邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[追踪]去科技馆学科学:未来清洁能源——氢能

赵 奇/中国科学技术馆

2019-09/总第282期

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氢能是当今社会所关注的热门可再生能源之一。《义务教育小学科学课程标准》要求学生掌握“工程技术的关键是设计,工程是运用科学和技术进行设计,解决实际问题和制造产品的活动”“工程是以科学和技术为基础的系统性工作”。在中国科技馆,可以通过“能源世界”展区的展品“可再生能源——氢能”体验如何运用科学和技术手段实现氢能的可再生利用。

可再生能源——氢能

氢是一种化学元素,在元素周期表中位于第1位。然而,在地球上自然存在的氢的单质(如氢气)数量极少,自然界中它多以化合物形态出现,化合态氢的最常见形式是水和有机物。因此,想要获得大量的单质氢只有依靠人工制取。“可再生能源——氢能”这件展品将演示电解水制氢、氢储存运输、氢能驱动小车的全过程,观众通过互动操作可了解氢的制备、使用等环节的相关科学原理及知识。

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展品“可再生能源——氢能”

展品主要由展台、太阳能光伏板、小车轮、灯(模拟太阳)、按钮等组成。观众按下启动按钮,灯亮起照射到光伏板上,光伏板产生电能,用于电解水产生氢气,经过管道传输到水柱上方,通过氢燃料电池驱动小汽车轮子转起。在各个互动环节有灯带提示相应的操作。展品通过机电互动的方式,引导观众亲自动手操作体验。展台设计成圆形,便于观众全方位观察展品现象。相较于传统静态展示方式,本展品让观众可以动手互动操作,以及再现模拟实际应用,将枯燥的科学知识以生动可体验的方式展现,增强观众体验感,引导观众自发探索和思考。

氢能制取

在宇宙中氢是最丰富的物质。在地壳10千米范围内(包括海洋和大气)化合态氢的重量组成约占1%,原子组成约占15.4%。其中,天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等,都是氢的有效来源。氢的最大来源是水,尤其海水,据计算,9吨水可以生产出1吨氢,而且氢与氧的燃烧产物就是水,因而,水可以再生。由此可见,以水为原料制氢,可使氢的制取和利用实现良性循环,取之不尽,用之不竭。工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径。此外,在冶金工业、发酵制酒及丁醇溶剂等的生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量,估计可达15亿立方米以上。

制氢的方法非常多,无论是一次能源还是二次能源都可以制氢。目前,我国是最大的氢气生产国,在2015年生产了2 200万吨氢气,占世界产量的34%,其中96%的氢气来自化石能源制氢,剩下的4%则来自水电解制氢。

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从制氢的能量来源看,化石燃料制氢是我国主要的制氢方式,技术成熟、成本低,并且已“有利可图”,但不可持续、不环保,违背了氢能作为清洁能源的本质。而多种化工过程,如煤化工、电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等,均有大量副产氢气,技术成熟、成本低且对环境友好,也是我国制氢的一大特色。

值得一提的是,氢气与电力是可以相互转化的,太阳能、风能、水能等可再生能源可先转化为电力再通过电解水制氢,而产生的氢气反过来也可以通过发生化学反应释放化学能用来发电。从这里也可以看出,氢气是一种储能介质,甚至可以看作是与电一样的能源载体。

太阳能、风能、水能等再生能源都有一定的间歇性,导致弃光、弃风、弃水现象十分严重,如果利用这些可再生能源电解水制氢,不仅可解决弃电问题,还能反过来利用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性,并且整个过程清洁环保,几乎不产生二氧化碳。除此之外,太阳能还可以通过光解水直接制氢,只需要将太阳光照在加了二氧化钛(催化剂)的水里就可以产生氢气,但是这种光解水制氢的效率很低,目前只有6%,而要达到10%左右才可以实现工业化,因此还无法大规模应用。相信随着技术的发展,制取氢的办法将越来越多,效率越来越高。

氢能存储

氢是所有元素中最轻的,在常温常压下为气态,密度仅为0.089 9 千克/立方米,约是水的万分之一,因此其高密度储存一直是一个世界级难题。目前常用的储氢方法主要有4种:高压气态储氢、低温液态储氢、固体材料储氢及有机液体储氢,这几种方法各有特点,可以根据需要选择(表1)。

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氢能利用

近年来,氢燃料电池车领域的技术突破,使大家越来越关注氢能技术,尤其是它在交通领域的应用。氢燃料电池车相比传统汽车,具有无污染、无噪声、无传动部件的优势,相比电动车,具有续航里程长、充电时间短、起动快(8秒钟即可达全负荷)的优势。曾经在中国科技馆展出的H2R原型车就是利用氢能的成功尝试,它能够在约6秒内从静止状态加速到100千米/小时,并使其达到超过300千米/小时的最高车速,在试车场创下氢燃料内燃动力汽车的9项全球速度记录。除了在交通领域的应用,氢能源还可用于大中规模的储能和发电,可作为工业能源、化工原料等,用途非常广泛。

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宝马H2R概念车

氢能是公认的清洁可再生能源,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展,在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。氢具有清洁、重量轻、无毒、利用率高等特点,时至今日,氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来,相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢作为燃料。我国长征5号也使用液氢作燃料。氢汽车靠氢燃料,氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段及应用。氢能源是一种非常有前景的清洁能源,氢能必将成为未来清洁能源的主角之一。

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