氢能：人类未来的清洁能源（系列讲座1）

2006年11月13日国际氢能界的主要科学家联名向八国集团领导人：加拿大总理斯蒂芬.. ·哈珀、法国总统雅克·希拉克、德国总理默克尔、意大利总理罗马诺·普罗迪、日本首相安倍晋三、俄罗斯总统弗拉基米尔.. ·普京、英国首相托尼·布莱尔和美国总统乔治·布什以及联合国相关部门负责人提交了有关氢能的《百年备忘录》。在备忘录中，科学家们指出：“21世纪初叶人类正面临的两大危机：一是人为因素导致的气候变化是真实存在的，至21世纪末，气温的升高将会呈现一个相当大的幅度，并将会给人类、动物、植物以及人类文化遗产带来灾难性的后果。二是传统化石能源或核能源燃料被少数几个国家寡头垄断的情况正不断加剧，这不利于大多数国家利用能源。解决上述问题的方案不少，但是氢能为最优方案，它将为人类提供足够 的清洁能源。”

为什么世界科学家对氢能如此重视？氢能到底能不能担当如此重任，本系列讲座将详细通俗地向读者介绍这方面的有关知识。

谁是下一个能源主角

人类的能源发展史是一部生产力发展的历史。从不发达社会使用收集的牲畜粪干、秸秆茅草，到我们今天使用的石油、煤炭、天然气能源，人类社会发展随着我们使用能源的进步而进步。能源不仅为人类提供基本需求，如光和热、而且还让我们能在空中、地面、水上甚至星际长距离旅行。 “钻木取火”是人类利用柴薪的开始。从有史以来到公元1800年，利用能源的方式都是如此。期间个别地方发现煤、天然气乃至石油，并没有引起轰动，主要是没有工业应用，无论哪种能源都是用于炊事、照明而已，差别不大。直到工业革命的蒸汽机开始之时，人们还是用木头烧锅炉。后来，人们发现煤可以更方便、更有效地开动蒸汽机，再加上木材也越来越少，煤炭才迅速代替木材，成为世界能源主角。 随着汽车的发明和普及，人们又发现石油是比煤更方便、更有效的一种能源，于是石油在能源舞台上大显身手。以后天然气也成为人类生活中重要的能源。从图1可以看出，人类经历柴薪时代、煤炭时代、石油时代、天然气时代后，能源将会进入氢能时代。现在，氢作为能源载体已经受到世界各国科学家、工程师、投资家和政府部门等多方的高度关注。

图1 世界能源变化趋势图

化石能源的尴尬处境

1770年，瓦特发明蒸汽机，标志着第一次工业革命的开始，煤作为能源起了无可替代的推动作用。不过，瓦特根本无法想象他天才的发明，以及在他之后的各式各样、形形色色的蒸汽机向大气排放的CO 2会给环境带来越来越严重的灾难！许多年以后，当煤、石油和天然气燃烧时，CO 2和其它化学物质在大气中逐渐积累，吸收热量，并导致今天的“温室效应”，威胁着全人类的生存环境！

过去的许多年，天文数字般的CO 2被排放到大气中，近两个世纪以来,大气中二氧化碳浓度一直在增加。如.. 1790年大气中二氧化碳浓度为260ppm,2003年为375.64ppm，预计到.. 2050年将达到700ppm。这些CO 2象温室的玻璃一样，吸收了太阳的热，使地球的温度升高。在20世纪，地球温度升高了0.7℃。“温室效应”的可怕后果是土地沙漠化、农业减产、物种变迁、疾病流行、冰川融化、海平面上升、气候变化、洪水、地震、海啸以及“厄尔尼诺”现象等。计算机模拟实验表明，当地球气温升高2℃，局部地区会明显变暖；增加4℃以上时，万年冰山融化，极地冰层融解，地球的沿海地区将被淹没。

2006年10月30日英国政府公布了一份有关全球气候变暖问题的报告，这份长达700页的《斯特恩报告》指出，如果各国政府在未来10年内不采取有效行动遏制“温室效应”，那么全球将为此付出高达6.98万亿美元的经济代价，这将超过一战、二战和上世纪30年代美国经济大萧条所付出的代价。此外，冰川大量融化所导致的气候变化会导致全球六分之一人口严重缺水，40%以上的野生物种灭绝，并造就多达两亿的“环境难民”。

我们知道，含碳的燃料在空气中燃烧会产生热量，燃烧的副产物除CO 2和水蒸汽外，空气中的氮与氧反应产生一氧化氮和二氧化氮气体，通常表示为NO X 。NO X是更强烈的温室气体，其温室效应是.. CO2的310倍！

煤和石油通常含有一些硫磺，燃烧时会产生二氧化硫、三氧化硫等硫氧化物，表示为SO x，SO x与雨水结合形成硫酸，即我们所说的“酸雨”。

“酸雨”会严重危害动植物生长，从而直接或间接危害人体健康；对金属、石料、水泥、木材等建筑材料均有很强的腐蚀作用，对城市建筑、道路、桥梁、名胜古迹造成很大危害。“酸雨”带给社会经济的损失是不言而喻的。

燃烧汽油、柴油或其他含碳燃料还产生如一氧化碳、过氧硝酸乙酰酯（俗名为PAN）、苯并芘、烟雾之类有毒物质，也是许多麻烦的根源。

化石能源，特别是煤的使用，不但给煤使用地区带来污染，而且给煤的生产地区也带来河流污染、地面塌陷等灾难；石油天然气的开采也往往造成严重的环境地质问题，比如导致地面变形、诱发地震、岩溶塌陷等等。

成也化石能源、败也化石能源，它是地球环境污染的重要根源。所以，为了我们的地球，为了我们的后代，要尽量少用化石能源，同时使用替代能源。

世界的难题，氢能的机遇

要解决全世界面临的“温室效应”和环境问题，人们提出多种办法，其实，最好的方法就是把燃料中的碳去掉。利用原子的核聚变反应也许能提供我们所需要的能量，但从目前估计，这可能是百年以后的远景了。

用氢代替目前所用的燃料是唯一能提供既没有温室效应、也没有污染物威胁的高质生活的途径。世界的难题，给氢能展示优势的机会。

耀眼的太阳氢

在《百年备忘录》中提到“氢能将进一步提高可再生能源在全球能源市场中的比例”。这是因为科技界普遍认为氢能是一种极具潜力的“能源载体”。氢气不是一次能源，自然界中不存在纯氢，只能通过分解含氢化合物得到，地球上最多的含氢化合物就是水！那么，分解水的能量从何而来？人们自然而然地想到永远光辉灿烂的太阳。太阳能对环境无害，但有很强的区域性和时间性。在某一时段，有的地方有太阳，有的地方却没有；即使在有太阳的地方，太阳光的强度从早晚到中午也有很大的变化。这样，我们在必须在太阳光强度高的时候储存太阳能，以便在没有太阳光时再利用。

如何储存太阳能？靠蓄电池不行，容量太小。科学家提出了太阳-氢能系统。简单地说，白天太阳能转化为电，并电解水生产氢（只有商业、工厂和家庭不需要电时，才这样处理）；然后用管道输送氢，就像今天输送天然气一样，直到城市和小镇，供燃料电池发电。清华大学核能与新能源技术研究院的科学家们正在开展“太阳氢”、“风氢”的研究。

太阳-氢能无污染，当用氢产生热或电时，副产物是清洁的水，水电解又得到氢。所以太阳.. -氢能是一个清洁和可循环的系统。许多自然过程是自循环的，如动物、人和植物的呼吸系统，食物链和地球的水循环等。难道我们的能源不应该采用可再生的自循环系统吗？

在太阳-氢系统中，氢在太阳能（直接的和间接的）和消费者之间扮演一个中介的角色。因为氢可存储、可运输、清洁，而且可无限循环利用，用之不竭！

任重道远的氢能

大约250年前人们就发现了氢；约150年前，氢获得工业应用。在使用天然气之前，人们就用所谓的城市瓦斯来取暖、做饭或道路照明；那种瓦斯含氢达60％。

目前许多人对氢有偏见，疑虑、甚至恐惧。他们担心氢气的来源、氢的安全，担心氢能否为人们接受等等，其实都是过虑。

随着科技的进步，能源工业将采用太阳.. -氢能系统生产清洁的氢气，汽车加注氢燃料和现在加注汽油一样方便、快捷。那时，人们的生活一定会更好、更舒适。

任何变革的第一步往往是最艰难的，但是为了保护环境，为了我们的子孙后代，我们必须迈出这一步，必须改变现有的能源结构。能源的替代需要一个过程，一般要几十年，乃至上百年，但我们要未雨绸缪，不能怠慢，要通过积极的研究创新，来努力缩短氢能大规模应用的进程。科学家们今天提出的《百年备忘录》的正确性和预见性，将会被百年历史所证明。（待续）..

作者简介

毛宗强，男，1947年.. 9月.. 10日出生，江苏淮阴人。于1970年、1982年和1993年分别获得清华大学学士、硕士和英国大学化工系工学博士学位。现为清华大学核能与新能源技术研究院责任教授、博士生导师、国际氢能学会中国唯一理事、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《电源技术》副主编、《太阳能学报》副主编、《太阳能》、《可再生能源》编委、世界环境基金（.. GEF）技术顾问、国际氢能经济合作伙伴（I PH E）氢能教育专家。毛宗强教授是我国著名氢能科学家，曾为国家科技部第一个氢能.. 973项目（.. 2000-2005）首席科学家。他从事科研工作近.. 40年，已在国内外著名刊物及会议发表有关氢能与燃料电池的文章160余篇及多部著作，申请并获得多项专利。