地球新能源時代(下) 

氫能已經成為時下能源圈的熱點話題，雖然氫能具有取之不盡、高效和清潔等眾多優點，但是安全和高成本也同樣讓普通人對氫能望而卻步。今天我們就借這篇文章為還不了解氫能的能豆粉們科普一下氫能那些事兒。

18世紀60年代歐洲開始工業革命(TheIndustrial Revolution )，化石燃料(原煤、原油和天然氣)就成為人類主要利用的一次能源，並且消費量逐年增高，從而造成環境污染以及全球氣候暖化。儘管這種現實目前還無法改變，但清潔能源以快速增長取代化石燃料，將逐步走向清潔的氫能時代。

在宇宙誕生時，就存在氫和氦。氫為95%，氦為4%，1%為重陽子。當星球發生核聚變反應，生成了較重的元素，氫降低到90%，其他元素則增加，因此，氫是地球上最多的元素。

氫(Hydrogen)是元素周期表中第一位元素。化學式H2，無色無味的氣體。很難液化(沸點-252.870C，臨界溫度-239.90C)，凝固點-259.140C。化學性質活潑，能燃燒，能與許多金屬和非金屬直接化合。

利用液態氫可以獲得低溫，也可作高速火箭的燃料，氫也是燃料電池的能源。氫存在於自然界中的水、烴類等化合物中，但氫不能以一種單獨的資源形式存在於地球上，所以不是一次能源。

氫能時代

氫能時代(Hydrogen Era)以氫能作為主要能源的時代，將是一種理想的能源時代。氫能時代是以天然氣作為過渡能源，向氫能時代逐步發展。氫能將是人類社會遠期主要的、絕對清潔的能源。

未來的氫能社會應具有以下特點：

氫能以極高的轉換效率(50～90%)轉化為電能，以氫氣作為替代化石燃料的能源。石油、煤炭、天然氣將不再作為能源使用，而是作為化工原料。

各種類型的氫燃料電池就地部分替代大電網運輸，，向用戶供電。

用以氫燃料電池為動力的汽車代替內燃機動力汽車。

消除相關的能源污染和噪音源。

各用戶有完善的能源供應和回收循環系統。

氫能經濟是人類歷史上能量利用率最高的經濟社會，是無污染、無噪音的綠色環境。

在現有的技術經濟條件下，由化石燃料特別是用天然氣製取價廉氫。但隨著利用可再生能源製取氫的比例不斷增加，天然氣制氫的作用將不斷減小。由可再生能源製取氫是未來的能源體系，而甲烷將起著輸送和儲藏氫的作用或者作為氫的原料。

制氫途徑

氫能是一種二次能源，因為它是通過一定的方法利用其他能源來製取的。在自然界中，氫(H2)和氧(O2)結合成水(H2O)而存在的，必須採用熱分解或電解的方法分離出來氫。

分離方式很多，可以採用化石燃料、核燃料或再生能源分離方式，簡言之，一次能源都可以分離水的氫和氧，但採用化石燃料燃燒所產生的熱或所轉換成的電能來分解水制氫，經濟上不可行。

1化石燃料制氫

利用化石燃料(以天然氣最方便)制氫時，燃料通過與氧或空氣作用主要生成氫和一氧化碳，然後在催化反應器里使一氧化碳和蒸汽反應，以產生二氧化碳和更多的氫。這種方式通常應用於生產合成氨和其他化工產品。

如丹麥托普索公司(Haldor Topsoe)開發的一種部分氧化制氫法，其工藝過程是將天然氣或石腦油與蒸汽的混合物預熱到540～6500C，引入到自熱反應器頂部，在此與另一股預熱過的富氧空氣與蒸汽的混合物混合，產生部分燃燒，使溫度升高，並在鎳(Ni)催化劑作用下完成蒸汽轉化反應。溫度為930～9800C的合成氣通過廢熱鍋爐降溫後，再經過變換，二氧化碳脫除和甲烷化等過程，最後獲得高純度氫氣。

2核燃料制氫

利用核燃料生產氫有兩種方式：

⑴ 水電解制氫。核能生產電力，然後水電解產生氫氣;

⑵ 熱化學循環制氫。該法既可以降低反應溫度,又可以避免氫-氧分離問題,而循環中所用的其他試劑都可以循環使用。

3再生能源制氫

利用再生能源生產氫有兩種方式：

⑴ 水電解制氫。再生能源生產電力，然後水電解產生氫氣;

⑵ 蒸汽轉化制氫。各種生物質經由蒸汽催化轉化製取氫。

可再生氫

當前全球氫氣生產48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，而水電解只占4%。這裡談及的「氫能」主要指再生能源製取氫，也不排斥核能生產氫，但跟化石燃料製取氫無關。利用可再生能源製取氫是新能源領域的一個研究熱點，被稱為拯救地球的動力。已經提出了「可再生氫 (renewable hydrogen) 」的概念，正在開展的研究包括：利用可再生電力電解水制氫、生物質氣化和蒸汽轉化製取氫、生物質熱解製取氫、光電化學法製取氫和太陽能與熱化學循環耦合製取氫等。如果在這些生產過程中使用可再生能源或核能製取氫，那麼整個制氫流程的二氧化碳排放可以趨向於零。

可再生能源如光伏、風電場、海洋能等生產的電力是間歇性的、不穩定的，而且多數在電力需求小的邊遠地區。如果能夠聯網直接供給消費地如沿海地區，問題就簡單了，當其再生電力無法使用，於是產生「棄風限電」這種現象。圖2表示風電場產生的電力過剩，採用電解水產生氫，然後注入燃料電池汽車。電解生產的氫經由壓縮機儲存在200 bar(1 bar=0.98692標準氣壓)的儲罐里，以便供應給燃料電池汽車。
氫氣儲存

氫氣儲能可看作是一種化學儲能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風電場制氫儲能技術為例，其核心思想是當風電充足但無法聯網、需要棄風時，利用風電將水電解製成氫氣(和氧氣)，將氫氣儲存起來;當需要電能時，將儲存的氫氣通過不同方式(內燃機、燃料電池或其他方式)轉換為電能輸送上網。

通常所指的氫氣儲能系統是電-氫-電的循環，且不同於常規的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環節，多以功率(kW)計算容量，代表氫氣儲能系統的「充電」功率;後端的燃料電池環節，也以功率(kW)計算容量，表示氫儲能系統的「放電」功率;中間的儲氫環節，多以氫氣的體積(標準立方米Nm3)計算容量，儲氫環節的容量大小決定了氫儲能系統可持續「充電」或「放電」的時長，所以如果想增加電能的儲存容量，加大儲氫罐的體積或壓力即可。

已被確認並被使用的氫氣儲存是經由壓縮或液化的純氫儲存;常用的氫氣儲存是壓縮氫氣。隨著壓力的增加，氫密度隨之增加。圖3表示氫氣在不同的壓力和溫度的條件下儲存的密度。

另外還有兩種成熟的氫氣儲存技術：

1、地下儲存氫(Undergroundhydrogen storage)是在地下洞穴、鹽丘和枯竭的油氣田儲存氫氣。ICI(英國帝國石油公司)把大量的氫儲存在地下沒有發生任何困難，大量液態氫儲存可作為電網儲能使用。地下儲存氫往返效率約40%(抽水儲能為75～80%)，其費用高於抽水儲能，但地下儲存氫氣仍被採用，其原因是初次建設費用低，容量大。

2、電轉氣(Power to gas，簡寫P2G)是將電能轉化為氣體燃料的技術，解決再生能源電力儲存的難題的一項技術。目前採用三種方式，但所有的方法都是藉助於電力將水分解為氫和氧。

第一種方法是將所產生的氫氣輸入天然氣管網作為交通運輸燃料或工業利用。

第二種方法是將氫和二氧化碳相結合，把這兩種氣體採用甲烷化反應如薩巴捷反應(Sabatierreaction)轉化為甲烷(天然氣)，或者採用生物甲烷化，但會造成8%額外能量損失，然後輸入天然氣管網。

氫氣儲存仍然處於研究之中

燃料電池汽車是未來汽車發展的方向。燃料電池汽車氫儲存有三種方式;

壓縮後儲存在高壓容器中;

液化後儲存在絕熱容器中;

與某些金屬及合金化合後以固體氫化物儲存。在這種儲存方法中，金屬及合金的氫化物吸附氫就像海綿吸水一樣，儲氫效率高。

目前，世界上三種儲氫方法都有試驗樣車。如美國邁阿密汽車使用壓縮氫氣;加利福尼亞公共汽車使用氫化物儲存氫;德國的一些示範公共汽車使用液態氫。

要使氫能達到規模化的商業應用其關鍵問題是：

⑴ 制氫技術。由於氫是一種二次能源，現有的制氫技術能耗大，效率低，價格昂貴。

⑵ 安全可靠的儲運方法。由於液氫溫度很低(-253攝氏度)，易氣化、著火、爆炸，因此需解決氫能的儲存和運輸問題。

因此，氫氣儲存技術的研究一直在進行中，名目繁多，其中儲氫合金特別值得關注。

利用儲氫合金(金屬氫化物)來儲存氫氣。在一定的溫度和壓力條件下，儲氫金屬能夠大量「吸收」氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。然後，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這種會「吸收」氫氣的金屬，稱為「儲氫合金」。

儲氫合金的儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。

由於儲氫合金都是固體，既不用儲存高壓氫氣的鋼瓶，又不需存放液態氫極低的溫度條件，需要儲氫時，使合金與氫氣反應生成金屬氫化物並放出熱量，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存於其中的氫釋放出來。因此儲氫合金是一種簡便易行的理想儲氫方法。

儲氫合金主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。

氫能的吸引力在於高效和清潔，大大減少溫室氣體排放，而且可以利用多種能源生產。氫資源豐富，但是必須從水或者烴類中製取，這需要消耗大量能源。因此，使用氫能源必須綜合考慮氫能的生產、輸送和消費的成本以及溫室氣體的排放。

雖然表面上，氫是取之不盡，用之不竭的能源;但實際上此進程既艱難又漫長。氫是二次能源，在氫能成為可行的燃料之前，必須面對許多挑戰，其中包括安全問題以及生產和輸送的高成本問題。

在今後較長時間內，以每公里行駛里程所用燃料費用計算，氫氣的生產和輸送費用是汽油的兩倍。使用可再生能源制氫的成本和投資最大，而使用天然氣制氫的成本最低，但天然氣和氫氣的基礎設施是不兼容的，因此也還會造成投資增大。

人們對使用可再生能源制氫的研究一直在進行，因為使用可再生能源制氫並用作燃料的全過程都實現了「零排放」，但是生產成本很高。目前，美國可再生能源制氫的平均成本，如果用風能，成本為汽油的5倍，如果用太陽能，成本就為汽油的17倍;此外，土地需求量也很大。

未來的能源形式已經提出多種，如甲醇經濟時代、乙醇經濟時代、以光伏發電為主的「第三次工業革命」、全球能源網際網路、氫氣時代等。未來能源是以多元(種類)化、多源(渠道)化發展，究竟未來哪種能源主宰世界，其關鍵是環境和諧和成本價格。

英國將跟隨法國、印度和挪威的腳步，實施全面禁止汽油和柴油汽車的計畫。但汽車行業對此怨聲載道，配套設施和電動汽車成本問題也未能得到解決。外界分析指出，禁售目標或許只是美好的政治願景——政客們迫切地想要告訴全世界，他們的國家是多麼的“綠色環保”。

2017年7月27日英國正式宣佈將於2040年起停止銷售汽油和柴油汽車來減輕空氣污染。按照英國政府的規劃，到2050年，行駛在英國道路上的汽車將全部為零排放。 

據CNNMoney資料顯示，英國2016年的汽車銷量為270萬輛，是歐洲第二大汽車市場，僅次於德國。 

在英國環境大臣戈夫（Michael Gove）看來，禁售決定迫在眉睫，因為汽油和柴油汽車已經給人類造成了嚴重的健康問題、破壞了地球環境、也影響了下一代的生活。 

英國皇家醫師學院（Royal College of Physicians）去年的一項研究顯示，英國每年有4萬人死於戶外空氣污染。不潔淨的空氣，與癌症、哮喘、中風和心臟病等疾病的產生都有關。 

戈夫表示：“我們不能再繼續使用柴油和汽油了。我們別無選擇，唯有擁抱新技術。” 然而，為英國貢獻了80萬個工作崗位的汽車行業就不這麼想了。

英國汽車製造商阿斯頓馬丁首席執行官帕默（Andy Palmer）指出，如果不希望英國的汽車行業工作崗位流失到海外，那麼英國應該提供足夠的配套設施來支撐電動汽車產業，可是目前英國離這一水準還很遠。

帕默對CNNMoney表示：“如果你想實現登月的話，你至少應該已經先有了一個NASA（美國國家航空與宇宙管理局）吧。” 

LMC Automovie主管Al Bedwell也認為，英國政府的目標很不明確，看上去只是一些政治聲明而已。在出臺更多細節以前，很難讓人知道這個目標的具體含義。

華威商學院助理教授Frederik Dahlmann則表示，此份聲明意味著英國政府確認了清晰的長期目標。但是英國政府沒有透露的是，短期內打算如何處理空氣品質和汽車排放問題。　 

此前，法國總統馬克龍也於7月初宣佈法國將於2040年停止銷售汽油和柴油汽車。眾多城市污染嚴重的印度則宣佈了更具野心的計畫——到2030年就只銷售電動車。

作為全球新能源汽車行業的先驅，挪威的計畫是自2025年起所有出售的新車必須為零排放汽車。事實上，挪威去年已有40%的新車為電力或混合動力汽車。 

但是與挪威相比，儘管英國對電動汽車、燃料電池汽車和混合動力車的需求在2015年增長了40%，但新能源汽車在整個汽車市場的份額仍然只有4%。

汽車行業人士認為，只有當電動汽車的價格低於傳統汽車時，新能源汽車領域才會迎來轉捩點。同時這也將取決於消費者對電池、混合動力和氫燃料的接受程度。 

此外，全面推行電動汽車將給英國國家電網(63.15, 0.64, 1.02%)帶來額外的負擔。能源專家Wood Mackenzie估計，如果到2035年有三分之一的車是電動車，那麼他們將消耗英國3%的總電量。為這些電動汽車而設的40萬個充電樁將花費300億英鎊。

專家指出，對電動汽車收取的電費會體現出一定時間差異，來鼓勵司機在非用電高峰時段充電。而英國國家電力公司表示，額外的用電需求將由天然氣、風力發電廠和核反應爐提供。 

另一方面，《華爾街日報》分析指出，汽車能源轉型早在1990年代便開始了。燃料電池汽車和電動汽車到目前為止本應已經成為市場的主流，但它們依然受困於配套設施缺乏、開銷過大和里程過短的問題。 

儘管全球汽車製造商都在慢慢推廣電動汽車，但他們目前仍然致力於研究如何使內燃機變得更有效率。而各國的政策制定者則認為，是時候讓製造商們轉移注意力了。

英國汽車製造商與銷售商協會貿易主管Mike Hawes對此表示，過於直接的禁售會傷害汽車市場。行業內希望政府能實行正面的刺激措施，例如給予購買電動車的消費者相應獎勵。汽車行業應當獲得足夠的時間進行轉型。然而也有不少專家認為，20年的轉型時間已經足夠多了。

彭博社分析指出，在英國，混合動力汽車目前只占市場份額的1%，但是到2040年，份額可能提升至80%。而在法國，即便沒有馬克龍出臺的政策，到2040年時70%的新車都能接入電源。因此，就算沒有政府干預，小型燃油家用車可能已經在2040年前就從市場上消失了。 

穆迪投資者服務公司認為，汽車行業早已全面致力於開發更環保的新技術。彭博社新能源金融的研究顯示，10年後，持有電動汽車的成本就能夠低於持有燃油汽車的成本。

阿斯頓商學院產業戰略教授貝利（David Bailey）表示，2040年禁止銷售柴油和汽油汽車是正確的舉動。但電動汽車的時代終將來臨，政府特意在2040年設限顯得多此一舉。 

這是國家層面的行為。而作為一個負責任的公民，我們應該如何過低碳、綠色的生活呢？我想這方面歐洲人的生活給了我們很多的啟發。一方面歐洲發達的公共交通體系，提供了從城市到鄉村的全覆蓋的公交服務，人們出行盡可能少的使用私人小汽車，減少了化石能源的消耗。另外一方面，歐洲的住宅一般只安裝暖氣，很少安裝空調，一方面固然和他們一般夏季氣溫較東亞為低有關，但另一方面，則和他們的建築標準有關。

歐洲的住宅建築，一般牆壁比較厚，門窗也強調保溫性能。因此即使在炎熱的夏日，室內也比較涼爽，而到冬天也比較保溫，會節約能源。而歐洲人一般的住宅都不大，即使是別墅，很多也會出租部分房間。德國最大的富豪LIDI超市的老闆，住的就是一套公寓房。這方面我們中國人要學習的地方還很多，很多人現在還在追風美國，一味追求住房的大，追求汽車的排量大，而不太考慮環保的要求。實際我們應該提倡合適夠用的住宅和汽車。

同時，日常的生活習慣也很重要。比如說垃圾的分類，可以節約一定的能源，減少污染，實際上我們國家除了在浙江試點之外，連北京和上海這樣的城市都還沒有開展。愛惜食物，不浪費食物，也是重要的一環。這樣可以節約耕地，減少化肥和農藥的使用，從而減少氧化亞氮（N?O）的排放。而辦公無紙化的實行，減少一次性紙杯、筷子等的使用，對於減少森林的消耗也有很重要的意義。大家知道，一公頃闊葉林大概一年可以吸收300多噸的CO?，是最重要的碳匯之一。儘早達成淨零排放，除了減排之外，實際上擴大森林的面積也很重要。

總而言之，減少排放，減緩全球變暖，不僅僅是國家和政府的責任，實際上也是每個企業、每個公民的責任。讓我們用自己的行動來減少未來更多酷暑帶給我們的折磨吧。