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中國發(fā)展氫能源的優(yōu)劣勢分析
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http://www.china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-7-9
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一、氫能源簡介：
氫能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采、幾乎完全依靠化石燃料。隨著石化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。氫正是這樣一種在常規(guī)能源危機的出現(xiàn)和開發(fā)新的二次能源的同時，人們期待的新的二次能源。 氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，常溫常壓下為氣態(tài)，超低溫高壓下為液態(tài)。作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點：
l、重量最輕的元素。標準狀態(tài)下，密度為 0.8999g/l，－252.7℃時，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓，液氫可變?yōu)榻饘贇洹?/P>
2、導熱性最好的氣體，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高出10倍。
3、自然界存在最普遍的元素。據(jù)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(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000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、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、無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔滁生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)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(jīng)過適當處理也不會污染環(huán)境，且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用。產(chǎn)物水無腐蝕性，對設備無損。
7、利用形式多。既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機中產(chǎn)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。
8、可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。
9、可以取消遠距離高壓輸電，代以遠近距離管道輸氫，安全性相對提高，能源無效損耗減小。
10、氫取消了內(nèi)燃機噪聲源和能源污染隱患，利用率高。
11、氫可以減輕燃料自重，可以增加運載工具有效載荷，這樣可以降低運輸成本從全程效益考慮社會總效益優(yōu)于其他能源。
二、我國發(fā)展氫能源的必要性：
石油、煤炭、天然氣燃燒產(chǎn)物是二氧化碳，是溫室氣體，造成地球溫度逐年升高。專業(yè)機構的最新研究結果表明全球氣候變暖已導致非洲乞力馬扎羅山的山頂冰蓋消融80％，如這一趨勢得不到遏制，100年后山頂冰雪將完全消失。德國漢諾威大學的植物研究所科學家瓦爾特指出，盡管目前全球氣溫僅上升0.6℃，但對生態(tài)造成的影響已經(jīng)明顯危機到動物和植物的生存，現(xiàn)在，春天的來臨及許多植林的生長期正在提前，較長時間后動物食物鏈可能發(fā)生混亂。 同時，化石燃料中有雜質，特別是疏、氮、磷、砷等，燃燒產(chǎn)物酸性，造成大氣污染和酸雨。酸雨不僅傷害農(nóng)作物和蔬菜的葉片，而且能夠降低農(nóng)作物和蔬菜種子的發(fā)芽率，降低大豆蛋白質含量。闊葉林和針葉林的冠層在酸雨作用下，鈣、鎂等離子在冠層雨溶液中富集，造成葉子中營養(yǎng)離子的大量淋失，進而加速根部營養(yǎng)的吸收和遷移，重新吸收的營養(yǎng)離子也會從植物體大量析出；如此循環(huán)，就會造成營養(yǎng)虧缺，直接影響森林生長，威脅森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質循環(huán)，而且這個過程隨酸雨的強度增加而增加。酸雨還造成土壤中鋁的大量釋放和鎂等有毒金屬元素的沉降和積累，對樹木形成毒害，同時，直接影響和危害土壤表層，干擾微生物正常生化活性，森林枯枝落葉的分解和物質再循環(huán)受到破壞；降低土壤的AO和A1層的PH值，使適中偏堿性菌類活動受到遏止,N元素的同化和固定減少，土壤肥力下降。同時，酸雨使湖泊酸化，將土壤中的活性鋁沖洗到河流、湖泊中，毒害魚類，改變整個水體生態(tài)系統(tǒng)，使水體中的生物種類和數(shù)量大大減少，而且還導致溫室效應的加劇，刺激皮膚，引起哮喘等多種呼吸道疾病。 我國的能源結構以煤為主（約占75％左右），且隨著經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，能源的消耗量日益增加。
據(jù)統(tǒng)計，1990年全國煤炭消耗量為10.52億噸，1995年增到12.8億噸。1995年燃煤排放的二氧化硫達2370萬噸，超過歐洲和美國，居世界首位。據(jù)國家環(huán)保局對全國2177個環(huán)境監(jiān)測站3年（1991－1993）的監(jiān)測結果統(tǒng)計，表明有62.3％的城市二氧化硫年平均濃度超過國家二級標準（0.06mg/m3）日平均濃度超過國家三級標準(0.225mg/m3），造成年降水 PH值低于 5.6的酸雨覆蓋面約占國土的30％，粉塵爆炸、粉塵污染嚴重，生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟建設受到影響。 我國北方地區(qū)冬寒漫長，大多數(shù)采用鍋爐供暖，由于能源結構以煤為主，就使得煙塵污染成了又一環(huán)境問題。國家對于煙塵排放有一定的標準要求。 例如：國家GWPB3－1999標準中的一類地區(qū)II時段指標
針對這些情況，我們必須找到一種儲量大、后續(xù)性強、熱效率高、儲存形式多的環(huán)保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優(yōu)質能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國能源本來就不占優(yōu)勢再加之人均資源占有不足，這就勢必要求我國必須比其他國家更重視后續(xù)能源的開發(fā)利用，而汽車、飛機、輪船等機動性強的現(xiàn)代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無疑成為一個新興的熱點。
三、我國發(fā)展氫能源的優(yōu)劣勢分析：
中國對氫能的研究與發(fā)展可以追溯到60年代初，中國科學家為發(fā)展本國的航天事業(yè)，對作為火箭燃料的液氫的生產(chǎn)，H2/O2。燃料電池的研制與開發(fā)進行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統(tǒng)進行開發(fā)，是70年代的事。多年來，我國氫能領域的專家和科學工作者在國家經(jīng)費支持不多的困難條件下，在制氫、儲氫和氫能利用等方面取得了不少進展和成績。氫作為能源利用應包括以下三個方面：利用氫和氧化劑發(fā)生反應放出的熱能，利用氫和氧化劑在催化劑作用下的電化學反應直接獲取電能及利用氫的熱核反應釋放出的核能。 我國早已試驗成功的氫彈就是利用了氫的熱核反應釋放出的核能，是氫能的一種特殊應用。我國航天領域使用的以液氫為燃料的液體火箭，是氫用作為燃料能源的典型例子。近年來，我國科學工作者在這方面進行了大量的基礎性研究和開發(fā)性工作。西安交通大學曾進行過“氫燃燒和動力循環(huán)的研究”及“氫燃燒流場的研究及氫火焰性能評價”。
浙江大學新材料所與內(nèi)燃機所合作成功的改裝了一輛燃用氫一汽油混合燃料的中巴車，通過添加約4.7Wt％氫氣進行的氫一汽油混合燃料燃燒，平均節(jié)油率達44％。我國自行研制的30kw氫燃料電池電動汽車，計劃在2000年完成。目前，PEMFC電源系統(tǒng)的應用開發(fā)，將成為推動氫能利用的新動力。 我國工業(yè)制氫方法主要是以天然氣、石油、和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應而制得，也可以用部分氧化法制得。這些制氫方法在工藝上都比較成熟，但是由化石能源和電力來換取氫能，在經(jīng)濟上和資源利用上并不合適�，F(xiàn)有的工業(yè)制氫主要是維持目前化工、煉油、冶金、及電子等部門的需要。水電解制氫和生物質氣化制氫等方法，現(xiàn)已形成規(guī)模。其中，低價電電解水制氫方法是當前氫能規(guī)模制備的主要方法，但目前電耗過高，一般約為 4.skwh/Nm3H2，亟待改進。此外，由中科院山西煤炭化學研究所開發(fā)的“甲醇重整制氫技術”已投人生產(chǎn)實際應用，目前最大規(guī)模為360Nm3/h，并實現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn)。中科院大連化學物理所在國家“九五”科技攻關項目“燃料電池技術”中，承擔了燃料電池電動車用“甲醇重整制氫裝置”的研制月前，已形成概念樣機。石油大學承擔的“九五”科技攻關項目“從 H2S制取氫氣的擴大實驗研究”，此方法制氫能耗低，約2.6kwh/Nm3H2，使低電耗制氫技術達到了世界先進水平。
中科院感光化學研究所承擔了“九五”科技攻關項目“煙氣中SOX制氫技術的中試研究”。該所的人工模擬光合作用分解水制氫及非常規(guī)資源制氫研究達到了世界先進水平。在光化學、生物質和電化學制氫領域，蘭州化學物理所、微生物以及南開大學、天津大學等單位也進行了大量的基礎研究工作。 目前，獲得大量單質氫的唯一途徑是依靠人工從天然氣、石油、煤炭、生物質能及其它富氫有機物等中制取。氫的最大來源是水，特別是海水，根據(jù)計算9噸水可以生產(chǎn)出1噸氫（及8噸氧），氫氣燃燒熱是28900千卡/公斤，而且氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實現(xiàn)良性循環(huán)，取之不盡，用之不竭。據(jù)估計，我國水能源理論穩(wěn)定蘊藏量為7億KW，而開發(fā)量為4億KW，開發(fā)成功后，每年可節(jié)約大量煤炭，減排大量二氧化硫。 工業(yè)副產(chǎn)氫也是向燃料電池提供燃料的有效途徑。據(jù)統(tǒng)計我國在合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達標14’108m；在氯堿工業(yè)中有87’106 m的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒廠及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計可達15億立方米以上。
由此看來，我國氫的來源極為豐富，技術水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質氣化制氫等制氫方法，現(xiàn)已形成規(guī)模。其中低價電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對現(xiàn)有的技術裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應用成本。由此，我國發(fā)展氫能源優(yōu)勢可見一斑。 任何事物的發(fā)展都具有兩面性。在看到優(yōu)勢的同時，我們也要看到它所面臨的困難。大量廉價氫的生產(chǎn)是實現(xiàn)氫能利用的根本。目前，廉價的制氫技術和安全可靠的貯氫和輸氫方法是兩大核心問題。獲取氫需要消耗大量的電能將氫和氧進行分離（制備1升液氫約需消耗電能3kwh）；而直接從天然氣中獲取氫，需耗汽油，每公里要排放約16克二氧化碳（普通汽油車每公里排放260克二氧化碳），能耗過高。因此，欲獲得大量廉價的氫能，將取決于是否能實現(xiàn)低能耗低成本的規(guī)模制氫方法。 雖然，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運行試驗。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(jīng)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(tǒng)費用過高造成的。 “生態(tài)氫能”的關鍵并不是技術，而是成本。就環(huán)境保護和市場需求而言，潔凈和成本是二個關鍵參數(shù)，光有潔凈而成本過高就沒有市場，很難推廣。因此，要實施這一戰(zhàn)略，就必須有目的地降低成本。每百公里所加注氫的價格與汽油價格要盡可能接近，否則該技術只能永遠停留在實驗室或樣車階段。當然，氫能的使用還有其他方面的問題，如作為基礎設施的氫加注站。
目前德國只有慕尼黑一個氫加注站，為此，今后10至20年要想推廣這一技術，就必須加強基礎設施建設，建造氫加注站網(wǎng)。人們希望有朝一日，加氫可以像加注汽油一樣方便。 另外，據(jù)（中國環(huán)境報》6月18日報道，由于氫燃料電池釋放能量后產(chǎn)生的僅僅是水，因此氫燃料一直被看作是發(fā)展前景絕佳的清潔能源。美國已計劃投人幾十億美元的�？�，將發(fā)展氫能源作為優(yōu)先考慮的高等能源。但是，最近美國《科學》雜志上的一篇論文卻提出異議：氫燃料的大力推廣和使用，會加大對可有效防止地球遭受紫外線輻射的臭氧層的損害。文章指出，如果氫能源完全取代了礦物燃料，10－－20％的氫可能會在車輛或發(fā)電站的輸送管道、貯藏設備、處理設備和燃料電池中泄漏。氫分子重量輕，極易向天空擴散，大量使用氫燃料后，在使用過程中釋放出氫分子與自然環(huán)境中的氫分子加在一起，數(shù)量將是原來的3倍。它們升到平流層后會被氧化形成水。這將降低平流層的溫度并干擾臭氧層的化學物質，令北極與南極上空的臭氧層空洞增大，損害面積甚至將達8％。因此，隨著氫能研究的深人進行，我們必須用全程評價法來看待氫能源，不能只一味地強調技術，還必須綜合考慮其他因素。
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