理想能源

【專家解說】：科學(xué)家們公認(rèn)，太陽能是未來人類最合適、最安全、最綠色、最理想的替代能源。資料顯示：太陽每分鐘射向地球的能量相當(dāng)于人類一年所耗用的能量。目前太陽能利用轉(zhuǎn)化率約為10％～12％。據(jù)此推算，到2020年全世界能源消費(fèi)總量大約需要25萬億立升原油，如果用太陽能替代，只需要約97萬公里的一塊吸太陽能的“光板”就可實(shí)現(xiàn)?！坝钪姘l(fā)電計(jì)劃”在理論上是完全可行的。 科學(xué)家預(yù)言：未來大規(guī)模的太陽能開發(fā)利用，有可能開辟新能源領(lǐng)域，從而將人類帶出傳統(tǒng)的燃火時(shí)代。 除了太陽能，利用一些自然現(xiàn)象產(chǎn)生的能，也已經(jīng)列入科學(xué)家的研究領(lǐng)域，如對閃電、地震、火山爆發(fā)、海嘯產(chǎn)生的能量的收集利用，將使人類利用能源進(jìn)入更寬廣的視野。 理想的能源——?dú)淠? 在眾多的新能源中，氫能將會(huì)成為21世紀(jì)最理想的能源。這是因?yàn)?，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會(huì)污染環(huán)境；而煤和石油燃燒生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分別產(chǎn)生溫室效應(yīng)和酸雨。煤和石油的儲(chǔ)量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產(chǎn)物也是水，可源源不斷地產(chǎn)生氫氣，永遠(yuǎn)不會(huì)用完。 氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦?fàn)柕臒崃?，是汽油發(fā)熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運(yùn)送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達(dá)2500℃，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。 在大自然中，氫的分布很廣泛。水就是氫的大“倉庫”，其中含有11％的氫。泥土里約有1.5％的氫；石油、煤炭、天然氣、動(dòng)植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70％為水所覆蓋，儲(chǔ)水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從水中制取氫，那么氫也將是一種價(jià)格相當(dāng)便宜的能源。 氫的用途很廣，適用性強(qiáng)。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學(xué)能、熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的功能。例如，儲(chǔ)氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領(lǐng)，可將熱量儲(chǔ)存起來，作為房間內(nèi)取暖和空調(diào)使用。 氫作為氣體燃料，首先被應(yīng)用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫作燃料的汽車；后來，日本也研制成功一種以液態(tài)氫為燃料的汽車；70年代末期，前聯(lián)邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進(jìn)行了試驗(yàn)，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了110公里。 用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發(fā)動(dòng)，而且對發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕作用小，可延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構(gòu)造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4％的氫氣。用它作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，就可節(jié)油40％，而且無需對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作多大的改進(jìn)。 氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運(yùn)輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機(jī)的燃料，也可用作火箭、導(dǎo)彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船和我國發(fā)射人造衛(wèi)星的長征運(yùn)載火箭，都是用液態(tài)氫作燃料的。 另外，使用氫—?dú)淙剂想姵剡€可以把氫能直接轉(zhuǎn)化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯(cuò)。當(dāng)然，由于成本較高，一時(shí)還難以普遍使用。 現(xiàn)在世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就得消耗本來就很緊缺的礦物燃料；另有4％的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究制氫新方法。 隨著太陽能研究和利用的發(fā)展，人們已開始利用陽光分解水來制取氫氣。在水中放入催化劑，在陽光照射下，催化劑便能激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，把水分解成氫和氧。例如，二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的光水解催化劑。人們預(yù)計(jì)，一旦當(dāng)更有效的催化劑問世時(shí)，水中取“火”——制氫就成為可能，到那時(shí)，人們只要在汽車、飛機(jī)等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽光照射下，水便能不斷地分解出氫，成為發(fā)動(dòng)機(jī)的能源。 本世紀(jì)70年代，人們用半導(dǎo)體材料鈦酸鍶作光電極，金屬鉑作暗電極，將它們連在一起，然后放入水里，通過陽光的照射，就在鉑電極上釋放出氫氣，而在鈦酸鍶電極上釋放出氧氣，這就是我們通常所說的光電解水制取氫氣法。 科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，一些微生物也能在陽光作用下制取氫。人們利用在光合作用下可以釋放氫的微生物，通過氫化酶誘發(fā)電子，把水里的氫離子結(jié)合起來，生成氫氣。前蘇聯(lián)的科學(xué)家們已在湖沼里發(fā)現(xiàn)了這樣的微生物，他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里，然后將微生物產(chǎn)生出來的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質(zhì)，除了能放出氫氣外，還可以用于制藥和生產(chǎn)維生素，以及用它作牧畜和家禽的飼料?，F(xiàn)在，人們正在設(shè)法培養(yǎng)能高效產(chǎn)氫的這類微生物，以適應(yīng)開發(fā)利用新能源的需要。 引人注意的是，許多原始的低等生物在新陳代謝的過程中也可放出氫氣。例如，許多細(xì)菌可在一定條件下放出氫。日本已找到一種叫做“紅鞭毛桿菌”的細(xì)菌，就是個(gè)制氫的能手。在玻璃器皿內(nèi)，以淀粉作原料，摻入一些其他營養(yǎng)素制成的培養(yǎng)液就可培養(yǎng)出這種細(xì)菌，這時(shí)，在玻璃器皿內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生出氫氣。這種細(xì)菌制氫的效能頗高，每消耗五毫升的淀粉營養(yǎng)液，就可產(chǎn)生出25毫升的氫氣。 美國宇航部門準(zhǔn)備把一種光合細(xì)菌——紅螺菌帶到太空中去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。這種細(xì)菌的生長與繁殖很快，而且培養(yǎng)方法簡單易行，既可在農(nóng)副產(chǎn)品廢水廢渣中培養(yǎng)，也可以在乳制品加工廠的垃圾中培育。 對于制取氫氣，有人提出了一個(gè)大膽的設(shè)想：將來建造一些為電解水制取氫氣的專用核電站。譬如，建造一些人工海島，把核電站建在這些海島上，電解用水和冷卻用水均取自海水。由于海島遠(yuǎn)離居民區(qū)，所以既安全，又經(jīng)濟(jì)。制取的氫和氧，用鋪設(shè)在水下的通氣管道輸入陸地，以便供人們隨時(shí)使用。