| 分布式能源之理想能源——氢能 |
| 作者： 发布于：2018/12/21 9:59:03 点击量： |
分布式能源之理想能源——氢能
赵 晶
（陕西鼓风机（集团）有限公司 西安：710000）
摘要：首先提出了理想能源标准，随后简要介绍了氢元素及存在形式，氢能特点，阐述氢能的科学定义，最后展望地球未来能源结构体系。
关键词：氢能 理想能源 氢元素 化学能 核聚变 氢循环
引 言
能源是国计民生不可缺少的资源之一，近半个世纪以来，人类经历过能源危机的阶段，也正经历着化石能源给自然生态带来的严重污染，未来又面临着化石能源日益枯竭的趋势。多少年来，人们一直在追寻着一种可持续发展的理想能源之梦，这就是氢能时代。理想能源的标准应包括如下几点：
1)确保安全，绝对高效；
2)超洁净，无任何污染；
3)用途广泛，使用便捷；
4)取之不尽，用之不竭。
1什么是氢
氢元素，符号H，位居元素周期表首位，它有“三最”：其一是
宇宙中质量最轻的元素，原子量为1.008；其二是宇宙中总质量最多的元素，其总质量约占宇宙中物质总量的75%；其三是自然界中最普遍存在的元素。从空间来看，大气、海洋、陆地、天上和地下，无处不在；从形态来看，气态、固态和液态，无所不有。
氢元素的存在形式有单质和化合物之分，两个氢原子组成了氢
分子，符号H2，称为单质氢，主要存在于大气中，微量、体积百分比仅为5×10-5%；一个氢原子和其他元素的原子组成了氢化合物。自然界中，氢元素以氢与氧化合物——水的形式大量存在着。据测算，地球表面有70%为海洋，其中海水的存量约为138亿亿立方米。此外，陆地的江河湖泊以及地下到处都有水。因此，我们可以形象地说“水是地球上的氢矿。”氢的各种化合物遍布地球各个角落，所有的化石能源都是氢的化合物。工农业各领域、诸多产品包括石油、化工、化肥、煤炭、塑料、粮食油料等都是氢的化合物。广大城乡，农田、草原、森林，满山遍野的草木与人畜粪便、城镇垃圾、农林废弃物等，也是氢的化合物。
2氢能的由来与特点
氢的应用已有近百年历史，最早的应用出现在氢气球中。长期以来，氢一直作为石油、化工、化肥和冶金行业的重要生产原料。作为氢能的应用，则是在上一世纪70年代爆发的石油危机开始，1974年成立了“国际氢能协会”。从此开展了氢的制备、储存、运输和应用技术的国际交流。中国起步较晚，对中国而言，氢能是全新的东西。截止2015年，中国官方出台的一系列能源、节能方面的法规中，均未涉及到氢能问题，包括《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》、《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划》、《中国节能技术改革大纲》及《节能中长期专项规划》等。
氢能可以说是集二次能源、新能源、可再生能源、清洁能源、分布式能源等各类能源集一身的能源，具有比常规的化石能源以及现有的各种能源更多、更优、更理想的特点。
1) 氢的燃烧性能好，点燃快而且燃烧速度快，与空气混合物有着宽广的可燃比（4%—75%），燃烧稳定，发热值高达143MJ/kg，是汽油的三倍。
2)氢本身无毒，燃烧生成的水也无毒，燃烧过程中不产生烟尘、二氧化碳、二氧化硫等大气污染物，特别是利用低温燃料电池。通过电化学反应将氢能转换为电和水，不生成氮氧化物，没有任何污染。即使是氢元素同位素氘与氚的热核反应，也没有任何污染，氢是名符其实的清洁能源。
3)利用方式多样，用途广泛，可直接燃烧产生热能，可在热力发动机中转换成机械能做功，可作为燃料用于燃料电池成为交通工具的移动式电源，还可转换为固态金属氢作为结构材料，可作为分布式能源实现热、电、冷多联供。
4)可以气态、液态及固态形式出现，以适应储运和应用中的各种不同需求，作为二次能源，可大规模、大容量储存，这正是与电能的最大区别之处。
5)可通过一次能源和电能以水制氢，燃烧后又生成了水，形成了氢循环，从而形成了可持续发展的能量循环利用，归属于可再生能源范畴。
3氢能的科学定义
迄今为止，中国尚无有关能源法规给予氢能一个法定的权威性概念，目前只是在一些关于新能源、可再生能源的教科书、科技书及学术论文中提到了氢能的概念。普遍的提法是，氢能是指氢与氧燃烧反应时所释放出的能量。严格地说，这个概念是不全面、不科学的，这需从原子结构说起。
任何元素的原子都是由原子核与核外电子所组成。在物质化学反应中，只是核外电子发生了变化，原子核并未发生任何变化，保持原子固有的性质。因此，化学反应所释放出的能量是由化学能转换的。在物质的热核反应中，原子核发生了变化，变成了其他元素的原子，同时释放出巨大的能量，即原子核能，简称核能。
地球上绝大多数物质，一般都不发生热核反应，如可燃元素碳、硫、氮等只发生化学反应，而不发生热核反应。但同为可燃元素的氢，有其特殊性，它的同位素， 氘称为重氢，还有氚，称为超重氢，氘与氚之间或氘与氘之间在特定的条件下能发生核聚变反应，生成了氦原子并释放出巨大的核聚变能。这种核能要比化学能大得多，例如1kg普通氢气燃烧所释放的能量只是同等重量标煤燃烧释放热量的4.9倍，即1kg普通氢可抵4.9Kg标煤；但同样是1kg氘，参与热核反应所释放的核能相当于2万吨标煤燃烧所释放的能量，即1kg氘可抵2万吨标煤。所以，氢能的科学定义是指普通氢化学反应时所释放的化学能和重氢、超重氢热核反应时所释放的核能的总称。故氢能应包括化学能和核能两部分。
4地球未来能源结构体系展望
科学家预测认为，随着常规化石能源的日趋枯竭，到本世纪中叶后或更长时间，待化石燃料消耗贻尽时，全球能源结构体系将发生颠覆性改变，
 _____化石能源由于资源消耗殆尽而永远退出能源的历史舞台；
______由可再生一次能源转换的电能和氢能将成为未来能源结构体系的两大支柱；
______作为二次能源的氢能和电能之间形成了氢循环，替代了传统的碳循环；
______氢能成为地球上最理想的能源。
未来世界，得能源者得天下。企业及早布局氢能的战略研发，将会迎来一个全新的能源时代，也必将会看到高科技带来的巨大市场及高额利润！
参考文献
[1] 左然、施明恒，王希麟.可再生能源概论[M].北京:机械工业出版社，2007.6.
[2] 李全林.新能源与可再生能源[M].南京:东南大学出版社，2008.12.
[3] 钱显毅，钱显忠.新能源与发电技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2015.8.
作者简介：
赵晶：陕鼓集团综合能源事业部业务发展部长，主要从事业务发展、行业调研、市场策划的管理研究工作，对能源综合利用实践工作有专业的认识和经验。
收稿日期:2018.9.7
责任编辑：张仲民
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