無碳能源:太陽氫

毛宗強

據2009年7月29日新浪網轉引英國《衛報》網站的報道，美國地質調查局(USGS)近日曝光了過去10年由美國同諜衛星拍攝的大量反映全球變暖對北極地區帶來的災害性影響的照片。這些照片顯示，不過1年時間，2007年夏季消失的海冰就比2006年多100萬平方千米，令人觸目慷心!我們現在大量使用的煤、石油和天然氣都是化石能源。都含有碳。使用的結果是大氣中：氧化碳排放量迅速上升、導致災難性氣候變化，使洪水、海嘯、干旱、炎熱、冰凍等愈發肆虐。全球氣候變暖的警鐘早已敲響，這次發布的照片不過又增添了新的事實，再次喚起人們對無碳能源的期盼。

太陽氫是人類的無碳能源

在廣袤浩瀚的宇宙里，太陽是一顆非常普通的恒星。氣體是組成太陽的主要物質，其中氫約占71.3％，氯約占27％，其他元素占2％。太陽表面的溫度約為6000℃，核心溫度則高速1500萬℃，在那里，不停進行著氫聚變為氯的熱核反應。雖然地球得到太陽極小的輻射熱(大約只有其中1／22億的能量)，但是太陽卻是地球萬物欣欣向榮的主要能源。人類從史前就開始利用太陽能，而現在，不計其教的太陽能熱水器、太陽能光伏發電裝置則能幫助人類進一步地利用太陽能。更有報道，2009年，20家德國知名公司南管聚首，提出在非洲撒哈拉沙漠建造世界上最大的太陽能電廠的規劃。這座太陽能電廠發出的100兆瓦電量可以通過高壓直流線跨越地中海輸送到歐洲，僅此一家電廠發的電就能滿足歐洲15％的能源需求。雖然這個電廠項目需要10年～15年的時間才能并網供電，但是誘人的前景使德國著名的公司如西門子、德意志銀行、德國能源業巨頭RWE能源集團和大型保險公司都對其趨之若騖。

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

氫的發現要追溯到16世紀，當時不少學者都在實驗中得到過氫氣，不過當時人們對空氣的組分還沒有摸透，并不認識氯氣，包括最先把氫氣收集起來并仔細加以研究其性質的英國化學家卡文迪許。直到1782年，法國人拉瓦錫才通過實驗明確提出：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了2000年來人們把水當作元素的錯誤概念。1787年，他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H—ydrogne”(氫)，意思是“產生水的”，并確認了它是一種元素。

氫元素位于元素周期袁之首，它的原子序數為1，在各種氣體中，氯氣的密度最小，標準狀況下，1升氫氣的質量是0.0899克。在101千帕壓強、溫度為零下252.9℃時，氫氣可轉變成無色的液體；在零下259.1℃時，變成雪狀固體；若此時再將壓力增大到教百個大氣壓，液氫就可變為金屬氫。

作為能源，氫有以下特點：

①除核燃料外，氫的發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，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。

③氫本身無毒，即使發生泄漏，也不會給環境帶來污染。而汽油、甲醇的泄漏則會污染環境。特別是甲醇，本身有毒且是致癌物質，而它和水的無限互溶性，則使泄漏的甲醇會嚴重、長時期地污染水源。與其他燃料相比，氫燃燒時最清潔，除生成水外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化舍物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質；而且燃燒生成的水還可繼續制氫，反復循環使用。

④氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生電或者熱能，又可以通過燃料電池的電化學反應產生電和熱。用氯氣代替石油，現在的內燃機汽車稍加改裝即可使用，當然，如果使用專門的氯燃料電池汽車，則效率會提高一倍，即用同樣多的氫氣，氫燃料電池車可以比氫內燃機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，是聯系一次能源和能源用戶的中間紐帶。在未來的世界能源舞臺上，氫能將會成為一種舉足輕重的二次能源。

太陽能應該伴隨太陽氫

我國是世界氫氣產量最大的國家，2008年生產大約1500萬噸氫，居全球第一。全球的商業用氫大約有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都極其依賴化石能源，而未來的氫氣則必須來自可再生能源。目前可再生能源發電技術、電解水制氫和氧已經開始工業化應用?？梢栽O想，太陽能發電集合電解水制氫將是離現實最近的太陽能制氫氣的路線。其他的太陽氫路線還包括：由太陽能直接高溫熱裂解水制氫，但這需要2000℃以上的高溫；用太陽光直接分解水制氫和氧的方法則需要借助催化劑；綠藻在無氧條件下，經太陽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用，特別是氫內燃機汽車和氫燃料電池汽車日趨接近于大規模的商業化，氫的儲存技術就顯得十分重要。目前已經工業應用的儲氫技術主要有高壓儲氫技術、液化儲氫技術、金屬氫化物儲氫技術和復合儲氫技術。其中高壓儲氫技術是最常見的一種，技術方法也相對成熟；液化儲氫技術則需要較高成本，如果能將其有效降低，則也有非常廣闊的前景；多年來，金屬氫化物儲氫技術最大的優勢在于它的高體積儲氫密度和高安全性，突出問題則是金屬氫化物自身質量大而導致其質量儲氫密度偏低；復合儲氫技術是為了克服上述儲氫方法的不足，人們在加緊研究的更新的、綜合的儲氫方法。

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生熱能，在熱力發動機中產生機械功，如氫內燃機。其二是利用燃料電池技術，將氫高效轉化為電和熱。

早在第二次世界大戰期間，氫即已被用作V-2火箭發動機的液體推進劑；1960年，液氫首次用作航天動力燃料；1970年，美國發射的“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發了氫內燃機汽車，如寶馬公司的BMWH2R的心臟就是一臺排量為6升的12缸氫動力發動機，最大輸出功率超過210千瓦。它能在約6秒的時間內從靜止狀態加速到100千米／小時，最高車速高達302.4千米／小時。

2004年9月，BMW H2R在一天之內連續創造了9項世界記錄，高速起測量1.6千米的行駛時間為19.9秒；靜止起測量1.6千米的行駛時間為36.7秒；靜止起測量16千米的行駛時間為221.1秒等。而在創造世界紀錄的同時，它排出的僅僅是水蒸氣。

氫燃料電池的能量轉化效率高達80％以上，遠高于溫差電池的10％和太陽能電池的20％的轉化效率。燃料電池的這一獨特優點使它被列為未來世界10大科技之首。作為高效率、無噪聲、無污染的電源，氫燃料電池有望成為航天、電動車輛、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發。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，而加氫時間不到3分鐘。目前，數百輛氫燃料電池汽車正在美國和歐洲等國家的家庭試用。去年，我國20多輛國產氫燃料電池大客車和小轎車完滿地完成了服務北京奧運會的任務，明年將有200輛氫燃料電池車為上海世博會的全世界賓客服務。如今，氫燃料電池車已經站在商業化門口：2003年，16個國家政府出面協商“氫經濟國際合作伙伴計劃”，目標在2020年實現氫燃料電池汽車產業化，日本的豐田公司聲稱要爭取2014年就開始氫燃料電池車的產業化。

現在數以千計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。他們推出千瓦級家用燃料電池熱電聯供電站，白天，在用電高峰時，燃料電池電站用煤氣發的電上網高價售出，熱水保存自用；晚上除家庭自發電外，再從電網購回低價的電，經濟效益和環境效益兼得。這個項目自2004年以來，在日本家庭試用2300多臺后，于2009年5月正式開始商業化，由政府補貼上市。

安全的氫

氫在使用和儲運中是否安全可靠，受到人們的普遍關注。氫的獨特物理性質，如更寬的著火范圍、更低的著火能、更容易泄漏、更高的火焰傳播速度等決定了氫不同于其他燃料的安全性問題。

多家國際研究機構對氫安全性進行了試驗研究。實地進行的汽油車和氫氣豐著火對比試驗表明，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有損壞，并非像美國大片中展示的汽油罐中彈發生爆炸，大火沖天；而汽油車著火則很快將整個汽車吞沒。用搶擊高壓氫氣儲罐的試驗中，子彈穿透高壓儲氫罐、氫氣高速沖出，連火苗都沒有，最后，完整的氣瓶上留下清晰的彈孔。

氫氣作為能源應用雖然剛剛開始，但是氫氣的工業應用已經歷了半個多世紀，其安全記錄也令人滿意。因為任何燃料都儲存高密度能量，自然都有潛在的危險，并需要正確處理，而且一旦發生事故，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)。氫的擴散性比天然氣高4倍，比汽油蒸汽的揮發性高12倍，因此，氫發生泄漏后會很快從現場散發。如果點燃，氫會很快產生不發光的火焰，散發的輻射熱僅及碳氫化合物的1／10，燃燒時比汽油溫度低7％，而著火所需要的最小濃度比汽油蒸汽高4倍。

太陽氫——人類發展的歷史性選擇

能源的發展史伴隨著人類的文明史。從最早的鉆本取火、風能和水能的簡單利用開始，人類通過對人畜動力和初級能源的應用，不斷提高了社會生產力。第一次能源結構大變革是在19世紀中葉，伴隨著蒸汽機的發明，煤炭成為工業的主要能源，促進了資本主義社會的工業高速發展，出現了機器和大工業生產。第二次能源結構大變革是從20世紀初開始，內燃機的發明使石油迅速登上了能源舞臺，并得到了急速發展。以內燃機為動力的移動式機械設備使人類的活動范圍空前擴大。二次能源——電力的普及使能源利用產業擺脫了對礦區的依賴，新技術革命創造了人類歷史上空前燦爛的物質文明。第三次能源結構大變革始于20世紀70年代的石油危機，人們逐漸認識到化石能源的不可再生性以及導致的地球環境的惡化，開始開發和利用新能源(可再生能源、原子能等低碳、無碳能源)。氫能被譽為清潔的能源栽體，各發達國家都在加緊部署、實施氫能戰略。

無碳能源太陽氫將在保持清潔環境的同時提供人類可持續發展的動力。那時，消費者將像現在獲取汽油、天然氣或電力那樣方便地獲取氫能。由現在化石能源為主的系統轉換到低碳、乃至無碳能源體系是一個長期的過程，也是一場生死攸關的能源革命，中國要用行動取得勝利。(文章代碼：1815)

責任編輯：趙檸