走出认识误区 积极开发氢能

作者：清华大学 毛宗强

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 氢来源于水，既可以通过各种化石燃料，如天然气、煤等与水反应来制氢；也可以用可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源（如电力）来开采“氢矿”。氢能是环境友好的能源。利用燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水。不排放CO2和NOX，没有任何污染。使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的经济有效的方法。 目前几乎所有已知的其它能源（化石能源和可再生能源）都直接或间接地来自太阳能。但是太阳能具有时间和地域不稳定的缺点。风能也是一样。如何将时间和空间上不稳定的可再生能源变为人类稳定的能源，这就需要氢。人们可以将不稳定的可再生能源发电，以电解水得到氢气储存起来，在需要时再用氢发电送给用户。因此，可再生能源与氢能密不可分，发展氢能是发展可再生能源的必要条件。 一、走出认识误区 氢能虽然有很多优点，但是人们对之认识不足，往往会产生一些疑问，有些人从“科学”的角度提出问题，很容易误导公众，有必要予以澄清。 误区之一：认为其它能源形式到氢能的转化率和氢能的利用率较低。因此，发展氢能得不偿失。 由于目前从化石能源制取氢能是主要途径，因此先来看一组与化石能源能量转化有关的数据。能量转化效率通常指产品热值占原料热值及加工过程耗用全部能量（副产能量应扣除）之和的百分比值，即综合效率。计算以高位热值HHV或低位热值LHV为基准[1]。国外学者提出从油（气）井到（车）轮（简称WTW）的综合效率概念。这对研究能源从开采到最终消费众多环节中的能量总损耗、定量对比不同能源的有效利用程度颇具参考价值。表1和表2中的数据很好地说明了将矿石燃料转化为氢能要比转化为电能的效率（无论是热效率还是综合效率）高出很多。 燃料电池是氢气作为能源应用的最有效工具，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，常温下氢氧燃料电池的能量转换效率理论值可达83%，而实际效率在50%～70%之间，这也远比内燃机的实际效率30%要高得多[2]。氢内燃机是利用氢能作为动力的另一种方式，与使用汽油的内燃机相比，它有很多优点，比如排放污染物少、发动机寿命长等，最重要的，其系统效率也要比传统的汽油内燃机（20～30%）高很多，达到40～47%[3]。 还有的学者提出要用可用能效率来评价一种能源，即可以转化为其它形式的能量的最大值占总能量的百分比。据计算，德国的能量利用率可达30%，而其可用能效率仅为15%；世界平均可用能效率仅为10%，大部分能量转化成了不可再利用的热能。以汽油内燃机汽车为例，目前其可用能效率仅20%，如果使用氢能内燃机，将会达到50%[4]。 可以看出，氢能有极高的效率，在技术不断进步的未来，其实际效率将会得到进一步的提高，氢能效率不高的说法是不确切的。 误区之二：认为“氢能源”取代传统能源的大部分将严重加剧大气“氧气枯竭”过程。 首先，从技术角度来说，氢能能够真正大规模使用的前提条件之一是能够使用可再生能源大规模生产氢气，这些方法都直接或间接地同时产生氧气和氢气。如果利用可再生能源，如太阳能、风能、地热能进行电解制氢，在产生氢气的同时，也会产生氧气；所得的氢气燃烧变为水后，对大气中的氧气含量并没有实质影响。如果利用生物制氢，从机理上可分为4种类型，其中一种利用蓝藻或绿藻类分解水产氢，同时伴有副产物氧气，其总的方程式相当于水的分解。这两种生物都是光能自养型生物，因此所产氢气燃烧后，不会对大气中的氧气含量造成影响。另外3种都是厌氧发酵，在反应过程中不产生氧气，且消耗有机物[5]。研究表明尽管发酵本身不产生氧气，但其依赖的有机营养物的生产过程中是产生氧气的，因此总结果是同时产生了氧气和氢气。 从目前广泛使用的矿石能源来看，无论是其转化为氢气再进行燃烧，还是矿石燃料直接燃烧，最终生成的物质都是CO2和H2O，因此在总能量消耗一定的情况下，总的耗氧量也是不会发生多少变化的。何况氢的WTW效率要高于其他形式的能量[1]，氧气的用量应该是更少一些才对。再进一步说，碳夺取氧以后，生产稳态CO2，可以说使用碳就会不断消耗大气中的氧。而由于氢使用后与氧生成的水可以再循环去制氢，这样氢、氧和水最终可以达到平衡，不会影响大气中的氧浓度！氢能应该会消除“氧气枯竭”的危机，更有助于人类的身心健康。 误区之三：认为生产、储存、运输、分销氢过程中的氢有大量泄露，并会对大气造成严重影响。 的确，氢气在生产、储存、运输和使用过程中的确会有泄漏，但绝非象有些文献所说的那么高。能源智囊库洛矶山研究所的创始人之一Amory Lovins指出德国通过管道输送氢气的泄漏率只有0.1%，而化石燃料不充分的燃烧也会带来很多的氢气泄漏。“目前，有很多氢气分子被释放，其主要来源是化石燃料的不充分燃烧”，Lovins说：“如果将能源系统转换成以氢能为主，由于制氢方式的不同，氢气的泄漏会大为减少甚至消失。”[6] 液氢的泄漏率确实较高，可达1%～2%/天，但是由于液氢主要用于不计花费、短时间消耗氢的场合，如火箭推进器[7]，液氢在目前的工业生产中使用极为有限，不能将液氢的泄漏率推广到气氢。 由于目前无法观测到氢气泄漏对大气层的实际影响，因此这类研究工作通过模型进行计算。Horowitz同样研究了如果全世界的汽车都改为使用氢气，泄漏的氢气与氢氧根的作用。他的模型是建立在低于3%的氢气泄漏率基础之上的。这也许会导致对流层中甲烷的含量上升3.5%，从而对全球变暖造成间接的影响。这可能是氢能经济带来的最大影响[6]。而Schultz等人则利用不同的氢气泄漏率进行预测，结果则显示使用氢气能有效地降低NOx和COx，显著地改善大气的成分，但这取决于氢气的来源，即仅使用可再生能源（如风、太阳能等）来制造氢气。 上述这些例子都说明，不同的模型建立的基础不同，假设的氢气泄漏率不同，获得的对大气环境的影响也不同。因此，模型的预测可以帮助我们发现氢能经济潜在的问题，但不能用模型的预测来否定氢能经济的未来。 二、发展氢能之我见[8] 发展氢能是历史的必然，从现在就要投入。政府要重视氢能。即使几十年后，利用氢同位素的受控热核聚变（“人造太阳”）成功解决地球能源，那么交通运输系统的汽车、船舶、飞机、火车也还是离不开氢能燃料电池，需要氢作为能源。氢只会越来越重要。所以我国应该重视氢能的技术，加大投入力度。 燃料电池技术是使用氢能的最佳方法之一。但是燃料电池研究发展160多年了，还未定型，随着新材料、新技术的不断出现，燃料电池的性能还会继续提高。我们应该借鉴发达国家的燃料电池的经验和教训，开发高效燃料电池。这就需要稳定、持久地进行氢能开发的基础研究，为我国的可持续发展打下良好基础。做基础研究要靠长时间的积累，我们的政策制定者尤其要把握这点。 根据我国国情，采取多种用氢方式，择优而行。氢燃料电池估计15～20年后才能产业化。我国已经具备较为雄厚的基础，仍要继续努力。但对氢的直接燃烧方法要给予重视。纯氢气内燃机有广大的市场基础，而将氢按一定比例添加到天然气中混合，可以不改变用户的任何设备，就使NOx的排放减少一半，氢立即就有用武之地，而不用等到20年以后。 氢能加注站是普及氢燃料的基本条件。可以利用天然气加注站，现场制氢，再加注给汽车。在很长一段时间内，氢气将依附天然气的发展而发展，然后，氢气再脱颖而出。因此要处理好氢气和天然气的共同发展关系。 政府应积极主导，加快制定氢能有关标准和法规，制定优惠政策，积极、谨慎、稳妥地推动氢能示范，加快产业化步伐。 参考文献： [1]陈俊武．燃料能源的相互转化及其利用效率．石油规划设计，2001（5）：1～3． [2]方明强．21世纪新能源——氢能．山西化工，2004，24（4）：14～16，33． [3]毛宗强．氢能——21世纪的绿色能源．北京：化学工业出版社，2005． [4]Winter C-J．Electricity, hydrogen — competitors, partners? International Journal of Hydrogen Energy，2005，30：1371～1374． [5]康铸慧等．微生物产氢研究的进展．工业微生物，2005，35（2）：41～49． [6]Ananthaswamy A．Reality bites for the dream of a hydrogen economy．New Scientist，2003，180（2421）：6． [7]杨志冠．储氢研究进展概况．江西科学，2005，23（2）：191～196． [8]毛宗强，氢能及其近期应用前景，科技导报，2005年第2期，34～38页 作者简介：毛宗强，男，清华大学研究员，博士生导师。从事燃料电池、储氢、制氢、氢能经济与安全等与氢能有关的课题研究。现担任国际氢能学会理事会成员，中国可再生能源学会副理事长，中国可再生能源学会氢能专业委员会主任、《国际氢能经济合作伙伴（IPHE）》中方专家等。(end)

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