陈光祖:牛粪马粪也是能源
什么是能源?我有很直观的看法。我记得,十多年前,为了考察高原汽车的试验情况,我们到青海西宁市,后又随车到距西宁不远的青海湖,在湖的南面看到藏族居民的热饭烧奶就是靠凉干的牛粪、马粪当燃料,得以维持他们的生活,我想牛粪就是他们的能源吧!
前一阵,一些高层科技界人士,特别有不少国外专家也参与,他们都以为“氢不是能源,更不是新能源。”如果你持相反的意见,那就是犯一种“常识性错误,干扰了对解决能源问题的认真思考。”氢是不是能源?宝马汽车和华晨汽车、长安汽车公司开发氢能内燃机,用氢当燃料是不是能源?燃料电池的氢氧化学反应产生的电是不是能源?如果这些都不是能源,氢岂不是成了一种“上帝的能源”了吗?从历史上看近二百多年的蒸气汽车,烧的是煤,用蒸气机推动,一百多年前的古老电动汽车是由蓄电池驱动的,电和煤是不是能源?现在世界上有不少地方研制空气汽车,包括英国、法国、西班牙、墨西哥、印度、中国个别人士也好奇的在研究中,空气是不是能源?看来对能源的解释实在是太微妙了,假如没有一个科学的权威说法是难以判断的。近一百二十年的汽车发展史,至今人们对什么是能源还没有搞清楚,岂不是天大的笑话。当然我并不是想对某一些人士的反驳,而却是由此带来我们汽车界人士更要认真思考发展新能源,特别是氢能源问题。
什么是能源?按《大英百科全书》中说:“能源是一个包括所的燃料、流水、阳光和风等术语。人类采取了适当的转换手段,给人类自己提供所需的能量。”按这个定义,能源是个十分广泛含义的东西,凡是能给人们直接的、间接提供能量的物体都是能源,这包括人们已经发现和应用着的能源,也包括未发明和应用,或是还处在试验中的能源。以此对汽车来说,我们大家可以理解凡是能推动汽车的运动,符合汽车应用的条件,不管是啥东西,它就是汽车的能源。但要说明,汽车和能源确实很多,人们不能什么都想搞,要搞的必需是一种主流的能源,现在社会上传统汽车的主流能源如石油已经近于枯竭,五十年还能用上,一百年确是很难维持了。1973年第一次石油危机时,每桶石油从2.5美元,上升到10~8美元,这就引起世界汽车界的十分惊恐,而今年5月22日每桶石油高达132美元,美国著名的高盛咨询公司预测不久未来石油价向200美元进军,不是说未来,就是现在的120~130美元,已对中国石油的供应造成很大威胁,至今国家石家油价格还压着搞补贴,没有放开,一旦放开,对汽车产业和用户是多大的负担。因此搞替代能源,新能源是汽车界的最重大最迫切任务,如果当汽车没有“饭”吃,汽车还会动吗?21世纪肯定是汽车产业能源多元化的一个世纪,找能源不可能是稳稳当当,总是要探索,要试验,要有风险的,但只有一线的希望,方向是对的,总莫轻易放过。什么是21世纪汽车产业主流能源,至今还未能有一个肯定的答案,但氢作为一种很有探索希望的主流能源,全球都在努力的不断探索之中,对此,我们大家别去拨冷水,要多鼓励,多支持。
一次能源,也叫初级能源,指自然界存在的能源,或是从自然界取得,但未经任何改变,直接转换的能源,如煤、石油、天然气、水、太阳光、地热、天然铀矿等。当前石油、天然气是汽车的主流能源的来源。
二次能源,也叫次级能源,指能源经过加工或转换而形成的能源。如煤炭加工成煤气,现在还想搞煤变油,石油加工为汽油、柴油,利用风力而获得风能发电,利用流动水力转换为水电站发电等,氢也属于二次能源。在多元化能源年代,汽车可以从上述各种能源中直接和间接的获得能量,除了传统的汽油和柴油外,当代重要的要从二次能源中获得电,用电来推动汽车,成为新世纪汽车动力的重大变革,但我们已认识到新能源转换性的广泛度与难度,但又不得不搞。
从汽车能源被利用现状,可分为常规能源和新能源。常规能源是指一般已大量利用在汽车上能源,如柴油、汽油,煤气、天然气、甲醇、乙醇等,但柴汽油是属于传统能源的正统能源,而天然气、甲醇、乙醇是近几年才较多应用,所以常叫替代能源。新能源是指尚未大规模应用或正在研究开发试验应用之中的能源。如生物质能,氢能、太阳能等。
按能源的可补充性,可分为非再次生产的能源和可再次生产的能源,石油、煤炭、天然气等,这都是亿万年前地球变化产物,用完就没有了,是一次性的,叫非再次生产的能源。而太阳能、水能、风能、地热等属于可再次生产的能源,可以不断补充的能源,氢也属于可再次生产的能源,只要完善掌握产氢技术,氢是永远用不完的。
在汽车上应用能源对环境的影响程度看,可分为非清洁能源和清洁能源。清洁能源也可叫“绿色能源”。非清洁能源指污染较严重的能源,如煤气、汽油、柴油等,清洁能源指那些污染很低或零污染的能源,如天然气、生物质能,电能和氢能等。
能源又可分为含能体能源和过程性能源。含能体能源的能量可以储存起来,如化石燃料,生物质能、氢气等,过程性能源,如风能、电能、太阳能等,是不能储存的,只存在于产生能量的过程之中。
为此,对一些主要能源按当前技术水平分析,对在汽车上应用优劣程度发展的前景初步分析:
最近,全球都在重视燃料燃烧后产生CO2排量问题,节能减排中CO2排量多少,成为燃料优劣的一项重要指标,,归根到底,全球都要实施一种“低碳经济”。以下是燃料含碳分子的特性:
当我们对氢能作出相当肯定之后,关键是氢气如何获得,在制氢和运输上困难还很大,这是影响氢能推广的重大难点。但随着科学技术的进步制氢技术会有很大突破,而恰恰燃料电池汽车的产业化也需要相当一段时间,这在每个方面都需要一个配合的过程,预测在20年左右制氢技术将会发生相当大作用。
美国1990年通过了《氢能研究,发展与示范法案》接着启动一系列氢能项目。
2003年5月,美国能源部召开《氢生产、储存和利用的基础能源科学讨论会》。2004年2月,美国能源部出台了《氢态势计划》,指出美国能源安全形势,一定要制定氢经济计划,现在加紧进行研发、应用、示范,要经历四个重叠期和关联性发展阶段。2000~2015年为研发技术与示范阶段,2010~2025年为前期市场渗透阶段,2015~2035年为加强基础设施与投资阶段,2025~2040为氢能经济实现阶级段。这样,美国将于2040年前实现向氢经济的过渡。
日本在1993年制定了“新阳光计划”,计划明确到2020年前,投资30亿美元,用于氢能关键技术,包含有效分解水技术,储氢技术,氢燃料电池发电技术的研发。日本经济产业省将制氢计划与燃料电池汽车的研发制造联系起来。
2002年欧洲委员会成立《氢和燃料电池技术高级工作组》,加强指导氢能和燃料电池技术的研发和应用。2003年6月欧洲委员会发布了该工作组的研究报告《氢能和燃料电池我们未来的前景》,明确欧洲将于2050年过渡到氢经济,但现在就要努力工作,分三步实施欧洲氢能经济。近期(2000~2010),中期为(2010~2020)和长期(2020~2050),根据各期的发展阶段要求给予相关对策和支持。
目前,世界上氢产量约5000亿/m3a,其中天然气制氢约占48%,石油30%,煤18%,水电能4%。这主要属于传统制氢技术,其中:
一、化石燃料制氢。目前很常用办法,效率高,低本较低,但这样的解决方法在制氢时产生大量CO2和用大量水,这足使一些效率和成本的优势被抵消,从长远看不应作为制氢的长远路线。
二、水制氢。电能水制氢,目前还很常用的一种方法,如果单纯用电来制氢,效率低,成本高,最近美国发明一种新型电能水制氢技术,能量效率达90%,日本用高温加压法,将电解水效率也提高到75%。水热裂解法制氢,这是用高温使水分子热变,直接分解为氢和氧,但这种方法,也要耗不少转换能量。等离子化学制氢,使水形成蒸气,在反应器中通过高频放电分解出氢气。还有生物质制氢等。
三、生物制氢。国内外都在积极探索利用不一样路径获取高效能产氢的生物菌株,这种方法主要从有机物中取的氢源,使制氢和治理环境相结合,并且是一种少污染又经济的制氢方法。
四、利用自然界可再次生产的能源转换氢能。如水能、风能、太阳能、海洋能等。目前风能发电、用电解水产氢方法上没问题,只是如何更减少相关成本问题。
太阳能制氢的方法也多样化,如太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢,阳光催化光能水制氢,太阳能生物制氢等,这些还都属于探索性的办法。
五、核能。核能是比较优化的能源,世界上第一座核电站是在1954年6月由前苏联建成,我国也是核电重要国家,目前已建成有秦山,(一期、二期、三期)大亚湾,岭澳,田湾等核电站,在建的还有岭澳(二期)、浙江秦山(二期核站扩建)、辽宁红沿河、浙江三门,山东海阳,福建宁德等核电站。目前运行核电量为1696.8万千瓦,2020年核电站发电量达1800万千瓦左右,2030年将超过1亿千瓦发电量,同时积极与国际上联合开发第四代裂变核电技术和热核聚变技术,这样核电制氢可能是有了比较好的电能基础。
更要指出的是,随着热核聚变技术的进步,成为全世界核电发展趋势十分看好。目前裂变核电对排放废水、废气和安全问题较大,而用核聚变的安全性,无污染,巨大能量吸引着全球各个大国在研发,现在有美、中、德、法、日等个,最近韩国也加入热核聚变电站研发工作。
核聚度的燃料主要是氢,氘和氚,氘和氚都是氢的同位素,氘称重氢,氚又称超重氢。地球上氘储量达40万亿吨,每年只需700吨即可满足世界能源总需求,可用上百亿年。氚可以从铀中提取,资源也十分丰富,而且核聚变本反就有增量效应,聚变过程中释放开来的中子,可以产生更多的氚,提供无限量的能源。我国科学院院士,中国氢能协会主席朱亚杰曾说:“国际上较乐观估计,核聚变堆在2040年左右可实现商业化”。他又说:“人类在21世纪30年代完成受控热核聚变研究工作,建成热核聚变发电站,并将其投入商业经营,到那一天,能源结构将发生革命性的根本变化,能源枯竭的危险将最终被抛到九霄云外,这对人类社会及人类文明将产生深远的影响。”这被世界上称为“不用花钱的电能”。
用核聚变产生的电,到电转化为氢,这虽然是一个较复杂的过程,但世界上一旦产生了不用花钱的电,也就有了不用花钱的氢,这样氢能经济与氢能汽车就不用愁能源供应问题了,而中国在这方面也并不落后。世界上核聚变分为磁约束聚变和惯性约束聚变。我国的磁约束核聚变起步于上世纪50年代,已经经历了半个多世纪,主要是在成都核工业西南物理研究所和合肥中科院等离子研究所,还有北京市科院物理研究所。关于惯性约束核聚变研究开始于1964年,到了1983年,北京中国原子能研究院,这些研究都在国际上占有一定的地位和影响。这样热核聚变发电最终会把煤、石油、天然气这些高碳燃料甩到后面,而低碳经济终将来临。
1972年6月5日,联合国人类环境会议于瑞典斯德哥尔摩召开,决定今后每年的6月5日作为 “世界环境日”。而今年的世界环境日,据悉是以“改变能源环境,推行低碳经济”为主题,而氢能则是低碳经济中占有主体地位的,我们大家都希望汽车界人士,包括内燃机界人士都团结起来,抽出一定力量去发展氢能,为我们汽车产业的可持续发展作出贡献!
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