)噸氫，居全球第一。全球的商業(yè)用氫大約有96％是用煤、石油和天然氣等化石燃料制取的，我國(guó)的比例大約為97％，其余為電解水制氫。一句話，目前全世界的氫氣生產(chǎn)都極其依賴化石能源，而未來(lái)的氫氣則必須來(lái)自可再生能源。目前可再生能源發(fā)電技術(shù)、電解水制氫和氧已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)化應(yīng)用?？梢栽O(shè)想，太陽(yáng)能發(fā)電集合電解水制氫將是離現(xiàn)實(shí)最近的太陽(yáng)能制氫氣的路線。其他的太陽(yáng)氫路線還包括：由太陽(yáng)能直接高溫?zé)崃呀馑茪?，但這需要2000℃以上的高溫；用太陽(yáng)光直接分解水制氫和氧的方法則需要借助催化劑；綠藻在無(wú)氧條件下，經(jīng)太陽(yáng)光照射就可以放出氫氣，蘭綠藻等許多藻類在一定條件下都有光合放氫的作用。

一旦氫能源被高效應(yīng)用，特別是氫內(nèi)燃機(jī)汽車和氫燃料電池汽車日趨接近于大規(guī)模的商業(yè)化，氫的儲(chǔ)存技術(shù)就顯得十分重要。目前已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用的儲(chǔ)氫技術(shù)主要有高壓儲(chǔ)氫技術(shù)、液化儲(chǔ)氫技術(shù)、金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)和復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)。其中高壓儲(chǔ)氫技術(shù)是最常見(jiàn)的一種，技術(shù)方法也相對(duì)成熟；液化儲(chǔ)氫技術(shù)則需要較高成本，如果能將其有效降低，則也有非常廣闊的前景；多年來(lái)，金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于它的高體積儲(chǔ)氫密度和高安全性，突出問(wèn)題則是金屬氫化物自身質(zhì)量大而導(dǎo)致其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度偏低；復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)是為了克服上述儲(chǔ)氫方法的不足，人們?cè)诩泳o研究的更新的、綜合的儲(chǔ)氫方法。

氫能的利用

氫能的利用方式主要有兩種。

其一是最為普遍的由氫氣直接燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，如氫內(nèi)燃機(jī)。其二是利用燃料電池技術(shù)，將氫高效轉(zhuǎn)化為電和熱。

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即已被用作V-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑；1960年，液氫首次用作航天動(dòng)力燃料；1970年，美國(guó)發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作為燃料的。今天，多家汽車公司成功開(kāi)發(fā)了氫內(nèi)燃機(jī)汽車，如寶馬公司的BMWH2R的心臟就是一臺(tái)排量為6升的12缸氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率超過(guò)210千瓦。它能在約6秒的時(shí)間內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到100千米／小時(shí)，最高車速高達(dá)302.4千米／小時(shí)。

2004年9月，BMW H2R在一天之內(nèi)連續(xù)創(chuàng)造了9項(xiàng)世界記錄，高速起測(cè)量1.6千米的行駛時(shí)間為19.9秒；靜止起測(cè)量1.6千米的行駛時(shí)間為36.7秒；靜止起測(cè)量16千米的行駛時(shí)間為221.1秒等。而在創(chuàng)造世界紀(jì)錄的同時(shí)，它排出的僅僅是水蒸氣。

氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)80％以上，遠(yuǎn)高于溫差電池的10％和太陽(yáng)能電池的20％的轉(zhuǎn)化效率。燃料電池的這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使它被列為未來(lái)世界10大科技之首。作為高效率、無(wú)噪聲、無(wú)污染的電源，氫燃料電池有望成為航天、電動(dòng)車輛、分散式供電以及便攜式電源的首選。

目前，全世界的著名汽車制造廠商都投巨資于氫燃料電池車的研究開(kāi)發(fā)。豐田公司的氫燃料電池樣車加注一次氫氣，可以行駛830千米，而加氫時(shí)間不到3分鐘。目前，數(shù)百輛氫燃料電池汽車正在美國(guó)和歐洲等國(guó)家的家庭試用。去年，我國(guó)20多輛國(guó)產(chǎn)氫燃料電池大客車和小轎車完滿地完成了服務(wù)北京奧運(yùn)會(huì)的任務(wù)，明年將有200輛氫燃料電池車為上海世博會(huì)的全世界賓客服務(wù)。如今，氫燃料電池車已經(jīng)站在商業(yè)化門(mén)口：2003年，16個(gè)國(guó)家政府出面協(xié)商“氫經(jīng)濟(jì)國(guó)際合作伙伴計(jì)劃”，目標(biāo)在2020年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化，日本的豐田公司聲稱要爭(zhēng)取2014年就開(kāi)始?xì)淙剂想姵剀嚨漠a(chǎn)業(yè)化。

現(xiàn)在數(shù)以千計(jì)的氯燃料電池分布式電站正在全世界示范，其功率從1千瓦到幾兆瓦不等。日本在這方面又走在了世界的前列。他們推出千瓦級(jí)家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供電站，白天，在用電高峰時(shí)，燃料電池電站用煤氣發(fā)的電上網(wǎng)高價(jià)售出，熱水保存自用；晚上除家庭自發(fā)電外，再?gòu)碾娋W(wǎng)購(gòu)回低價(jià)的電，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兼得。這個(gè)項(xiàng)目自2004年以來(lái)，在日本家庭試用2300多臺(tái)后，于2009年5月正式開(kāi)始商業(yè)化，由政府補(bǔ)貼上市。

安全的氫

氫在使用和儲(chǔ)運(yùn)中是否安全可靠，受到人們的普遍關(guān)注。氫的獨(dú)特物理性質(zhì)，如更寬的著火范圍、更低的著火能、更容易泄漏、更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葲Q定了氫不同于其他燃料的安全性問(wèn)題。

多家國(guó)際研究機(jī)構(gòu)對(duì)氫安全性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)地進(jìn)行的汽油車和氫氣豐著火對(duì)比試驗(yàn)表明，氫氣豐起火后，大火沖天，很快氫氣就燒究火滅，連汽車后備箱玻璃都沒(méi)有損壞，并非像美國(guó)大片中展示的汽油罐中彈發(fā)生爆炸，大火沖天；而汽油車著火則很快將整個(gè)汽車吞沒(méi)。用搶擊高壓氫氣儲(chǔ)罐的試驗(yàn)中，子彈穿透高壓儲(chǔ)氫罐、氫氣高速?zèng)_出，連火苗都沒(méi)有，最后，完整的氣瓶上留下清晰的彈孔。

氫氣作為能源應(yīng)用雖然剛剛開(kāi)始，但是氫氣的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，其安全記錄也令人滿意。因?yàn)槿魏稳剂隙純?chǔ)存高密度能量，自然都有潛在的危險(xiǎn)，并需要正確處理，而且一旦發(fā)生事故，都有危害，不同之處在于，通常，氫氣比汽油、甲醇、天然氣燃料更易處置。氫非常輕，空氣的重量是它的14.4倍，(天然氣僅比空氣輕1.7倍)。氫的擴(kuò)散性比天然氣高4倍，比汽油蒸汽的揮發(fā)性高12倍，因此，氫發(fā)生泄漏后會(huì)很快從現(xiàn)場(chǎng)散發(fā)。如果點(diǎn)燃，氫會(huì)很快產(chǎn)生不發(fā)光的火焰，散發(fā)的輻射熱僅及碳?xì)浠衔锏?／10，燃燒時(shí)比汽油溫度低7％，而著火所需要的最小濃度比汽油蒸汽高4倍。

太陽(yáng)氫——人類發(fā)展的歷史性選擇

能源的發(fā)展史伴隨著人類的文明史。從最早的鉆本取火、風(fēng)能和水能的簡(jiǎn)單利用開(kāi)始，人類通過(guò)對(duì)人畜動(dòng)力和初級(jí)能源的應(yīng)用，不斷提高了社會(huì)生產(chǎn)力。第一次能源結(jié)構(gòu)大變革是在19世紀(jì)中葉，伴隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明，煤炭成為工業(yè)的主要能源，促進(jìn)了資本主義社會(huì)的工業(yè)高速發(fā)展，出現(xiàn)了機(jī)器和大工業(yè)生產(chǎn)。第二次能源結(jié)構(gòu)大變革是從20世紀(jì)初開(kāi)始，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明使石油迅速登上了能源舞臺(tái)，并得到了急速發(fā)展。以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的移動(dòng)式機(jī)械設(shè)備使人類的活動(dòng)范圍空前擴(kuò)大。二次能源——電力的普及使能源利用產(chǎn)業(yè)擺脫了對(duì)礦區(qū)的依賴，新技術(shù)革命創(chuàng)造了人類歷史上空前燦爛的物質(zhì)文明。第三次能源結(jié)構(gòu)大變革始于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到化石能源的不可再生性以及導(dǎo)致的地球環(huán)境的惡化，開(kāi)始開(kāi)發(fā)和利用新能源(可再生能源、原子能等低碳、無(wú)碳能源)。氫能被譽(yù)為清潔的能源栽體，各發(fā)達(dá)國(guó)家都在加緊部署、實(shí)施氫能戰(zhàn)略。

無(wú)碳能源太陽(yáng)氫將在保持清潔環(huán)境的同時(shí)提供人類可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。那時(shí)，消費(fèi)者將像現(xiàn)在獲取汽油、天然氣或電力那樣方便地獲取氫能。由現(xiàn)在化石能源為主的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到低碳、乃至無(wú)碳能源體系是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，也是一場(chǎng)生死攸關(guān)的能源革命，中國(guó)要用行動(dòng)取得勝利。(文章代碼：1815)

責(zé)任編輯：趙檸