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我们不断被告知,我们的星球正处于危机之中

时间:2022-06-23 12:54栏目:新闻资讯 点击: 196 次
我们不断被告知,我们的星球正处于危机之中;为了拯救它,我们就得改变现有的生活方式。在全球气候问题不断凸显的当下,氢能已经悄然成为应对各类环境难题和能源转型的关键,并被寄予越来越高的期望。2022年3月23日,国家发改委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。该规划明确了氢的能源属性,定位为未来国家能源体系的重要组成部分,充分发挥氢能清洁低碳特点,推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。从交通和基础设施到供暖和电力,氢能可以取代化石能源,促进经济增长,并鼓励全球对气候变化采取行动。它还可以解决当今可再生能源最令人头疼的问题,如风能与太阳能的运输、储存及其对天气变化的脆弱性,电池的笨重、短寿命和低效率等。6月15日,“双碳”背景下的氢能产业发展研讨会暨《氢能革命》新书发布会在机械工业出版社融媒体中心举行。中国工程院院士、中国氢能联盟战略指导委员会委员彭苏萍,清华大学教授、国际氢能协会副主席毛宗强,发改委能源研究所可再生能源中心主任赵勇强,Snam中国董事兼高级副总裁彭宁科,国家能源集团北京低碳清洁能源研究院氢能总监何广利等众多行业内的专家学者,共同为大家带来了精彩的氢能科普,就中国氢能产业的发展战略与部署、氢能的安全性、氢能的未来应用场景、氢能何以引导一场能源革命等问题进行了深入的探讨。“双碳”背景下的氢能产业发展研讨会暨《氢能革命》新书发布会现场。会议由机械工业出版社与中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟共同主办(主办方供图)气候问题对中国相对复杂的能源结构带来了严峻的挑战,氢能使得高碳能源低碳化,与中国的能源体系互相融合,并且使得中国的可再生能源规模化。据此,彭苏萍认为,氢能在中国能源体系中的定位已从“重要补充”逐渐变成“重要组成部分”。那么,为什么现今大家都重视氢能呢?来自发改委能源研究所的赵勇强认为,一是它能应对气候变化,二是它能帮助我们提出长期性、整体性的能源低碳发展解决方案;三是它能为不同的能源系统提供灵活性。在《氢能革命:清洁能源的未来蓝图》一书中,该书的作者,在能源行业拥有超过20年的从业经验的马可•阿尔韦拉对氢能的未来提出了清晰而发人深省的观点,展示了为什么氢能可以应对气候变化并成为未来的理想燃料。以下内容节选自《氢能革命:清洁能源的未来蓝图》,小标题为编者所加,非原文所有。已获得出版社授权刊发。《氢能革命:清洁能源的未来蓝图》,[意]马可·阿尔韦拉 著,刘玮、万燕鸣、张岩 译,机械工业出版社2022年6月版即使在今天,氢元素仍然主宰着宇宙有关氢的故事可以追溯到138亿年前,那时宇宙刚诞生,温度极高。在最初的38万年里,太空中充满了被称为等离子体的热粒子,由松散的电子、质子以及一些较重的原子核(质子和中子的组合)组成。慢慢地,温度下降到电子可以与质子结合形成氢原子的程度。从那个原始熔炉中产生的氢比其他任何元素都要多,即使在今天,氢元素仍然主宰着宇宙。氢是恒星的主要成分,还有一些氢以一层层薄雾的形态散布在星际间。有时,在巨大的星际气体云中,氢会以我们熟知的形式——由两个氢原子组成的氢分子(H2)出现。氢原子是最简单的原子,只有一个电子环绕着一个质子。这个简单的结构是氢原子所有既奇妙又麻烦的特性的来源。早在我们知道氢的起源或内在本质之前,它作为“能源连接器”的潜力就已经崭露了。我们对氢的了解始于16世纪瑞士化学家西奥菲拉斯特·邦博斯特·冯·霍恩海姆(Theophrastus Bombastus von Hohenheim)的实验。他非常擅长自我推销,“浮夸”(bombastic)这个词就源于他的名字。他更为我们熟知的是他的假名帕拉塞尔苏斯(Paracelsus)。他发现铁可以溶解在硫酸中,并释放出一种神秘的气体一。后来,西奥多·蒂尔凯·德·迈耶尔(Théodore Turquet de Mayerne)重复了这个实验,发现这种神秘的气体可以燃烧。1766年,亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)在伦敦的私人实验室里利用相似的反应过程收集到了这种气体,只不过他用的是盐酸和锌。有一段时间,他沉迷于把这些气体点燃,觉得很好玩儿。但是,他也注意到,燃烧这种气体会产生一种意想不到的副产物:水。1781年,他提出了一个现在众所周知的结论,那就是:水不是一种元素,而是由两种元素组成的化合物。法国化学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)给这些元素起了它们现在的名字——氢和氧,其中氢的意思是“成水元素”,这开创了现代化学时代。可惜的是,科学天才拉瓦锡后来死于法国大革命,堪称现代科学史上的重大损失。现在,我们对氢有了更深的了解:氢的唯一电子很容易被其他元素俘获,形成新的物质,比如水。在那些让卡文迪什兴奋不已的燃烧实验中,氢原子与氧原子结合形成水,同时释放出大量能量。德·迈耶尔、卡文迪什和拉瓦锡都被氢的可燃性所吸引,暗示了氢巨大的能量潜力。拉瓦锡和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯测量了氢被点燃时释放的能量,证实了这一点。他们的实验结果超出了预期。事实证明,燃烧1千克氢气所释放的能量足以让一辆普通汽车行驶90公里,或者为一个普通家庭提供两天的供暖。很快,氢与电的密切关系初现端倪,而后者正是今天绿色未来愿景的核心。1792年的一个星期天,在科莫湖边,发明家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)把两块不同元素的金属板用浸有盐水的纸或布隔开,产生了电流。这个被后世称为“伏打电堆”的装置就是第一块电池一。就在伏特发表相关发现的六周后,两位英国科学家威廉·尼克尔森(William Nicholson)和安东尼·卡莱尔(Anthony Carlisle)也进行了相关实验,尽管这个实验在历史书上的报道不多,但却十分重要。1800年,这对夫妇开始改进伏特的设计,将电线连接到伏打电堆的两侧,然后将它们浸入一个盛水的容器中。水下的电线附近出现了气泡,这表明电流把水分解成了相关气体。事实上,他们发明了电解槽,使我们通过可再生能源生产氢气成为可能。关于电解的第一个真正可靠的解释来自德国化学家约翰·威廉·里特(Johann Wilhelm Ritter),作为一个独立且思维活跃的科学家,他与歌德(Goethe)和亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)都交流密切。里特把前人的实验进行了简化:拿一个容器装满水,再把两根不同材质的金属条浸入水中。把金属条的干燥部分连接到电池上,两个电极就做成了。电池的电压会促使在每个电极发生化学反应。在正极,水分子分解,产生氧气(O2),释放质子和电子(e-)。电子被正极吸入,氧分子形成氧气。而质子在液体中游离,在负极上得到电子,形成氢气(H2)。然后,里特把两个装满水的玻璃容器倒置在每个电极上,观察气泡在每个电极上产生,气体逐渐排出容器中的水并将容器填满。许多电解槽都有一个重要元件,那就是隔膜。但里特认为他不需要,或者是他没想到。隔膜不会中断流经水中的电流,但确实可以防止氧气泡和氢气泡相遇并产生反应,或者说爆炸。另外值得注意的是,纯水的导电性不好。所以,我们需要加入另一种化学物质,作为电解质来进行电解——盐或少量硫酸等都可以用来提高电解速度。尼克尔森和卡莱尔发明了电解槽后不久,就有人试图利用电解槽进行逆反应。当时的想法是,电解槽反过来也应该可以发生反应,即我们现在的燃料电池。氢原子从阳极进入,然后因为化学反应失去电子。带正电荷的质子穿过薄膜到达阴极,带负电荷的电子则通过电路与质子相遇。最后,电子与质子以及来自空气中的氧气结合,产生燃料电池的副产物:水和热量。第一个燃料电池的发明者是德裔瑞士化学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚贝(Christian Friedrich Schönbein)和威尔士法官威廉·格罗夫爵士(Sir William Grove),他们做出了同样的贡献,两人都通过类似的实验得出了相同的发现。格罗夫的第二种电池发明于1839年,是现代燃料电池的先驱。他把两个铂电极的一端浸入盛有硫酸溶液的容器中,另一端分别密封在单独的容器中,一个装氧气,另一个装氢气。随后电流便立即在两个电极之间流动。电解槽和燃料电池(《氢能革命:清洁能源的未来蓝图》内页插图)氢气成了很多作家笔下的未来燃料有了这项发明之后,氢气立刻成了很多作家笔下的未来燃料。在1874年的小说《神秘岛》(The Mysterious Island)中,儒勒·凡尔纳设想:“总有一天水可以被电解为氢和氧,并用作燃料,而构成水的氢和氧……将会成为供暖和照明的无尽能源。”电影《神秘岛》(1961)剧照不久之后,一个梦想家试图实现儒勒·凡尔纳的设想。保罗·拉·库尔是19世纪70年代的一位丹麦发明家,从事电报工作,之后将注意力转向教育行业。尽管当时重工业兴起,城市扩张,但他却特别关注从农村长大的年轻人。拉·库尔认为,为了生存,应该推动农村实现现代化。为此,农民必须获得两样在城市才能充分享有的权益:教育和充足的能源。拉·库尔采取措施同时解决了这两种需求。他通过教育工作和一些积极的政治手段,培养了一批农村本地工程师。他想让丹麦的农村独立于城市,实现自给自足。拉·库尔首先对风能产生了兴趣。随着工业革命席卷欧洲,如果丹麦想要与邻国竞争,就需要一个可靠的能源来源。这个国家缺煤,但有充足的风能。荷兰人很早就相当有远见地对风能产生了兴趣,他们试图通过风车发电,但都因为以下两个问题而夭折了。首先,传统的荷兰风车发电效率低得令人绝望,而且没人知道怎么样进行改进;其次,电在产生后必须被立刻用掉,风一停,电就没了。人们需要一些可以储存电能的方法,但那时,电池贵得不可思议。拉·库尔反复思考了这两个问题。他对经典风车进行了重新设计,采用新风帆来带动发电机发电。为了解决第二个问题,也就是如何储存风车产生的电能,拉·库尔将丹麦阿斯科乌镇附近的一个旧水磨坊改造成了一个风车,并利用产生的电能通过电解水生产氢。在与意大利物理学家蓬佩奥·加鲁蒂(Pompeo Garuti)的合作中,拉·库尔向储罐中注入了氢和氧,并将氢直接用作燃料。这可不是什么小进步,由此,氢的产量达到了每小时1000升。从1895年到1902年,拉·库尔的“风车”持续为他任教的阿斯科乌民众高等学校供电,而且由于氢罐中储存了12立方米的氢,阿斯科乌从来没有过供电中断的情况。1902年,阿斯科乌的风车成为发电厂雏形,服务了整个村庄,直到1958年才被电池和汽油发动机取代。所以一个多世纪前,人们就已经证明了氢所具有的实力。我们那时候就知道一千克的氢竟然可以容纳如此巨大的能量。我们已经有了基本的工具,可以根据需要将闲置的电力转化为氢气。但是,早在1902年就有一个丹麦村庄已经较好地利用了氢能,为什么直到现在氢能都还没能普及呢?影响氢能普及的原因有两个。一是氢的密度低,给运输带来了很大困难。二是与方便开采、储量丰富的化石燃料相比,氢很难从地球上其他元素中分离出来。氢气一直无法与丰富而廉价的化石燃料竞争就重量而言,一立方米氢气只有89克,就存储空间而言,含有同等能量的氢气体积是汽油的3000倍。想要获取氢气太难了,以至于在一个多世纪的时间里,我们选择忽略它的能源潜力,而是集中精力利用它的“轻”属性。1783年夏天,孟格菲(Montgolfier)兄弟乘坐第一个热气球升空。那个时候,没有人知道他们的气球为什么能飞上天空。孟格菲兄弟认为,潮湿的干草燃烧产生的烟雾起到了帮助气球升空的作用。兄弟俩是天才的发明家,但不是科学家。拉瓦锡和他那一代的其他人一样,对气球非常着迷。他知道氢气比热空气轻得多,于是他在纸上写下了“气球是被非常轻的氢气带起来”的设想。那时尼克尔森和卡莱尔还没有发明电解槽,所以拉瓦锡需要找到一个方法来分解水。在1783年到1784年的冬天,他终于找到了一个方法。拉瓦锡与陆军军官让·巴蒂斯特·梅斯尼埃(Jean Baptiste Meusnier)合作,研究出了如何将蒸汽通过铁制加农炮炽热的炮筒产生氢气。让-弗朗索瓦·皮拉特尔·德罗齐埃(Jean-François Pilâtre de Rozier)是一名物理和化学老师。当他发现氢气存在的问题时,他已经在和孟格菲兄弟一起飞行了。控制气球的高度是至关重要的,但当时并没有被认真地解决。德罗齐埃想出了一个主意,即使用一个组合气球:外层的氢气层提供大部分的升力,而热空气内层则可以控制飞行的高度。1785年6月15日,德罗齐埃和他的同伴皮埃尔·罗曼(Pierre Romain)从法国的滨海布洛涅出发,试图飞越英吉利海峡。他们确信他们的设计将给气球带来革命性的变化。大约过了半个小时,气球被吹回到岸边。他们两人的脸上却露出了“惊恐的表情”,拼命想把吊篮中间火盆上的铁栅栏关上,但一切都已经太晚了。“外层大球里面的可燃物质很快就充斥了气囊内的剩余空间,沿着气球颈部管子倾泻下来,迅速地到达了下面的火盆,热气球就这样爆炸了。”这一爆炸威力巨大,双层气球的设计也被悄然搁置了。直到后来人们发现了一种同样比空气轻的惰性气体——氦气,才重新开始对热气球的探索。尽管发生了爆炸,但当时人们并没有放弃使用氢气。是的,氢是可燃的,但那又怎样呢?依靠柳条吊篮上方火盆里燃烧着的稻草升起的热气球也同样危险。因此,在150多年的时间里,发明家和先驱们坚持使用氢气这种爆炸性气体作为浮力辅助工具。德国退休军官斐迪南·冯·齐柏林(Ferdinand von Zeppelin)于1891年离开军队,开始着手制造一种飞行器。它有一个钢架构,内部灌满氢气,被称为齐柏林飞艇。在斐迪南伯爵的笔记本上,齐柏林飞艇最初的作用是运输邮件。而在第一次世界大战期间,飞艇携带着2吨炸弹,以137公里/时的速度飞行,造成了西欧民众的极大恐慌。飞艇可不是那么容易就能打下来的。氢很轻,消散得非常快。所以,就算一颗普通的子弹可以击穿齐柏林飞艇的气囊,也没有机会点燃氢气。为了消除空中的威胁,英国不得不研制出特殊的爆炸子弹。电影《齐柏林飞艇》(1971)海报齐柏林飞艇在战后的和平时期被用于极地探险和环球航行。兴登堡号(LZ-129)和她的姐妹号齐柏林伯爵II号(LZ-130)开启了大西洋两岸定期商业航空旅行的先河。安全是它们最大的卖点:齐柏林飞艇共飞行了160多万公里,未造成任何人员死亡,这是当时任何飞机都无法匹敌的纪录。但是对于恶劣天气,飞艇却束手无策,与天气有关的飞艇事故也持续增多。1937年5月6日,当兴登堡号正准备在美国新泽西州莱克赫斯特海军航空站的系泊桅杆处着陆时,突然起火燃烧并坠毁在地。事故中飞艇上有97人,其中33人因从飞艇上跳下来或掉下来而摔死,2人死于织物和柴油燃烧,还有1名地勤人员被发动机砸死。对于爆炸是否由氢气引起仍然存在争议,但在某种程度上已经无关紧要了,因为兴登堡号确实已经坠毁了。随后,无数影片对这一恐怖场景进行了重现,当时现场也进行了惊心动魄的广播直播,飞艇作为载人工具进行洲际飞行的时代就此结束。这一悲剧还让人们把氢气和烈火地狱联系到了一起,在很大程度上,这是一种毫无根据的危险感知。将氢气用于气球飞行最终被证明是一条不成功的弯路。氢气的主要卖点是其巨大的能源潜力,而不是轻便的重量。然而,我们花了很长时间才回到这点上来,主要是因为氢气一直无法与丰富而廉价的化石燃料竞争。原文作者/[意]马可·阿尔韦拉摘编/何安安编辑/张进导语校对/柳宝庆
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