洁净高效的新能源–氢能

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2023-3-30 01:19

专家普遍认为,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。

氢蕴藏于浩瀚的海洋之中。海洋的总体积约为 13.7 亿立方千米,若把其中的氢提炼出来,约有 1.4×1017 吨,所产生的热量是地球上矿物燃料的 9000 倍。氢是一种极为优越的新能源,其主要优点有:

燃烧热值高 每千克氢燃烧后能放出 142.35 千焦的热量,约为汽油的 3 倍,酒精的 3.9 倍,焦炭的 4.5 倍。

清洁无污染 燃烧的产物是水,对环境无任何污染。

资源丰富 氢气可以由水分解制取,而水是地球上最为丰富的资源。

适用范围广 贮氢燃料电池既可用于汽车、飞机、宇宙飞船,又可用于其他场合供能。

开发氢能的关键技术包括两方面:一方面要解决制氢问题,另一方面要解决氢的贮存及运输问题。

制氢工艺

氢气能否作为燃料广泛使用,关键在于制氢工艺。作为大规模生产氢的主要途径,电解水无疑是最可行的。然而,水分子中的氢原子结合得十分紧密,电解时要耗用大量的电力,比燃烧氢气本身所产生的能量还要多。如果这些电力来自火力发电站,就失去使用氢燃料的意义,在经济上不足取。

基于此,人们想到了利用太阳能发电和水力发电等提供电力。首先使这一设想付诸实施的,是 1986 年在加拿大魁北克省启动的“水力氢试验计划”,该计划由加拿大和欧洲合作,利用魁北克省丰富的水力资源提供电力,并用高性能离子交换膜电解水,所产生的氢气吸附在一种贮氢合金内,运往消费地――欧洲。据报导,用该工艺方法生产氢的成本,已接近天然气的生产成本。

美国夏威夷大学开发了一种光电制氢工艺,用一片很薄的半导体悬于水中,仅利用太阳能就能产生出氢。位于科罗拉多州的政府氢实验室、迈阿密大学等正在开发另一种有希望的方法,通过用光线照射的某些微生物,它们便能像一个自发的活反应体一样,从水中产生出氢气和氧气。

日本通产省从 1993 年开始实施“氢利用清洁能源计划”。该计划提出了将在太平洋上赤道位置建立“太阳光发电岛”,以太阳能电解水制得的氢,去推动以氢作燃料的燃气轮机,建成新型的火力发电站。日本工业技术院人士认为,从成本上看,氢发电是大有希望的,若能建立起氢的大量供给系统,其需求将有可能急剧增大。用氢取代城市煤气,只是诸多用途之一,日本的目标是以氢发电为突破口,逐步摆脱对石油的依赖。

贮氢方法

氢还有另一大难题是贮存。氢气很轻,它必须经过压缩或在极低的温度下液化,其浓度才能达到成为一种有用燃料的要求。

为了克服这一难题,研究人员以固态存储方法——用贮氢合金吸收和贮存氢。当用贮氢合金制成的容器冷却和压入氢时,氢燃料的浓度可与压缩天然气系统相比,但重量较轻、体积较小。加热这一贮存系统或降低其内部压力,氢就会释放出来。

贮氢合金的工作原理是:氢原子贮存于金属结晶间隙,以氢化物的形态存在,这种金属氢化物有很好的安全性和经济效益。贮氢合金在冷却或加压时能吸入氢气,与金属形成金属氢化物;当加热或减压时,金属氢化物会重新分解出氢气以供利用。

 
玄能
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