氫,是地球乃至宇宙中最豐富的一種資源,它無處不在,清潔無毒,是人類嘗試擺脫對化石燃料依賴的最主要的替代能源之一。然而,具體實施起來,事情遠沒有想象的那么簡單。獲取氫原子的過程,不但要消耗大量能量,還會產(chǎn)生大量煙塵。
氫能源計劃在全球的發(fā)展一波三折,但科學(xué)家們一直沒有放棄?，F(xiàn)在,他們有了一個新的思路：用一個簡單的化學(xué)反應(yīng)方案,既可以獲得純粹和清潔的氫,又能方便地控制煙塵污染。
他們走了一條別人沒有走過的路,讓我們看到了綠色能源的新希望。
化石燃料對地球自然生態(tài)的破壞，以及對全球氣候變化的影響已經(jīng)有目共睹，尋找和利用清潔、可再生的新能源，已成為共識。
然而，有些新能源代價昂貴，有些可再生能源并不持續(xù)和穩(wěn)定。要替代化石燃料，還有很長的路要走。
求索之路：實現(xiàn)氫能源理想一波三折
人類一直在嘗試擺脫對化石燃料的依賴。早在上世紀70年代石油危機發(fā)生時，新興的氫能源就成為令人矚目的焦點。
氫作為一種新能源，確實有許多優(yōu)點：無毒性；是宇宙中含量最豐富的一種元素；清潔無污染，燃燒后的剩余物以水蒸氣的形式排入大氣，然后形成無害的雨水重新降落地面；氫能源還是一種能量密集型能源，給油箱灌滿氫燃料，你就可以駕車600多公里從倫敦一直開到愛丁堡，或從舊金山一直開到洛杉磯；氫還可以用于發(fā)電廠發(fā)電，發(fā)電成本甚至可以與將碳排放稅考慮在內(nèi)的化石燃料相競爭。
但具體實施起來，事情遠沒有如此簡單。氫元素輕而小，它有一種令人煩惱的本領(lǐng)———可以輕易穿過任何材料做成的容器；氫氣像汽油一樣，具有很強的可燃性，但它燃燒時產(chǎn)生的火焰，肉眼卻幾乎不可見?？傊瑲涫堑厍蛏夏酥劣钪嬷凶钬S富的一種資源，它無處不在，但問題是我們要如何來獲取和駕馭它呢？
地球上的氫氣不是一種獨立存在的物質(zhì)，通常都與其他元素結(jié)合形成某種化合物，如氫與氧結(jié)合形成水；一個碳原子和四個氫原子，構(gòu)成天然氣中最主要的成分———甲烷。
通過電解作用可將水分子分解，獲得純凈的氫，但完成這一分解過程卻需要消耗大量能量；
通過加熱產(chǎn)生蒸汽的辦法，可以從煤炭或天然氣中提取氫，但這么做又會產(chǎn)生大量的二氧化碳；
通過分解構(gòu)成甲烷的所有原子來獲得氫，也不是那么簡單。因為這個過程通常需要800℃的高溫，還會伴隨一個更大的問題———煙塵污染。
這些問題導(dǎo)致工業(yè)化裂解甲烷的最初嘗試失敗了，自那以來，分解甲烷的嘗試始終沒有獲得真正的成功。因此，2009年時任美國能源部長、諾貝爾物理學(xué)獎得主朱棣文放棄了氫能源車輛研究的投資計劃。2015年，電動車制造廠家特斯拉執(zhí)行總裁埃隆·馬斯克總結(jié)了氫能源的相關(guān)建議和觀點后，對于氫作為一種替代能源的前景也不看好。
但是，這或許是研究替代能源的思路有問題。
通過一個簡單的化學(xué)反應(yīng)，從甲烷中源源不斷地產(chǎn)生氫氣，同時不會產(chǎn)生任何溫室氣體，這一事實足以改變?nèi)藗儗π履茉撮_發(fā)的思路。
另辟蹊徑：走前人沒有走過的路
20世紀時還只是馬德里理工學(xué)院一名工程師的阿巴納德，斯對各種類型的能量生產(chǎn)方式進行了研究，其中也包括核能和太陽能。2008年，他所在研究小組的老領(lǐng)導(dǎo)卡羅·魯比亞安排他做分解甲烷的研究工作 (魯比亞因在對控制核衰變粒子的研究發(fā)現(xiàn)中所作的貢獻，榮獲1984年諾貝爾物理學(xué)獎)。自那以后，他一直將研究重點放在創(chuàng)新能源的研究上?！棒敱葋喗淌谝恢睂ξ艺f，不要重復(fù)別人走過的路?！卑图{德斯說。
回顧以往的研究史，他們很快發(fā)現(xiàn)了別人沒有嘗試過的辦法。1999年，紐約布魯克海文國家實驗室的一位化學(xué)工程師邁耶·斯坦伯格，一位參加過曼哈頓核裂變研究計劃的老資格研究人員，建議在熔融金屬的“熱浴”中進行甲烷裂解。這個從沒有人嘗試過的想法的工作原理是：熔融的金屬可提高熱傳遞效率，讓煙塵在表面飄起，避免產(chǎn)生堵塞。
阿巴納德斯和魯比亞當(dāng)時都在德國波茨坦高級可持續(xù)性研究所工作，而在德國另一邊的卡爾斯魯厄理工學(xué)院里，可能擁有歐洲最好的熔融金屬實驗室。2012年時，這兩個研究團隊展開了長達30個月的合作，尋求成功分解甲烷的途徑。
經(jīng)過兩年多不斷的嘗試和失敗，他們設(shè)計了一個可行的化學(xué)反應(yīng)方案：一個高度和直徑相當(dāng)于曲棍球球棍、里面襯有石英玻璃和不銹鋼材料的容器里裝滿了熔融的錫。從外面看去，這個容器就像個普通的熱水槽一樣，但它真的能行：在容器的底部，甲烷突突地冒著氣泡，沸騰著的錫水的溫度持續(xù)升高到1000℃，直到氫氣不斷地從容器上部噴涌而出。
但是真正的測試結(jié)果還要看看內(nèi)部的情況。兩周后，阿巴納德斯和他的同事打開了反應(yīng)容器。他們往里看去，果然有煙塵形成，但都飄浮在錫水表面，這樣就可以像礦石精煉除去礦渣那樣將煙塵撇除。“我們用這個反應(yīng)鍋進行了好幾天的實驗?！卑图{德斯說。
去年，他們在1200℃的溫度條件下重復(fù)了這一實驗，實驗結(jié)果顯示，甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣的效率達到了80%。
實驗的成功意味著可從甲烷中源源不斷地產(chǎn)生氫氣，同時不會產(chǎn)生任何溫室氣體。這一事實足以改變?nèi)藗儗π履茉撮_發(fā)的思路。
不過，這一方法目前還并不理想和完美。為加熱反應(yīng)鍋，阿巴納德斯的研究團隊用的是壁式插座上的電源，這也許不是什么綠色環(huán)保的選擇。法國太陽能創(chuàng)新實驗室的斯蒂芬·阿巴納德斯提出，加熱可用其他可再生能源，如太陽能集中器。當(dāng)然，利用太陽能加熱要承擔(dān)風(fēng)險。在陰天沒有太陽的情況下，熔融的錫水會凝固，導(dǎo)致反應(yīng)鍋被毀。因此他指出：“用太陽能為反應(yīng)鍋提供能量，并不是一件輕而易舉的事情?！?/p>
阿爾貝托·阿巴納德斯希望，未來的反應(yīng)鍋可以只燃燒掉其產(chǎn)生氫的極小一部分，也許是總量的15%。根據(jù)這個研究團隊與德國亞琛工業(yè)大學(xué)合作進行的初步分析，這種方法產(chǎn)生的二氧化碳，與風(fēng)力驅(qū)動水的電解工藝產(chǎn)生的二氧化碳不相上下，但成本卻更低廉，且安全可靠，更具擴展性。
阿巴納德斯相信，廉價而大量的純黑炭也有適合它的用武之地。目前，納米科技領(lǐng)域、鋼鐵生產(chǎn)和車胎修補行業(yè)，對黑炭都有需求?！耙粋€嶄新的市場正在向我們展開?！彼f。但首要條件是，產(chǎn)生的必然是符合使用要求的高質(zhì)量的黑炭。研究團隊認為，他們在甲烷裂解過程中產(chǎn)生的炭的純度已達90%，并且還可以通過對反應(yīng)鍋化學(xué)反應(yīng)工藝的改進，對產(chǎn)生的黑炭繼續(xù)進行提純處理，來進一步提高黑炭的純度。
氫能源經(jīng)濟正在全速進展，特別是關(guān)于氫能源的其他問題也在被集中起來加以解決。
權(quán)衡利弊：氫能源開發(fā)值得一試
化學(xué)家們正在琢磨如何將氫轉(zhuǎn)化為方便使用的能源，如甲醇 (見相關(guān)鏈接：氫能源開發(fā)的奇思妙想)。
這聽起來可能有些麻煩復(fù)雜，但阿巴納德斯指出，石油剛從地下鉆出時，也是一無用處的?！拔覀兡苤苯邮褂迷蛦幔俊〈鸢甘欠穸ǖ?，必須先要將原油煉成汽油才行。氫能源的利用也是一樣的道理?！彼f。
在成本更低廉的氫能源技術(shù)和目前電池使用范圍有限這一現(xiàn)狀的刺激和推動下，日本豐田、韓國現(xiàn)代和日本本田這幾家汽車廠家，最近又重新讓汽車用上了氫燃料電池。去年，歐盟啟動了歐洲氫燃料供應(yīng)聯(lián)盟計劃，以期在歐洲大陸創(chuàng)建一個氫燃料加油站網(wǎng)絡(luò)。英國政府正在實施給使用氫燃料的車輛提供小額補貼的政策。
克瑞斯特相信，電動力和氫動力汽車可適應(yīng)不同的市場，電動車可能更適合于市內(nèi)交通，而氫動力汽車則更適合于長途交通。人們可以根據(jù)需要，購買適合的車輛。
還有一些人對于從天然氣中生產(chǎn)氫燃料，表現(xiàn)得并不那么熱衷。他們認為，氫燃料電池技術(shù)需要我們在未來投入更多的化石燃料基礎(chǔ)設(shè)施，這會分散我們尋求其他可更新能源的力量。更重要的是，天然氣在通過管道傳輸?shù)倪^程中會泄漏相當(dāng)數(shù)量的甲烷，甲烷是一種比二氧化碳溫室效應(yīng)更強的氣體。紐約環(huán)保基金會的氣候科學(xué)家伊麗薩·奧科說：“除非泄漏問題能解決，甲烷導(dǎo)致的變暖將抵消為推行甲烷裂解技術(shù)給地球氣候帶來的好處。”
阿巴納德斯亦認同道，氣候影響將是確定是否要開發(fā)某項技術(shù)的決定性因素。但他同時表示，在能源創(chuàng)新這一領(lǐng)域內(nèi)，研究開發(fā)各種不同尋常新技術(shù)的人往往會招致敵意，并很容易因與化石燃料有聯(lián)系而被抹黑。在沒有更好的新能源出現(xiàn)的情況下，任何可以限制化石燃料影響的方法，都是值得一試的。他說：“排放必須立即停止，通過甲烷裂解技術(shù)有可能做到這一點，如果我們做不到，當(dāng)全球變暖之勢難以遏制之時，再來想辦法就為時已晚了?！?/p>
相關(guān)鏈接
氫能源開發(fā)的奇思妙想
轉(zhuǎn)化為甲醇
將氫氣壓縮進入燃料罐很困難，但如果先將氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)酒精———如甲醇，這個問題就可以迎刃而解了。
除了易于儲存的優(yōu)點之外，甲醇還可以為內(nèi)燃機提供燃料，效果甚至比用汽油更好。
與甲烷不同的是，甲醇另外多了一個氧原子，但從天然氣中提取甲醇比較麻煩，相比之下，用氫與二氧化碳結(jié)合的辦法來生產(chǎn)甲醇要更容易得多。發(fā)動機燃燒甲醇會將大量二氧化碳釋放進入大氣中，但如果一開始就用大氣二氧化碳，整個過程就可達到碳中和。加拿大滑鐵盧大學(xué)的化學(xué)家埃里克·克瑞斯特希望與某個公司合作，創(chuàng)辦一個以這種方法生產(chǎn)甲醇的試點工廠。
轉(zhuǎn)化為甲酸
此外，還有其他一些備選方案。2014年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家報告稱，可以直接將氫氣轉(zhuǎn)化為可以注入燃料電池中的甲酸，燃料電池是一種類似于電池的能源系統(tǒng)，可用來驅(qū)動氫能源動力汽車。
這一過程同時還是可逆的，因此，在不能使用常規(guī)電能儲存方法時，甲酸不失為貯存氫氣的一個好的選擇。
甲烷裂解控制碳排放
未來的氫能源經(jīng)濟能夠得以實現(xiàn)嗎? 通過甲烷裂解產(chǎn)生氫已擁有了很多市場：生產(chǎn)銨態(tài)氮肥的哈柏法就是一個例子，該工藝可將氫和氮轉(zhuǎn)化為銨，產(chǎn)生農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的大量氨肥。這一化學(xué)反應(yīng)過程被認為可以用來為20世紀時大量激增的人口提供燃料。
目前生產(chǎn)的氫有90%來自傳統(tǒng)化石燃料生產(chǎn)工藝，且多數(shù)用的是天然氣的蒸汽處理法。僅在2007年這一年，化肥產(chǎn)業(yè)就產(chǎn)生了將近5億噸二氧化碳，約占全球總排放量的1%。
如果將哈柏法重新運用于甲烷裂解生產(chǎn)氫，可大量減少碳足跡。面對本世紀末世界人口將達100億的嚴峻形勢，這些努力將邁出具有重要意義的一步。
