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前景日益重要的氢能 (系列讲座10)

时间:2011-07-14 17:10:16来源:《太阳能》
一 使用氢能是CO 减排的最终方案
2007年11月27日,联合国开发计划署(UNDP)在其发布的《2007~2008人类发展报告》中,以极其严厉的措辞警告气候变化会带来双重灾难:首先是贫困人口的发展倒退,接着是全人类长期遭受威胁。这是联合国开发计划署第一次以气候变化作为年度人类发展主题。而2006~2007年度,其关注的话题是水危机。
全世界都感受到近年世界气候变化带来的影响:暖冬、洪水、水资源短缺、农作物减产、海平面上升、大量物种灭绝等灾难性后果。
煤、石油、天然气等化石能源使用时释放出大量的温室气体,成为全球气候变化的根本原因。据统计,工业革命以后CO 排放量超过了工业革命以前的总量,这使大气中CO 的浓度由工业革命前的275ppm增加到了现在380ppm,为地球历史上65万年以来的最高值,而在过去的100年中全球平均地面气温已增加0.3~0.6。温室气体是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、水汽等的统称,其中因为CO 的量最大而备受关注。主要来自化石燃料能源煤、石油、天然气的燃烧,也来自其它方面。
现在有各种各样的方法处理收集到的CO ,诸如制成塑料、废矿井埋藏等,且不说这些方案是否经济可行、安全可靠,事实上,面对全世界每年280多亿吨的CO 的巨大排放量,目前所有处理的CO 的数量都显得微不足道、无济于事!其实即便可以收集煤炭燃烧时生成的CO ,又有何处能放置如此大量的CO ?现在科学家提出用废弃的矿井和油井来放置,但是这也只是权宜之计。简单估算一下,就清楚了。假设煤炭很纯,全是炭,其分子量为12。煤炭的容重粗略计为1400公斤/立方米,不论煤炭用于何处,最终都变成稳定的CO ,CO 的分子量为44、密度约为2公斤/立方米。可见,由煤产生的CO ,其重量要变为3.7倍,而体积要扩大700倍!将原先体积致密的、埋藏在地下的固体煤炭,变成体积大700倍的气体,所需要的存放空间可想而知。
2007年2月在日本东京召开的第九届亚洲氢能会上,有日本专家提出将CO 放入深海,认为在3000米水下,CO 可以以液体的形态保存。当即就有许多反对意见。人们担心水底存放大量CO ,会给深海生态带来什么影响?一旦地震,CO 是否会在短时间内大量释放,造成严重后果?海水中CO 浓度增加,会给海洋生物、鱼类带来什么影响?这些都是未知数。
人类使用的煤炭的量实在太大了,无法解决煤炭产生的大量CO 的储存问题。最好的办法就是不用煤炭!但是现实又不允许,只能一方面找一些方法处理CO 不让它直接排放到大气中;另一方面要尽快设法采用替代燃料,减少煤炭的使用量。减少二氧化碳的最好办法是使燃料去碳化,即不用含碳的燃料。这样就没有二氧化碳的排放。最有希望的无碳燃料应当是可再生能源,还有核能。在“无碳燃料”一时不能唱主角情况下,应该建议加速开发、应用“少碳燃料”,如天然气。
纵观能源发展史,你会看到人类的能源先是用薪柴,然后用煤炭、石油,接着将是天然气。煤、石油和天然气都是碳氢化合物,它们的碳原子/氢的原子比率为:柴薪为10:1;煤为1:1;石油为1:2;天然气为1:4。人类所用的燃料中的碳原子的比例逐年下降,而氢原子的比例却逐年上升。燃料的“氢化”是世界大趋势。
二 人类利用能源的历史
人类利用能源的历史大致经历了柴草、煤炭、石油及天然气等几个能源时期。从火的使用开始,人类第一次支配了一种自然力,从而使人类和动物界彻底分开。人类利用能源是以薪柴、风力、水力和太阳能等可再生能源开始的,后来才发现了煤炭和石油等化石能源,而目前人类又在积极开发新能源和可再生能源。
从原始社会到漫长的奴隶社会,人力和畜力是生产的主要动力,这时的柴草并不能产生动力。在封建社会,技术进一步发展,风力和水力的利用使人类找到了可以代替人力和畜力的新能源。随着生产的发展,社会需要的热能和动力越来越多。而柴草、风力、水力所提供的能量受到许多条件的限制而不能大规模使用。
煤的发现,提供了大量热能,中国大约在春秋末(公元前500年)开始利用煤炭作燃料。但是直到工业革命时期,蒸汽机的发明和使用,奠定了各国工业化的基础,开辟了人类利用化石燃料作动力的新时代,煤炭才登上了能源的主角地位。
蒸汽机十分笨重,效率又低,人类在生产实践中又发明了新的热机内燃机。内燃机的使用,使机械工业发生了翻天覆地的变化引起了能源结构的一次又一次变化,石油开始登上了历史舞台。1859年美国开始石油钻探。石油与煤炭的竞争加速了世界工业化的进程,特别是第二次世界大战结束后,中东一带的石油大量开发,廉价石油使发达国家的经济像吹气球似地膨胀起来。天然气已经开始在能源领域发挥作用,相信氢能将和天然气一样在能源领域发挥作用。
三 新能源替代旧能源的过程阻力
你或许要问,既然氢能是未来的趋势,为什么这么难推动呢?这主要是目前氢能技术还处在大规模应用的前夕,要与现有的能源技术竞争,氢能还需要提高技术水平、降低成本。其实更大的阻力来自人们本身的习惯性思维,我们回顾人类能源历史就清楚了。
人类利用能源的简史就是能源技术不断发展,新能源替代旧能源的过程。在这个过程中,新能源的利用总是受到各种阻碍。从人类历史上三次大的能源替换来看,每次能源替换中对新能源的偏见主要集中于以下几个方面:
1产业结构改变会使一部分人的利益受损
在能源替换过程中,能源结构的变化将促使相关产业的结构发生变化。18世纪瓦特发明了以煤炭为能源的蒸汽机,确立了煤炭的能源主角地位。随后英国进行了产业革命,世界工业结构随之发生了重大变革,大量的动力机械逐渐替代了手工业生产方式。纺织业动力由原来的人力和水力变为以煤炭为能源的蒸汽动力,这使得大量旧有的手工纺织工厂由于生产效率低下而被淘汰,大量纺织工人失业。这些失业工人由于能源结构变革而使得自身利益受损,因而对蒸汽机和以煤为主要能源持反对态度。在英国曾发生了多起工人聚众示威,捣毁机器的事件。在能源替换过程中交通运输业也迅速发展,火车、汽车、轮船使原有的运输工具如马车、帆船等被淘汰,但这也使新能源的利用受到过阻碍。例如,人们曾惧怕火车和蒸汽轮船将使饲养马的人和沿海货运船主破产,而反对使用这两种新的交通工具。
2能源使用中(尤其是最初使用时)的安全问题
能源使用中的安全问题是对新能源产生偏见的又一大原因。中国的煤炭矿难事故不断发生,造成了重大的人员伤亡和财产损失。最近的一次是2007年12月5日山西洪洞县煤矿瓦斯爆炸事故致使105名矿工死亡,以致山西省代省长孟学农代表该省政府向国务院做检讨并请求处分。其实煤矿开采中的安全问题在人们大规模利用煤的初期就已经出现了。1913年10月14日,英国威尔士森亨尼特通用煤矿发生煤矿粉尘大爆炸,使整个矿井烧了起来,439名矿下工作的矿工被烧死,这是英国采矿史上最惨重的一次灾难。
在石油的使用过程中,也存在巨大的安全问题。1997年6月4日上午,“大庆243”号油轮在南京水域因为静电引发爆炸,造成包括船长在内的7人死亡,遇难人员连尸体都没找到。再说核能,著名的切尔诺贝利核事故(1986年4月25,切尔诺贝利核电站核燃料芯体温度升高,失去控制发生爆炸,爆炸将整个电站建筑物炸毁,在电站内和周围有29人被炸死。致命的放射云向西在欧洲扩散,尽管乌克兰政府采取了疏散城市人口的措施,数以百计的居民还是得了严重的放射病。全欧洲受到核辐射污染的食品、作物和牲畜都必须毁掉)极大地阻碍了核能的利用。同样的,在水电的开发利用过程中,建坝造水库存在着泥沙淤积、对鱼类及生物多样性的影响、下游水文及地理现象的改变等许多问题,这也使得对发展水电的质疑之声不断增强。氢能也是一样,虽然还没有发生什么事故,人们的习惯思维还是不断质疑氢能的安全问题。
3 传统习惯思维对新能源的阻碍
能源替换带来的产业结构变化改变了人们固有的生活,从而对一些传统习惯和思维方式造成了冲击,而这些传统习惯和思维方式也在某种程度上阻碍着新能源和相关技术的发展。例如,1865年,英国人杜兰德在北京城外修了一条仅500米长的窄轨小铁路,并且试行了小火车。谁知汽笛一响,京城人心里就充满了恐惧和惊诧,这件事惊动了京城的文武百官,最后这条小铁路被清朝政府强行拆毁。在清末,不少地方的村民就是因为觉得蒸汽机或铁路妨碍风水便极力阻碍建立新工厂、修建新铁路。
由此可见,新能源的大规模开发和利用并不是一帆风顺的,这一点对于氢能也是如此。前文已经说过,氢能作为一种新型的二次能源,它具备其它能源所没有的一些特点:来源丰富,因为地球上的氢主要以化合物的形式存在,而水是地球的主要资源,地球表面的70%以上被水所覆盖;氢能使用过程无污染,利用低温燃料电池、通过电化学反应将氢转化为电能和水的过程中不排放二氧化碳和氮氧化物,没有任何污染;氢能还可储存、可再生,氢气可以像天然气一样被大规模储存。氢通过化学反应产生电能(或热能)并生成水,而水又可以由电解再转化为氢和氧,从而不断循环。
但是,目前氢能的发展中面临着比以往的能源更多的困难:氢能技术的发展一方面受到传统利益的阻碍,另一方面也有其他新能源的竞争;传统能源的开发利用模式也阻碍着对氢能技术的投入。
四 不是结束的结束语
尽管通过几代人的努力,我国的氢能已经不是一张白纸:我国是世界氢气生产大国,年产量已达1000多万吨。世界最大的煤制氢工厂不久将在我国神华集团投产。我国变压吸附(PSA)提纯氢气的能力,已经高达每小时20万立方米氢,跨入国际先进行列!我国电解水制氢设备已具备规模化生产能力,并已经可以出口发达国家。国内已经可以生产国际标准的35MPa压力的轻质储氢罐,而我国储氢合金的生产能力处于世界先进之列。我国自制的燃料电池车在国际“必比登新能源汽车大赛”中多次得奖,氢气内燃机汽车也在研发中,但是我国的氢能发展还是处于重重困难之中。
针对氢能发展中的这些困难,应该说,有的是可以通过技术的发展来克服的,如氢能的获得和安全等问题;有的需要在批量生产中加以解决,如氢能的成本;有的则完全是传统习惯势力的偏见,应当制定积极的政策加以克服。

其实氢能并非完全没有应用市场,事实上天然气/氢气燃料内燃机汽车、燃料电池特种车辆、燃料电池不间断电源、氢氧混合火焰切割机等已经具备和传统设备竞争的能力,它们的市场已经在那里,就看你是否独具慧眼。(连载完)

 

 
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