【無所不能 文 | 龐名立】18世紀(jì)60年代歐洲開始工業(yè)革命（TheIndustrial Revolution ），化石燃料（原煤、原油和天然氣）就成為人類主要利用的一次能源，并且消費量逐年增高，從而造成環(huán)境污染以及全球氣候暖化。盡管這種現(xiàn)實目前還無法改變，但清潔能源以快速增長取代化石燃料，將逐步走向清潔的氫能時代。

在宇宙誕生時，就存在氫和氦。氫為95%，氦為4%，1%為重陽子。當(dāng)星球發(fā)生核聚變反應(yīng)，生成了較重的元素，氫降低到90%，其他元素則增加，因此，氫是地球上最多的元素。

氫（Hydrogen）是元素周期表中第一位元素。化學(xué)式H2，無色無味的氣體。很難液化（沸點－252.870C，臨界溫度－239.90C），凝固點－259.140C?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑，能燃燒，能與許多金屬和非金屬直接化合。

利用液態(tài)氫可以獲得低溫，也可作高速火箭的燃料，氫也是燃料電池的能源。氫存在于自然界中的水、烴類等化合物中，但氫不能以一種單獨的資源形式存在于地球上，所以不是一次能源。

氫能時代

氫能時代（Hydrogen Era）以氫能作為主要能源的時代，將是一種理想的能源時代。氫能時代是以天然氣作為過渡能源，向氫能時代逐步發(fā)展。氫能將是人類社會遠(yuǎn)期主要的、絕對清潔的能源。

未來的氫能社會應(yīng)具有以下特點：

• 氫能以極高的轉(zhuǎn)換效率（50～90%）轉(zhuǎn)化為電能，以氫氣作為替代化石燃料的能源。石油、煤炭、天然氣將不再作為能源使用，而是作為化工原料。

• 各種類型的氫燃料電池就地部分替代大電網(wǎng)運輸，，向用戶供電。

• 用以氫燃料電池為動力的汽車代替內(nèi)燃機動力汽車。

• 消除相關(guān)的能源污染和噪音源。
  

• 各用戶有完善的能源供應(yīng)和回收循環(huán)系統(tǒng)。

• 氫能經(jīng)濟是人類歷史上能量利用率最高的經(jīng)濟社會，是無污染、無噪音的綠色環(huán)境。

在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟條件下，由化石燃料特別是用天然氣制取價廉氫。但隨著利用可再生能源制取氫的比例不斷增加，天然氣制氫的作用將不斷減小。由可再生能源制取氫是未來的能源體系，而甲烷將起著輸送和儲藏氫的作用或者作為氫的原料。

制氫途徑

氫能是一種二次能源，因為它是通過一定的方法利用其他能源來制取的。在自然界中，氫（H2）和氧（O2）結(jié)合成水（H2O）而存在的，必須采用熱分解或電解的方法分離出來氫。

分離方式很多，可以采用化石燃料、核燃料或再生能源分離方式，簡言之，一次能源都可以分離水的氫和氧，但采用化石燃料燃燒所產(chǎn)生的熱或所轉(zhuǎn)換成的電能來分解水制氫，經(jīng)濟上不可行。

圖1  一次能源制取氫的途徑

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如丹麥托普索公司（Haldor Topsoe）開發(fā)的一種部分氧化制氫法，其工藝過程是將天然氣或石腦油與蒸汽的混合物預(yù)熱到540～6500C，引入到自熱反應(yīng)器頂部，在此與另一股預(yù)熱過的富氧空氣與蒸汽的混合物混合，產(chǎn)生部分燃燒，使溫度升高，并在鎳（Ni）催化劑作用下完成蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。溫度為930～9800C的合成氣通過廢熱鍋爐降溫后，再經(jīng)過變換，二氧化碳脫除和甲烷化等過程，最后獲得高純度氫氣。

⑴ 水電解制氫。核能生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣；

⑵ 熱化學(xué)循環(huán)制氫。該法既可以降低反應(yīng)溫度,又可以避免氫-氧分離問題,而循環(huán)中所用的其他試劑都可以循環(huán)使用。

⑴ 水電解制氫。再生能源生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣；

⑵ 蒸汽轉(zhuǎn)化制氫。各種生物質(zhì)經(jīng)由蒸汽催化轉(zhuǎn)化制取氫。

可再生氫

當(dāng)前全球氫氣生產(chǎn)48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，而水電解只占4%。這里談及的“氫能”主要指再生能源制取氫，也不排斥核能生產(chǎn)氫，但跟化石燃料制取氫無關(guān)。利用可再生能源制取氫是新能源領(lǐng)域的一個研究熱點，被稱為拯救地球的動力。已經(jīng)提出了“可再生氫 (renewable hydrogen) ”的概念，正在開展的研究包括：利用可再生電力電解水制氫、生物質(zhì)氣化和蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫、生物質(zhì)熱解制取氫、光電化學(xué)法制取氫和太陽能與熱化學(xué)循環(huán)耦合制取氫等。如果在這些生產(chǎn)過程中使用可再生能源或核能制取氫，那么整個制氫流程的二氧化碳排放可以趨向于零。

可再生能源如光伏、風(fēng)電場、海洋能等生產(chǎn)的電力是間歇性的、不穩(wěn)定的，而且多數(shù)在電力需求小的邊遠(yuǎn)地區(qū)。如果能夠聯(lián)網(wǎng)直接供給消費地如沿海地區(qū)，問題就簡單了，當(dāng)其再生電力無法使用，于是產(chǎn)生“棄風(fēng)限電”這種現(xiàn)象。圖2表示風(fēng)電場產(chǎn)生的電力過剩，采用電解水產(chǎn)生氫，然后注入燃料電池汽車。電解生產(chǎn)的氫經(jīng)由壓縮機儲存在200 bar（1 bar=0.98692標(biāo)準(zhǔn)氣壓）的儲罐里，以便供應(yīng)給燃料電池汽車。

圖2 風(fēng)電場產(chǎn)生的電力供應(yīng)給燃料電池汽車

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氫氣儲存

氫氣儲能可看作是一種化學(xué)儲能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風(fēng)電場制氫儲能技術(shù)為例，其核心思想是當(dāng)風(fēng)電充足但無法聯(lián)網(wǎng)、需要棄風(fēng)時，利用風(fēng)電將水電解制成氫氣(和氧氣)，將氫氣儲存起來；當(dāng)需要電能時，將儲存的氫氣通過不同方式（內(nèi)燃機、燃料電池或其他方式）轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。

通常所指的氫氣儲能系統(tǒng)是電－氫－電的循環(huán)，且不同于常規(guī)的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環(huán)節(jié)，多以功率（kW）計算容量，代表氫氣儲能系統(tǒng)的“充電”功率；后端的燃料電池環(huán)節(jié)，也以功率（kW）計算容量，表示氫儲能系統(tǒng)的“放電”功率；中間的儲氫環(huán)節(jié)，多以氫氣的體積（標(biāo)準(zhǔn)立方米Nm3）計算容量，儲氫環(huán)節(jié)的容量大小決定了氫儲能系統(tǒng)可持續(xù)“充電”或“放電”的時長，所以如果想增加電能的儲存容量，加大儲氫罐的體積或壓力即可。

已被確認(rèn)并被使用的氫氣儲存是經(jīng)由壓縮或液化的純氫儲存；常用的氫氣儲存是壓縮氫氣。隨著壓力的增加，氫密度隨之增加。圖3表示氫氣在不同的壓力和溫度的條件下儲存的密度。

圖3  氫氣儲存密度與壓力和溫度的關(guān)系

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另外還有兩種成熟的氫氣儲存技術(shù)：

1、地下儲存氫（Undergroundhydrogen storage）是在地下洞穴、鹽丘和枯竭的油氣田儲存氫氣。ICI（英國帝國石油公司）把大量的氫儲存在地下沒有發(fā)生任何困難，大量液態(tài)氫儲存可作為電網(wǎng)儲能使用。地下儲存氫往返效率約40%（抽水儲能為75～80%），其費用高于抽水儲能，但地下儲存氫氣仍被采用，其原因是初次建設(shè)費用低，容量大。

 2、電轉(zhuǎn)氣（Power to gas，簡寫P2G）是將電能轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)，解決再生能源電力儲存的難題的一項技術(shù)。目前采用三種方式，但所有的方法都是借助于電力將水分解為氫和氧。

第一種方法是將所產(chǎn)生的氫氣輸入天然氣管網(wǎng)作為交通運輸燃料或工業(yè)利用。

第二種方法是將氫和二氧化碳相結(jié)合，把這兩種氣體采用甲烷化反應(yīng)如薩巴捷反應(yīng)（Sabatierreaction）轉(zhuǎn)化為甲烷（天然氣），或者采用生物甲烷化，但會造成8%額外能量損失，然后輸入天然氣管網(wǎng)。

氫氣儲存仍然處于研究之中

燃料電池汽車是未來汽車發(fā)展的方向。燃料電池汽車氫儲存有三種方式；

• 壓縮后儲存在高壓容器中；

• 液化后儲存在絕熱容器中；

• 與某些金屬及合金化合后以固體氫化物儲存。在這種儲存方法中，金屬及合金的氫化物吸附氫就像海綿吸水一樣，儲氫效率高。

目前，世界上三種儲氫方法都有試驗樣車。如美國邁阿密汽車使用壓縮氫氣；加利福尼亞公共汽車使用氫化物儲存氫；德國的一些示范公共汽車使用液態(tài)氫。

要使氫能達(dá)到規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用其關(guān)鍵問題是：

⑴ 制氫技術(shù)。由于氫是一種二次能源，現(xiàn)有的制氫技術(shù)能耗大，效率低，價格昂貴。

⑵ 安全可靠的儲運方法。由于液氫溫度很低（－253攝氏度），易氣化、著火、爆炸，因此需解決氫能的儲存和運輸問題。

因此，氫氣儲存技術(shù)的研究一直在進(jìn)行中，名目繁多，其中儲氫合金特別值得關(guān)注。

利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。在一定的溫度和壓力條件下，儲氫金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時放出熱量。然后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這種會“吸收”氫氣的金屬，稱為“儲氫合金”。

儲氫合金的儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。

由于儲氫合金都是固體，既不用儲存高壓氫氣的鋼瓶，又不需存放液態(tài)氫極低的溫度條件，需要儲氫時，使合金與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物并放出熱量，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來。因此儲氫合金是一種簡便易行的理想儲氫方法。

儲氫合金主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。

結(jié)   語

氫能的吸引力在于高效和清潔，大大減少溫室氣體排放，而且可以利用多種能源生產(chǎn)。氫資源豐富，但是必須從水或者烴類中制取，這需要消耗大量能源。因此，使用氫能源必須綜合考慮氫能的生產(chǎn)、輸送和消費的成本以及溫室氣體的排放。

雖然表面上，氫是取之不盡，用之不竭的能源；但實際上此進(jìn)程既艱難又漫長。氫是二次能源，在氫能成為可行的燃料之前，必須面對許多挑戰(zhàn)，其中包括安全問題以及生產(chǎn)和輸送的高成本問題。

 在今后較長時間內(nèi)，以每公里行駛里程所用燃料費用計算，氫氣的生產(chǎn)和輸送費用是汽油的兩倍。使用可再生能源制氫的成本和投資最大，而使用天然氣制氫的成本最低，但天然氣和氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施是不兼容的，因此也還會造成投資增大。

人們對使用可再生能源制氫的研究一直在進(jìn)行，因為使用可再生能源制氫并用作燃料的全過程都實現(xiàn)了“零排放”，但是生產(chǎn)成本很高。目前，美國可再生能源制氫的平均成本，如果用風(fēng)能，成本為汽油的5倍，如果用太陽能，成本就為汽油的17倍；此外，土地需求量也很大。

未來的能源形式已經(jīng)提出多種，如甲醇經(jīng)濟時代、乙醇經(jīng)濟時代、以光伏發(fā)電為主的“第三次工業(yè)革命”、全球能源互聯(lián)網(wǎng)、氫氣時代等。未來能源是以多元（種類）化、多源（渠道）化發(fā)展，究竟未來哪種能源主宰世界，其關(guān)鍵是環(huán)境和諧和成本價格。

【無所不能專欄作家，龐名立，曾在中國計量科學(xué)院（北京）和中石油（四川）工作。著有多本石油和天然氣書籍?！?/strong>

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