可再生能源——氢能的发展与化石能源的替代

一、能源问题的重要性

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事外交关注的焦点，经济社会持续快速发展，离不开有利的能源保障。

人类的能源利用经历了从柴薪时代到煤炭时代，再到油气时代的演变，在能源利用总量不断增长的同时，能源结构也在不断变化（如图1），每一次能源时代的变迁，都伴随着生产力的巨大飞跃，极大推动了人类经济社会的发展。自第一次能源革命以来，世界能源供应主要依赖化石能源，而化石能源的长期大量使用在促进了区域经济发展的同时，也严重破坏了环境，造成了严重的生态问题，如酸雨，气候变暖等。科学观测表明，地球大气中CO2的浓度已从工业革命前的280ppmv 上升到了目前的379ppmv(见图2)；全球平均气温也在近百年内升高了0.74℃，特别是近30 年来升温明显。总体上看来，全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境造成了日益严重的负面影响。

近年来， 全球能源消费不断增长， 石油价格持续攀升，2008年7 月达到146 美元， 创下历史最高，引发了一系列的经济问题。世界化石能源的储量有限， 未来必将耗尽， 能源供应的可持续性引起了越来越多的关注。解决能源与环境问题的方法是节能与新能源开发利用，即“开源节流”，然而节能只能起到缓解作用， 新能源开发利用才能从根本上解决能源与环境问题。在众多的新能源中， 可再生能源的利用问题已经成为世界各国广泛关注的焦点。

二、能源替代的规律和可再生能源的特点

纵观能源发展史， 你会看到一个有趣的现象， 即人类所用燃料中氢和碳的比例随年代逐步升高。人类的燃料先用薪柴，然后用煤炭，现在主要用石油，接着将是天然气，最后则是不含碳的氢气。柴薪-煤-油-天然气中的氢/碳的原子比率大约是0.1-1-2-4，对于未来的可再生能源，氢/碳的比率则趋于无限大。同样有趣的是，我们会发现人类的燃料从固体的柴薪、煤到液体的石油再到气态的天然气，燃料的替代按着固体-液体-气体的方向进行。这是否也提示我们， 氢气必然是未来的燃料呢？

人们对氢并不陌生，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；那种瓦斯含氢量达70%。我国在推广天然气之前， 广泛使用的由煤制取的城市煤气中含量高达50%以上。利用液氢发射火箭、航天飞机去探索宇宙的秘密已是众所周知的事。氢早就是人类应用的能源。

可再生能源是未来能源发展的趋势， 而在众多的可再生能源中，风能、水能、地热能和潮汐能都不仅受到地域限制， 而且不稳定；太阳能受到太阳光照射限制，不稳定且成本昂贵； 而生物质能对于环境的影响尚需多方面的考评， 可再生能源的发展需要一种有效的能源载体， 而氢则是一种最为理想的可再生能源载体。与化石能源相比， 可再生能源的载体－氢具有很多优点：

(1)资源丰富。氢在宇宙中是最丰富的物质，在构成宇宙的物质中约占75%。在地球上的氢主要以其化合物，如水(H2O)、甲烷(CH4)、氨(NH3)、烃类(CnHm)等形式存在。水是地球上分布最广的物质，如果把水中的氢都提炼出来，约有1.4×1017t，所产生的热量是地球上化石燃料的9000 倍！ 水在地球上几乎是无所不至，水就是地球上名副其实的“氢矿”。

(2)可再生性。氢由化学反应产生电能(或热能)并生成水，而水又可由电解再转化为氢和氧，如此循环，永无止尽。

(3)环保、高效。使用氢燃料电池，通过电化学反应将氢转化为电能和水，过程中不排放CO2和NOx，没有任何污染，另外氢气是一种极高能量密度与质量比值的能源。燃料电池的发电效率最差也有35-45%(通常都高出很多)，高过诸多内燃机(20-30%)。

氢由于具有以上特点， 可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求， 是其它能源所不能比拟的，所以备受重视。

三、可再生能源替代化石能源的问题分析

在可持续发展的要求下，人们对于环境保护的呼声日益高涨， 这在客观上有利于可再生能源替代化石能源的进程。然而，可再生能源能否替代化石能源不仅与人们的社会环境意识有关，还与它们的成本和应用范围有关。由于氢的制备与储存直接影响到其成本， 氢的安全性问题则直接影响其应用范围。因此，以下将重点对氢的制备、储存和安全性进行探讨。

1. 氢制备的问题

氢是一种二次能源， 其生产方法很多（如图3），但目前主要依赖于化石能源，在全球范围内，氢的制取48%来自天然气，30%来自石油，18%来自煤， 只有4%来自水的电解。在各种制氢技术和工艺中， 首先利用天然气制取氢气工艺的成本最低， 其次是利用煤炭气化法和生物质气化制氢法、水电解法，最后是利用可再生资源发电电解制氢法、核能发电制氢和利用生物质发酵制氢的方法。其中， 化石能源制氢成本最低，在近期仍然具有巨大的环境、经济、安全、效率方面的吸引力。首先， 可再生能源制备过程中二氧化碳富集， 比较容易进行捕捉和封存， 可运输至地质岩层中进行储存， 或作为石油开采的驱动气体；其次，从合成气中除去气态污染物比从燃烧产物中进行要容易得多；第三，煤炭在全球的分布相对油气资源要相对平均， 可有效缓解供应安全问题；最后，固定式高温燃料电池的迅速发展将不仅提高中心式供能产业的整体效率， 而且排除了传统火电的规模和负荷屏障，便于分布式供能。但从长远来看， 化石能源制氢受到本身资源和碳排放的制约， 而利用生物质、水和太阳能制氢是发展方向。只有用低碳或者零碳能源电解水制取可再生能源才可以实现碳减排的目标。因此，人们寄希望于可再生能源制氢， 具体的方法很多，如可再生能源(太阳能、风能、海洋能等)发电-电解水制氢；热化学法制氢，包括太阳能热分解水制氢；太阳能光化学分解水制氢； 太阳能光电化学分解水制氢； 模拟植物光合作用分解水制氢；光合微生物制氢等等。在太阳能制氢方面，最近《科学》杂志上报道了关于光催化水解制氢的最新情况，MIT 已成功研制了一种由钴和磷等元素组成的新型环保水解催化剂，若能进一步改进，就有可能较好地解决低成本制氢问题。可再生能源制氢的实质是利用可再生能源代替化石能源，主要还是从水中提取氢！ 从近期和中期的角度来看，利用可再生能源制氢在整个制氢中所占的比例还是有限的，原因是受成本的制约。化石能源制氢仍将起主导作用，但是随着世界各国环境法规的日益严格以及社会对洁净的可再生能源需求的大幅度增长，我们有理由相信根据各地条件的特点， 多种制氢方法将协同发展。

2. 氢储存的问题

氢的储存也是一个至关重要的技术，主要有气态高压储氢、深冷液化储氢、非金属化学储氢和金属氢化物化学储氢等技术。大量氢的储存， 可以采用废弃的矿井和山洞。小量氢可用高压钢瓶储存，也可用水封式储氢罐。长距离输氢可用管道。制成液态氢储存与输送也是一种方法， 但是制成液氢要消耗其本身能量的1/3以上，只有在特殊情况下使用。就目前看来， 虽然储氢的方法多样，但都达不到实用要求，氢的储存也是可再生能源发展的一大瓶颈。从技术发展的趋势看，储氢的前景还是比较乐观的， 但在未来还需要材料学和物理学的突破，在保障安全的基础上，进一步提高储氢材料的储氢密度， 降低成本。

3. 氢的安全性问题

氢在使用和储运中是否安全可靠， 是人们普遍关注的安全问题。一部分观点认为，氢的独特物理性质决定了其不同于其它燃料的安全性问题， 如更宽的着火范围、更低的着火能量、更容易泄漏、更高的火焰传播速度、更容易爆炸等。20 世纪80 年代末，德国、英国和日本三国的三个大汽车公司， 对可再生能源汽车对于氢燃料的使用进行了试验和评估。三家公司一致认为， 可再生能源燃料和汽油一样安全。即使撞车起火燃烧， 至多也不过引起一场大火， 但很快就能熄灭。物理学家Amory B. Lovins 认为， 可再生能源产业经历了半个多世纪， 有令人羡慕的安全记录。任何燃料都具有能量， 都隐藏着着火和爆炸的危险。和其他燃料相比，氢气是一种高能而安全性高的气体。氢气在开放的大气中， 很容易快速逃逸， 而不像汽油蒸汽挥发后滞留在空间中不易疏散。氢焰的辐射率小，只有0.01～0.1，而汽油空气火焰的辐射率大于0.1，即后者几乎为前者的10 倍。这说明氢火焰散发的辐射热小，危害小。事实证明，氢气和其他燃料一样安全，氢安全可以通过严格的规章来保证。

四、结论

能源结构更替需要时间！ 估计需要用几十年以至近百年的时间， 第一批新能源才会做出重大贡献。例如：核裂变已有半个多世纪的历史，