氫能源

特點

       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)，我國和美國、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，也被國際公認(rèn)為最有可能率先實現(xiàn)氫燃料電池和氫能汽車產(chǎn)業(yè)化的國家。

       當(dāng)今世界開發(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，而人類生存又時刻離不開能源，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)和開發(fā)新的二次能源的同時，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：

       重量最輕：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為0.0899g/l，－252.7℃時，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓，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，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:點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。

       無毒：與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當(dāng)處理也不會污染環(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)物水無腐蝕性，對設(shè)備無損。

       利用形式多：既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機(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，安全性相對提高，能源無效損耗減小。

       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。

       運輸方便：氫可以減輕燃料自重，可以增加運載工具有效載荷，這樣可以降低運輸成本從全程效益考慮社會總效益優(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)。 

開發(fā)利用

       時至今日，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)動機(jī)。美國的航天飛機(jī)已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、3號也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機(jī)車或一般汽車的研制也十分活躍。氫汽車靠氫燃料、氫燃料電池運行也是溝通電力系統(tǒng)和氫能體系的重要手段。

       世界各國正在研究如何能大量而廉價的生產(chǎn)氫。利用太陽能來分解水是一個主要研究方向，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多個實驗室在進(jìn)行研究，但至今尚未有重大突破，但它蘊育著廣闊的前景。

       隨著太陽能研究和利用的發(fā)展，人們已開始利用陽光分解水來制取氫氣。在水中放入催化劑，在陽光照射下，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，一旦當(dāng)更有效的催化劑問世時，水中取“火”——制氫就成為可能，到那時，人們只要在汽車、飛機(jī)等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽光照射下，水便能不斷地分解出氫，成為發(fā)動機(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，通過陽光的照射，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，通過氫化酶誘發(fā)電子，把水里的氫離子結(jié)合起來，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)氫的這類微生物，以適應(yīng)開發(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，摻入一些其他營養(yǎng)素制成的培養(yǎng)液就可培養(yǎng)出這種細(xì)菌，這時，在玻璃器皿內(nèi)便會產(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養(yǎng)液，就可產(chǎn)生出25毫升的氫氣。

       美國宇航部門準(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)菌的生長與繁殖很快，而且培養(yǎng)方法簡單易行，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。

       對于制取氫氣，有人提出了一個大膽的設(shè)想：將來建造一些為電解水制取氫氣的專用核電站。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?，人類對氫能源?yīng)用自200年前就產(chǎn)生了興趣，到20世紀(jì)70年代以來，世界上許多國家和地區(qū)就廣泛開展了氫能源研究。

       氫燃料電池技術(shù)，一直被認(rèn)為是利用氫能，解決未來人類能源危機(jī)的終極方案。上海一直是中國氫燃料電池研發(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輛。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成為中國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。2007年中國已成為世界第三大汽車生產(chǎn)國和第二大汽車市場。與此同時，汽車燃油消耗也達(dá)到8000萬噸，約占中國石油總需求量的1/4。在能源供應(yīng)日益緊張的今天，發(fā)展新能源汽車已迫在眉睫。用氫能作為汽車的燃料無疑是最佳選擇。

       雖然燃料電池發(fā)動機(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。這個階段需要政府加大研發(fā)力度的投入，以保證中國在燃料電池發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面的水平和領(lǐng)先優(yōu)勢。這包括對掌握燃料電池關(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，國家還應(yīng)加快對燃料電池關(guān)鍵原材料、零部件國產(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，帶動燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的延伸。同時政府還應(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，以加快燃料電池車示范運營相關(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)，推動燃料電池汽車的載客示范運營。有政府的大力支持，氫能汽車一定能成為朝陽產(chǎn)業(yè)。

怎么制造出來

       氫能源作為一種清潔、高效的能源，其制造方式多種多樣，每種方式都有其獨特的優(yōu)勢和局限性。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，主要通過煤氣化技術(shù)將煤轉(zhuǎn)化為氫氣。該過程涉及煤氣化、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。

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，但原料成本較高，制氫成本受天然氣價格波動影響較大。此外，天然氣制氫也是全球氫氣的主要來源之一。

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。但甲醇價格波動較大、運輸儲存不方便，且經(jīng)過凈化處理后殘余甲醇問題尚未完全解決。不過，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，甲醇制氫有望在未來得到更廣泛的應(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。這些尾氣主要來源于氯堿工業(yè)、焦?fàn)t煤氣以及輕烴裂解等過程。工業(yè)副產(chǎn)制氫的最大優(yōu)勢在于幾乎無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。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)相對成熟，并且可以利用可再生能源（如太陽能和風(fēng)能）的電力來進(jìn)行水電解，實現(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，目前還無法實現(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，對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，且原料來源受限，因此目前仍處于研究和開發(fā)階段。

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