氫能源

特點(diǎn)

       氫能是公認(rèn)的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。21世紀(jì)，我國(guó)和美國(guó)、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，并且目前我國(guó)已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)展，在不久的將來(lái)有望成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國(guó)家之一，也被國(guó)際公認(rèn)為最有可能率先實(shí)現(xiàn)氫燃料電池和氫能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家。

       當(dāng)今世界開(kāi)發(fā)新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然氣、煤，石油氣均屬不可再生資源，地球上存量有限，而人類(lèi)生存又時(shí)刻離不開(kāi)能源，所以必須尋找新的能源。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲(chǔ)量日益減少，終有一天這些資源、能源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的儲(chǔ)量豐富的新的含能體能源。氫正是這樣一種在常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)和開(kāi)發(fā)新的二次能源的同時(shí)，人們期待的新的二次能源。氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，常溫常壓下為氣態(tài)，超低溫高壓下為液態(tài)。作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點(diǎn)：

       重量最輕：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為0.0899g/l，－252.7℃時(shí)，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓，液氫可變?yōu)榻饘贇洹?/p>

       導(dǎo)熱性最好：比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍。

       普遍元色：據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來(lái)，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

       回收利用：利用氫能源的汽車(chē)排出的廢物只是水，所以可以再次分解氫，再次回收利用。

       理想的發(fā)熱值：除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍。

       燃燒性能好:點(diǎn)燃快，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。

       無(wú)毒：與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔铩U化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理也不會(huì)污染環(huán)境，且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。產(chǎn)物水無(wú)腐蝕性，對(duì)設(shè)備無(wú)損。

       利用形式多：既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。

       多種形態(tài)：以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。

       耗損少：可以取消遠(yuǎn)距離高壓輸電，代以遠(yuǎn)近距離管道輸氫，安全性相對(duì)提高，能源無(wú)效損耗減小。

       利用率高：氫取消了內(nèi)燃機(jī)噪聲源和能源污染隱患，利用率高。

       運(yùn)輸方便：氫可以減輕燃料自重，可以增加運(yùn)載工具有效載荷，這樣可以降低運(yùn)輸成本從全程效益考慮社會(huì)總效益優(yōu)于其他能源。

       減少溫室效應(yīng)：氫取代化石燃料能最大限度地減弱溫室效應(yīng)。 

開(kāi)發(fā)利用

       時(shí)至今日，氫能的利用已有長(zhǎng)足進(jìn)步。自從1965年美國(guó)開(kāi)始研制液氫發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)，相繼研制成功了各種類(lèi)型的噴氣式和火箭式發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)的航天飛機(jī)已成功使用液氫做燃料。我國(guó)長(zhǎng)征2號(hào)、3號(hào)也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機(jī)車(chē)或一般汽車(chē)的研制也十分活躍。氫汽車(chē)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。

       世界各國(guó)正在研究如何能大量而廉價(jià)的生產(chǎn)氫。利用太陽(yáng)能來(lái)分解水是一個(gè)主要研究方向，在光的作用下將水分解成氫氣和氧氣，關(guān)鍵在于找到一種合適的催化劑。如今世界上有50多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行研究，但至今尚未有重大突破，但它蘊(yùn)育著廣闊的前景。

       隨著太陽(yáng)能研究和利用的發(fā)展，人們已開(kāi)始利用陽(yáng)光分解水來(lái)制取氫氣。在水中放入催化劑，在陽(yáng)光照射下，催化劑便能激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，把水分解成氫和氧。例如，二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的光水解催化劑。人們預(yù)計(jì)，一旦當(dāng)更有效的催化劑問(wèn)世時(shí)，水中取“火”——制氫就成為可能，到那時(shí)，人們只要在汽車(chē)、飛機(jī)等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽(yáng)光照射下，水便能不斷地分解出氫，成為發(fā)動(dòng)機(jī)的能源。

       本世紀(jì)70年代，人們用半導(dǎo)體材料鈦酸鍶作光電極，金屬鉑作暗電極，將它們連在一起，然后放入水里，通過(guò)陽(yáng)光的照射，就在鉑電極上釋放出氫氣，而在鈦酸鍶電極上釋放出氧氣，這就是我們通常所說(shuō)的光電解水制取氫氣法?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，一些微生物也能在陽(yáng)光作用下制取氫。人們利用在光合作用下可以釋放氫的微生物，通過(guò)氫化酶誘發(fā)電子，把水里的氫離子結(jié)合起來(lái)，生成氫氣。前蘇聯(lián)的科學(xué)家們已在湖沼里發(fā)現(xiàn)了這樣的微生物，他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里，然后將微生物產(chǎn)生出來(lái)的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質(zhì)，除了能放出氫氣外，還可以用于制藥和生產(chǎn)維生素，以及用它作牧畜和家禽的飼料。人們正在設(shè)法培養(yǎng)能高效產(chǎn)氫的這類(lèi)微生物，以適應(yīng)開(kāi)發(fā)利用新能源的需要。

       引人注意的是，許多原始的低等生物在新陳代謝的過(guò)程中也可放出氫氣。例如，許多細(xì)菌可在一定條件下放出氫。日本已找到一種叫做“紅鞭毛桿菌”的細(xì)菌，就是個(gè)制氫的能手。在玻璃器皿內(nèi)，以淀粉作原料，摻入一些其他營(yíng)養(yǎng)素制成的培養(yǎng)液就可培養(yǎng)出這種細(xì)菌，這時(shí)，在玻璃器皿內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生出氫氣。這種細(xì)菌制氫的效能頗高，每消耗五毫升的淀粉營(yíng)養(yǎng)液，就可產(chǎn)生出25毫升的氫氣。

       美國(guó)宇航部門(mén)準(zhǔn)備把一種光合細(xì)菌——紅螺菌帶到太空中去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。這種細(xì)菌的生長(zhǎng)與繁殖很快，而且培養(yǎng)方法簡(jiǎn)單易行，既可在農(nóng)副產(chǎn)品廢水廢渣中培養(yǎng)，也可以在乳制品加工廠的垃圾中培育。

       對(duì)于制取氫氣，有人提出了一個(gè)大膽的設(shè)想：將來(lái)建造一些為電解水制取氫氣的專(zhuān)用核電站。譬如，建造一些人工海島，把核電站建在這些海島上，電解用水和冷卻用水均取自海水。由于海島遠(yuǎn)離居民區(qū)，所以既安全，又經(jīng)濟(jì)。制取的氫和氧，用鋪設(shè)在水下的通氣管道輸入陸地，以便供人們隨時(shí)使用。 

行業(yè)發(fā)展

        氫能源被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人?lèi)對(duì)氫能源應(yīng)用自200年前就產(chǎn)生了興趣，到20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開(kāi)展了氫能源研究。

       氫燃料電池技術(shù)，一直被認(rèn)為是利用氫能，解決未來(lái)人類(lèi)能源危機(jī)的終極方案。上海一直是中國(guó)氫燃料電池研發(fā)和應(yīng)用的重要基地，包括上汽、上海神力、同濟(jì)大學(xué)等企業(yè)、高校，也一直在從事研發(fā)氫燃料電池和氫能車(chē)輛。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)已經(jīng)成為中國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。2007年中國(guó)已成為世界第三大汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)和第二大汽車(chē)市場(chǎng)。與此同時(shí)，汽車(chē)燃油消耗也達(dá)到8000萬(wàn)噸，約占中國(guó)石油總需求量的1/4。在能源供應(yīng)日益緊張的今天，發(fā)展新能源汽車(chē)已迫在眉睫。用氫能作為汽車(chē)的燃料無(wú)疑是最佳選擇。

       雖然燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)基本已經(jīng)被突破，但是還需要更進(jìn)一步對(duì)燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、提升，使產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟。這個(gè)階段需要政府加大研發(fā)力度的投入，以保證中國(guó)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面的水平和領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。這包括對(duì)掌握燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)在資金、融資能力等方面予以支持。除此之外，國(guó)家還應(yīng)加快對(duì)燃料電池關(guān)鍵原材料、零部件國(guó)產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)的支持，不斷整合燃料電池各方面優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的延伸。同時(shí)政府還應(yīng)給予相關(guān)的示范應(yīng)用配套設(shè)施，并且支持對(duì)燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈予以培育等，以加快燃料電池車(chē)示范運(yùn)營(yíng)相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的制定和加氫站等配套設(shè)施的建設(shè)，推動(dòng)燃料電池汽車(chē)的載客示范運(yùn)營(yíng)。有政府的大力支持，氫能汽車(chē)一定能成為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

怎么制造出來(lái)

       氫能源作為一種清潔、高效的能源，其制造方式多種多樣，每種方式都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。以下是幾種主要的氫能源制造方式：

1. 煤制氫

       煤制氫是一種傳統(tǒng)的制氫方式，主要通過(guò)煤氣化技術(shù)將煤轉(zhuǎn)化為氫氣。該過(guò)程涉及煤氣化、變換反應(yīng)、氣體凈化和氫氣分離等步驟。煤制氫成本低廉，但環(huán)保投入較大，且會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。因此，煤制氫主要用于大型化工裝置，以利用其成本優(yōu)勢(shì)。

2. 天然氣制氫

       天然氣制氫是目前應(yīng)用最廣泛的制氫方式之一。它利用天然氣中的甲烷與水蒸氣在高溫和催化劑作用下進(jìn)行重整反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳。天然氣制氫具有流程短、投資低、技術(shù)成熟且環(huán)境友好的特點(diǎn)，但原料成本較高，制氫成本受天然氣價(jià)格波動(dòng)影響較大。此外，天然氣制氫也是全球氫氣的主要來(lái)源之一。

3. 甲醇制氫

       甲醇制氫是另一種重要的制氫方式。它利用甲醇與水蒸氣重整反應(yīng)制得氫氣。甲醇制氫具備規(guī)模靈活、投資成本低、碳排放低、原料易得等優(yōu)勢(shì)。但甲醇價(jià)格波動(dòng)較大、運(yùn)輸儲(chǔ)存不方便，且經(jīng)過(guò)凈化處理后殘余甲醇問(wèn)題尚未完全解決。不過(guò)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，甲醇制氫有望在未來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用。

4. 工業(yè)副產(chǎn)制氫

       工業(yè)副產(chǎn)制氫是利用富含氫氣的工業(yè)尾氣作為原料進(jìn)行制氫的方式。這些尾氣主要來(lái)源于氯堿工業(yè)、焦?fàn)t煤氣以及輕烴裂解等過(guò)程。工業(yè)副產(chǎn)制氫的最大優(yōu)勢(shì)在于幾乎無(wú)需額外的資本投入和化石原料投入，所獲氫氣在成本和減排方面有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，氯堿副產(chǎn)制氫的氫氣純度高、提純難度小，且生產(chǎn)成本低廉。

5. 電解水制氫

       電解水制氫是通過(guò)電解水將水分解成氫氣和氧氣的方法。電解水制氫技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且可以利用可再生能源（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）的電力來(lái)進(jìn)行水電解，實(shí)現(xiàn)低排放的氫氣生產(chǎn)。然而，電解水制氫的成本較高、耗電量大，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和可再生能源成本的降低，電解水制氫有望成為未來(lái)氫能生產(chǎn)的主流方式之一。

6. 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫

       生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫是利用生物質(zhì)資源通過(guò)生物化學(xué)或熱化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為氫氣的方法。這種方式具有廢物利用和碳中和的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于減少溫室氣體排放具有積極作用。但生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫的技術(shù)尚不成熟，且原料來(lái)源受限，因此目前仍處于研究和開(kāi)發(fā)階段。

       綜上所述，氫能源的制造方式多種多樣，每種方式都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，未來(lái)氫能生產(chǎn)將更加高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)可行。