氫能指得是什么?有什么好處

【專(zhuān)家解說(shuō)】：氫能 【hydrogen energy】【】 通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。氫能是氫的化學(xué)能，氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制得，因此是二次能源。工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見(jiàn)的有水電解制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制氫等。氫能具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源。目前，氫能技術(shù)在美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)已進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)施階段。 煤炭石油等礦物燃料的廣泛使用，已對(duì)全球環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至對(duì)人類(lèi)自身的生存造成威 脅。同時(shí)礦物燃料的存量，是一個(gè)有限量，也會(huì)隨著過(guò)度開(kāi)采而枯竭。因此，當(dāng)前在設(shè)法降低現(xiàn)有常 規(guī)能源（如煤、石油等）造成污染環(huán)境的同時(shí)，清潔能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是大勢(shì)所趨。氫能是理想的清潔能源之一，已廣泛引起人們的重視。氫不僅是一種清潔能源而且也是一種優(yōu)良的能源載體，具有可儲(chǔ)的特性。儲(chǔ)能是合理利用能量的一種方式。太陽(yáng)能、風(fēng)能分散間歇發(fā)電裝置及電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差或 有大量廉價(jià)電能能都可以轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存，供需要時(shí)再使用，這種儲(chǔ)能方式分散靈活。氫能也具有可 輸?shù)奶匦裕缭谝欢l件下將電能轉(zhuǎn)化為氫能，輸氫較輸電有一定的優(yōu)越性?？茖W(xué)家認(rèn)為，氫能在二 十一世紀(jì)能源舞臺(tái)上將成為一種舉足輕重的能源。 l、氫的產(chǎn)生途徑 1.1電解水制氫． 水電解制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料制氫過(guò)程是氫與氧燃燒生成水的 逆過(guò)程，因此只要提供一定形式一定能量，則可使水分解。提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在 75-85％，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)污染，但消耗電量大，因此其應(yīng)用受到一定的限制。利用電網(wǎng)峰谷差電解水制氫，作為一種貯能手段也具有特點(diǎn)。我國(guó)水力資源豐富，利用水電發(fā)電，電解水制氫有其發(fā)展前景。太陽(yáng)能取之不盡，其中利用光電制氫的方法即稱(chēng)為太陽(yáng)能氫能系統(tǒng)，國(guó)外已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性研究。隨著太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換能量效率的提高，成本的降低及使用壽命的延長(zhǎng)，其用于制氫的前景不可估量。同時(shí)，太陽(yáng)能、風(fēng)能及海洋能等也可通過(guò)電制得氫氣并用氫作為中間載能體來(lái)調(diào)節(jié)，貯存轉(zhuǎn)化能量，使得對(duì)用戶(hù)的能量供應(yīng)更為靈活方便。供電系統(tǒng)在低谷時(shí)富余電能也可用于電解水制氫，達(dá)到儲(chǔ)能的目的。我國(guó)各種規(guī)模的水電解制氫裝置數(shù)以百計(jì)，但均為小型電解制氫設(shè)備，其目的均為制提氫氣作料而非作為能源。隨著氫能應(yīng)用的逐步擴(kuò)大，水電解制氫方法必將得到發(fā)展。 1．2礦物燃料制氫 以煤、石油及天然氣為原料制取氫氣是當(dāng)今制取氫氣是主要的方法。該方法在我國(guó)都具有成熟的工藝，并建有工業(yè)生產(chǎn)裝置。 （1）煤為原料制取氫氣 在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭還將是主要能源。如何提高煤的利用效率及 減少對(duì)環(huán)境的污染是需不斷研究的課題，將煤炭轉(zhuǎn)化為氫是其途徑之一。 以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：一是煤的焦化（或稱(chēng)高溫干餾），二是煤的氣化。焦化是指煤在隔絕空氣條件下，在90－1000℃制取焦碳副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣組成中含氫氣55-60％（體積）甲烷23-27％、一氧化碳6-8％等。每噸煤可得煤氣300－350m3，可作為城市煤氣， 亦是制取氫氣的原料。煤的氣化是指煤在高溫常壓或加壓下，與氣化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氣化 劑為水蒸汽或氧所（空氣），氣體產(chǎn)物中含有氫有等組份，其含量隨不同氣化方法而異。我國(guó)有大批中小型合成氫廠，均以煤為原料，氣化后制得含氫煤氣作為合成氨的原料。這是一種具有我國(guó)特點(diǎn)的取得氫源方法。采用OGI固定床式氣化爐，可間歇操作生產(chǎn)制得水煤氣。該裝置投資小，操作容易，其氣體產(chǎn)物組成主要是氫及一氧化碳，其中氫氣可達(dá)60％以上，經(jīng)轉(zhuǎn)化后可制得純氫。采用煤氣化制氫方法，其設(shè)備費(fèi)占投資主要部分。煤地下氣化方法近數(shù)十年已為人們所重視。地下氣化技術(shù)具有煤 資源利用率高及減少或避免地表環(huán)境破壞等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)余力等開(kāi)發(fā)并完善了"長(zhǎng)通道、大斷 面、兩階段地下煤氣化"生產(chǎn)水煤氣的新工藝，煤氣中氫氣含量達(dá)50％以上，在唐山劉莊已進(jìn)行工業(yè)性試運(yùn)轉(zhuǎn)，可日產(chǎn)水煤氣5萬(wàn)m3，如再經(jīng)轉(zhuǎn)化及變壓吸附法提純可制得廉價(jià)氫氣，該法在我國(guó)具有一定開(kāi)發(fā)前景．我國(guó)對(duì)煤制氫技術(shù)的掌握已有良好的基礎(chǔ)，特別是大批中小型合成氨廠的制氫裝置遍布各地，為今后提供氫源創(chuàng)造了條件。我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的地下煤氣化制水煤氣獲得廉價(jià)氫氣的工藝已取得 階段成果，具有開(kāi)發(fā)前景，值得重視。 （2）以天然氣或輕質(zhì)油為原料制取氫氣 該法是在催化劑存在下與水蒸汽反應(yīng)轉(zhuǎn)化制得氫氣。主要發(fā)生下述反應(yīng)： CH4＋H2O→CO＋H2 CO＋H2O→COZ＋HZ CnH2h＋2＋Nh2O→nCO＋（Zh＋l）HZ 反應(yīng)在800-820℃下進(jìn)行。從上述反應(yīng)可知，也有部分氫氣來(lái)自水蒸汽。用該法制得的氣體組 成中，氫氣含量可達(dá)74％（體積），其生產(chǎn)成本主要取決于原料價(jià)格，我國(guó)輕質(zhì)油價(jià)格高，制氣成本貴，采用受到限制。大多數(shù)大型合成氨合成甲醇工廠均采用天然氣為原料，催化水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的工藝。我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量有成效的研究工作，并建有大批工業(yè)生產(chǎn)裝置。我國(guó)曾開(kāi)發(fā)采用間歇式天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝，制取小型合成氨廠的原料，這種方法不必用采高溫合金轉(zhuǎn)化爐，裝置投資成本低。以石油及天然氣為原料制氫的工藝已十分成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原 料。 （3）以重油為原料部分氧化法制取氫氣 重油原料包括有常壓、減壓渣油及石油深度加工后的燃料油，重油與水蒸汽及氧氣反應(yīng)制得含氫 氣體產(chǎn)物。部分重油燃燒提供轉(zhuǎn)化吸熱反應(yīng)所需熱量及一定的反應(yīng)溫度。該法生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)物成本 中，原料費(fèi)約占三分之一，而重油價(jià)格較低，故為人們重視。我國(guó)建有大型重油部分氧化法制氫裝置，用于制取合成氫的原料。 1．3生物質(zhì)制氫 生物質(zhì)資源豐富，是重要的可再生能源。生物質(zhì)可通過(guò)氣化和微生物制氫。 （1）生物質(zhì)氣化制氫 將生物質(zhì)原料如薪柴、麥秸、稻草等壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行氣化或裂解反應(yīng)可制得含氫燃料。我國(guó)在生物質(zhì)氣化技術(shù)領(lǐng)域的研究已取得一定成果，在國(guó)外，由于轉(zhuǎn)化技術(shù)的提高，生物質(zhì)氣化已能大規(guī)模生產(chǎn)水煤氣，其氫氣含量大大提高。 （2）微生物制氫 微生物制氫技術(shù)亦受人們的關(guān)注。利用微生物在常溫常壓下進(jìn)行酶催反應(yīng)可制得氫氣。生物質(zhì) 產(chǎn)氫主要有化能營(yíng)養(yǎng)微生物產(chǎn)氫和光合微生物產(chǎn)氫兩種。屬于化能營(yíng)養(yǎng)微生物的是各種發(fā)酵類(lèi)型的 一些嚴(yán)格厭氧菌和兼性厭氧菌）發(fā)酵微生物放氫的原始基質(zhì)是各種碳水化合物、蛋白質(zhì)等。目前已有 利用碳水化合物發(fā)酵制氫的專(zhuān)利，并利用所產(chǎn)生的氫氣作為發(fā)電的能源。光合微生物如微型藻類(lèi)和 光合作用細(xì)菌的產(chǎn)氫過(guò)程與光合作用相聯(lián)系，稱(chēng)光合產(chǎn)氫。 1．4其它合氫物質(zhì)制氫 國(guó)外曾研究從硫化氫中制取氫氣。我國(guó)有豐富的H25資源，如河北省趙蘭莊油氣田開(kāi)采的天然氣中H多含量高達(dá)90％以上，其儲(chǔ)量達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，是一種寶貴資源，從硫化氫中制氫有各種方法，我國(guó)在90年代開(kāi)展了多方面的研究，各種研究結(jié)果將為今后充分合理利用寶貴資源，提供清潔能源及 化工原料奠定基礎(chǔ)。 1．5各種化工過(guò)程副產(chǎn)氫氣的回收 多種化工過(guò)程如電解食鹽制堿工業(yè)、發(fā)酵制酒工藝、合成氨化肥工業(yè)、石油煉制工業(yè)等均有大量 副產(chǎn)氫氣，如能采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行氫氣的分離回收，每年可得到數(shù)億立方米的氫氣。這是一項(xiàng)不容 忽視的資源，應(yīng)設(shè)法加以回收利用。目前化工廠副產(chǎn)氫氣的回收，可提供一種較為廉價(jià)的氫源，應(yīng)予 以重視。 2、氫的解和運(yùn)輸 氫在一般條件下是以氣態(tài)形式存在的，這就為貯存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的困難。氫的貯存有三種 方法：高壓氣態(tài)貯存；低溫液氫貯存；金屬氫化物貯存。 2．l氣態(tài)貯存 氣態(tài)氫可貯存在地下庫(kù)里，也可裝人鋼瓶中，為減小貯存體積，必須先將氫氣壓縮，為此需消耗較多的壓縮功。一般一個(gè)充氣壓力為 20mp的高壓鋼瓶貯氫重量占只1.6％；供太空用的鈦瓶?jī)?chǔ)氫重量 也僅為5％。為提高貯氫量，目前正在研究一種微孔結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫裝置，它是一微型球床。微型球系薄 壁（1—10um），充滿(mǎn)微孔（l0－10um），氫氣貯存在微孔中，微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金屬制造。 2．2、低溫液氫貯存 將氫氣冷卻到-253℃，即可呈液態(tài)，然后，將其貯存在高真空的絕熱容器中，液氫貯存工藝首先 用于宇航中，其貯存成本較貴，安全技術(shù)也比較復(fù)雜．高度絕熱的貯氫容器是目前研究的重點(diǎn)，現(xiàn)在一種間壁間充滿(mǎn)中孔微珠的絕熱容器已經(jīng)問(wèn)世。這種二氧化硅的微珠導(dǎo)熱系數(shù)極小，其顆粒又非常細(xì) 可完全抑制顆粒間的對(duì)流換熱，將部分鍍鋁微珠（一般約為3％-5％）混入不鍍鋁的微珠中可有效地 切斷輻射傳熱。這種新型的熱絕緣容器不需抽真空，其絕熱效果遠(yuǎn)優(yōu)于普遍高真空的絕熱容器，是一 種理想的液氫貯存罐，美國(guó)宇航局已廣泛采用這種新型的貯氫容器。 2．3、金屬氫化物貯存 氫與氫化金屬之間可以進(jìn)行可逆反應(yīng)，當(dāng)外界有熱量加給金屬氫化物時(shí)，它就分解為氫化金屬并 放出氫氣。反之氫和氫化金屬構(gòu)成氫化物時(shí)，氫就以固態(tài)結(jié)合的形式儲(chǔ)于其中，用來(lái)貯氫的氫化金屬 大多為由多種元素組成的合金。目前世界上己研究成功多種貯氫合金，它們大致可以分為四類(lèi)：一是 稀土锎鎳等，每公斤锎鎳合金可貯氫153L。二是鐵一鈦系，它是目前使用最多的貯氫材料，其貯氫量 大，是前者的4倍，且價(jià)格低，活性大，還可在常溫常壓下釋放氫，給使用帶來(lái)很大的方便。三是鎂系，這是吸氫量最大的金屬元素，但它需要在287℃下才能釋放氫，且吸收氫十分緩慢，因而使用上受限制。四是釩、鈮、鋯等多元素系，這類(lèi)金屬本身屬稀貴金屬，因此進(jìn)一步研究氫化金屬本身的化學(xué)物理性質(zhì)，包括平衡壓力一溫度曲線(xiàn)、生成食轉(zhuǎn)化反應(yīng)速度，化學(xué)及機(jī)械穩(wěn)定性等，尋求更好的貯氫材料仍是氫開(kāi)發(fā)利用中值得注意的問(wèn)題。帶金屬氫化物的貯氫裝置既有固定式也有移動(dòng)式，它們既可作為氫燃料和氫物料的供應(yīng)來(lái)源，也可用于吸收廢熱，儲(chǔ)存太陽(yáng)能，還可作氫泵或氫壓縮機(jī)使用。 2．4、氫氣的運(yùn)輸 氫雖然有很好的可運(yùn)輸性，但不論是氣態(tài)氫還是液氫，它們?cè)谑褂眠^(guò)程中都存在在著不可忽視的 特殊問(wèn)題，首先，由于氫特別輕，與其他燃料相比在運(yùn)輸和使用過(guò)程中單位能量所占的體積特別大，即使液態(tài)氫也是如此。其次，氫特別容易泄漏，以氫作燃料的汽車(chē)行駛試驗(yàn)證明，即使是真空密封的氫燃料箱，每24h的泄漏率就達(dá)2％，而汽油一般一個(gè)月才泄漏1％，因此對(duì)貯氫容器和輸氫管道、接頭、閥門(mén)都要采取特殊的密封措施。第三，液氫的溫度極低，只要有一點(diǎn)滴掉在皮膚上就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的凍傷，因此在運(yùn)輸和使用過(guò)程中應(yīng)特別注意采取各種安全措施。 3、氫能利用 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。1960年液氫首次用作航天動(dòng)力燃料。1970年美國(guó)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，增加有效載何變得更為重要。氫的能量密度很高，是普遍汽油的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(wú)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，以純氧分為氧化劑，液氫就裝在外部推進(jìn)劑桶內(nèi)，每次發(fā)射需用 1450m3，重約100t。 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(zhǎng)的時(shí)間。 氫是21世紀(jì)重要的能源載體。以氫為燃料的燃料電池，燃燒時(shí)氫與氧結(jié)合生成水，是一種潔凈的發(fā)電技術(shù)，順應(yīng)了全球的環(huán)保大趨勢(shì)。 當(dāng)前，世界著名的汽車(chē)廠商，為發(fā)展環(huán)保型汽車(chē)，加緊更新傳統(tǒng)的車(chē)用燃料，紛紛決定采用氫能，掀起了一場(chǎng)氫能汽車(chē)開(kāi)發(fā)的熱潮。實(shí)驗(yàn)證明，使用氫燃料電池的汽車(chē)排放的碳僅為常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的 30％，造成的大氣污染僅為內(nèi)燃機(jī)的5％，美國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2002年，美國(guó)將生產(chǎn)約50萬(wàn)- 100萬(wàn)輛氫能汽車(chē)。 除汽車(chē)外，200年開(kāi)始，美國(guó)、歐洲和日本將在飛機(jī)上推廣氫燃料。據(jù)歐洲空中客車(chē)飛機(jī)公司預(yù) 測(cè)，最遲將于2002年，歐洲生產(chǎn)的飛機(jī)可大規(guī)模采用液氫為燃料。由于液態(tài)氫的工作溫度為-253℃，因此必須改進(jìn)目前的飛機(jī)燃料系統(tǒng)。德國(guó)戴姆勒一奔馳航空公司和俄羅斯航空公司已從1996年開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)在配備有雙發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣機(jī)中使用液氫，其安全性有足夠的保證。另外，由于同等重量的氫和汽油相比，氫提供的能量是汽油的3倍，但即使液態(tài)氫也需要4倍于汽油的容積，從而飛機(jī)設(shè)計(jì)師們面臨的任務(wù)是將傳統(tǒng)的機(jī)翼設(shè)計(jì)成可以容納更多液氫的新型構(gòu)造。 氫能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究在我國(guó)尚處于起步階段，但隨著技術(shù)進(jìn)步，環(huán)境對(duì)清潔能源的要求不斷提 高，氫能利用是發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)氫源供應(yīng)的要求必將日益增加。在發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合我國(guó)情況 積極開(kāi)展擴(kuò)大氫源、降低價(jià)格的研究，以便取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 4、結(jié)束語(yǔ) 不久的將來(lái)，"氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)"節(jié)省下石油、煤炭等化石燃料資源，基本廢除內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染排放，緩解溫室效應(yīng)，讓環(huán)境更潔凈、空氣更清新。同時(shí)，氫能的使用也會(huì)帶動(dòng)可再生能源設(shè)備：電解水設(shè)備、燃料電池、儲(chǔ)氫器等一系列新興制造產(chǎn)業(yè)，全面推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而核聚變電站、太陽(yáng)能電站、風(fēng)力電站及潮汐電站的發(fā)展又可以與氫能技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，把人類(lèi)利用能源的水平提高到新的水平。 總之，氫能的研究與開(kāi)發(fā)有廣寬的前景，隨著氫能應(yīng)用領(lǐng)域的逐步成熟與擴(kuò)大，必然推動(dòng)制氫方 法研究與開(kāi)發(fā)。適合我國(guó)國(guó)情的廉價(jià)的氫源供應(yīng)又將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)氫能的應(yīng)用，為改善環(huán)境造福人 民作出貢獻(xiàn)。