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第21章 作为燃料的氢能(1)

随着经济的迅速发展、人口的不断增长,毫无疑问,人类社会对能源的需求也将会越来越大。目前,化石能源短缺,能源的可持续发展成为一个不可忽视的问题。而氢能是一种高效率无污染的能源,并且是一种永恒的能源。因此,世界各国越来越重视氢能的作用。

近年来,氢能作为一种特殊的能源,已显露出它的独特风韵,尤其是氢用作燃料能源的优点,在对重量十分敏感的航天、航空领域,显得格外突出,在汽车、轮船和机车使用方面,也已初显锋芒。

航天方面

以液氢为燃料的土星号运载火箭在航天方面,对于航天飞机来说,减轻燃料自重、增加有效载荷非常重要,而氢的能量密度很高,每千克氢为1.8万瓦,是普通汽油的3倍,也就是说,只要用1/3重量的氢燃料,就可以代替汽油燃料,这对航天飞机无疑是极为有利的。以氢作为发动机的推进剂、以氧作为氧化剂组成化学燃料,把液氢装在外部推进剂桶内,每次发射需用1450立方米,约100吨,这就能够节省2/3的起飞重量,从而也就满足了航天飞机起飞时所必需的基本燃料的需求了。

氢作为航天动力燃料,可追溯到1960年,液氢首次成为太空火箭的燃料。到20世纪70年代,美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭燃料也是液态氢。美国和苏联等航天大国,还将氢氧燃料电池作为空间轨道站的电源广泛应用。今后,氢将更会是航天飞机必不可少的动力燃料。美国国家航空航天局在1994年发射一架以氢作为燃料的混合型航空航天飞机。氢还可以作为普通火箭的燃料使用,日本的下一代主火箭H—1、H—2型的第二级也将采用氢作燃料。

科学家正在研究设计一种“固态氢”宇宙飞船,这种飞船由直径为3.6米的“氢冰球”簇制成,这是用小型助推火箭发射的氢冰球在地球轨道上组装起来的,固态氢既作为飞船的结构材料,又作为飞船的动力燃料,在飞行期间,飞船上的所有非重要零件都可以“消耗掉”。预计这种飞船在地球轨道附近可维持运行24年;如在离太阳较远的深层宇宙飞行,这种氢冰球体,则可维持更长的时间。这种科学预想预计2020年就可实现。

航空方面

设想中的氢燃料飞机

在航空方面,氢作为动力燃料也已经开始应用于飞机。1989年4月,苏联用一架图-155运输客机改装的氢能燃料实验飞机开始试飞了,这架飞机用原型机尾部一台右侧发动机改装成液态氢燃料发动机,最终试飞成功,这为人类应用氢能源迈出了成功的一步。

航海领域

氢作为燃料,在船舶上的应用研究落后于飞机和汽车方面,但是它的应用也得到了重视。至少有两个方案被证实,它们是氢燃料电池为船舶提供电能和推动力的研究。一个尝试是在爱尔兰,计划建立一个国家氢燃料经济以取代国家依赖于原油进口。这个计划的一个重要目标是把渔船改装成燃料电池渔船,因为捕鱼业在爱尔兰经济中占有重要的地位。另一个尝试是组建一个高科技联盟(海上氢能技术研究会),希望能加速氢燃料电池的使用,以期替代内燃机在不同大小的水运工具上的使用。这个研究会的第一个方案是氢动力船只的操作和研究,是由在夏威夷的太平洋舰队来进行。另一个潜在的应用是在2003年一艘携有氢燃料电池的18个座位的水上游艇在旧金山进行水上验证,发动机使用燃料电池/化学电池的电混合引擎。海军研究办公室(ONR)也正在研究其在海运上的应用,他们使用燃料电池技术发展推动力系统来提高未来船只的电能产生效率(和较大设计弹性)。海军研究办公室正在投资一种通过柴油重整制氢方法的方案,他们期望燃料电池系统可能有37%~52%的效能。相比较而言,美国海军舰艇上燃气轮机的效率在16%~18%,通常运行于低速到中速,在这种情况下不需要发电机峰值使用。

全球首架以太阳能和氢能作为动力来源的“绿色飞机”

近些年,氢作为燃料,在航海领域的应用越来越受到重视,其技术也在不断进步。冰岛氢能公司利用欧特克解决方案设计出的氢能商用船就是一个很好的证明。

2008年9月,由于金融危机的影响,冰岛政府宣告破产。但这个国家还有两样非常有价值的自然资源在保持着旺盛的生命力,就是鱼和可再生能源。作为其主要经济支柱的捕鱼业一度占到冰岛国内生产总值的12%。冰岛同时是全球可持续能源利用领先的国家,可再生能源满足了冰岛80%的能源需求。

2007年,冰岛氢能公司利用欧特克解决方案设计出了世界上第一艘配备氢能的商用船。伴随这艘在冰岛语里意为“闪电”的观鲸船的横空出世,鱼与新能源紧密联系起来。

作为全球最大的二维和三维设计、工程和娱乐软件公司,欧特克一直致力帮助全球各地的企业用创新的方式进行设计,其中不乏采用新能源的项目:欧特克曾赞助德国Planet Solar公司建造世界上最大的太阳能动力船;苏格兰的Green Ocean公司则运用欧特克的设计解决方案设计出用于海洋发电的浮动装置,将把海浪涨落产生的动能转化为清洁能源;借助领先的欧特克数字化样机解决方案,美国的Syncromatics公司首创了以太阳能为电力来源的公交电子站牌。

我们知道,目前,石油是全世界渔船使用的主要燃料。随着全球石油资源的日益枯竭、气候问题的愈加严峻,人们开始考虑在渔船上采用替代能源。冰岛在这个领域走在了前面。冰岛本国没有石油资源,却拥有丰富的地热资源以及其他可再生能源。而无污染的氢能源目前已经部分取代了汽车上使用的柴油和汽油,这一创举也为冰岛赢得了世界上第一个“氢经济”国家的美誉。

尽管陆上交通已经开始“氢化”,但在海运方面石油燃料依然是霸主。再加上冰岛的渔船队是全球最大的渔船队之一,对石油的消耗量与依赖程度可谓居高不下。因此,冰岛人想实现在冰岛全部的渔船上采用氢能源这个伟大的梦想。于是,冰岛当地的三家公司,即研究氢燃料电池的冰岛氢能公司、从事观鲸活动旅游的Elding公司以及冰岛新能源公司联合起来,共同谱写了氢能应用的新篇章。

这三家公司的合作是因为共同参与了一个叫做SMART—H2的氢能研究项目,而启动合作的标志是由长期以来一直专注于开发氢能基础设施装置的冰岛氢能公司为Elding的观鲸船队设计使用氢能的船只。他们的最终目标是捕鱼的时候不再使用石油,而是使用冰岛丰富的可再生能源。

公司的旗舰观鲸船的名字是“Elding”,冰岛语意思为“闪电”。这艘船重达130吨,可搭乘150名乘客,也是世界上第一艘配备氢能的商用船。

冰岛氢能公司为这艘船开发设计了一套完整的船上氢能系统:内部的混合动力系统由一个氢储罐和一套48伏直流电池系统组成,氢储罐通过电源线与燃料电池相连,电池系统通过栅极将电能转换为三相能源。实际上就是燃料电池从储存系统中提取氢,再将之转换成电能。

Elding游轮

冰岛氢能公司采用的欧特克数字化样机解决方案是设计这套独特系统并确保其安全运行的关键。这项技术不但可以帮助他们设计系统,还使他们能够测试系统的运行情况。冰岛氢能公司不仅设计了混合动力系统,还设计了游艇局部的三维模型,用以测试氢能系统的运行情况。冰岛氢能公司充分利用数字化样机,对精确的Elding三维模型进行微调,没有发生任何生产成本,也不会危及项目参与人员或船上人员的安全。

目前,在船上使用氢能仍处于早期阶段:只是为支持电网运行的辅助发动机提供动力,氢能发电主要用于照明和做饭等。据参加过旅行的人说,这项举措大大造福了游客。当船员发现附近有鲸鱼时,他们就关闭主发动机,给游客创造安静的环境,让他们倾听这些哺乳动物游泳和击水的声音,如果是以前,这种体验就被底部柴油辅助发动机发出的隆隆声破坏了。

冰岛的目标是到2050年在整个交通系统中普及使用氢能,并利用本地出产的可再生能源支持经济运行。

汽车应用方面

在汽车应用方面,成效更加显著。如德国奔驰汽车已有数辆进行了试用;1990年,德国还展出了一种用氢能运转的5升BMW7系列汽车,这标志着氢能的利用有了良好的开端。日本马自达公司也试制了氢能汽车,它利用计算机控制氢泵和管道阀门,使液氢的温度在发动机点火之前始终保持在-253℃,行驶时,时速可达125千米;英国汽车公司已投资1100万英镑,开发氢能汽车。日本在研制氢燃料汽车的新型火花点火式发动机上取得了成功,使氢燃料消耗量降低,保证每升液氢可行驶3千米,每一次充填液氢燃料,可连续行驶300千米。为氢燃料汽车向实用化迈出第一步提供了重要的物质基础。储氢合金技术本来是由美国率先倡导的,然而日本却捷足先登,将其应用在汽车领域里,并处于世界领先地位。

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