新型能源技术

一．序言

煤炭为以蒸汽机发明为代表的第一次工业革命提供了充足能源，使得工业革命能够迅速铺展开来；而石油则是推动第二次工业革命的能源生力军；现在仍在进行的第三次科技革命，是以高精尖的原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志。新能源将会引领第四次科技革命。可见，谁能在新能源方面独占鳌头，谁就掌握了走在科技革命前列的通行证。

2010年，金融泡沫逐渐消退，世界经济开始复苏。全球能源形势总体平衡，国际油价在波动中回升。全国纷纷进行经济结构的调整，降低碳经济和新能源、核能、清洁煤技术、碳捕获与封存技术等成为世界能源科技的热点，并将从长远改变全球的能源供应和需求的格局。

二．新型能源

1.国内新能源研发现状

面对经济变革和新能源革命的到来，我国应该抓住机遇，努力走在新能源研发事业的前端，为经济和社会的可持续发展奠定好能源基础n引。目前，中国煤炭产量、水电装机容量和太阳能热水器年产能均居世界第一。在能源生产总量增长的同时，中国的能源结构也逐步完善和优化，煤炭在能源消费总量中所占比重逐步下降，水电、风电和太阳能、核能、生物质能等新能源和可再生能源所占比重不断提高，新能源研发取得了很大成效。

2．太阳能科技

太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太阳能空调等利用方式。经过四十年的发展，我国太阳能利用事业已经进入一个全新的发展阶段。经过多年的发展，太阳热水器产业已形成较为完整的产业化体系，实现规模化发展。2008年太阳能热水器产业增长率为30％．32％，销售总额达到400多亿元人民币，创造了很好的经济和环境效益，而且我国太阳能产品还走向国外市场并取得了很好的成绩。在太阳能热利用方面，目前应用最广泛的技术是太阳能热水器。到2008年，年生产能力3000万平方米，我国累计保有太阳能热水器总集热面积约1．3亿平方米。使用量和年产量均占世界总量的一半以上居世界第一。此外，太阳能集中取暖和供热技术也已开始应用。太阳能的使用改善了人们生活，降低了对化石能源的消耗，促进了经济的发展，还带来了良好的环境效益。

光伏发电规模扩大，全国调整光伏发电政策。2010年，全球光伏产业在欧洲主要国家政策支持和市场拉动下，产业规模继续扩大，前沿技术研发水平继续提高，发电成本下降，全国也纷纷调整光伏发电政策。

由于2010年是各国光伏电价政策大调整期，光伏市场出现了一些赶政策调整末班车的效应。根据预测，2010年全球光伏发电安装量达到1500万千瓦，主要市场仍在欧洲的德国、意大利、捷克、法国等国家 以及美国、日本、中国等，其中德国预计新增500万-700万，意大利、捷克、日本、美国预计新增100万千瓦，中国预计新增30万千瓦。中国、印度的光伏发电市场则处于大规模的发展阶段。

在光伏电池前沿技术特别是高效薄膜电池光摄魂和利用电池u机电池的研发等方面，取得了一定的进步。此外还提出了一些新的理论和技术，美国能源实验室香肠能制作晶格失配的单层薄模合金，可以吸附和利用3个平铺带的功能从而实现35%的光伏转换效率。美国德克萨斯州立大学和临沂苏达州立大学业提出了通过量子点江热电子能源收集和转化为电能的方法及用量子点来，减缓热电子的冷却，相当于把传统光伏电池损失的热量转化为电量在理论上极大提高了，光伏电池组。我在理论上极大提高了光伏电池转换效率的极限，理论上认为可以实现66%的转化效率。

3.风能技术

近几年来我国对风能的开发热情暴涨。首先说技术上的进步。风力发电最主要、最难的就是风力发电设备，目前我国大多数先进的风力发电设备还需要进口。但是，去年中国风力机关键技术已获得重大突破，具有自主知识产权的lOkw的垂直轴风力机已经研制生产，并将销往欧洲市场。

风电产量不断高升。2009年上半年我国风力发电达到126亿千瓦时，占同期全国发电量约百分之一，而目前我国已成为亚洲第一风能利用大国；全国风电并网装机l 181万千瓦，同比增长101％。企业投身风能行业的积极性一如既往的高涨。还有风电产业品牌显现，总体研发能力和水平不断提升。很多企业也加入到技术研发队伍中来，并发挥着十分重要的作用。他们从自主研发或联合研发入手，研制出自己品牌的产品，然后进入市场，最终形成了一批自主品牌，为技术研发和创新奠定了良好的基础，我国自主研发能力已得到实际提升。

世界风电发展格局略有变化，中国将在新增装机和累计装机排名中居首。2010年，亚太地区、欧洲、北美地区仍为世界风电的三大市场，占新增装机的90%以上，但是三大市场份额比例发生较大变化，亚太地区尤其是中国成为拉动世界风电发展的主要力量，中国以1800万千瓦左右的新增装机，继续排名居首，而累计装机中，中国达到4200万千瓦左右，略高于美国累计装机。

2010年，海上风力发电继续引领风电开发热潮，尤其是在欧洲，仅上半年欧洲海上风电新增118台机组，装机容量33.3万千瓦，累计装机达到240万千瓦，6月份统计的在建海上风电厂16个，装机容量为397万千瓦。中国海上风电高调起步。2010年8月，首个海上风电项目——上海东海大桥10.2万千瓦风电机组全部完成并网调试，正式并网发电。2010年10月，首轮100万千瓦海上风电特许权项目开标，中国海上风电规模建设正式启动。

4. 氢能系统

氢位于元素周期表之首，原子序数为1，是宇宙中普遍存在的元素。自然界中氢在常温常压下以气态氢分子的形式存在，在超低温或超高压下可成为液态或固态。氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢的状态变化过程中所释放的能量，主要包括氢化学能和氢核能两大部分[6]。氢是一种理想的洁净能源载体，被很多国内外专家誉为是21世纪的绿色能源，是人类未来的能源，其具有如下特点[1’7]：(1)可以方便高效地与电互相转换，互为补充；(2)制氢所用的物质——水在自然界大量存在，并且氢无论以燃烧还是电化学转换方式利用后的最终产物只为纯水或水蒸气，因此相对于其它燃料来讲，氢是非常有竞争力的可再生燃料；(3)可采取气态、液态和固态(氢的固态化合物)的方式来存储；采用地下管线、车载气罐或火车来长途输运；(5)可以灵活高效地转化为其它形式的能量，如燃烧、电化学转换和氢化等；(6)环境相容性非常好。无论是制氢，储氢、输运以及利用的各个环节中对环境几乎都可以实现”零排放”，只有氢在高温下空气中燃烧时才会产生非常少量的Nq污染物。氢能系统一般由氢源开发和制氢、储氢、输运和氢能利用等技术领域构成，其中储氢和氢能利用技术最关键。

4.1 氢源开发和制氢技术

到目前为止，在氢源的开发和制氢技术领域有3个方向，分别为化石燃料(石油、煤和天然气)的裂解、电解水和生物制氢。制氢所需的原材料一般为碳氢化合物和水。工业用氢的制备方法主要是化石燃料的热分解，包括天然气的重整、碳氢化合物的部分氧化和煤的汽化，产氢的成本较低。然而，这些技术严重依赖化石燃料资源且排放二氧化碳。近年来也发展了从化石燃料产氢而不释放二氧化碳的方法，即直接热分解和催化裂解碳氢化合物，这种方法已经被用于制备 碳，但相对于制氢成本较高，还处于发展阶段。电解水制氢的能量效率相当高，通常大于70％，但需要通电，因此较为昂贵。电解水制氢的发展方向是与风能、太阳能、地热能以及潮汐能等洁净能源相互配合，从而降低成本。这些洁净能源由于其能量与时间的关系具有波动性，所以在发电时系统给出的电能是间歇性的，通常不可直接进入电网，必须调节后方可入网。成本最低、最方便的储能方法是将其电解制氢、储氢、输运氢，然后利用氢能发电入网或转化为其它能量形式。已经证明太阳能电池电解水制氢的能量效率可高达93％以上L9]，但由于太阳能电池成本较高导致大规模制氢的成本上升，因此降低太阳能电池的成本是关键。另外值得一提的是，利用风能发电一电解水制氢可降低制氢成本。全世界风能的装机容量以每年27％的速度增长，2004年我国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年已提高到70家以上。同时中国风能也激增，到2020年保守估计可以实现8000～loooO万kW的装机容量，成为继火电、水电的第三大主流能源。目前风电的成本已经下降到o．5～o．6元／kWh，这是风电的完全成本，并且随着技术进步以及风电制造业的规模化，成本还将迸一步下降，而火电目前的不完全成本在o．2～o．3元／kWh，但这并不包括化石能源价格未来的不断上升以及污染排放的处理成本，因此风电的完全成本在不远的将来有可能低于火电的不完全成本，从而降低电解水制氢的成本。与传统的热化学和电化学制氢技术相比，生物制氢具有能耗低、污染小等优势。近年来生物制氢技术在发酵菌株筛选、产氢机制、制氢工艺等方面取得了较大进展Ll¨，已经成为未来制氢技术发展的重要方向。但生物制氢技术目前存在的问题也较多，如产氢率相对高的菌株的筛选、提高产氢效率的产氢工艺的合理设计，高效制氢过程的开发与产氢反应器的放大、发酵细菌产氢的稳定性和连续性、混合细菌发酵产氢过程中彼此之间的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等还需要进一步研究。

4.2储氢技术

储氢技术按氢的聚集状态可分为高压气态储氢、低温液态储氢以及固体储氢材料储氢。由于在常压下氢气的密度只有0．089889／I。，体积能量密度非常低，因此必须对其进行高压压缩以提高能量密度。高压气态储氢通常是将氢气压缩至压力高达70MPa储存于碳纤维增强的复合材料罐中，可应用于电动汽车的车载氢源，如通用汽车氢能3号燃料电池汽车的车载氢源在70MPa下携带3．1kg的氢可使汽车运行270km[z]。高压气态储氢的关键是超高压压缩技术和耐超高压复合材料技术进展，主要成本是制作罐体复合材料碳纤维的价格太高。另外一种提高氢气的能量密度的方法是低温液体储氢。在压力为70MPa、液氮温度(77K)下，氢为液态，此时的密度为0．070kg／L，约为常压下氢气密度的1000倍，为常温(压力为70MPa时为O．039kg／L)时的2倍[因此低温液态储氢技术相对于高压气态储氢具有更大的吸引力。然而低温液态储氢技术的关键是如何降低汽车在停车时车载低液态储氢罐中液态氢的汽化损耗。该汽化损耗有时可以达到每天l％甚至更多凹]。即使消除了液态氢的汽化损耗，液化氢气需要的能量以及低温氢气较低的燃烧焓(较常温常压下的值约低40％)都是低温储氢技术需要解决的技术难题。一些固体氢化物被发现在一定的条件下可以可逆地吸放氢，从而避免了高压和低温所带来的技术难题，因此广泛研究更安全、高效的固体储氢材料的制备及吸放氢性能[3]，就成为储氢技术未来的主要发展方向。固体储氢材料最重要的性能是储氢量(一般为每克储氢材料吸放氢的克数，以质量分数来计)和吸放氢动力学(吸放氢温度、压力和速率)。从最初的金属问化合物诸如AB5型;合金体系的储氢量越来越高且价格越来越便宜，但是，其储氢量还远未达到美国能源部设定用于车载氢源的6．5％储氢量。最近十几年来，碱金属、碱土金属的氢化物、硼氢化物[1“、氨基化物L川、铝氢化物[1妇质量轻、储氢量大的固体储氢材料相继被研发出来并有望解决储氢量的问题。研究表明，Mg(NH。)。一LiH系统在120～200℃内可逆吸放氢的量高达7％[2⋯。然而，这些固体储氢材料系统或多或少地存在问题，难以实际应用，如氮基化物系统在释放氧的同时会伴有氨气，后者会危害燃料电池的寿命；同时也会降低该系统的储氢量；而其它系统存在吸放氢动力学较慢、可逆性较差或者吸放氢条件较为苛刻等其它问题。

4.3氢能的利用技术

氢能转化为其它形式的能量，即氢能的利用技术已经应用于实际，如电动汽车、燃料电池发电等，并且还在不断地取得技术进步和扩大应用范围。氢能的利用技术大致可分为3类：一为与氧直接反应燃烧产生热能；二为在燃料电池中发电；三为氢化物中的化学能与氢能相互转换。在这些利用技术中充分体现了氢能的两个优点——高效和洁净。第一类氢能利用技术与氧直接反应燃烧又可分为以下3种。①直接燃烧产生水蒸气，其效率接近100％[2引，可用于电厂用电高峰期间发电、工业水蒸气供给、小型生物和医药用水蒸气发生器。②内燃机和涡轮发动机燃料。氢内燃机比汽油内燃机的平均效率要高出约20％，并且其排放的氮氧化物要低1个数量级。尽管由于其在内燃机缸内混合气体中的能量密度较低，导致约15％的能量损失，但可以通过采用先进的燃料喷射技术和液氢加以改进B“。氢涡轮发动机的进口温度比燃油涡轮发动机高出800℃，提高了效率，并且由于燃烧后的产物为水蒸气，避免了发动机叶片上的沉积物，减轻了高温腐蚀，减少了维护费用和延长了发动机的寿命。③低温催化氧化。在合适的催化剂上，氢可与氧在室温至500℃范围内催化氧化为水蒸气产生热能，由于催化氧化的温度远低于氢火焰的温度(约为3000℃)，不会产生氮氧化物污染物，并且氢源的浓度远高于氢爆炸的极限浓度(75％)，因此这种方式用于家庭厨房灶具燃料较安全[2 5‘。第二类氢能利用技术。在燃料电池中发电是氢能利用技术中最具吸引力和最有前途的技术，即无需燃烧，依靠电化学反应产生直流电。

根据电池中采用电解液的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、导电聚合物膜或质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。相对于氢与氧直接反应燃烧，燃料电池最大的优点是具有更高的能量转换效率。燃料电池的理论效率为氍=△G／△H，接近83％，而实际效率只是电池电压的函数。例如，燃料电池在典型工作电压o．6～O．8V时，能量转换效率为0．48～o．64，而且产物只有水蒸气，从而实现了零排放。当然，燃料电池最大的缺点是成本太高，一方面是生产规模较小，另一方面是原材料昂贵，如其隔膜材料目前广泛采用磺化全氟聚合物、电极材料表面铂和铂合金催化剂以及受腐蚀因素限制的不锈钢和镍合金双极板材料等。燃料电池的另一个缺点是加氢站等基础设施少，为了解决这一问题，电动汽车生产厂家已经与石油、天然气公司合作开发以汽油和甲醇为燃料的汽车用燃料电池，但汽油和甲醇作为燃料也带来了一些诸如催化剂中毒、发动机瞬间载荷降低等额外技术困难。第三类氢能利用技术。氢与金属可逆反应生成金属氢化物不但可以储氢，而且还伴随着热量的放出(生成氢化物)与吸收(氢化物分解)以及氢气压力的变化，因此有可能用于制冷制热、气体压缩、真空系统、废热利用比“、发电以及氢气的提纯与分离等，目前这些技术还有待于进一步开发。

三．结束语

近年来，我国逐渐意识到太阳能等可再生能源与新能源领域国际科技合作的重要性和必要性，因此积极采取措施鼓励该领域的科技合作与交流，并取得了很大的成就。新能源开发利用的现实意义十分巨大。自古以来，每一次能源的革命都会给人类带来一次文明的巨大进步，而每次工业革命的背后都有一次能源革命。新型能源将是人类今后赖以生存的，因此先进的技术需要全世界人类共同努力，建造我们美好的家园。

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