可再生能源——氫能的發展與化石能源的替代

一、能源問題的重要性

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，也是當今國際政治、經濟、軍事外交關注的焦點，經濟社會持續快速發展，離不開有利的能源保障。

人類的能源利用經曆了從柴薪時代到煤炭時代，再到油氣時代的演變
，在能源利用總量不斷增長的同時，能源結構也在不斷變化（如圖1），每(mei)一(yi)次(ci)能(neng)源(yuan)時(shi)代(dai)的(de)變(bian)遷(qian)，都(dou)伴(ban)隨(sui)著(zhe)生(sheng)產(chan)力(li)的(de)巨(ju)大(da)飛(fei)躍(yue)，極(ji)大(da)推(tui)動(dong)了(le)人(ren)類(lei)經(jing)濟(ji)社(she)會(hui)的(de)發(fa)展(zhan)。自(zi)第(di)一(yi)次(ci)能(neng)源(yuan)革(ge)命(ming)以(yi)來(lai)，世(shi)界(jie)能(neng)源(yuan)供(gong)應(ying)主(zhu)要(yao)依(yi)賴(lai)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)
，而(er)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)的(de)長(chang)期(qi)大(da)量(liang)使(shi)用(yong)在(zai)促(cu)進(jin)了(le)區(qu)域(yu)經(jing)濟(ji)發(fa)展(zhan)的(de)同(tong)時(shi)
，也(ye)嚴(yan)重(zhong)破(po)壞(huai)了(le)環(huan)境(jing)，造(zao)成(cheng)了(le)嚴(yan)重(zhong)的(de)生(sheng)態(tai)問(wen)題(ti)，如(ru)酸(suan)雨(yu)，氣(qi)候(hou)變(bian)暖(nuan)等(deng)。科(ke)學(xue)觀(guan)測(ce)表(biao)明(ming)，地(di)球(qiu)大(da)氣(qi)中(zhong)CO2的濃度已從工業革命前的280ppmv 上升到了目前的379ppmv(見圖2)；全球平均氣溫也在近百年內升高了0.74℃，特別是近30 年來升溫明顯。總體上看來，全球變暖對地球自然生態係統和人類賴以生存環境造成了日益嚴重的負麵影響。

近年來
， 全球能源消費不斷增長

， 石油價格持續攀升
，2008年7 月達到146 美元， 創下曆史最高，引發了一係列的經濟問題。世界化石能源的儲量有限
， 未來必將耗盡， 能源供應的可持續性引起了越來越多的關注。解決能源與環境問題的方法是節能與新能源開發利用，即“開源節流”，然而節能隻能起到緩解作用， 新能源開發利用才能從根本上解決能源與環境問題。在眾多的新能源中， 可再生能源的利用問題已經成為世界各國廣泛關注的焦點。

二、能源替代的規律和可再生能源的特點

縱觀能源發展史
， 你會看到一個有趣的現象

， 即ji人ren類lei所suo用yong燃ran料liao中zhong氫qing和he碳tan的de比bi例li隨sui年nian代dai逐zhu步bu升sheng高gao。人ren類lei的de燃ran料liao先xian用yong薪xin柴chai，然ran後hou用yong煤mei炭tan，現xian在zai主zhu要yao用yong石shi油you，接jie著zhe將jiang是shi天tian然ran氣qi，最zui後hou則ze是shi不bu含han碳tan的de氫qing氣qi。柴chai薪xin-煤-油-天然氣中的氫/碳的原子比率大約是0.1-1-2-4，對於未來的可再生能源，氫/碳的比率則趨於無限大。同樣有趣的是，我們會發現人類的燃料從固體的柴薪、煤到液體的石油再到氣態的天然氣
，燃料的替代按著固體-液體-氣體的方向進行。這是否也提示我們， 氫氣必然是未來的燃料呢？

人們對氫並不陌生，大約250年前人們就發現了氫；約150年前，氫獲得工業應用。在使用天然氣之前， 人們就用所謂的城市瓦斯來取暖、做飯或道路照明；那種瓦斯含氫量達70%。我國在推廣天然氣之前
， 廣泛使用的由煤製取的城市煤氣中含量高達50%以上。利用液氫發射火箭、航天飛機去探索宇宙的秘密已是眾所周知的事。氫早就是人類應用的能源。

可再生能源是未來能源發展的趨勢， 而在眾多的可再生能源中，風能、水能、地熱能和潮汐能都不僅受到地域限製， 而且不穩定
；太陽能受到太陽光照射限製，不穩定且成本昂貴
； 而生物質能對於環境的影響尚需多方麵的考評， 可再生能源的發展需要一種有效的能源載體
， 而氫則是一種最為理想的可再生能源載體。與化石能源相比
， 可再生能源的載體－氫具有很多優點：

(1)資源豐富。氫在宇宙中是最豐富的物質，在構成宇宙的物質中約占75%。在地球上的氫主要以其化合物
，如水(H2O)、甲烷(CH4)
、氨(NH3)、烴類(CnHm)等形式存在。水是地球上分布最廣的物質
，如果把水中的氫都提煉出來，約有1.4×1017t，所產生的熱量是地球上化石燃料的9000 倍！ 水在地球上幾乎是無所不至
，水就是地球上名副其實的“氫礦”。

(2)可再生性。氫由化學反應產生電能(或熱能)並生成水
，而水又可由電解再轉化為氫和氧，如此循環，永無止盡。

(3)環保、高效。使用氫燃料電池，通過電化學反應將氫轉化為電能和水，過程中不排放CO2和NOx，沒有任何汙染
，另外氫氣是一種極高能量密度與質量比值的能源。燃料電池的發電效率最差也有35-45%(通常都高出很多)，高過諸多內燃機(20-30%)。

氫由於具有以上特點， 可以同時滿足資源、環境和可持續發展的要求， 是其它能源所不能比擬的，所以備受重視。

三、可再生能源替代化石能源的問題分析

在可持續發展的要求下，人們對於環境保護的呼聲日益高漲， 這(zhe)在(zai)客(ke)觀(guan)上(shang)有(you)利(li)於(yu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)替(ti)代(dai)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)的(de)進(jin)程(cheng)。然(ran)而(er)
，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)能(neng)否(fou)替(ti)代(dai)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)不(bu)僅(jin)與(yu)人(ren)們(men)的(de)社(she)會(hui)環(huan)境(jing)意(yi)識(shi)有(you)關(guan)
，還(hai)與(yu)它(ta)們(men)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)有(you)關(guan)。由(you)於(yu)氫(qing)的(de)製(zhi)備(bei)與(yu)儲(chu)存(cun)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)其(qi)成(cheng)本(ben)
， 氫的安全性問題則直接影響其應用範圍。因此，以下將重點對氫的製備、儲存和安全性進行探討。

1. 氫製備的問題

氫是一種二次能源， 其生產方法很多（如圖3），但目前主要依賴於化石能源，在全球範圍內

，氫的製取48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤
， 隻有4%來自水的電解。在各種製氫技術和工藝中， 首先利用天然氣製取氫氣工藝的成本最低， 其次是利用煤炭氣化法和生物質氣化製氫法
、水電解法

，最後是利用可再生資源發電電解製氫法、核能發電製氫和利用生物質發酵製氫的方法。其中
， 化石能源製氫成本最低，在近期仍然具有巨大的環境、經濟
、安全、效率方麵的吸引力。首先

， 可再生能源製備過程中二氧化碳富集
， 比較容易進行捕捉和封存， 可運輸至地質岩層中進行儲存
， 或作為石油開采的驅動氣體；其次，從合成氣中除去氣態汙染物比從燃燒產物中進行要容易得多
；第三，煤炭在全球的分布相對油氣資源要相對平均， 可有效緩解供應安全問題
；最後

，固定式高溫燃料電池的迅速發展將不僅提高中心式供能產業的整體效率， 而且排除了傳統火電的規模和負荷屏障，便於分布式供能。但從長遠來看， 化石能源製氫受到本身資源和碳排放的製約
， 而利用生物質、水shui和he太tai陽yang能neng製zhi氫qing是shi發fa展zhan方fang向xiang。隻zhi有you用yong低di碳tan或huo者zhe零ling碳tan能neng源yuan電dian解jie水shui製zhi取qu可ke再zai生sheng能neng源yuan才cai可ke以yi實shi現xian碳tan減jian排pai的de目mu標biao。因yin此ci，人ren們men寄ji希xi望wang於yu可ke再zai生sheng能neng源yuan製zhi氫qing， 具體的方法很多，如可再生能源(太陽能、風能、海洋能等)發電-電解水製氫；熱化學法製氫
，包括太陽能熱分解水製氫；太陽能光化學分解水製氫
； 太陽能光電化學分解水製氫； 模擬植物光合作用分解水製氫；光合微生物製氫等等。在太陽能製氫方麵，最近《科學》雜誌上報道了關於光催化水解製氫的最新情況
，MIT 已(yi)成(cheng)功(gong)研(yan)製(zhi)了(le)一(yi)種(zhong)由(you)鈷(gu)和(he)磷(lin)等(deng)元(yuan)素(su)組(zu)成(cheng)的(de)新(xin)型(xing)環(huan)保(bao)水(shui)解(jie)催(cui)化(hua)劑(ji)，若(ruo)能(neng)進(jin)一(yi)步(bu)改(gai)進(jin)，就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)較(jiao)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)低(di)成(cheng)本(ben)製(zhi)氫(qing)問(wen)題(ti)。可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)製(zhi)氫(qing)的(de)實(shi)質(zhi)是(shi)利(li)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)代(dai)替(ti)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)，主(zhu)要(yao)還(hai)是(shi)從(cong)水(shui)中(zhong)提(ti)取(qu)氫(qing)！ 從cong近jin期qi和he中zhong期qi的de角jiao度du來lai看kan

，利li用yong可ke再zai生sheng能neng源yuan製zhi氫qing在zai整zheng個ge製zhi氫qing中zhong所suo占zhan的de比bi例li還hai是shi有you限xian的de，原yuan因yin是shi受shou成cheng本ben的de製zhi約yue。化hua石shi能neng源yuan製zhi氫qing仍reng將jiang起qi主zhu導dao作zuo用yong，但dan是shi隨sui著zhe世shi界jie各ge國guo環huan境jing法fa規gui的de日ri益yi嚴yan格ge以yi及ji社she會hui對dui潔jie淨jing的de可ke再zai生sheng能neng源yuan需xu求qiu的de大da幅fu度du增zeng長chang，我wo們men有you理li由you相xiang信xin根gen據ju各ge地di條tiao件jian的de特te點dian， 多種製氫方法將協同發展。

2. 氫儲存的問題

氫的儲存也是一個至關重要的技術
，主要有氣態高壓儲氫、深冷液化儲氫、非金屬化學儲氫和金屬氫化物化學儲氫等技術。大量氫的儲存， 可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)廢(fei)棄(qi)的(de)礦(kuang)井(jing)和(he)山(shan)洞(dong)。小(xiao)量(liang)氫(qing)可(ke)用(yong)高(gao)壓(ya)鋼(gang)瓶(ping)儲(chu)存(cun)，也(ye)可(ke)用(yong)水(shui)封(feng)式(shi)儲(chu)氫(qing)罐(guan)。長(chang)距(ju)離(li)輸(shu)氫(qing)可(ke)用(yong)管(guan)道(dao)。製(zhi)成(cheng)液(ye)態(tai)氫(qing)儲(chu)存(cun)與(yu)輸(shu)送(song)也(ye)是(shi)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)， 但是製成液氫要消耗其本身能量的1/3以上，隻有在特殊情況下使用。就目前看來， 雖(sui)然(ran)儲(chu)氫(qing)的(de)方(fang)法(fa)多(duo)樣(yang)，但(dan)都(dou)達(da)不(bu)到(dao)實(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)，氫(qing)的(de)儲(chu)存(cun)也(ye)是(shi)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)發(fa)展(zhan)的(de)一(yi)大(da)瓶(ping)頸(jing)。從(cong)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)趨(qu)勢(shi)看(kan)
，儲(chu)氫(qing)的(de)前(qian)景(jing)還(hai)是(shi)比(bi)較(jiao)樂(le)觀(guan)的(de)
， 但在未來還需要材料學和物理學的突破
，在保障安全的基礎上，進一步提高儲氫材料的儲氫密度

， 降低成本。

3. 氫的安全性問題

氫在使用和儲運中是否安全可靠， 是人們普遍關注的安全問題。一部分觀點認為，氫的獨特物理性質決定了其不同於其它燃料的安全性問題， 如更寬的著火範圍、更低的著火能量

、更容易泄漏、更高的火焰傳播速度
、更容易爆炸等。20 世紀80 年代末，德國、英國和日本三國的三個大汽車公司， 對可再生能源汽車對於氫燃料的使用進行了試驗和評估。三家公司一致認為， 可再生能源燃料和汽油一樣安全。即使撞車起火燃燒， 至多也不過引起一場大火， 但很快就能熄滅。物理學家Amory B. Lovins 認為， 可再生能源產業經曆了半個多世紀， 有令人羨慕的安全記錄。任何燃料都具有能量， 都隱藏著著火和爆炸的危險。和其他燃料相比
，氫氣是一種高能而安全性高的氣體。氫氣在開放的大氣中， 很容易快速逃逸， 而不像汽油蒸汽揮發後滯留在空間中不易疏散。氫焰的輻射率小，隻有0.01～0.1
，而汽油空氣火焰的輻射率大於0.1，即後者幾乎為前者的10 倍。這說明氫火焰散發的輻射熱小

，危害小。事實證明

，氫氣和其他燃料一樣安全，氫安全可以通過嚴格的規章來保證。

四、結論

能源結構更替需要時間！ 估計需要用幾十年以至近百年的時間， 第一批新能源才會做出重大貢獻。例如：核裂變已有半個多世紀的曆史，