未来能源：氢能的革命

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：高温气冷堆将是制备氢的理想热源，它可提供高达1000℃以上的高温。现在，利用液氢作为燃料的氢能飞机已经研制成功，并且进行了试验，性能十分稳定。专家普遍认为，21世纪最有前途的能源有两种：一种是氢能，另一种是受控核聚变能。氢是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

早在1874年，富于幻想的作家米尔斯·维恩曾预言，世界能源最终将以氢为基础。发展趋势表明，下世纪过渡到使用无碳燃料已在所难免。氢原子将取代碳原子，使地球恢复洁净。

自从工业革命开始以来，人类通过燃烧化石燃料，已经把数十亿吨有毒污染物倾倒在大气层中。燃烧化石燃料，每年有50亿吨炭、约1000万吨硫和比此数少一些的氮氧化物进入大气层。

氢作为燃料的独一无二的优点是，它的燃烧产物是水，不会污染环境，燃料循环与生物圈相吻合。

氢的运输和销售费用要比输电的便宜，在许多情况下，把现有的天然气管线改造一下，就能用来运输氢。运送氢的费用只为远距离输电的1/8。氢还可能比电更宜于储存。按重量计算，氢的能量是同量汽油能量的2.5倍左右。如果把喷气机上的燃料换成同等效能的氢，就会大大节省重量，这也使氢成为一种航空燃料具有的明显优点。

如果把气态氢效率高的优点考虑进去，那么生产相当于3.78升汽油的气态氢需花费约1.4美元。如果要化石燃料燃烧对环境污染负责的话，则每升汽油的实际成本至少要再增加25美分。因此，当考虑总的社会开支时，甚至现在用氢也比用化石燃料便宜。

在可再生能源得到大量应用之前，氢主要由天然气作原料来生产。21世纪中叶以前，煤炭可能成为生产氢的最便宜的原料。高温气冷堆将是制备氢的理想热源，它可提供高达1000℃以上的高温。

现在，世界各国都在探索用廉价的方法制备氢的途径，而且取得了许多新成果。

美国能源部1993年投资6300多万美元，用于研究与开发利用氢气代替汽油作汽车燃料。科学家们认为氢气将是21世纪后半期汽车的主要燃料。氢气具有对大气污染少，燃烧时不会排放SOx、NOx和CO2等有害气体，完全符合美国于1990年颁布的净化空气法的要求。石油、天然气和煤炭等化石燃料，生成过程很慢，要经历几百万年，甚至几亿年，开采一点少一点，终究有一天会枯竭的。而氢气却是取之不尽，用之不竭的能源，可减少对进口石油的依赖，能实现能源自给自足，可节约大量用于进口石油的外汇。但是，美国过去对研究与开发氢气重视不够，大大落后于德国、瑞典和日本等国家，所以，现在要迎头赶上。

关于利用氢气作汽车燃料的问题，美国研究的重点是开发燃料电池。这种电池，除了用氢气外，还可用天然气、甲醇、乙醇和其他气体。美国科学家瑟法斯说：燃料电池的能源转换效率可达到40%~55%，如果利用它的热能，还可使能源转换效率提高到80%。

美国液化空气专家珀要称：氢气为“未来的燃料”，在21世纪下半期，也许会取代汽油作车用燃料。

日本从1993年度实行以氢作燃料的发电技术计划。预计2020年为实行此计划将投入资金3000亿日元。

使系统实用化的关键技术是：以氢作燃料的涡轮发电机；高效率的分解水技术；安全而低成本的氢储存技术。

由日本万事发车厂研制的实验性汽车，燃料不是汽油、柴油、酒精，而是用氢气发动。而含氢成分极高的水正是它的原料。

目前，尽管这种实验性汽车使用成本极高，而油价目前相对地低，但由于对地球环境污染问题日益重视，而石油总有耗尽一日，用氢作为汽车燃料最为吸引人，因氢与氧结合成为水，而地球上正好有大量的水。(www.chuimin.cn)

不过以水代替汽油，仍有许多难题。首先将氢从水中分解出来就需用大量的电，这是成本高的一个原因。需用大量的电，意味着用氢作汽车燃料也不是绝对干净，因为发电过程会产生有害物质，不过这个问题可用水力发电解决。另一个问题是如何将氢储藏在汽车内，将气体氢变成液体氢，便于储藏，但必须在零下253℃。尽管难题很多，但是氢作燃料是下一个世纪的选择，前途十分光明。

现在，利用液氢作为燃料的氢能飞机已经研制成功，并且进行了试验，性能十分稳定。德国和俄罗斯目前正在合作研制一种空中客机，它由液氢作燃料，可望在2010年前后投入使用。

德俄研制这种飞机的原因：第一，在不久的将来可能出现石油供应短缺。需研究新能源取而代之；第二，从保护环境的角度来看，液氢是最理想的无污染燃料。

目前欧洲每天仅生产液氢20吨，而一旦这种燃料投入使用，估计欧洲每天需消耗液氢6000吨。

可以预料，随着科学技术的突飞猛进，氢将逐渐取代常规能源，到21世纪，它将成为能源舞台上的重要角色之一。氢能时代将会在下世纪后期到来。

专家普遍认为，21世纪最有前途的能源有两种：一种是氢能，另一种是受控核聚变能。而这两种能源都与氢元素息息相关，前者直接利用氢，后者则利用氢的同位素——氘。

氢蕴藏于浩瀚的海洋之中。海洋的总体积约为13.7亿立方千米，若把其中的氢提炼出来，约有1.4×1017吨，所产生的热量是地球上矿物燃料的9000倍。氢是一种极为优越的新能源，其主要优点有：

燃烧热值高每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

清洁无污染燃烧的产物是水，对环境无任何污染。

资源丰富氢气可以由水分解制取，而水是地球上最为丰富的资源。

适用范围广贮氢燃料电池既可用于汽车、飞机、宇宙飞船，又可用于其他场合供能。

开发氢能的关键技术包括两方面：一方面要解决制氢问题，另一方面要解决氢的贮存及运输问题。