众所周知,石油被誉为工业的血液,现代工业的出现和发展可以说石油是第一功臣,但有一种能源比石油要厉害得多。同质量下,它的能量密度达到了天然气的三倍之多;它有着超强的导热性,导热系数的一般气体的十倍;而且它本身无毒,燃烧后,不会产生任何对环境有害的污染物质。它就是氢气。
氢作为自然界最广泛存在的物质,也是元素周期表的第一位。自被发现以来,科学家对氢的利用就一直没能停下过脚步。
氢,最早发现于16世纪年;到年,亨利·卡文迪什第一次分离出氢气,但是他还不清楚这是什么;年,威廉·尼科尔森电解水成功得到了氢气和氧气;直到年,弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹使用氢氧燃料发明了第一台安装在汽车上的内燃机。但可惜的是,他设计得不够好,氢气在那时也不是很好的能源,所以未能取得商业成功。
年,齐柏林飞艇就是利用氢气制造而出的;年,美国把氢气压缩为液体,改造出氢发动机,装在了超音速和亚音速飞机上;而之后美苏的载人航天的火箭就是利用的氢燃料。
年,由氢气携带升空的齐柏林飞艇成功完成环球一周的旅行,是第一艘也是唯一一艘环球氢气飞艇;到年,第一台氢冷涡轮发电机在俄亥俄州投入使用,标志着氢气正式进入工业领域。
氢燃料在汽车上的大规模运用要追溯年,列宁格勒的苏军中尉鲍里斯·谢利希改装了数百辆氢动力汽车;到年,氢燃料动力火箭升空,成功带着人类走向星辰大海;年,氢能第一次写入我国《工作报告》。
可以看到,氢能正在逐渐大规模地走上历史舞台。然而,氢能既然如此好用,那为什么直到现在才开始布局大规模利用呢?
首先,氢气由于性质在已知自然界不会大量存在,是二次能源,也就是需要一次能源的输入才能生产。在科拉超深钻孔中发了分子氢,尚不明确有多少储量。现在获得氢气的方法一般有:蒸汽重整、甲烷热解、水电解、生物质制氢、热化学制氢以及工业副产物制氢和其他。
蒸汽重整和甲烷热解是目前工业制氢上比较常用的方法,使用的是天然气和甲烷。但这种方式制氢会产生二氧化碳,从长远来看,并不是合用的制氢方法。
剩下四种方法都是使用的清洁能源制氢。电解水和热化学制氢是目前比较有潜力的制氢技术,热化学循环制氢是利用核能产生的热量,用诸如氧化铁循环、铝-氧化铝循环等热化学循环制氢;水电解是使用电能电解水的方式得到氢气。
生物质制氢目前还处于实验室阶段。生物质制氢是利用多种微生物的酶系统,进行催化脱氢,得到氢气。工业中电解氯和苛性钠会产生大量氢气,炼钢时焦炉中产生的气体中含有大量氢气,这都是副产物制氢。
其次,氢气体积能量密度低,同样体积下的能量相比其他自然态液体燃料低得多,以现在的技术,即使压成液体,同体积能量密度也只有汽油1/4;第三就是存储困难,存储有两个问题,一是必须要高压或低温、二是未免氢气通过聚合物逃逸,材料要特殊。
基于这三个原因,氢气的利用率一直不高,且由于是二次能源的载体,它一般被视为电能、光能、化学能等能量的载体。
现在的氢气的储存方法一般是通过加压氢气、液态氢气、液态有机物氢载体、吸附、地下储氢以及管道存储。加压氢、液态氢、管道储存好理解,液态有机物氢载体一般是将氢气变为氢化物或含氢化合物储存;吸附是将分子氢吸附在固体存储材料表面,比如活性炭;地下储氢比较特殊,是在盐丘或枯竭油气田中储氢。
目前氢气已经在全世界得到了重视,我国有超30家央企布局氢能,从上游制氢下游布局应用全面展开。上游制氢我国布局光电风电由来已久,水电解制氢有着优越的环境;在储氢方面的研究,自年氢能被重视以来,我国相关专利与论文一直处于世界领先,先后顺序是中国、欧盟、美国和日本;下游,已经开始上马氢燃料公交。
世界方面,美国和欧盟先后发布《氢能计划发展战略》,传统汽车公司除了发展新能源车外,也在开展氢燃料内燃机的研发工作,如丰田。
虽然有这么多困难,但是可以看到氢的发展正在逐渐走上正轨。儒勒·凡尔纳曾经在科幻小说中《神秘岛》中写下:“未来,人们将会用水中的氧气和氢气作为燃料。”如今,这句话仿佛预言正在慢慢实现!