未來清潔能源

趙奇

[去科技館學科學]

氫能是當今社會所關注的熱門可再生能源之一。《義務教育小學科學課程標準》要求學生掌握“工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計，解決實際問題和制造產品的活動”“工程是以科學和技術為基礎的系統性工作”。在中國科技館，可以通過“能源世界”展區的展品“可再生能源——氫能”體驗如何運用科學和技術手段實現氫能的可再生利用。

可再生能源——氫能

氫是一種化學元素，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（如氫氣）數量極少，自然界中它多以化合物形態出現，化合態氫的最常見形式是水和有機物。因此，想要獲得大量的單質氫只有依靠人工制取。“可再生能源——氫能”這件展品將演示電解水制氫、氫儲存運輸、氫能驅動小車的全過程，觀眾通過互動操作可了解氫的制備、使用等環節的相關科學原理及知識。

展品主要由展臺、太陽能光伏板、小車輪、燈（模擬太陽）、按鈕等組成。觀眾按下啟動按鈕，燈亮起照射到光伏板上，光伏板產生電能，用于電解水產生氫氣，經過管道傳輸到水柱上方，通過氫燃料電池驅動小汽車輪子轉起。在各個互動環節有燈帶提示相應的操作。展品通過機電互動的方式，引導觀眾親自動手操作體驗。展臺設計成圓形，便于觀眾全方位觀察展品現象。相較于傳統靜態展示方式，本展品讓觀眾可以動手互動操作，以及再現模擬實際應用，將枯燥的科學知識以生動可體驗的方式展現，增強觀眾體驗感，引導觀眾自發探索和思考。

氫能制取

在宇宙中氫是最豐富的物質。在地殼10千米范圍內（包括海洋和大氣）化合態氫的重量組成約占1%，原子組成約占15.4%。其中，天然氣、石油、煤炭、生物質能及其他富氫有機物等，都是氫的有效來源。氫的最大來源是水，尤其海水，據計算，9噸水可以生產出1噸氫，而且氫與氧的燃燒產物就是水，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現良性循環，取之不盡，用之不竭。工業副產氫也是向燃料電池提供燃料的有效途徑。此外，在冶金工業、發酵制酒及丁醇溶劑等的生產過程中都有大量氫可回收。上述各類工業副產氫的可回收總量，估計可達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國，在2015年生產了2200萬噸氫氣，占世界產量的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，技術成熟、成本低，并且已“有利可圖”，但不可持續、不環保，違背了氫能作為清潔能源的本質。而多種化工過程，如煤化工、電解食鹽制堿工業、發酵制酒工藝、合成氨化肥工業、石油煉制工業等，均有大量副產氫氣，技術成熟、成本低且對環境友好，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化的，太陽能、風能、水能等可再生能源可先轉化為電力再通過電解水制氫，而產生的氫氣反過來也可以通過發生化學反應釋放化學能用來發電。從這里也可以看出，氫氣是一種儲能介質，甚至可以看作是與電一樣的能源載體。

太陽能、風能、水能等再生能源都有一定的間歇性，導致棄光、棄風、棄水現象十分嚴重，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電增強電網的協調性和可靠性，并且整個過程清潔環保，幾乎不產生二氧化碳。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%，而要達到10%左右才可以實現工業化，因此還無法大規模應用。相信隨著技術的發展，制取氫的辦法將越來越多，效率越來越高。

氫能存儲

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

氫能利用

近年來，氫燃料電池車領域的技術突破，使大家越來越關注氫能技術，尤其是它在交通領域的應用。氫燃料電池車相比傳統汽車，具有無污染、無噪聲、無傳動部件的優勢，相比電動車，具有續航里程長、充電時間短、起動快（8秒鐘即可達全負荷）的優勢。曾經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秒內從靜止狀態加速到100千米/小時，并使其達到超過300千米/小時的最高車速，在試車場創下氫燃料內燃動力汽車的9項全球速度記錄。除了在交通領域的應用，氫能源還可用于大中規模的儲能和發電，可作為工業能源、化工原料等，用途非常廣泛。

氫能是公認的清潔可再生能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。目前我國已在氫能領域取得了多方面的進展，在不久的將來有望成為氫能技術和應用領先的國家之一。氫具有清潔、重量輕、無毒、利用率高等特點，時至今日，氫能的利用已有長足進步。自從1965年美國開始研制液氫發動機以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發動機。美國的航天飛機已成功使用液氫作為燃料。我國長征5號也使用液氫作燃料。氫汽車靠氫燃料，氫燃料電池運行也是溝通電力系統和氫能體系的重要手段及應用。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。