氫能：值得期待的未來清潔能源

“21世紀初葉人類正面臨的兩大危機：一是人為因素導致的氣候變化是真實存在的，至21世紀末，氣溫的升高將會呈現(xiàn)一個相當大的幅度，并將會給人類、動物、植物以及人類文化遺產帶來災難性的后果。二是傳統(tǒng)化石能源或核能源燃料被少數(shù)幾個國家寡頭壟斷的情況正不斷加劇，這不利于大多數(shù)國家利用能源。解決上述問題的方案不少，但是氫能為最優(yōu)方案，它將為人類提供足夠的清潔能源。”這是國際氫能界的主要科學家在2006年11月13日聯(lián)名向八國集團領導人以及聯(lián)合國相關部門負責人提交的《百年備忘錄》中所說的一段話。

為什么世界科學家對氫能如此重視?氫能到底能不能擔當如此重任呢?

誰是下一個能源主角

人類的能源發(fā)展史是一部生產力發(fā)展的歷史。從不發(fā)達社會使用收集的牲畜糞干、秸稈茅草，到我們今天使用的石油、煤炭、天然氣能源，人類社會的發(fā)展是隨著能源的進步而進步的。能源不僅為人類提供了基本需求如光和熱，還讓我們能在空中、地面、水上甚至星際間長距離旅行。

“鉆木取火”是人類利用柴薪的開始。從有史以來到公元1800年，人類利用能源的方式都是如此。期間個別地方發(fā)現(xiàn)煤、天然氣乃至石油，并沒有引起轟動，主要是沒有工業(yè)應用，無論哪種能源都是用于炊事、照明而已，差別不大。直到工業(yè)革命的蒸汽機發(fā)明之時，人們還是用木頭燒鍋爐。后來，人們發(fā)現(xiàn)煤可以更方便、更有效地開動蒸汽機，再加上木材也越來越少，煤炭才迅速代替了木材，成為世界能源的主角。

隨著汽車的發(fā)明和普及，人們又發(fā)現(xiàn)石油是比煤更方便、更有效的一種能源，于是石油在能源舞臺上大顯身手。再往后，天然氣也成為人類生活中重要的能源。不難看出，人類在經歷了柴薪時代、煤炭時代、石油時代、天然氣時代后，能源將會進入氫能時代?，F(xiàn)在，氫作為能源載體已經受到世界各國科學家、工程師、投資家和政府部門等多方的高度關注。

化石能源的尷尬處境

1770年，瓦特發(fā)明蒸汽機，標志著第一次工業(yè)革命的開始，煤作為能源起了無可替代的推動作用。不過，瓦特根本無法想像他天才的發(fā)明，以及在他之后的各式各樣、形形色色的蒸汽機向大氣排放的CO2會給環(huán)境帶來越來越嚴重的災難。許多年以后，當煤、石油和天然氣燃燒時，CO2和其他化學物質在大氣中逐漸被積累，吸收熱量，并導致今天的“溫室效應”，威脅著全人類的生存環(huán)境。

在過去的許多年，天文數(shù)字般的CO2被排放到大氣中，大氣中二氧化碳的濃度一直在增加。如1790年大氣中二氧化碳濃度為260ppm,2003年為375.64ppm，預計到2050年將達到700ppm。這些CO2像溫室的玻璃一樣，吸收了太陽的熱，使地球的溫度升高。在20世紀，地球溫度升高了0.7℃。“溫室效應”的可怕后果是土地沙漠化、農業(yè)減產、物種變遷、疾病流行、冰川融化、海平面上升、氣候變化、洪水、地震、海嘯以及“厄爾尼諾”現(xiàn)象等。計算機模擬實驗表明，當?shù)厍驓鉁厣?℃，局部地區(qū)會明顯變暖;增加4℃以上時，萬年冰山融化，極地冰層溶解，地球的沿海地區(qū)將被淹沒。

2006年10月30日英國政府公布了一份有關全球氣候變暖問題的報告，這份長達700頁的《斯特恩報告》指出，如果各國政府在未來10年內不采取有效行動遏制“溫室效應”，那么全球將為此付出高達6.98萬億美元的經濟代價，這將超過一戰(zhàn)、二戰(zhàn)和上世紀30年代美國經濟大蕭條時期所付出的代價。此外，冰川大量融化所引起的氣候變化會導致全球六分之一的人口嚴重缺水，40%以上的野生物種滅絕，并造就多達兩億的“環(huán)境難民”。

眾所周知，含碳的燃料在空氣中燃燒會產生熱量，燃燒的副產物除CO2和水蒸氣外，空氣中的氮與氧反應產生一氧化氮和二氧化氮氣體，通常表示為NOX。NOX是更強烈的溫室氣體，其溫室效應是CO2的310倍。

煤和石油通常含有一些硫磺，燃燒時會產生二氧化硫、三氧化硫等硫氧化物，表示為SOx，SOx與雨水結合形成硫酸，即我們所說的“酸雨”。“酸雨”會嚴重地危害動植物生長，從而直接或間接地危害人體健康;對金屬、石料、水泥、木材等建筑材料均有很強的腐蝕作用，對城市建筑、道路、橋梁、名勝古跡會造成很大危害。“酸雨”帶給社會經濟的損失是不言而喻的。

此外，燃燒汽油、柴油或其他含碳燃料還會產生如一氧化碳、過氧硝酸乙酰酯(俗名為PAN)、苯并芘、煙霧之類有毒物質，也是給人類帶來許多麻煩的根源。

化石能源，特別是煤的使用，不但會給煤使用地區(qū)帶來污染，而且給煤的生產地區(qū)也會帶來河流污染、地面塌陷等災難;石油天然氣的開采也往往會造成嚴重的環(huán)境地質問題，比如導致地面變形、誘發(fā)地震、巖溶塌陷等等。

成也化石能源，敗也化石能源，它是地球環(huán)境污染的重要根源。所以，為了我們的地球，為了我們的后代，要盡量少用化石能源，同時使用替代能源。

氫能的機遇

要解決全世界面臨的“溫室效應”和環(huán)境問題，人們提出了多種辦法，其實，最好的方法就是把燃料中的碳去掉。利用原子的核聚變反應也許能提供人類所需要的能量，但從目前估計，這可能是百年以后的遠景了。

而用氫代替目前所用的燃料是惟一能提供既沒有溫室效應、也沒有污染物威脅的高質生活的途徑。世界的難題，給氫能提供了展示優(yōu)勢的機會。

《百年備忘錄》中提到過“氫能將進一步提高可再生能源在全球能源市場中的比例”，這是因為科技界普遍認為氫能是一種極具潛力的“能源載體”。氫氣不是一次能源，自然界中不存在純氫，只能通過分解含氫化合物得到，地球上最多的含氫化合物就是水。那么，分解水的能量從何而來?人們自然而然地想到了太陽—太陽能對環(huán)境無害，但有很強的區(qū)域性和時間性。在某一時段，有的地方有太陽，有的地方卻沒有;即使在有太陽的地方，太陽光的強度早晨、中午、晚上也會有很大的變化。這樣，我們必須要在太陽光強度高的時候儲存太陽能，以便在沒有太陽光時再利用。

如何儲存太陽能?靠蓄電池不行，容量太小?？茖W家提出了太陽-氫能系統(tǒng)。簡單地說，白天太陽能轉化為電，并電解水生產氫(只有商業(yè)、工廠和家庭不需要電時，才這樣處理);然后用管道輸送氫，就像今天輸送天然氣一樣，供燃料電池發(fā)電。清華大學核能與新能源技術研究院的科學家們目前正在開展此類“太陽氫”、“風氫”的研究。

太陽-氫能無污染，當用氫產生熱或電時，副產物是清潔的水，水電解又得到氫，所以，太陽-氫能是一個清潔和可循環(huán)的系統(tǒng)。其實，許多自然過程是自循環(huán)的，如動物、人和植物的呼吸系統(tǒng)，食物鏈和地球的水循環(huán)等。難道我們的能源不應該采用可再生的自循環(huán)系統(tǒng)嗎?

在太陽-氫系統(tǒng)中，氫在太陽能(直接的和間接的)和消費者之間扮演一個中介的角色。因為氫可存儲、可運輸、清潔，而且可無限循環(huán)利用，用之不竭。

任重道遠的氫能

大約在250年前人們就發(fā)現(xiàn)了氫。約150年前，氫獲得工業(yè)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，那種瓦斯含氫達60%。

目前，許多人對氫有偏見、疑慮甚至恐懼。他們擔心氫氣的來源、氫氣的安全，擔心能否為人們所接受等等，其實這些都是人們過慮了。隨著科技的進步，能源工業(yè)將采用太陽-氫能系統(tǒng)生產清潔的氫氣，汽車加注氫燃料和現(xiàn)在加注汽油一樣方便、快捷。那時，人們的生活一定會更美好、更舒適。

任何變革的第一步往往都是最艱難的，但是為了保護環(huán)境，為了我們的子孫后代，我們必須要邁出這一步，必須要改變現(xiàn)有的能源結構。能源的替代需要一個過程，一般要幾十年，乃至上百年，但我們要未雨綢繆，不能怠慢，要通過積極的研究創(chuàng)新，來努力縮短氫能大規(guī)模應用的進程?？茖W家們提出的《百年備忘錄》的正確性和預見性，將會被百年歷史所證明。