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【專家解說】：氫能源 一.氫能源簡(jiǎn)介 作為現(xiàn)有主要燃料的汽油和柴油，生產(chǎn)它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲(chǔ)量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲(chǔ)量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)、在開發(fā)新的能源的同時(shí)人們期待的新的能源。 氫位于元素周期表之首，它的原子序數(shù)為1，在常溫常壓下為氣態(tài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。作為能源，氫有以下特點(diǎn): 1. 所有元素中，氫重量最輕。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L;在-252.7℃時(shí)，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓，液氫就可變?yōu)楣虘B(tài)氫。 2. 所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體。 3. 氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大90O0倍。 4. 除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142.351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍。 5. 氫燃燒性能好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃燒速度快。 6. 氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當(dāng)處理也不會(huì)污染環(huán)境，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。 7. 氫能利用形式多，既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用。 8. 氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。 由以上特點(diǎn)可以看出氫是一種理想的新的能源。目前液氫已廣泛用作航天動(dòng)力的燃料，但氫能的大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有待解決以下關(guān)鍵問題: 1. 廉價(jià)的制氫技術(shù)。因?yàn)闅涫且环N二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氫效率很低，因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題。 2. 安全可靠的貯氫和輸氫方法。由于氫易氣化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的貯存和運(yùn)輸問題也就成為開發(fā)氫能的關(guān)鍵。 許多科學(xué)家認(rèn)為，氫能在二十一世紀(jì)有可能在世界能源舞臺(tái)上成為一種舉足輕重的能源。氫能是一種二次能源，因?yàn)樗峭ㄟ^一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采。在自然界中，氫已和氧結(jié)合成水，必須用熱分解或電分解的方法把氫從水中分離出來。如果用煤、石油和天然氣等燃燒所產(chǎn)生的熱或所轉(zhuǎn)換成的電分解水制氫，那顯然是劃不來的?，F(xiàn)在看來，高效率的制氫的基本途徑，是利用太陽能。如果能用太陽能來制氫，那就等于把無窮無盡的、分散的太陽能轉(zhuǎn)變成了高度集中的干凈能源了，其意義十分重大。目前利用太陽能分解水制氫的方法有太陽能熱分解水制氫、太陽能發(fā)電電解水制氫、陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等等。利用太陽能制氫有重大的現(xiàn)實(shí)意義，但這卻是一個(gè)十分困難的研究課題，有大量的理論問題和工程技術(shù)問題要解決，然而世界各國都十分重視，投入不少的人力、財(cái)力、物力，并且業(yè)已取得了多方面的進(jìn)展。因此在以后，以太陽能制得的氫能，將成為人類普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)、干凈的燃料。 二.氫的應(yīng)用及展望 早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑。196O年液氫首次用作航天動(dòng)力燃料。1970年美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料?，F(xiàn)在氫已是火箭領(lǐng)域的常用燃料了。對(duì)現(xiàn)代航天飛機(jī)而言，減輕燃料自重，增加有效載荷變得更為重要。氫的能量密度很高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可減輕2/3，這對(duì)航天飛機(jī)無疑是極為有利的。今天 的航天飛機(jī)以氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑，以純氧作為氧化劑，液氫就裝在外部推進(jìn)劑桶內(nèi)，構(gòu)成燃料電池。每次發(fā)射需用H21450 m3，重約100t。反應(yīng)方程式如下:(以氫氧化鈉為電解質(zhì)) 負(fù)極:2H2-2e-+2OH-=2H2O 正極:O2+4e-+2H2O=4OH- 總反應(yīng)方程式:2H2+O2=2H2O 現(xiàn)在科學(xué)家們正在研究一種“固態(tài)氫”的宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動(dòng)力燃料。在飛行期間，飛船上所有的非重要零件都可以轉(zhuǎn)作能源而“消耗掉”。這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時(shí)間。 戴姆勒·奔馳公司的燃?xì)淦囋诔曀亠w機(jī)和遠(yuǎn)程洲際客機(jī)上以氫作動(dòng)力燃料的研究已進(jìn)行多年，目前已進(jìn)入樣機(jī)試飛階段。在交通運(yùn)輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示范汽車，并進(jìn)行了幾十萬公里的道路試驗(yàn)。其中美、德、法等國是采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫。試驗(yàn)證明，以氫作燃料的汽車在經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙。前者使汽車連續(xù)行駛的路程受限制，后者主要是由于液氫供應(yīng)系統(tǒng)費(fèi)用過高造成的。美國和加拿大已聯(lián)手合作擬在鐵路機(jī)車上采用液氫作燃料。在進(jìn)一步取得研究成果后，從加拿大西部到東部的大陸鐵路上將奔馳著燃用液氫和液氧的機(jī)車。 氫不但是一種優(yōu)質(zhì)燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精煉需要?dú)?，如烴的增氫、煤的氣化、重油的精煉等;化工中制氨、制甲醇也需要?dú)洹溥€用來還原鐵礦石。用氫制成燃料電池可直接發(fā)電。采用燃料電池和氫氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)換效率將遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的火電廠。隨著制 氫技術(shù)的進(jìn)步和貯氫手段的完善，氫能將在21世紀(jì)的能源舞臺(tái)上大展風(fēng)采。 白色污染變?nèi)加? 城市周圍堆積如山的塑料垃圾和交通沿線滿地飄飛的塑料食品袋完全可以被回收冶煉為汽油、柴油，北京市夢(mèng)藍(lán)固體廢棄物再生利用公司經(jīng)過八年多的研究和中試，成功解決了廢棄塑料油化技術(shù)中焦化、排渣、溫控等關(guān)鍵問題，開發(fā)出自已的工藝系統(tǒng)和成套設(shè)備。國家石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)該公司送審的樣品進(jìn)行了嚴(yán)格檢測(cè)并認(rèn)定其符合國家對(duì)車用燃油的標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)專家建議盡快組織推廣應(yīng)用，以緩解白色污染給人類帶來的環(huán)境危機(jī)。 目前，廢棄塑料的治理渠道，國內(nèi)外多年普遍采取填埋和焚燒方式。但研究表明，廢棄塑料在填埋后200多年才能分解完畢，且分解過程中會(huì)溶出有毒物質(zhì)，易產(chǎn)生對(duì)土質(zhì)的破壞;焚燒方式會(huì)使有害氣體釋放到空中，影響大氣環(huán)境及周邊環(huán)境。北京市夢(mèng)藍(lán)固體廢棄物再生利用技術(shù)有限公司認(rèn)為把廢棄塑料經(jīng)催化裂解制為燃料，才是物質(zhì)重新循環(huán)同時(shí)也能避免二次污染的重要途徑，代表著廢棄塑料的處理方向。實(shí)踐證明，采用該項(xiàng)技術(shù)設(shè)備在連續(xù)生產(chǎn)的情況下，日處理廢棄塑料能力強(qiáng)、汽柴油轉(zhuǎn)化率高，符合車用燃油的標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。 可燃冰--人類能源的新希望 可燃冰的學(xué)名為“天然氣水合物”，是天然氣在0℃和30個(gè)大氣壓的作用下結(jié)晶而成的“冰塊”?！氨鶋K”里甲烷占80% 99.9%?未來能源”。 1立方米可燃冰可轉(zhuǎn)化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水?？茖W(xué)家估計(jì)，海底可燃冰分布的范圍約4000萬平方公里，占海洋總面積的10%，海底可燃冰的儲(chǔ)量夠人類使用1000年。 隨著研究和勘測(cè)調(diào)查的深入，世界海洋中發(fā)現(xiàn)的可燃冰逐漸增加，1993年海底發(fā)現(xiàn)57處，2001年增加到88處。據(jù)探查估算，美國東南海岸外的布萊克海嶺，可燃冰資源量多達(dá)180億噸，可滿足美國105年的天然氣消耗;日本海及其周圍可燃冰資源可供日本使用100年以上。 據(jù)專家估計(jì)，全世界石油總儲(chǔ)量在2700億噸到6500億噸之間。按照目前的消耗速度，再有50-60年，全世界的石油資源將消耗殆盡?？扇急陌l(fā)現(xiàn)，讓陷入能源危機(jī)的人類看到新希望。 重大戰(zhàn)略意義下的聯(lián)手勘測(cè) 今年6月2日，26名中德科學(xué)家從香港登上德國科學(xué)考察船“太陽號(hào)”，開始了對(duì)南海42天的綜合地質(zhì)考察。通過海底電視觀測(cè)和海底電視監(jiān)測(cè)抓斗取樣，首次發(fā)現(xiàn)了面積約430平方公里的巨型碳酸鹽巖。 中德科學(xué)家一致建議，將該自生碳酸鹽巖區(qū)中最典型的一個(gè)構(gòu)造體命名為“九龍甲烷礁”。其中“龍”字代表了中國，“九”代表了多個(gè)研究團(tuán)體的合作。同位素測(cè)年分析表明，“九龍甲烷礁”區(qū)域的碳酸鹽結(jié)殼最早形成于大約4.5萬年前，至今仍在釋放甲烷氣體。 中方首席科學(xué)家、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局總工程師黃永樣對(duì)此極為興奮，他說，探測(cè)證據(jù)表明:僅南海北部的可燃冰儲(chǔ)量，就已達(dá)到我國陸上石油總量的一半左右;此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面積5242平方公里，其資源估算達(dá)4.1萬億立方米。 我國從1993年起成為純石油進(jìn)口國，預(yù)計(jì)到2010年，石油凈進(jìn)口量將增至約1億噸，2020年將增至2億噸左右。因此，查清可燃冰家底及開發(fā)可燃冰資源，對(duì)我國的后續(xù)能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，戰(zhàn)略意義重大。 黃永樣介紹，在未來十年，我國將投入8.1億元對(duì)這項(xiàng)新能源的資源量進(jìn)行勘測(cè)，有望到2008年前后摸清可燃冰家底，2015年進(jìn)行可燃冰試開采。 戰(zhàn)略性與危險(xiǎn)性共同打造的“雙刃劍” 迄今，世界上至少有30多個(gè)國家和地區(qū)在進(jìn)行可燃冰的研究與調(diào)查勘探。 1960年，前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)可燃冰氣藏，并于1969年投入開發(fā)，采氣14年，總采氣50.17億立方米。 美國于1969年開始實(shí)施可燃冰調(diào)查。1998年，把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級(jí)長遠(yuǎn)計(jì)劃，計(jì)劃到2015年進(jìn)行商業(yè)性試開采。 日本關(guān)注可燃冰是在1992年，目前，已基本完成周邊海域的可燃冰調(diào)查與評(píng)價(jià)，鉆探了7口探井，圈定了12塊礦集區(qū)，并成功取得可燃冰樣本。它的目標(biāo)是在2010年進(jìn)行商業(yè)性試開采。 但人類要開采埋藏于深海的可燃冰，尚面臨著許多新問題。有學(xué)者認(rèn)為，在導(dǎo)致全球氣候變暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10 20倍。而可燃冰礦藏哪怕受到最小的破壞，都足以導(dǎo)致甲烷氣體的大量泄漏。另外，陸緣海邊的可燃冰開采起來十分困難，一旦出了井噴事故，就會(huì)造成海嘯、海底滑坡、海水毒化等災(zāi)害。 由此可見，可燃冰在作為未來新能源的同時(shí)，也是一種危險(xiǎn)的能源。可燃冰的開發(fā)利用就像一柄“雙刃劍”，需要小心對(duì)待。 新聞背景 羌塘盆地可能富藏可燃冰 我國凍土專家在對(duì)青藏高原進(jìn)行多年研究后認(rèn)為,青藏高原羌塘盆地多年凍土區(qū)具備形成天然氣水合物的溫度和壓力條件,可能蘊(yùn)藏著大量可燃冰。 據(jù)中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員吳青柏介紹,青藏高原是中緯度最年輕、最高大的高原凍土區(qū),石炭、二疊和第三、第四系沉積深厚,河湖海相沉積中有機(jī)質(zhì)含量高。第四系伴隨高原強(qiáng)烈隆升,遭受廣泛的冰川--冰緣作用,冰蓋壓力使下伏沉積物中天然氣水合物穩(wěn)定性增強(qiáng),尤其是羌塘盆地和甜水海盆地,完全有可能具備可燃冰穩(wěn)定存在的條件。 可燃冰又稱天然氣水合物,是固態(tài)的天然氣,廣泛存在于地球上,其儲(chǔ)量預(yù)計(jì)是常規(guī)儲(chǔ)量的2.6倍。它還是一種清潔的能源,燃燒幾乎不會(huì)產(chǎn)生有害的污染物質(zhì)。這使得這種有望成為新世紀(jì)能源新貴的物質(zhì)的開采利用正緊鑼密鼓地展開。 我國是世界上多年凍土分布面積第三大國,約占世界多年凍土面積的10%,其中青藏高原多年凍土區(qū)面積占世界多年凍土面積的7%。中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所在20世紀(jì)60年代和70年代,分別在祁連山海拔4000米的多年凍土區(qū)和青藏高原海拔4700米的五道梁多年凍土區(qū)鉆探發(fā)現(xiàn)類似天然氣水合物顯示的大量征兆和現(xiàn)象。中國地質(zhì)大學(xué) 武漢 和中南石油局第五物探大隊(duì)在藏北高原羌塘盆地開展的大規(guī)模地球物理勘探成果表明 繼塔里木盆地后,西藏地區(qū)很有可能成為我國21世紀(jì)第二個(gè)石油資源戰(zhàn)略接替區(qū)。 吳青柏說,目前,他們正在開展尋找可燃冰的計(jì)劃,大量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做的前期工作已經(jīng)開始。此后,他們將分三步研究 在羌塘盆地尋找天然氣水合物,如確實(shí)存在,則研究其分布規(guī)律和基本性質(zhì);估算儲(chǔ)量和研究開發(fā)前景;研究開采工藝和環(huán)境保護(hù)問題?！暗@是一個(gè)非常長的階段,至少要10多年時(shí)間。”“一旦找到這些可燃冰,將對(duì)我國宏觀能源戰(zhàn)略決策、開拓新學(xué)科領(lǐng)域和保持人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展均有重要理論意義和廣闊的應(yīng)用前景?！?/div>