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跨世纪知识城 能源工程 捕捉新能源 最干净的能源――氢 虽然现在有了那么多种燃料,但是真正在燃烧时完全没有污染的燃 料只有一种,那就是氢.

正如我们所知道的,煤炭石油等燃料都不是单 质,它们燃烧时总会产生许多污染物,这些污染物无论用多么先进的技 术处理,也不可能完全消除得干干净净.然而,氢的燃烧生成物只是水, 没有其他物质生成,对环境没有任何污染.而且氢的热值高,每克液氢 燃烧可产生

120 千焦耳的热量,是1克汽油燃烧放出的热量的 2.8 倍,其使用安全性也和汽油差不多.氢的储运性能好,使用也方便.其 他各类能源都可以转化成以氢的方式进行储存、运输或直接燃烧使用. 氢可以说是未来最理想的燃料. 氢是这样发现的.18 世纪,瑞典一位名叫卡尔・舍勒的年轻药剂师, 对化学很有兴趣,一天到晚孜孜不倦地实验.有一次,他把铁屑放进瓶 子里,再倒进稀硫酸,结果瓶里冒出了气泡.他赶紧把插有玻璃导管的 木塞往瓶口一塞,让气泡沿着管子往外走.然后,他为了看个仔细,把 一支点燃的蜡烛靠近管口,不料,逃出的气泡居然着了火,舔出细长的 浅蓝色火舌. 最初,他只知道这种气体可以燃烧,并不知道它是什么,因此,他 把这种气体叫做可燃空气.后来,人们发现可燃空气是所有气体中最轻 的一种.我国最初把它叫做轻气,后来,统一命名后才叫它为氢气. 当欧洲发现氧气以后,英国科学家亨利・卡文迪许又做了一个实验. 他把氧气与氢气放在容器里混合,然后,一通电,电光一闪,两种气体 在容器里爆炸开了,水珠儿接着一滴滴落了下来.一个重大发现产生了: 通过放电可以使氢气和氧气结合成水,水是由氢、氧组成的. 氢的特点是重量轻、可以燃烧,而且能量大得吓人.1977 年11 月19 日,印度安得拉邦马德里斯海港外狂风怒吼,巨浪翻天,海面突然燃 起大火,光耀几万米,唬得人们瞠目结舌.后来才知道,那是由于强烈 的飓风掠过海面,摩擦海水,引起高热,使海水分解出氢和氧,同时, 飓风中的电荷使氢发生爆炸、燃烧,才引起一片火海.因此,氢是代替 石油和煤炭的一种新能源,是十分理想的新燃料. 氢作为能源,有其他能源无法比拟的优越性.氢燃烧产生的热量大 约是等量的汽油或天然气燃烧产生的热量的

3 倍.氢燃烧后的产物是水, 不污染环境,而且,还能循环使用.为此,氢被人们誉为天字第一号的 干净燃料.近几年来,液态氢已被广泛地用作人造卫星和宇宙飞船的能 源.科学家们预言,氢将是

21 世纪乃至更远时代的燃料.

1990 年5月,在德国汉诺威工业展览会上展出了一辆氢气轿车.这 种轿车的油箱里容纳的氢气不太多,只能近距离行驶,长途行驶必须不 断充氢气.专家们估计,这种轿车到

21 世纪,就可以正式启用,进入国 际市场. 氢活泼可爱,惹人们喜欢,但要制取氢,并不是容易的事情. 科学家已经证明,水是由氢和氧组成.如果能从水中制取氢,氢将 是一种价格便宜的能源. 如何用水制造氢呢?最简单的办法是电解水,利用电能分解水,取 得氢.用这种方法制氢,可以得到纯度 99.99%的氢.电解水制氢的缺点 是耗电量很高.生产

1000 克的氢,需要用

60 度左右的电,所以,并不 合算,不能大量使用. 也可利用太阳光直接加热分解水制取氢.这种方法是让水先 吃 些催化剂,水吃了催化剂,就听话多了,只要有阳光就能使水分解产生 氢.从1978 年以来,人们使用的催化剂已多到几百种.尽管如此,这种 制氢方法还处在试验阶段,需要进一步改进和完善. 太阳能电池有一种特性,一接触到太阳光,就会产生电.因此,人 们利用太阳能电池直接分解水产生氢气,制氢率达到 12%.这是一种很 有前途的制氢方法.

300 多年前,有人把一根柳条插入一只装满泥土的木桶里.他除了浇 水,什么肥料也不加.5 年以后,柳条长大成树.人们奇怪,柳树靠什么 长大?现在知道了,柳树和所有绿色植物的叶片中,有许多专门制造养 料的叶绿体.叶绿体靠内部的叶绿素和各种催化剂,在阳光照射下,吸 收空气中的二氧化碳和土壤中的水分,制造满足自己生长的养料,同时 还放出氧气,这是叶片的光合作用.

1942 年,科学家观察一些藻类的生长,发现减少二氧比碳的供应, 绿藻在光合作用下停止放氧,转而生氢.现在已经找到

16 种绿藻有生氢 的能力.这样,一种最有发展前途的制氢方法――生化制氢产生了.科 学家已制成了用叶绿体制氢的装置,用1克叶绿素在

1 小时内可生产

1 升的氢气. 贮藏氢,通常用钢筒.但是,氢的脾气暴躁,稍不小心,在氢中混 入空气,溅入火花,它会像一颗炸弹那样发生爆炸,所以,钢筒贮氢既 装不多,又不太安全.运输氢气,现在常用管道运送,费用省、运得远. 不用氢气时,关闭出口,氢气停止前进,原地贮藏. 科学家发现有些金属,如钛、镁等,能像海绵吸水一样将氢吸入储 存起来,这种金属被称为储氢金属.用储氢金属储氢,不仅安全,而且 还能根据需要随时将氢释放出来,大大方便了氢的储存和运送. 氢的燃烧和使用有多种方法.直接燃烧是不理想的,因为直接燃烧 会促使空气中的氮和氧化合成氮氧化物污染环境,而且容易发生回火现 象,引起事故.现已设计制成了催化燃烧炉,用金属氧化物使氢得到催 化燃烧,这样安全、没有污染、热效率高(比直接燃氢,利用率提高

20 %),这样的催化燃烧炉可用作炊具和室内取暖. 以氢为燃料的动力装置如喷气发动机、涡轮发动机、燃气轮机等, 目前仍处于研究试验阶段.它们运行起来噪音小、无污染、热效率高. 原子能

1942 年12 月2日下午

3 点25 分,在美国芝加哥大学斯特哥菲尔德 体育场西看台下面的网球场里,由著名物理学家费米博士领导的科研小 组,破天荒地实现了受控的原子核链式裂变反应.从此,地球人类进入 了核能新时代.链式反应研究项目的提出者和协调人康普顿终于沉默不 下去了,跑到电话机旁,小心翼翼地打了一个电话到华盛顿. 当时正是第二次世界大战期间,反法西斯战争已进入艰苦卓绝的阶 段.以研制核弹(当时称原子弹)为直接目标的曼哈顿工程,就是爱因 斯坦等著名科学家为了防止纳粹德国首先掌握核武器,而向美国总统罗 斯福建议后,经政府批准实施的. 原子弹就是原子能的一种应用.原子能具有无与伦比的巨大能量, 是一种高效能源. 原子弹的爆炸成功,标志着人们彻底打开了原子能这座壁垒森严的 能源宝库大门,从此,原子能便在能源舞台上充分施展出它的才华. 实际上,原子能的开发,应该是自

1896 年居里夫妇从沥青中提炼出 放射性元素镭之后,就开始踏上征途的. 由费米博士领导建立起来的这世界上第一座原子反应装置,是用大 量的装着铀的空心石墨块 堆 起来的,因此人们便把它定名为 原子 反应堆 ,后来多称 核反应堆 .这个建在芝加哥大学斯特哥菲尔德 体育场看台下的反应堆取得成功,证明了制造原子弹与和平利用原子能 已不再是幻想,而是指日可待了.所以,人们通常把

1942 年12 月2日作为人类步入了原子能时代的起始点.从此,原子核裂变能的利用以惊 人的速度发展起来. 两年半以后,即1945 年7月,原子弹研制成功.

1954 年,前苏联建成世界上第一座原子能发电站,发电能力为

5000 千瓦.同年,美国建造的第一艘核潜艇 舡鱼 号下水.

1956 年,世界上第二座原子能发电站在英国运行,发电量为 9.2 万 千瓦.

1958 年,美国建成的第一座真正工业规模的核电站,在宾夕法尼亚 的西平波待开始运行. 秦山核电站是我国第一座自行设计和建造的核电站,它坐落在濒临 杭州湾的秦山,距上海

130 千米.厂区一面临海,三面环山,并以人工 围了

8 米高、1700 米长的保护坝.广东深圳大亚湾核电站是我国又一座 核电站,安装两台

90 万千瓦的核电机组.1993 年8月,一台机组并网发 电,预计全部建成后,年发电量可达

10 0 亿度.在2000 年以前,我国 还准备在东北、华东等地区建造几座中型核电站. 在能源家族中,继化石燃料――煤、石油、天然气之后,核燃料是 人类利用的最重要的能源,也是最有开发前途的能源.原子核能的广泛 利用,必将大大增强人类支配自然界的能力. 太阳能 人们认真地考虑利用太阳能的问题,严格说只是最近二三十年的 事.一般认为,人类进一步(或者说,真正大规模地)利用太阳能,是 以法国比利牛斯山巅的巨大的太阳炉为象征的.1973 年,法国国家科研 中心在南部比利牛斯山上的奥德约山村,修建了世界上第一个最大的太 阳炉.即使到今天,它依然是世界上最大的太阳炉.它是由

9000 块反射 镜组成的、总面积达

2500 平方米、有9层楼那么高的聚光器,把安装在 对面山上的

63 块巨型平面镜反射过来阳光,聚集到前面高塔上的炉子 里,能够产生 3000℃的高温,可以在

30 秒钟内把钢轨烧个洞.除了用它 进行高温科学研究外,这座太阳炉每天还能生产两三吨氧化锆和氧化钍 等耐火材料.从此以后,世界上许多国家都把研究太阳能的开发和利用 作为重要的能源战略和政策.例如,1978 年美国总统卡特宣布,每年的

5 月3日为 太阳日 .这一天,美国的

450 个城市,乃至世界上

30 个 国家一百几十个地区,成千上万的人聚集在庭院里、广场上和公园里, 举办新奇的太阳日活动.美国的总统、比利时的国王、英国的议员、著 名的科学家、演员、老人和儿童都一起来 参拜太阳 .画有太阳日徽 记的气球和风筝冉冉升空,随风起舞.人们坐在草地上,用太阳能煮咖 啡、烤饼干.演员和孩子们表演着有关太阳能的节目.此外,美国国会 还在太阳能研究所建立了太阳能情报资料中心;

又成立了一家资金为

4 亿5千万美元的太阳能开发银行,专门资助各种机构开发太阳能. 日本政府

1974 年制订了名为 阳光计划 的太阳能应用开发计划. 其中,把太阳能发电、太阳光发电、太阳能取暖与致冷系统、太阳能热 水系统、民用和工业用太阳能系统等作为开发重点.该计划的执行,使 日本跃入世界上开发利用太阳能的先进国家.目前,日本的太阳热发电 站和太阳能电池等都已达到世界一流水平,特别是在研制单晶硅体材料 的太阳光电池方面,居世界领先地位,并在

1989 年研制出了当时世界上 转换效率最高的单晶硅太阳光电池.这种电池的转换效率高达 18.1%, 而一般的在 15%左右.1988 年初,日本的一位研究人员还提出了一个联 合利用太阳能发电和超导输电技术的庞大计划.他设想,在全球布置好 一些太阳能发电站,采用超导电缆把日本、美国、前苏联、西........