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新能源:深入认识开发氢能源的战略意义

[我来说两句] [字号:  ]
2009年09月21日14:14
来源:《时代汽车》杂志 作者:黄正夏

  Even when he was seriously ill, Mr. Huang told the journalist the article is the opinions of energy experts, publishing it word for word. Although it’s an essay, it is full of pure heart of a Chinese autobots. We publish it to express our respect.

  病重期间,黄老特意嘱咐本刊,此文是综合了能源专家的意见写成,要一字不漏的刊登出来。

  这篇文章虽然用论文形式表述,却体现了一个中国汽车人的赤子之心,本刊编辑部转发此文深表敬意。

  氢是一切可燃烧物质燃烧强度最高的能源

  科学实践证明,燃烧的本质是一切可燃物质的氧化过程,包括热核反应,也是氢的同位素实现的。所谓氢能源是指氢在燃烧(氧化)过程中释放热量,并立即生成水的效应。水的分解又生成氢和氧,构成大自然的反复循环。燃烧的强弱用燃烧中产生的“热值”量来表示。

  在交通运输领域中,几种常见的可燃物质的热值(单位:兆焦耳/公斤)对比如下:

  对比中可以看到,可燃物质中,含氢越多,热值越高;各种混合物或化合物分子很复杂,尽管使用条件各个不同,所产生的平均热值都会降低。

  几百年来,经过科学家反复推导和实验验证,宇宙最初大概是由极少数、极简单、极轻的物质组成的,经过一次大爆炸,在极高温、高速、高压下,产生反复震荡碰撞和物理化学交叉反应,才生成千百万亿年各种性质不同的原子、分子的新组合和新物质。因此可以说,一切物质都是氢元素叠加化合变异的结果,这是氢作为原始的最佳能源的主要原因。当然,随着人类对微观世界更深入的认识和挖掘,必然会产生其他能源结构,但可以肯定都是深入原子、质子内部的“粒子”等等的能量再释放。

  因此,开发动力能源中的最大目标,是挖掘氢能源,抓住和集中了氢,就可获得更多的热效应,可以说抓住了根本,抓住了大方向。但是,地球上并无单独的氢分子存在,水是最富的氢矿,一个水分子含两个氢原子和—个氧原子,氢与水的关系形成大自然“水→(氢+氧)→水”无限反复的循环链。我们只能顺应这个规律,反对科学工作上的形式主义和教条主义,坚持实践是检验真理的唯一标准,在动力能源问题上,坚持发展水和氢能源的相互平衡,保持科技、自然和社会发展的远大方向,实现“天人合一”,谐和俱进。

  开辟大量制氢的稳定途径

  地球上含氢的化合物存在极广,一般工业用氢纯度不高,大多在99.5%以下:制造纯氢至少要达到99.95%以上。通过水的电解或千度以上高温分解水制取,要消耗其他能源,成本较高。我国淡水资源匮乏,只占世界平均水平80%,因此,单从教科书定义出发,采用这种方式大量制氢,一般都拒绝考虑这种方式,乃至“谈水色变”。

  但结合我国的实际特点出发,却是另外一种情况。我国地处温带,山多雨多,水位落差大,全国2000多个行政市县中,1500个为山区、半山区、丘陵,比较贫困的地区又多在这里,却极适合建立水电站。

  我国的水力水能资源特别丰富,占全世界12%,世界第一。电站发供电有个特点,即峰谷差,每天有7小时左右为低谷发供电,大约近1/4-1/3的水流基本流失成为“过境客水”。如果将这些客水也充分发电供电,这不仅不是“耗电制氢,损失效率,”而且可为电站增加动能和效益。

  由于制氢,必须使水库常年充水,不仅有助于稳定发电,还可以延长电网及机电寿命,大致可增加电力15%-20%左右。这对保持水土山林,改善大气环境,增加防洪排涝能力均有巨大效益。

  从制氢的效益及电站效益来说,每4.5—5度电可制1立方米氢,每公斤氢相当2.727公斤汽油,在实际应用上可相当8--10公斤汽油,可供5人座轿车平均行驶100公里。一辆汽车寿命周期大致为30万公里,年平均按3万公里计算,耗氢300公斤。据估算,一个1万千瓦为单位的水电站,每年按“客水”流量可制氢9万公斤;可供300辆汽车常年使用。而电站增益,在售电后扣除各项成本消耗,尚可净收益155-240万元(2007年售价)。为建设制氢站各项投入,大约500-700万元,三年左右可收回。

  湖北省已建成小水电站354万千瓦,到2020年计划建成620万千瓦。以其总装机容量1%左右,建设蓄能式水电站和制氢站,是一个很大的数字,从全国来看,小水电己装机6000万千瓦,到2020年再装机将达到8000万千瓦,全国大中小型水电站装机己达2亿千瓦左右,数字更大。仅以长江干流说,三峡电站发电后,从三峡到武汉关一段,年产生低谷水流初估可达6000亿立方米左右,可发电500亿度,制氢9亿公斤,相当600万吨汽油。中央已经提出,在2020内,将大力推行农村市县级电气化建设,这是开发水电制氢的好机遇。氢的用途极广,工农业生产和生活均迫切的需要,解决“老少边山”穷困地区,结合我国特点抓好小水电制氢,很可能是最终解决全面建设小康社会的切入点和突破口。因此,当前大力从小水电入手,从小到大逐步试点.从单电站制氢到多电站联网输氢,乃至像管道运输天然气、石油一样,在将来产生相当一部分输送氢能源的管道,而这种新产业却是利用大自然的反复循环和能量守恒原理实现的,是人类社会和大自然互相作用、互相促进、不断增长的一次革命。湖北省大山区长阳县已在开展试点,其建成的制氢站已向宜昌市、武汉市供应纯氢,很受欢迎。

  碳氢化合物制氢,受资源限制,可因时因地制宜发展,只能制取一般工业用氢。大量制取纯氢,主要依靠钢铁公司焦炉气提纯,焦炉气含氢的体积为 55%-60%,按年产100万吨焦炭计算,可生产焦炉气3.50万立方米,按10%的用量制氢,年可产1500万立方米或1300吨纯氢,可相当汽油3536吨。剩余的焦炉气主要成分是甲烷,仍可用于钢铁厂供热需要。全国每年焦炭产量2亿吨,其中重点钢铁企业2007年产焦炭9900万吨,若按10%制氢,可生产氢12.87万吨,折合汽油36万吨。焦炉气制氢时如钢铁厂煤气供应有缺口,可用天然气置换,也是很有利的。

  氢是宝贵的燃料和化工原料,如与化工企业联合和协作,建立全国性大循环经济,则对节能减排更有利,不过目前由于条块分割尚难实现,这是我国工业体制尚存的薄弱环节。

  氢的用途极广,不仅用于能源,还是化工、冶金、电子、轻纺及军工国防等必不可少的重要材料,有专家估计,将来完全可以成为建设氢经济、氢社会的重大物质基础。

  应用含水酒精转化成富氢燃料

  这可能是大量制氢用氢节能减排的重要方面。

  “含水酒精富氢汽车”是利用内燃汽车排放的尾气余热(650-250℃),把75度左右的含水酒精随车进行蒸发、催化、重整为富氢燃料(氢占60%-70%,CO占30%左右),再返回汽缸进行高温稀薄燃烧的过程。其重整的化学反应式为: C2H5OH+H20→4H2+2CO

  使用含水酒精重整燃料气的发动机,可比传统汽油内燃机降低能耗6%以上,而尾气中的NOx,CO2,THC等可减少50%-90%。因此,可以认为这种燃料是一种可再生的清洁能源,可普遍应用于交通工具。这个技术的突破,对于全世界常年保有上亿万辆内燃汽车的扩大应用,以及一般工业机械的创新将发挥举足轻重的作用,乃至可以根据这个原理,设计未来的产业,生产制造各种相应的机器和工具。

  含水酒精经过催化重整为富氢燃料,开辟了农林等生物质能源更加广泛利用的途径。特别是通过微生物发酵预处理等核心技术,不仅能分解纤维素,并且有可能做到分解木质素,就能够加倍扩大生物质来源。做到不用粮食,不占耕地,不毁坏山林草原湿地,不减少土壤有机肥力,不污染环境等,真正落到实处,并可获得低成本的含水酒精,从根本上充分应用大自然条件下实现以工业为主导,城市与乡村,工业与农林牧副渔业及改良土壤紧密结合,互惠互补,创造全面协调可持续发展的新体制、新材料、新能源,为建立循环经济扩大领域。

  目前国际上大多采用“乙醇汽车”即纯酒精,只是为了节约石油,无论从成本及效率说,都比不上含水酒精。从相关单位许多年的实验结果看,技术已基本成功,只是在催化剂选用上尚不够稳定,许多基础理论及复杂器件上尚需改进,相信只要认真扶植,是能够解决的。

  富氢气体经过纯化后,也可以成为燃料电池的能源,其带动的产品及学科当更宽广,应引起注意。

  综上所述,能源问题是人类社会物质生产力发展的基础,从利用燃料动力资源说,就是集中和发挥最高的燃烧效果。当前已经进入知识经济时代,经济开发更需要像党中央教导的,在以人为本的基础上,认真贯彻科学发展观,坚持全面协调可持续发展,坚持发展和建设循环经济。最大限度的认识物质的潜能和相互间的发展变化关系,牢牢掌握大的方向,争取对于人类社会和自然相互促进作出更大的贡献。

(责任编辑:田禹)

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