无碳能源:太阳氢

毛宗强

据2009年7月29日新浪网转引英国《卫报》网站的报道，美国地质调查局(USGS)近日曝光了过去10年由美国同谍卫星拍摄的大量反映全球变暖对北极地区带来的灾害性影响的照片。这些照片显示，不过1年时间，2007年夏季消失的海冰就比2006年多100万平方千米，令人触目慷心!我们现在大量使用的煤、石油和天然气都是化石能源。都含有碳。使用的结果是大气中：氧化碳排放量迅速上升、导致灾难性气候变化，使洪水、海啸、干旱、炎热、冰冻等愈发肆虐。全球气候变暖的警钟早已敲响，这次发布的照片不过又增添了新的事实，再次唤起人们对无碳能源的期盼。

太阳氢是人类的无碳能源

在广袤浩瀚的宇宙里，太阳是一颗非常普通的恒星。气体是组成太阳的主要物质，其中氢约占71.3％，氯约占27％，其他元素占2％。太阳表面的温度约为6000℃，核心温度则高速1500万℃，在那里，不停进行着氢聚变为氯的热核反应。虽然地球得到太阳极小的辐射热(大约只有其中1／22亿的能量)，但是太阳却是地球万物欣欣向荣的主要能源。人类从史前就开始利用太阳能，而现在，不计其教的太阳能热水器、太阳能光伏发电装置则能帮助人类进一步地利用太阳能。更有报道，2009年，20家德国知名公司南管聚首，提出在非洲撒哈拉沙漠建造世界上最大的太阳能电厂的规划。这座太阳能电厂发出的100兆瓦电量可以通过高压直流线跨越地中海输送到欧洲，仅此一家电厂发的电就能满足欧洲15％的能源需求。虽然这个电厂项目需要10年～15年的时间才能并网供电，但是诱人的前景使德国著名的公司如西门子、德意志银行、德国能源业巨头RWE能源集团和大型保险公司都对其趋之若骛。

氩是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75％。氢的单质形态是氢气(H2)，是最轻的气体，它无色无味，是极易燃烧的双原子分子。地球表面没有游离态的氢，氢以化合物的形态存在，水(H₂O)是其最常见的化合物。而太阳上则充满着氢，太阳核心一直进行着剧烈的氢的热核聚变，并发出巨量的能，照亮并温暖着我们居住的地球。

氢的发现要追溯到16世纪，当时不少学者都在实验中得到过氢气，不过当时人们对空气的组分还没有摸透，并不认识氯气，包括最先把氢气收集起来并仔细加以研究其性质的英国化学家卡文迪许。直到1782年，法国人拉瓦锡才通过实验明确提出：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了2000年来人们把水当作元素的错误概念。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“H—ydrogne”(氢)，意思是“产生水的”，并确认了它是一种元素。

氢元素位于元素周期袁之首，它的原子序数为1，在各种气体中，氯气的密度最小，标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克。在101千帕压强、温度为零下252.9℃时，氢气可转变成无色的液体；在零下259.1℃时，变成雪状固体；若此时再将压力增大到教百个大气压，液氢就可变为金属氢。

作为能源，氢有以下特点：

①除核燃料外，氢的发热值是所有燃料中最高的，为142351千焦／千克，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

②氢燃烧性能好，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

③氢本身无毒，即使发生泄漏，也不会给环境带来污染。而汽油、甲醇的泄漏则会污染环境。特别是甲醇，本身有毒且是致癌物质，而它和水的无限互溶性，则使泄漏的甲醇会严重、长时期地污染水源。与其他燃料相比，氢燃烧时最清洁，除生成水外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化舍物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质；而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。

④氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生电或者热能，又可以通过燃料电池的电化学反应产生电和热。用氯气代替石油，现在的内燃机汽车稍加改装即可使用，当然，如果使用专门的氯燃料电池汽车，则效率会提高一倍，即用同样多的氢气，氢燃料电池车可以比氢内燃机汽车多跑一倍的路程。

由于氢气的制得必须消耗一次能源，因此氢是二次能源，是联系一次能源和能源用户的中间纽带。在未来的世界能源舞台上，氢能将会成为一种举足轻重的二次能源。

太阳能应该伴随太阳氢

我国是世界氢气产量最大的国家，2008年生产大约1500万吨氢，居全球第一。全球的商业用氢大约有96％是用煤、石油和天然气等化石燃料制取的，我国的比例大约为97％，其余为电解水制氢。一句话，目前全世界的氢气生产都极其依赖化石能源，而未来的氢气则必须来自可再生能源。目前可再生能源发电技术、电解水制氢和氧已经开始工业化应用。可以设想，太阳能发电集合电解水制氢将是离现实最近的太阳能制氢气的路线。其他的太阳氢路线还包括：由太阳能直接高温热裂解水制氢，但这需要2000℃以上的高温；用太阳光直接分解水制氢和氧的方法则需要借助催化剂；绿藻在无氧条件下，经太阳光照射就可以放出氢气，兰绿藻等许多藻类在一定条件下都有光合放氢的作用。

一旦氢能源被高效应用，特别是氢内燃机汽车和氢燃料电池汽车日趋接近于大规模的商业化，氢的储存技术就显得十分重要。目前已经工业应用的储氢技术主要有高压储氢技术、液化储氢技术、金属氢化物储氢技术和复合储氢技术。其中高压储氢技术是最常见的一种，技术方法也相对成熟；液化储氢技术则需要较高成本，如果能将其有效降低，则也有非常广阔的前景；多年来，金属氢化物储氢技术最大的优势在于它的高体积储氢密度和高安全性，突出问题则是金属氢化物自身质量大而导致其质量储氢密度偏低；复合储氢技术是为了克服上述储氢方法的不足，人们在加紧研究的更新的、综合的储氢方法。

氢能的利用

氢能的利用方式主要有两种。

其一是最为普遍的由氢气直接燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，如氢内燃机。其二是利用燃料电池技术，将氢高效转化为电和热。

早在第二次世界大战期间，氢即已被用作V-2火箭发动机的液体推进剂；1960年，液氢首次用作航天动力燃料；1970年，美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作为燃料的。今天，多家汽车公司成功开发了氢内燃机汽车，如宝马公司的BMWH2R的心脏就是一台排量为6升的12缸氢动力发动机，最大输出功率超过210千瓦。它能在约6秒的时间内从静止状态加速到100千米／小时，最高车速高达302.4千米／小时。

2004年9月，BMW H2R在一天之内连续创造了9项世界记录，高速起测量1.6千米的行驶时间为19.9秒；静止起测量1.6千米的行驶时间为36.7秒；静止起测量16千米的行驶时间为221.1秒等。而在创造世界纪录的同时，它排出的仅仅是水蒸气。

氢燃料电池的能量转化效率高达80％以上，远高于温差电池的10％和太阳能电池的20％的转化效率。燃料电池的这一独特优点使它被列为未来世界10大科技之首。作为高效率、无噪声、无污染的电源，氢燃料电池有望成为航天、电动车辆、分散式供电以及便携式电源的首选。

目前，全世界的著名汽车制造厂商都投巨资于氢燃料电池车的研究开发。丰田公司的氢燃料电池样车加注一次氢气，可以行驶830千米，而加氢时间不到3分钟。目前，数百辆氢燃料电池汽车正在美国和欧洲等国家的家庭试用。去年，我国20多辆国产氢燃料电池大客车和小轿车完满地完成了服务北京奥运会的任务，明年将有200辆氢燃料电池车为上海世博会的全世界宾客服务。如今，氢燃料电池车已经站在商业化门口：2003年，16个国家政府出面协商“氢经济国际合作伙伴计划”，目标在2020年实现氢燃料电池汽车产业化，日本的丰田公司声称要争取2014年就开始氢燃料电池车的产业化。

现在数以千计的氯燃料电池分布式电站正在全世界示范，其功率从1千瓦到几兆瓦不等。日本在这方面又走在了世界的前列。他们推出千瓦级家用燃料电池热电联供电站，白天，在用电高峰时，燃料电池电站用煤气发的电上网高价售出，热水保存自用；晚上除家庭自发电外，再从电网购回低价的电，经济效益和环境效益兼得。这个项目自2004年以来，在日本家庭试用2300多台后，于2009年5月正式开始商业化，由政府补贴上市。

安全的氢

氢在使用和储运中是否安全可靠，受到人们的普遍关注。氢的独特物理性质，如更宽的着火范围、更低的着火能、更容易泄漏、更高的火焰传播速度等决定了氢不同于其他燃料的安全性问题。

多家国际研究机构对氢安全性进行了试验研究。实地进行的汽油车和氢气丰着火对比试验表明，氢气丰起火后，大火冲天，很快氢气就烧究火灭，连汽车后备箱玻璃都没有损坏，并非像美国大片中展示的汽油罐中弹发生爆炸，大火冲天；而汽油车着火则很快将整个汽车吞没。用抢击高压氢气储罐的试验中，子弹穿透高压储氢罐、氢气高速冲出，连火苗都没有，最后，完整的气瓶上留下清晰的弹孔。

氢气作为能源应用虽然刚刚开始，但是氢气的工业应用已经历了半个多世纪，其安全记录也令人满意。因为任何燃料都储存高密度能量，自然都有潜在的危险，并需要正确处理，而且一旦发生事故，都有危害，不同之处在于，通常，氢气比汽油、甲醇、天然气燃料更易处置。氢非常轻，空气的重量是它的14.4倍，(天然气仅比空气轻1.7倍)。氢的扩散性比天然气高4倍，比汽油蒸汽的挥发性高12倍，因此，氢发生泄漏后会很快从现场散发。如果点燃，氢会很快产生不发光的火焰，散发的辐射热仅及碳氢化合物的1／10，燃烧时比汽油温度低7％，而着火所需要的最小浓度比汽油蒸汽高4倍。

太阳氢——人类发展的历史性选择

能源的发展史伴随着人类的文明史。从最早的钻本取火、风能和水能的简单利用开始，人类通过对人畜动力和初级能源的应用，不断提高了社会生产力。第一次能源结构大变革是在19世纪中叶，伴随着蒸汽机的发明，煤炭成为工业的主要能源，促进了资本主义社会的工业高速发展，出现了机器和大工业生产。第二次能源结构大变革是从20世纪初开始，内燃机的发明使石油迅速登上了能源舞台，并得到了急速发展。以内燃机为动力的移动式机械设备使人类的活动范围空前扩大。二次能源——电力的普及使能源利用产业摆脱了对矿区的依赖，新技术革命创造了人类历史上空前灿烂的物质文明。第三次能源结构大变革始于20世纪70年代的石油危机，人们逐渐认识到化石能源的不可再生性以及导致的地球环境的恶化，开始开发和利用新能源(可再生能源、原子能等低碳、无碳能源)。氢能被誉为清洁的能源栽体，各发达国家都在加紧部署、实施氢能战略。

无碳能源太阳氢将在保持清洁环境的同时提供人类可持续发展的动力。那时，消费者将像现在获取汽油、天然气或电力那样方便地获取氢能。由现在化石能源为主的系统转换到低碳、乃至无碳能源体系是一个长期的过程，也是一场生死攸关的能源革命，中国要用行动取得胜利。(文章代码：1815)

责任编辑：赵柠