介紹新能源

【專(zhuān)家解說(shuō)】：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二次能源。它是一種極為優(yōu)越的新能源，其主要優(yōu)點(diǎn)有: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，演義了自然物質(zhì)循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過(guò)程。 前景 [編輯本段] 氫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%，因此氫能被稱(chēng)為人類(lèi)的終極能源。水是氫的大“倉(cāng)庫(kù)”，如把海水中的氫全部提取出來(lái)，將是地球上所有化石燃料熱量的9000 倍。氫的燃燒效率非常高，只要在汽油中加入4% 的氫氣，就可使內(nèi)燃機(jī)節(jié)油40%。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。美國(guó)政府已明確提出氫計(jì)劃，宣布今后4年政府將撥款17億美元支持氫能開(kāi)發(fā)。美國(guó)計(jì)劃到2040年美國(guó)每天將減少使用1100萬(wàn)桶石油，這個(gè)數(shù)字正是現(xiàn)在美國(guó)每天的石油進(jìn)口量。 ---------------------------------- 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。 氫能的開(kāi)發(fā)與利用 [編輯本段] 氫能利用各方面 氫能利用方面很多，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，有的人們正在努力追求。為了達(dá)到清潔新能源的目標(biāo)，氫的利用將充滿(mǎn)人類(lèi)生活的方方面面，我們不妨從古到今，把氫能的主要用途簡(jiǎn)要敘述一下。 依靠氫能可上天 古代，秦始皇統(tǒng)一中國(guó)，他想長(zhǎng)生不老，曾積極支持煉丹術(shù)。其實(shí)煉丹術(shù)士最早接觸的就是氫的金屬化合物。無(wú)奈多少帝王夢(mèng)想長(zhǎng)生不老，或幻想遨游太空，都受當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平所限，真是登天無(wú)梯。到后來(lái)，1869年俄國(guó)著名學(xué)者門(mén)捷列夫整理出化學(xué)元素周期表，他把氫元素放在周期表的首位，此后從氫出發(fā)，尋找與氫元素之間的關(guān)系，為眾多的元素打下了基礎(chǔ)，人們則氫的研究和利用也就更科學(xué)化了。至1928年，德國(guó)齊柏林公司利用氫的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ-127齊柏林”號(hào)飛艇，首次把人們從德國(guó)運(yùn)送到南美洲，實(shí)現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過(guò)了十年的運(yùn)行，航程16萬(wàn)多公里，使1.3萬(wàn)人領(lǐng)受了上天的滋味，這是氫氣的奇跡。 然而，更先進(jìn)的是本世紀(jì)50年代，美國(guó)利用液氫作超音速和亞音速飛機(jī)的燃料，使B57雙引擎輟炸機(jī)改裝了氫發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氫能飛機(jī)上天。特別是1957前蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐人造地球衛(wèi)星遨游太空和1963年美國(guó)的宇宙飛船上天，緊接著1968年阿波羅號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次登上月球的創(chuàng)舉。這一切都依靠著氫燃料的功勞。面向科學(xué)的21世紀(jì)，先進(jìn)的高速遠(yuǎn)程氫能飛機(jī)和宇航飛船，商業(yè)運(yùn)營(yíng)的日子已為時(shí)不遠(yuǎn)。過(guò)去帝王的夢(mèng)想將被現(xiàn)代的人們實(shí)現(xiàn)。 利用氫能可開(kāi)車(chē) 以氫氣代替汽油作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，已經(jīng)過(guò)日本、美國(guó)、德國(guó)等許多汽世公司的試驗(yàn)，技術(shù)是可行的，目前主要是廉價(jià)氫的來(lái)源問(wèn)題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所產(chǎn)生的能量為33.6千瓦小時(shí)，幾乎等于汽車(chē)燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，點(diǎn)火能量低(容易點(diǎn)著)，所以氫能汽車(chē)比汽油汽車(chē)總的燃料利用效率可高20%。當(dāng)然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極少的氮氧化物，絕對(duì)沒(méi)有汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等污染環(huán)境的有害成分。氫能汽車(chē)是最清潔的理想交通工具。 氫能汽車(chē)的供氫問(wèn)題，目前將以金屬氫化物為貯氫材料，釋放氫氣所需的熱可由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和尾氣余熱提供?，F(xiàn)在有兩種氫能汽車(chē)，一種是全燒氫汽車(chē)，另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車(chē)。摻氫汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)只要稍加改變或不改變，即可提高燃料利用率和減輕尾氣污染。使用摻氫5%左右的汽車(chē)，平均熱效率可提高15%，節(jié)約汽油30%左右。因此，近期多使用摻氫汽車(chē)，待氫氣可以大量供應(yīng)后，再推廣全燃?xì)淦?chē)。德國(guó)奔馳汽車(chē)公司已陸續(xù)推出各種燃?xì)淦?chē)，其中有面包車(chē)、公共汽車(chē)、郵政車(chē)和小轎車(chē)。以燃?xì)涿姘?chē)為例，使用200公斤鈦鐵合金氫化物為燃料箱，代替65升汽油箱，可連續(xù)行車(chē)130多公里。德國(guó)奔馳公司制造的摻氫汽車(chē)，可在高速公路上行駛，車(chē)上使用的儲(chǔ)氫箱也是鈦鐵合金氫化物。 摻氫汽車(chē)的特點(diǎn)是汽油和氫氣的混合燃料可以在稀薄的貧油區(qū)工作，能改善整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況。在我國(guó)許當(dāng)城市交通擁擠，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多處于部分負(fù)荷下運(yùn)行、采用摻氫汽車(chē)尤為有利。特別是有些工業(yè)余氫(如合成氨生產(chǎn))未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都是可取的。 燃燒氫氣能發(fā)電 大型電站，無(wú)論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶(hù)。但是各種用電戶(hù)的負(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)是高峰，有時(shí)是低谷。為了調(diào)節(jié)峰荷、電網(wǎng)中常需要啟動(dòng)快和比較靈活的發(fā)電站，氫能發(fā)電就最適合搶演這個(gè)角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)配以發(fā)電機(jī)，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，啟動(dòng)迅速，要開(kāi)即開(kāi)，欲停即停。在電網(wǎng)低負(fù)荷的，還可吸收多余的電來(lái)進(jìn)行電解水，生產(chǎn)氫和氧，以備高峰時(shí)發(fā)電用。這種調(diào)節(jié)作用對(duì)于用網(wǎng)運(yùn)行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，提高電站的發(fā)電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發(fā)電，利用液氫冷卻發(fā)電裝置，進(jìn)而提高機(jī)組功率等。 更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧(成空氣)直接經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之，也是水電解槽產(chǎn)生氫和氧的逆反應(yīng)。70年代以來(lái)，日美等國(guó)加緊研究各種燃料電池，現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)性開(kāi)發(fā)，日本已建立萬(wàn)千瓦級(jí)燃料電池發(fā)電站，美國(guó)有30多家廠商在開(kāi)發(fā)燃料電池.德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國(guó)也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發(fā)電方式已引起世界的關(guān)注。 燃料電池的簡(jiǎn)單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%-80%，而且污染少，噪聲小，裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發(fā)電裝置很小，造價(jià)很高，主要用于宇航作電源?，F(xiàn)在已大幅度降價(jià)，逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。目前，燃料電池的種類(lèi)很多，主要有以下幾種: 磷酸鹽型燃料電池 磷酸鹽型燃料電池是最早的一類(lèi)燃料電池，工藝流程基本成熟，美國(guó)和日本已分別建成4500千瓦及11 000千瓦的商用電站。這種燃料電池的操作溫度為200℃，最大電流密度可達(dá)到150毫安/平方厘米，發(fā)電效率約45%，燃料以氫、甲醇等為宜，氧化劑用空氣，但催化劑為鉑系列，目前發(fā)電成本尚高，每千瓦小時(shí)約40~50美分。 融熔碳酸鹽型燃料電池 融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱(chēng)為第二代燃料電池，其運(yùn)行溫度650℃左右，發(fā)電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級(jí)的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，由于工作溫度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑用空氣。發(fā)電成本每千瓦小時(shí)可低于40美分。 固體氧化物型燃料電池 固體氧化物型燃料電池被認(rèn)為是第三代燃料電池，其操作溫度1000℃左右，發(fā)電效率可超過(guò)60%，目前不少?lài)?guó)家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國(guó)西屋公司正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時(shí)低于20美分。 此外，還有幾種類(lèi)型的燃料電池，如堿性燃料電池，運(yùn)行溫度約200℃，發(fā)電效率也可高達(dá)60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開(kāi)發(fā)200千瓦的一個(gè)裝置用于潛艇。美國(guó)最早用于阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱(chēng)為美國(guó)型，實(shí)為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高達(dá)75%，運(yùn)行溫度低于100℃，但是必需以純氧作氧化劑。后來(lái)，美國(guó)又研制一種用于氫能汽車(chē)的燃料電池，充一次氫可行300公里，時(shí)速可達(dá)100公里，這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最高達(dá)80%。 燃料電池理想的燃料是氫氣，因?yàn)樗请娊庵茪涞哪娣磻?yīng)。燃料電池的主要用途除建立固定電站外，特別適合作移動(dòng)電源和車(chē)船的動(dòng)力，因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。 家庭用氫真方便 隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進(jìn)入家庭，首先是發(fā)達(dá)的大城市，它可以像輸送城市煤氣一樣，通過(guò)氫氣管道送往千家萬(wàn)戶(hù)。每個(gè)用戶(hù)則采用金屬氫化物貯罐將氫氣貯存，然后分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調(diào)機(jī)等等，并且在車(chē)庫(kù)內(nèi)與汽車(chē)充氫設(shè)備連接。人們的生活靠一條氫能管道，可以代替煤氣、暖氣甚至電力管線(xiàn)，連汽車(chē)的加油站也省掉了。這樣清潔方便的氫能系統(tǒng)，將給人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，減輕許多繁雜事務(wù) 作為新能源，其安全性受到人們的普遍關(guān)注。從技術(shù)方面講，氫的使用是絕對(duì)安全的。氫在空氣中的擴(kuò)散性很強(qiáng)，氫泄漏或燃燒時(shí)，可以很快地垂直升到空氣中并消失得無(wú)影無(wú)蹤，氫本身沒(méi)有毒性及放射性，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，也不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)?？茖W(xué)家已經(jīng)做過(guò)大量的氫能安全試驗(yàn)，證明氫是安全的燃料。如在汽車(chē)著火試驗(yàn)中，分別將裝有氫氣和天然汽油燃料罐點(diǎn)燃，結(jié)果氫氣作為燃料的汽車(chē)著火后，氫氣劇烈燃燒，但火焰總是向上得，對(duì)汽車(chē)的損壞比較緩慢，車(chē)內(nèi)人員有較長(zhǎng)得時(shí)間逃生，而天然燃料的汽車(chē)著火后，由于天然氣比空氣重，火焰向汽車(chē)四周蔓延，很快包圍了汽車(chē)，傷及車(chē)內(nèi)人員的安全。