氫燃料未來(lái)或成能源新寵

　　編者按：

　　人類(lèi)對(duì)氫能源的實(shí)際應(yīng)用可以追溯到200年前。氫儲(chǔ)量豐富、易于獲得，是理想的能源載體。氫燃料優(yōu)點(diǎn)很多，其中之一是實(shí)現(xiàn)了二氧化碳零排放。這一特點(diǎn)使氫燃料這在處處高呼節(jié)能減排世界顯得尤為搶眼。然而如何以低廉的成本生產(chǎn)出大量的氫氣還是一個(gè)處于討論中的問(wèn)題。這里提出了一個(gè)改造現(xiàn)有天然氣電廠的設(shè)想，或許可以為氫能源的生產(chǎn)增添一些啟示。

　　氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代

　　自20世紀(jì)90年代中期起，許多問(wèn)題集中出現(xiàn)，如城市空氣污染日益嚴(yán)重、低排放或零排放車(chē)輛的需求持續(xù)增加、石油對(duì)進(jìn)口依賴(lài)加重、全球氣候變暖加快等等。同時(shí)，伴隨著日漸高漲的全球能源緊缺呼聲，許多國(guó)家都開(kāi)始實(shí)施能源多樣化戰(zhàn)略，加大新能源的研發(fā)力度，探索代替石油等化石燃料的清潔能源技術(shù)。

　　在各種新能源中，氫能源被認(rèn)為最有可能大批量投入實(shí)際使用。許多國(guó)家都展開(kāi)了對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)利用。美國(guó)、日本等國(guó)都大力發(fā)展本國(guó)氫燃料電池，以及氫的制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存技術(shù)。

　　氫氣生產(chǎn)方法不同，其投資額和邊際成本也不一樣。制氫的能源和燃料也有多種來(lái)源，能源有天然氣、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)力等，燃料有生物燃料、煤炭等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，煤炭制氫最便宜，但是這一方法產(chǎn)生的高污染又會(huì)使氫氣科技的環(huán)保性蕩然無(wú)存。天然氣制氫則很好地?cái)[脫了這一問(wèn)題。因此想要開(kāi)啟氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代，首先就要尋找出經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的大量生產(chǎn)天然氣的方法。長(zhǎng)期以來(lái)，這一問(wèn)題一直阻礙著人類(lèi)社會(huì)邁入一個(gè)清潔的低碳氫燃料時(shí)代。

　　從現(xiàn)有天然氣電廠“抽”氫

　　荷蘭及法國(guó)的一些化學(xué)家指出，建造花費(fèi)巨大的新工廠不切實(shí)際，改造已有的天然氣發(fā)電廠更加現(xiàn)實(shí)。但是有批評(píng)指出，將現(xiàn)有天然氣發(fā)電廠進(jìn)行翻新可能會(huì)使效率低下。不過(guò)要想逾越通向氫時(shí)代的障礙，目前也只能采用現(xiàn)有的化石燃料技術(shù)。

　　盡管將氫轉(zhuǎn)化為能量所需的廉價(jià)燃料電池及其他技術(shù)都已相當(dāng)成熟，但是目前還未找到大量生產(chǎn)氫的方法。荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的加蒂·羅騰博格團(tuán)隊(duì)與其法國(guó)里昂大學(xué)的同事們認(rèn)為由于能源市場(chǎng)相對(duì)保守，只有使用現(xiàn)有礦物燃料基礎(chǔ)設(shè)施才比較實(shí)際，并且有成功的可能。他們的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種催化劑，據(jù)稱(chēng)可以模仿沼氣發(fā)電廠的燃料室，在燃燒室里分解甲烷、產(chǎn)生氫氣。而且這一方法對(duì)現(xiàn)有發(fā)電廠的改動(dòng)很小。

　　焦炭沉淀物問(wèn)題

　　對(duì)于到底應(yīng)該使用哪種催化劑，研究者們經(jīng)過(guò)了多種嘗試。他們?cè)囘^(guò)鈰的氧化物以及鎳催化劑，將甲烷和氧氣的混合氣體加熱至400℃至500℃來(lái)模擬發(fā)電廠內(nèi)的情形。最開(kāi)始，甲烷燃燒消耗掉所有的氧氣并產(chǎn)生熱量。接著，在催化劑及熱量的作用下，剩余的沼氣分解成固態(tài)的碳和氫氣。兩個(gè)甲烷分子包8個(gè)氫原子可以產(chǎn)生大約2個(gè)氫氣分子——使用這一方法氫氣的實(shí)際產(chǎn)生率約為25％至30％。

　　在發(fā)電廠內(nèi)，在這一過(guò)程中產(chǎn)生的部分熱量會(huì)像平常一樣用于發(fā)電，這樣可以利用浪費(fèi)的能量從而提高整個(gè)效能。

　　實(shí)驗(yàn)顯示，催化劑在被固態(tài)碳堵塞前，可以連續(xù)有效工作7小時(shí)。據(jù)研究小組的久瑞安·貝克爾斯介紹，即使催化劑被堵住，也很好清理，因?yàn)檫@些焦炭沉淀物很容易燃燒。他還說(shuō)：“改變?cè)谌紵覂?nèi)的混合氣體也是一種減少焦炭沉淀物的方法。”不過(guò)后來(lái)他又補(bǔ)充說(shuō)，研究人員們也不確定是否能在真正的天然氣發(fā)電廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)這樣的控制水平。

　　生產(chǎn)氫氣能耗高

　　哈里斯指出，全世界大約95％的氫氣都是從天然氣中獲取的，使用的正是石化燃料轉(zhuǎn)化爐。在轉(zhuǎn)化爐中，天然氣與蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。這一過(guò)程實(shí)際產(chǎn)生氫氣的效率大約為65％至70％。他說(shuō)，在找到生產(chǎn)氫氣的可再生資源之前，這一效率已經(jīng)夠用。

　　但瑞士聯(lián)邦科技學(xué)院的阿爾多·史丹菲爾德卻持不同意見(jiàn)。他指出要產(chǎn)生需要的蒸汽，必定要消耗一定的燃料。相比而言，天然氣發(fā)電廠從天然氣中獲取能量的效率更高。他還說(shuō)：“因?yàn)樯a(chǎn)氫氣是一個(gè)高耗能過(guò)程，因此在轉(zhuǎn)爐中用甲烷生產(chǎn)氫氣每千瓦/時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳量更多。”

　　太陽(yáng)能解決方案

　　史丹菲爾德的研究建議將注意力集中在太陽(yáng)能上，因?yàn)?a href="http://www.hntv520.com" title="太陽(yáng)能" target="_blank">太陽(yáng)能可以提供熱量來(lái)分解甲烷并生產(chǎn)氫氣。他說(shuō)：“通過(guò)這些復(fù)雜的過(guò)程，我們‘混合’太陽(yáng)能及化石燃料產(chǎn)生的能量，將現(xiàn)有的以化石燃料為基礎(chǔ)的技術(shù)與未來(lái)的太陽(yáng)能化學(xué)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。這樣能節(jié)省化石燃料，減少二氧化碳的排放，并且能為太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣鋪路搭橋。”

　　不過(guò)，這一設(shè)想同許多其他提議（如用細(xì)菌酶生產(chǎn)氫氣）一樣還只處于理論階段。展望未來(lái)，如果能夠找到大量可持續(xù)生產(chǎn)氫的方法，或許可以開(kāi)啟一個(gè)嶄新的氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代。