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shenchunhui

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[交流] 关注氢能源

关注氢能源——21世纪最具发展潜力的能源
近几月来，国际原油价格似“脱缰野马”连连攀升，能源供应成为近期全球关注的焦点，尽快在新能源研究开发上获得突破的压力比以往更大。全球范围内的政府及公司正在寻求新的方法以支持经济发展，目标就是：充足、价廉、安全的能源以及更加有效的使用方式。

　　2004年10月20日，第五届中国氢能会议在清华大学举行,与会代表对我国氢能发展的大方向和发展途径进行了讨论.专家普遍认为，作为传统能源的煤、石油和天然气在一二百年内将面临枯竭和耗尽，而21世纪最有前途的能源有两种：一种是氢能，另一种是受控核聚变能。而这两种能源都与氢元素息息相关，前者直接利用氢，后者则利用氢的同位素——氘。

　　随着氢能不断被媒体关注和曝光，氢经济一词(Hydrogen Economy)也逐渐被政治家和战略家们提出。正如全球对石油高度依赖导致了石油经济一样，氢能的广泛应用将影响到每个人生活的方方面面，进而成为主导经济的主要因素和工业的血液。

　　本期主题我们与清华大学核能与新能源技术研究院共同组织，对氢能的现状、发展未来以及存在的问题做了初步的探讨。

　　能源是人类社会存在的基石。没有能源，人类无法生存，更谈不上进步和发展。世界能源消费量巨大，且呈明显增长趋势。随着经济发展、人口增长，人类社会活动对能源的需求将越来越大。氢作为二次能源，愈来愈受到人们的重视，人们正在试验使用氢能给工厂和家庭供电、供热、驱动汽车、船舶、摩托车、自行车，代替现有笔记本电脑的电池……其实，人们对氢和氢能并不陌生，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，这种瓦斯含氢量达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氢含量高达50％以上。

　　人们为什么要对氢感兴趣？

　　有限的化石能源资源

　　化石能源是当前的主要能源。2001年世界能源消费结构显示，石油消费量占世界能源消费总量的38.5%，天然气占23.7%，煤炭占24.7%。其次是核能和水电，可再生能源所占比例很小。

　　化石能源属不可再生资源，在地球上的储量有限；化石能源的大量开采，使之将面临枯竭。据估计，全球石油可供开采40年，天然气约60年，煤炭的储藏量最多不过可供开采200年。

　　和世界各国相比，我国的能源资源更为紧张。以石油为例，我国2001年人均石油可采储量只有2.6吨，仅为世界平均值的11%。2001年原油产量1.65亿吨，原油生产已进入高峰期，仍然不能满足国内需要，2000年进口原油7000多万吨，2002年进口超过9000万吨。2003年我国石油进口量已经超过日本，成为世界第二大石油进口国。权威机构预测，我国2010年石油总需求量将达3.4～3.8亿吨，2020年达4.3～5.3亿吨。谁能供应如此多的石油给中国？今天，原油的价格已经上涨超过50美元/桶，寻找一种新型能源代替石油，已迫在眉睫！为此，人们将目光投向氢能。

　　不断苛刻的环境要求

　　自工业革命以来，化石能源的消费剧增，导致大量的温室气体CO2排向地球大气层，直接造成“全球气候变暖”这一极其严重的环境问题。根据预测，到2100年，全球CO2排放量预计将从目前的60亿吨/年，增加到360亿吨/年。大量CO2排放的结果是大气中CO2浓度的升高。南极上空的CO2浓度由1860年的280mg/L升至1992年的355mg/L，而近20年来南极大气中CO2浓度正以每年平均大于1mg/L的速度增长。全球气候变暖会使海平面升高，引起沿海地方淹没；还会极大地影响降雨分布，改变地球的生态。2004年1月的《自然》发表的研究报告称，全球变暖将导致世界上四分之一的陆地动植物在未来的50年内灭绝。也就是说，100多万个物种将在半世纪以后从地球上消失。

　　燃烧煤炭会产生大量的二氧化硫（SO2）气体以及颗粒物，造成煤烟型大气污染。汽车尾气所排放出来的大量氮氧化物(Nox)和颗粒物是城市空气污染的主要来源。城市大气受大量汽车尾气污染时，在合适条件下会发生“光化学烟雾污染”现象，对城市人群健康产生极大的危害。

　　我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，也是世界最大煤炭消费国。2000年，煤炭占一次能源总消费量的70.06%。以煤为主的能源结构给环境和运输造成愈来愈大的压力。1998年，燃煤排放的SO2和CO2估计分别为17.8Mt和731Mt-C，占SO2总排放量和化石燃料燃烧排放的CO2总量的85%。此外，煤层的开采会造成地表塌陷及地下水污染；地下石油的开采会产生大量的油田废水，不仅污染地下水还会严重影响地表生态，造成不可逆转的生态破坏。

　　我国CO2排放量居世界第二位，仅次于美国。据国际能源署（IEA）估算，我国2000年CO2排放量为30.5亿吨，其中约75%是电站和工业部门排放的，交通运输部门排放的CO2的分担率从1990年的6%上升到2000年的8%。预计未来20年内，电站和工业部门的分担率将保持2000年水平，而交通运输部门的分担率2020年将上升到12%。我国已经核准旨在延缓全球变暖的“京都议定书”，这是我国向全世界作出的郑重承诺。相信，随着我国经济实力的增强，国际社会要求我国减排CO2的压力愈来愈大。只有发展氢能、利用氢能有助于减少CO2排放。

　　日益凸现的能源安全

　　我国自1993年由石油净出口国变为净进口国以来，石油净进口量急剧增加，2000年达7000多万吨，石油进口依存度（净进口量占国内消费量比重）达31%，已超过能源安全警戒线。预计2010年净进口量将增至1.6～2.1亿吨，进口依存度上升到45～55%；2020年净进口量将达2.4～3.6亿吨，进口依存度达60～70%。我国进口的石油70％来自中东地区。中东地区石油运抵我国需经过漫长的海路，穿过马六甲海峡，台湾海峡，一旦发生战争，很难保证运输畅通，将对我国经济造成巨大的打击。

　　巨大的石油进口，也造成我国沉重的经济负担。据专家估计，世界石油价格每上涨一美元，我国每年就多付出7亿美元。2004年10月8日每桶原油期货已经超过53美元!无疑将大大加重我国工业的成本，减弱我国产品的世界竞争力。

　　解决我国能源安全的方案会有不同。但在近、中期利用主要能源是煤，中、长期利用可再生能源肯定是其中重要的一步。由煤制氢供应终端用户、集中处理有害废物将污染降低到最低水平，则是最有希望的洁净煤的技术方案之一。

　　可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能和海洋能等，具有资源丰富的特点。仅据太阳能、风能、水能和生物质能粗略估计，在现有科学技术水平下，一年可以获得的资源量即达87亿吨标准煤，大约是1995年全国能源消费量（15亿吨标准煤，含可再生能源）的5.8倍。而且大多数可再生能源属于低碳或非碳能源，具有可再生性，既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成严重的威胁，是未来可持续能源系统的重要组成部分。1997年，我国商品能源人均消费量1.15吨标准煤，仅为世界平均值的55%。如果到2050年我国人口达到16亿，人均能耗达到小康标准，即人均3吨标准煤的话, 则需要48亿吨标准煤，这也远低于一年可以获得的可再生能源资源量。可见，可再生能源在解决我国未来能源问题，将大有作为。但是再生能源具有明显的时间性，区域性和不稳定性，比如，要想利用太阳能，就只有在太阳升起的时候以及太阳照到的地方才有可能，再说太阳光的强度在一天内的变化也很大，这些缺点使其应用价值大为降低。由于氢具备电能和热能所没有的可储存性，使氢成为最好的可再生能源的二次载体。氢可以将不稳定的可再生能源储存起来，便于持续稳定地使用。因此，发展氢能是发展可再生能源的先决条件。

　　不可多求的新的经济生长点

　　氢能的利用方式主要是直接燃烧、燃料电池和核聚变。目前第三种方法正在探索阶段，前两种方法已经接近商业化。只要能解决氢能源的分配系统，氢能的应用就上路了，特别要指出的是氢燃料电池技术将引发一场汽车技术革命。发展氢燃料电池汽车将是我国经济持续发展的新的增长点，我们一定要抓住机遇，发展自己的汽车工业。

　　氢燃料电池汽车和传统的内燃机汽车有很大的不同，燃料电池车不用内燃机离合器、传动轴等部件，可省去70％的机械零件，使之更适合自动化生产。更便宜，更容易进入千家万户。今天全世界已经有好几十辆燃料电池公共汽车在许多城市运送旅客，数十辆燃料电池轿车在运送快件和乘客。

　　迄今为止，燃料电池车已经完成或正在进行多个商业示范。1998年3月16日和2000年6月30日加拿大温哥华、美国的芝加哥分别完成了燃料电池公共汽车（FCB）商业化示范。美国芝加哥的三辆FCB总共运行11.8万公里，运送20.5万人次。2004年，戴姆勒－克莱斯勒公司将30辆（CITARO型）燃料电池公共汽车，用于欧盟的CUTE项目。以每个城市3辆的比例分别在荷兰阿姆斯特丹、西班牙巴塞罗那、西班牙马德里、德国汉堡、英国伦敦、卢森堡、葡萄牙波尔图、瑞典斯德哥尔摩、德国斯图加特以及冰岛雷克雅末克等10个城市投入示范运营。2004年9月，又有3辆CITARO型燃料电池公共汽车在西澳大利亚珀斯投入运营。2005年我国北京也将有同样车型的燃料电池公共汽车。2008年北京奥运会期间，我国自制的燃料电池公共汽车将在北京示范。

　　在燃料电池公共汽车示范热度不断上升时，燃料电池轿车也取得突破性进展。例如，2000年通用汽车公司的燃料电池小轿车在2000年悉尼奥运会上为马拉松长跑开道。同年他们将燃料电池轿车“氢动1号”运到中国展示，而且还让中国观众亲自驾驶，体会燃料电池轿车的性能。2002年5月德国戴姆勒－克莱斯勒公司的氢动小轿车（Necar5型号）从美国西海岸旧金山出发，横穿美国大陆，达到首都华盛顿；行程5000多公里，历时16天，最高时速达160公里/时，平均时速达60公里/时。

　　2003年11月19日美国通用汽车公司在北京展出其新型燃料电池车——Hy-Wire。新车采用的燃料电池技术实现了尾气“零排放”，即没有二氧化碳、氮氧化物的排放；而线传操控技术完全摒弃了传统汽车的方向盘、离合器等机械操控装置，实现了电子方式操控。这两种最新技术的结合在世界上还是第一次。 Hy-Wire的燃料电池驱动系统能够持续供应94千瓦的电子马达用来驱动前轮，线传操控转向和刹车。由于没有了发动机、变速器、排气系统和机械连接装置，底盘和车身通过电子和软件系统简单地连接。这一革命性变化将会为用户提供更加个性化风格的车身。用户甚至可以根据自己的需求租用多种车身，自主随意地变换使用。由于采用线传操控技术，驾驶将变得更加自由和轻松。可以断言，无论从环保，还是从新能源方面，氢动力车都将在21世纪有极好的应用前景。此车于2003年11月19日在北京展出，引起轰动。

　　2003年联邦快递公司（FedEx）利用通用汽车公司的氢动3号燃料电池车在东京开始邮件快递业务的商业试运行。氢能燃料电池车给乘客全新的感受，受到赞誉。

　　继内燃机汽车之后，燃料电池汽车是汽车工业的第二篇章。燃料电池汽车技术的研发已成为世界各主要发达国家和汽车厂商在21世纪重大技术领域进行竞争的焦点之一。2000年，我国汽车工业产值已超过3000亿元。在未来20年内，巨大的潜在需求将使汽车产销保持高速增长势头，民用汽车拥有量预计将从2001年的1802万辆增至2010年的4000万辆，2020年可达7500万辆。汽车工业有可能为GDP平均7%的增长率提供0.5个百分点的贡献。我国加入WTO后，汽车工业面临新的挑战。而燃料电池车国内外都在研究开发阶段，我们虽然仍有较大的差距，但只要集中力量，以新的创新机制大力发展，营造中国独特的汽车市场环境，是可以突破障碍，实现跨越式发展的。可以说，发展氢能燃料电池汽车是我国汽车工业不可多得的机遇。

　　除用作汽车动力源之外，供电、供热是燃料电池的第二大消费市场。燃料电池技术也将对传统的供电、用电方式产生巨大影响。人们逐渐认识到目前的大规模集中式发电和远距离输电的缺点。美国加州大规模停电事件，前南科索沃战争石墨炸弹可以轻易地破坏电网使人们对其安全性担心。长距离输电的能耗也非常大。分散式发电是新思路，燃料电池的出现使每一栋楼房和每一家住户都可以成为发电的场所(燃料电池系统可安装在任何地方)，由此，可减少发电和输电时的大量能源损耗，并可充分利用发电时产生的热能(例如楼房、住宅取暖、热水供给等)。有报道认为正是分散式发电的优越性，美国决定大力发展燃料电池发电技术，并制定了普及应用计划，至2010年，要求10％的新建住宅配备燃料电池(发电系统)。我国情况和美国不同，发展的速度会慢些。但对重要部门、商厦和高层建筑还是很有吸引力的。

　　微型燃料电池和便携式燃料电池将是另一个广阔的市场。今天，手机不仅仅用于通话，而且可以作为数码相机、录音机、游戏机，掌上电脑的功能也迅猛发展，它们对电池提出了更高的要求。现在市场上普遍采用的镍镉、镍氢以及锂离子电池已经远远不能胜任这些便携式电子产品发展的要求。而且现有的电池技术已经相对成熟，无法再获得更大幅度的增长。微型燃料电池应运而生，以其更加高容量、轻便、环保等优点正逐渐成为未来电池新技术发展的一个重点。

　　燃料电池可以大到千瓦级，小到瓦级。一般认为百瓦级燃料电池可以作电动自行车、电动摩托车的电源等；展览演示用电源；单兵电源，小型服务器、终端、微机的不间断动力源；十瓦级燃料电池可以作笔记本电脑、应急作业灯、警用装备等电源；而瓦级小型便携式电源由于手机，掌上电脑等电源。

　　目前，美国已经展示手机用燃料电池，布什总统也在媒体面前使用燃料电池手机。东芝开发出最小的直接甲醇燃料电池(DMFC)，用于替代手机、笔记本电脑和PDA等便携式系统中的锂离子电池。该DMFC平均输出功率12W，最大输出功率20W，工作时间约5小时。NEC新推出的原型机笔记本电脑带内置燃料电池，它输出功率密度为40mW/cm2，平均输出14W，最大输出24W。内置燃料电池是通过提供燃料电池功率和开发中的外设技术而开发的，开发中的外设技术可将燃料电池置于PC内。该燃料电池工作电压12V，工作时间5小时，重量900克。德国Smart公司已经展示使用微型燃料电池的摄像机。我国中国科学院大连化学物理研究所、清华大学核能与新能源技术研究院等单位在微型燃料电池方面取得相当进展。

　　据市场调研机构ABI对微型燃料电池的市场预测，预计2004-2005年间，首批用于笔记本电脑的商用燃料电池将会面世。预计到2011年，全球燃料电池出货量将达到2亿块。而到2013年，全球燃料电池产业销售额将超过186亿美元。预计在微型燃料电池的产业化进程将在未来的3～5年内实现。

　　顺应历史的大趋势

　　纵观能源发展史，你会看到一个有趣的现象，即人类所用的燃料中的氢和碳的比例随年代逐步升高。人类的能源先是用薪柴，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。煤、矿物油和天然气都是碳氢化合物，它们的氢/碳的原子比率为柴薪：煤：油：天然气大约是0.1：1：2：4，对于未来的氢能，氢/碳的比率则趋于无限大。

　　历史上能源结构发生过两次重大更替：第一次发生在19世纪后期，煤炭替代了薪柴；第二次是20世纪70年代石油取代了煤炭而成为主要能源。目前，第三次世界格局的能源更替正在蕴酿中，这次将是气体燃料取代液体燃料。

　　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－液－气的方向进行。这是否也提示我们，氢气必然是未来的燃料呢？

　　2003年11月19－21日在美国举行“氢能经济国际合作伙伴（IPHE）”成立大会。共有15个国家和欧盟的政府代表团及工商业界代表数百人出席会议，中国是首批成员国之一。IPHE的目标是到2020年的时候，氢的成本可以和其他燃料竞争；氢动力汽车具有价格竞争力，能够在工作场所和家庭的附近为车添加氢气。IPHE是氢能发展史上一个重要的事件，它的意义将日益凸现。从1974年国际氢能学会的成立，到30年后，2003年由15个国家和欧盟组成的氢能经济国际伙伴计划，可以看到，氢能从一群学者的呼吁中，进入了多国政治家的鸿图大略，氢能离实用化不会太远了。

　　氢能无限

　　氢为什么会是人类无限的能源？因为和其他能源载体相比，如电、蒸汽相比，氢具有更多的优势。如果生产电能、热能和氢能的一次能源是清洁能源的话，它们都是环境友好的。电、热和氢的最大差别在于氢气可以大规模储存，而且储存方式多种多样。氢能的可储性，使氢能在未来可再生能源的体系中处于无可替代的位置。

　　和其他能源相比，氢能具备成为无限能源的特点。

　　氢的资源丰富。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%以上被水复盖；即使在大陆，也有丰富的地表和地下水。水就是地球上无处不在的“氢矿”。

　　氢的来源多样性。可以通过各种一次能源（如天然气、煤、煤层气和石油等）；也可以是可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热）或者二次能源（如电力）来开采“氢矿”。地球各处都有可再生能源，而不象化石燃料有很强的地域不均匀性。

　　氢能是最环保的能源。利用低温燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水。不排放CO2和NOX，没有任何污染。使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的有效方法。

　　氢气具有可储存性。就象天然气一样，氢可以很容易地大规模储存。这是氢能和电、热最大的不同。这样，在电力过剩的地方和时间，可以用氢的形式将电储存起来。

　　氢的可再生性。氢由化学反应发出电能（或热）并生成水，而水又可由电解转化氢和氧；如此循环，永无止尽。

　　氢是“和平”能源，因为它既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的“氢矿”。化石能源却分布极不均匀，常常引起激烈抗争，甚至战争。

　　氢是安全的能源，每种能源载体都有其物理/化学/技术性的特有的安全问题。氢在空气中的扩散能力很强，因此氢泄漏或燃烧时就很快的垂直上升到空气中并扩散。因为氢本身不具毒性及放射性，所以不可能有长期的未知范围的后继伤害。氢不会产生温室效应。现在已经有整套的氢安全传感设备。

　　目前用管道、油船、火车、卡车运输气态或液态氢；用高压瓶或高压容器以氢化金属或液氢的形式储氢以及氢的填充和释放都处于工业化阶段。在德国的慕尼黑一个全自动加氢站已经运行数年，在德国的汉堡也在运行着一个加氢站。这两个加氢站已向公众开放，预计，公路用完善的加氢站系统可望在2030年左右实现。

　　氢同位素是最好的核聚变的原料。从长远看，人类的能源将和太阳一样，来自核聚变；也可以来自地球上的可再生能源，而这二者都与氢密不可分。在核聚变中，氢同位素参加反应，实际上是一次能源。在可再生能源中，氢以能源载体的形式为人类服务。

　　

[ Last edited by nxl5096224 on 2007-6-4 at 15:24 ]

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