未來清潔能源

趙奇

[去科技館學(xué)科學(xué)]

氫能是當(dāng)今社會(huì)所關(guān)注的熱門可再生能源之一?！读x務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生掌握“工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)”“工程是以科學(xué)和技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性工作”。在中國科技館，可以通過“能源世界”展區(qū)的展品“可再生能源——?dú)淠堋斌w驗(yàn)如何運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)氫能的可再生利用。

可再生能源——?dú)淠?/p>

氫是一種化學(xué)元素，在元素周期表中位于第1位。然而，在地球上自然存在的氫的單質(zhì)（如氫氣）數(shù)量極少，自然界中它多以化合物形態(tài)出現(xiàn)，化合態(tài)氫的最常見形式是水和有機(jī)物。因此，想要獲得大量的單質(zhì)氫只有依靠人工制取?！翱稍偕茉础?dú)淠堋边@件展品將演示電解水制氫、氫儲(chǔ)存運(yùn)輸、氫能驅(qū)動(dòng)小車的全過程，觀眾通過互動(dòng)操作可了解氫的制備、使用等環(huán)節(jié)的相關(guān)科學(xué)原理及知識(shí)。

展品主要由展臺(tái)、太陽能光伏板、小車輪、燈（模擬太陽）、按鈕等組成。觀眾按下啟動(dòng)按鈕，燈亮起照射到光伏板上，光伏板產(chǎn)生電能，用于電解水產(chǎn)生氫氣，經(jīng)過管道傳輸?shù)剿戏?，通過氫燃料電池驅(qū)動(dòng)小汽車輪子轉(zhuǎn)起。在各個(gè)互動(dòng)環(huán)節(jié)有燈帶提示相應(yīng)的操作。展品通過機(jī)電互動(dòng)的方式，引導(dǎo)觀眾親自動(dòng)手操作體驗(yàn)。展臺(tái)設(shè)計(jì)成圓形，便于觀眾全方位觀察展品現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)靜態(tài)展示方式，本展品讓觀眾可以動(dòng)手互動(dòng)操作，以及再現(xiàn)模擬實(shí)際應(yīng)用，將枯燥的科學(xué)知識(shí)以生動(dòng)可體驗(yàn)的方式展現(xiàn)，增強(qiáng)觀眾體驗(yàn)感，引導(dǎo)觀眾自發(fā)探索和思考。

氫能制取

在宇宙中氫是最豐富的物質(zhì)。在地殼10千米范圍內(nèi)（包括海洋和大氣）化合態(tài)氫的重量組成約占1%，原子組成約占15.4%。其中，天然氣、石油、煤炭、生物質(zhì)能及其他富氫有機(jī)物等，都是氫的有效來源。氫的最大來源是水，尤其海水，據(jù)計(jì)算，9噸水可以生產(chǎn)出1噸氫，而且氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，取之不盡，用之不竭。工業(yè)副產(chǎn)氫也是向燃料電池提供燃料的有效途徑。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑等的生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)15億立方米以上。

制氫的方法非常多，無論是一次能源還是二次能源都可以制氫。目前，我國是最大的氫氣生產(chǎn)國，在2015年生產(chǎn)了2200萬噸氫氣，占世界產(chǎn)量的34%，其中96%的氫氣來自化石能源制氫，剩下的4%則來自水電解制氫。

從制氫的能量來源看，化石燃料制氫是我國主要的制氫方式，技術(shù)成熟、成本低，并且已“有利可圖”，但不可持續(xù)、不環(huán)保，違背了氫能作為清潔能源的本質(zhì)。而多種化工過程，如煤化工、電解食鹽制堿工業(yè)、發(fā)酵制酒工藝、合成氨化肥工業(yè)、石油煉制工業(yè)等，均有大量副產(chǎn)氫氣，技術(shù)成熟、成本低且對(duì)環(huán)境友好，也是我國制氫的一大特色。

值得一提的是，氫氣與電力是可以相互轉(zhuǎn)化的，太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源可先轉(zhuǎn)化為電力再通過電解水制氫，而產(chǎn)生的氫氣反過來也可以通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放化學(xué)能用來發(fā)電。從這里也可以看出，氫氣是一種儲(chǔ)能介質(zhì)，甚至可以看作是與電一樣的能源載體。

太陽能、風(fēng)能、水能等再生能源都有一定的間歇性，導(dǎo)致棄光、棄風(fēng)、棄水現(xiàn)象十分嚴(yán)重，如果利用這些可再生能源電解水制氫，不僅可解決棄電問題，還能反過來利用氫氣再發(fā)電增強(qiáng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性和可靠性，并且整個(gè)過程清潔環(huán)保，幾乎不產(chǎn)生二氧化碳。除此之外，太陽能還可以通過光解水直接制氫，只需要將太陽光照在加了二氧化鈦（催化劑）的水里就可以產(chǎn)生氫氣，但是這種光解水制氫的效率很低，目前只有6%，而要達(dá)到10%左右才可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，因此還無法大規(guī)模應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，制取氫的辦法將越來越多，效率越來越高。

氫能存儲(chǔ)

氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899千克/立方米，約是水的萬分之一，因此其高密度儲(chǔ)存一直是一個(gè)世界級(jí)難題。目前常用的儲(chǔ)氫方法主要有4種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫，這幾種方法各有特點(diǎn)，可以根據(jù)需要選擇（表1）。

氫能利用

近年來，氫燃料電池車領(lǐng)域的技術(shù)突破，使大家越來越關(guān)注氫能技術(shù)，尤其是它在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。氫燃料電池車相比傳統(tǒng)汽車，具有無污染、無噪聲、無傳動(dòng)部件的優(yōu)勢(shì)，相比電動(dòng)車，具有續(xù)航里程長、充電時(shí)間短、起動(dòng)快（8秒鐘即可達(dá)全負(fù)荷）的優(yōu)勢(shì)。曾經(jīng)在中國科技館展出的H2R原型車就是利用氫能的成功嘗試，它能夠在約6秒內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到100千米/小時(shí)，并使其達(dá)到超過300千米/小時(shí)的最高車速，在試車場(chǎng)創(chuàng)下氫燃料內(nèi)燃動(dòng)力汽車的9項(xiàng)全球速度記錄。除了在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，氫能源還可用于大中規(guī)模的儲(chǔ)能和發(fā)電，可作為工業(yè)能源、化工原料等，用途非常廣泛。

氫能是公認(rèn)的清潔可再生能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。目前我國已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)展，在不久的將來有望成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國家之一。氫具有清潔、重量輕、無毒、利用率高等特點(diǎn)，時(shí)至今日，氫能的利用已有長足進(jìn)步。自從1965年美國開始研制液氫發(fā)動(dòng)機(jī)以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發(fā)動(dòng)機(jī)。美國的航天飛機(jī)已成功使用液氫作為燃料。我國長征5號(hào)也使用液氫作燃料。氫汽車靠氫燃料，氫燃料電池運(yùn)行也是溝通電力系統(tǒng)和氫能體系的重要手段及應(yīng)用。氫能源是一種非常有前景的清潔能源，氫能必將成為未來清潔能源的主角之一。