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【專家解說】：氫能源 一.氫能源簡介 作為現有主要燃料的汽油和柴油，生產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)能源危機的出現、在開發(fā)新的能源的同時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: 1. 所有元素中，氫重量最輕。在標準狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L;在-252.7℃時，可成為液體，若將壓力增大到數百個大氣壓，液氫就可變?yōu)楣虘B(tài)氫。 2. 所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱系數高出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，據估計它構成了宇宙質量的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。據推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產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，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。 6. 氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質，少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環(huán)境，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用。 7. 氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發(fā)動機中產生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉換成固態(tài)氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用。 8. 氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。 由以上特點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力的燃料，但氫能的大規(guī)模的商業(yè)應用還有待解決以下關鍵問題: 1. 廉價的制氫技術。因為氫是一種二次能源，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)模的廉價的制氫技術是各國科學家共同關心的問題。 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輸問題也就成為開發(fā)氫能的關鍵。 許多科學家認為，氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞臺上成為一種舉足輕重的能源。氫能是一種二次能源，因為它是通過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生的熱或所轉換成的電分解水制氫，那顯然是劃不來的?，F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實意義，但這卻是一個十分困難的研究課題，有大量的理論問題和工程技術問題要解決，然而世界各國都十分重視，投入不少的人力、財力、物力，并且業(yè)已取得了多方面的進展。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、干凈的燃料。 二.氫的應用及展望 早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2火箭發(fā)動機的液體推進劑。196O年液氫首次用作航天動力燃料。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在氫已是火箭領域的常用燃料了。對現代航天飛機而言，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，這對航天飛機無疑是極為有利的。今天 的航天飛機以氫作為發(fā)動機的推進劑，以純氧作為氧化劑，液氫就裝在外部推進劑桶內，構成燃料電池。每次發(fā)射需用H21450 m3，重約100t。反應方程式如下:(以氫氧化鈉為電解質) 負極:2H2-2e-+2OH-=2H2O 正極:O2+4e-+2H2O=4OH- 總反應方程式:2H2+O2=2H2O 現在科學家們正在研究一種“固態(tài)氫”的宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結構材料，又作為飛船的動力燃料。在飛行期間，飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而“消耗掉”。這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間。 戴姆勒·奔馳公司的燃氫汽車在超聲速飛機和遠程洲際客機上以氫作動力燃料的研究已進行多年，目前已進入樣機試飛階段。在交通運輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示范汽車，并進行了幾十萬公里的道路試驗。其中美、德、法等國是采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫。試驗證明，以氫作燃料的汽車在經濟性、適應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系統費用過高造成的。美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上采用液氫作燃料。在進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車。 氫不但是一種優(yōu)質燃料，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氫，如烴的增氫、煤的氣化、重油的精煉等;化工中制氨、制甲醇也需要氫。氫還用來還原鐵礦石。用氫制成燃料電池可直接發(fā)電。采用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電，其能量轉換效率將遠高于現有的火電廠。隨著制 氫技術的進步和貯氫手段的完善，氫能將在21世紀的能源舞臺上大展風采。 白色污染變燃油 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，北京市夢藍固體廢棄物再生利用公司經過八年多的研究和中試，成功解決了廢棄塑料油化技術中焦化、排渣、溫控等關鍵問題，開發(fā)出自已的工藝系統和成套設備。國家石油產品質量監(jiān)督檢驗中心對該公司送審的樣品進行了嚴格檢測并認定其符合國家對車用燃油的標準和環(huán)境排放標準。有關專家建議盡快組織推廣應用，以緩解白色污染給人類帶來的環(huán)境危機。 目前，廢棄塑料的治理渠道，國內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，且分解過程中會溶出有毒物質，易產生對土質的破壞;焚燒方式會使有害氣體釋放到空中，影響大氣環(huán)境及周邊環(huán)境。北京市夢藍固體廢棄物再生利用技術有限公司認為把廢棄塑料經催化裂解制為燃料，才是物質重新循環(huán)同時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。實踐證明，采用該項技術設備在連續(xù)生產的情況下，日處理廢棄塑料能力強、汽柴油轉化率高，符合車用燃油的標準和環(huán)境排放標準。 可燃冰--人類能源的新希望 可燃冰的學名為“天然氣水合物”，是天然氣在0℃和30個大氣壓的作用下結晶而成的“冰塊”?！氨鶋K”里甲烷占80% 99.9%?未來能源”。 1立方米可燃冰可轉化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水?？茖W家估計，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%，海底可燃冰的儲量夠人類使用1000年。 隨著研究和勘測調查的深入，世界海洋中發(fā)現的可燃冰逐漸增加，1993年海底發(fā)現57處，2001年增加到88處。據探查估算，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。 據專家估計，全世界石油總儲量在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，讓陷入能源危機的人類看到新希望。 重大戰(zhàn)略意義下的聯手勘測 今年6月2日，26名中德科學家從香港登上德國科學考察船“太陽號”，開始了對南海42天的綜合地質考察。通過海底電視觀測和海底電視監(jiān)測抓斗取樣，首次發(fā)現了面積約430平方公里的巨型碳酸鹽巖。 中德科學家一致建議，將該自生碳酸鹽巖區(qū)中最典型的一個構造體命名為“九龍甲烷礁”。其中“龍”字代表了中國，“九”代表了多個研究團體的合作。同位素測年分析表明，“九龍甲烷礁”區(qū)域的碳酸鹽結殼最早形成于大約4.5萬年前，至今仍在釋放甲烷氣體。 中方首席科學家、廣州海洋地質調查局總工程師黃永樣對此極為興奮，他說，探測證據表明:僅南海北部的可燃冰儲量，就已達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4.1萬億立方米。 我國從1993年起成為純石油進口國，預計到2010年，石油凈進口量將增至約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，對我國的后續(xù)能源供應和經濟的可持續(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8.1億元對這項新能源的資源量進行勘測，有望到2008年前后摸清可燃冰家底，2015年進行可燃冰試開采。 戰(zhàn)略性與危險性共同打造的“雙刃劍” 迄今，世界上至少有30多個國家和地區(qū)在進行可燃冰的研究與調查勘探。 1960年，前蘇聯在西伯利亞發(fā)現了第一個可燃冰氣藏，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年開始實施可燃冰調查。1998年，把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠計劃，計劃到2015年進行商業(yè)性試開采。 日本關注可燃冰是在1992年，目前，已基本完成周邊海域的可燃冰調查與評價，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。它的目標是在2010年進行商業(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。有學者認為，在導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，就會造成海嘯、海底滑坡、海水毒化等災害。 由此可見，可燃冰在作為未來新能源的同時，也是一種危險的能源。可燃冰的開發(fā)利用就像一柄“雙刃劍”，需要小心對待。 新聞背景 羌塘盆地可能富藏可燃冰 我國凍土專家在對青藏高原進行多年研究后認為,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,可能蘊藏著大量可燃冰。 據中國科學院寒區(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質含量高。第四系伴隨高原強烈隆升,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,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,其儲量預計是常規(guī)儲量的2.6倍。它還是一種清潔的能源,燃燒幾乎不會產生有害的污染物質。這使得這種有望成為新世紀能源新貴的物質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%。中國科學院蘭州冰川凍土研究所在20世紀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)現類似天然氣水合物顯示的大量征兆和現象。中國地質大學 武漢 和中南石油局第五物探大隊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世紀第二個石油資源戰(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劃,大量在實驗室內做的前期工作已經開始。此后,他們將分三步研究 在羌塘盆地尋找天然氣水合物,如確實存在,則研究其分布規(guī)律和基本性質;估算儲量和研究開發(fā)前景;研究開采工藝和環(huán)境保護問題。“但這是一個非常長的階段,至少要10多年時間。”“一旦找到這些可燃冰,將對我國宏觀能源戰(zhàn)略決策、開拓新學科領域和保持人類社會可持續(xù)發(fā)展均有重要理論意義和廣闊的應用前景?！?/div>