四是石油类,主要包括:橡胶树、蓝珊瑚、桉树、葡萄牙草等。
五是光合成微生物,主要包括:硫细菌、非硫细菌等。
六是未利用资源,主要包括:农产品废弃物(如稻秸、稻壳等)、城市垃圾(小枝、皮、叶、锯末、低浆渣等)、林业废弃物、畜业废弃物等。
上述种种,有些是本身就带有生物能源,有些则是作为底物经过其他中介生成生物能源。
利用现代技术,将生物质转化为能量的方法有直接燃烧,也可用生化学和热化学法转换成气体、液体和固体燃烧,例如木材、草类、农作物等。利用生物能可进行乙醇、甲醇、甲烷、植物油、汽油、氢等的工业生产。目前使用的转换技术主要是生物质厌氧消化生产沼气;生物质发酵制取酒精;生物质热分解气化等。
生物质能的转换技术,具体说,大致可分为以下三类:
一是直接燃烧。这是生物质能最简单、应用最广泛的转换技术。直接燃烧的主要目的是为了获取热量,而燃烧热值的多少首先是与有机质种类不同有直接关系,同时还与空气(氧气)的供给量有关系。有机物氧化越充分,产生的热量就越多。
普通炉灶直接燃烧生物质能的转换效率很低,一般不超过20%。现在推广的节柴灶已可将效率提高到30%以上。
二是生物转换技术。这是生物质能通过微生物发酵方法转换为液体燃料或气体燃料技术。一般糖分、淀粉、纤维素都可经微生物发酵生产酒精。利用这些原料在28℃~30℃的恒温条件下发酵36~72小时,可以转换成含8%~12%乙醇的发酵醪液,经蒸馏后就可获得纯度为96%的酒精,再经化学方法脱水,就可获得无水酒精。
用沼气发酵方法就可以获得气体燃料。
三是化学转换技术。这是生物质能通过化学方法转换为燃料物质技术。
目前有三种基本方法。
有机溶剂提取法,这是将植物干燥切碎,再用丙酮、苯等化学溶剂,在通蒸汽的条件下进行分离提取;
气化法,这是将固体有机物燃料在高温下与汽化剂作用中产生气体燃料的方法,根据汽化剂不同,而得到不同气体燃料;
热分解法,这是将有机质隔绝空气后加热分解,可得到固体和液体燃料,木材干馏就是热分解法的一种。
此外,生物质还可通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。从长远看,绿色能源的开发利用,必将是跨世纪的大趋势,而且可以预见,21世纪生物质能技术的发展,必将取得令人鼓舞的进步。
太阳能
太阳给人类带来了光明和温暖,并给人类以生命,以及维持生命活动的各种能源。可以说,没有太阳便没有人类;没有太阳,也不会有今天物质世界的一切。
太阳以她那巨大的光和热,给地球上的万物带来了生机。她一刻不停地向宇宙空间发送着大量的能量。据计算,仅每秒钟发出的能量就约相当于1.3亿亿吨标准煤燃烧时所放出的全部热量。太阳发送到地球上的能量虽然也很多,但只占她向外辐射量的22亿分之一。仅就这些能源来说,如果除去地球表面大气层的反射和吸收的能量,那么真正到达地球表面的太阳能,约相当于目前全世界所有发电能力总和的20万倍。地球每天接收的太阳能,相当于全球一年所消耗的总能量的200倍。太阳发光放热的历史已达40多亿年以上。据科学家们预计,太阳释放巨大能量的时间还将持续几十亿年。因此,太阳真可谓人类取之不尽、用之不竭的能源大宝库。
太阳实际上是一个熊熊燃烧着的炽热的巨大球体,其表面温度约为6000摄氏度,而内部温度高达2000万摄氏度。这个无与伦比的大火球具有如此惊人的高温,正是她能发射出巨量光和热的本领所在。
那么,浩瀚无比的太阳能量又是从哪里来的呢?科学家经过长期研究,才逐渐揭开了这个秘密。原来,在太阳内部每时每刻都在进行着原子核聚变反应。形象地说,太阳就像一座以核能为动力、以氢作燃料的极其巨大的能源工厂。在高温的作用下,太阳里的轻核元素——氢发生聚合反应,即每个氢原子核聚合成氦原子核,同时释放出大量的光和热。这就是通常所说的热核聚变反应。而核聚变反应所放出来的能量要比一般的化学反应(如煤或天然气的燃烧)释放出来的能量高100万倍。而太阳这个大气体球主要是由氢气组成的,其体积又特别巨大,在她的肚子里可以容纳130万个地球。由此可知,在太阳里蕴藏着多么丰富的能量,这也正是她能经久不衰地发光放热的原因所在。
对人类来说,太阳释放的能量还包括地球上的各种能源,诸如煤炭、石油、风能、海洋能、地热能等等。它们都是由太阳能转化而成的。
同时,太阳能比其它能源具有独特的优点:一是它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣,因而不污染环境,被称做“干净能源”;二是到处都可以得到太阳能,使用方便、安全;三是成本低廉,还可以再生。
回顾往事,人类对太阳能的利用已经有悠久的历史。我国早在2000多年前的战国时期,就已经懂得用金属做成的凹面镜聚焦太阳光来点火,以后又有了放大镜,就利用玻璃凸凹镜来聚光取火。近代人们对太阳能的利用逐步前进了。早在1837年,英国天文学家赫胥在去非洲好望角的探险途中,就首先使用太阳炉烧饭,他用一个黑箱埋入沙土中,箱上用双层玻璃保温,箱内温度可达116℃。1860年出现了用抛面反射太阳光的装置,会聚的阳光可使聚集面温度达500℃左右。1875年时又有人制造了太阳能集能器,但效率很低,在近10平方米的集能器上,只能获得1马力的功率。由于采集太阳能存在许多技术问题,不像挖煤、钻取石油那样相对来说比较简便和立见成效,因此,太阳能技术一直发展不快,只是作为一种辅助能源使用,如太阳灶、太阳能热水器等。
如今,世界各国都面临着能源的日益紧缺这一状况,所以太阳能的开发利用引起了人们的重视。人们把太阳能作为开发利用的现代主要新能源之一,并将利用太阳能作为人类历史上第三次能源变革的开始,即由有限的矿物燃料(如石油、煤炭等)向无限的可再生能源(如太阳能、海洋能、生物质能等)以及核能转变。因此,向太阳——人类用之不尽的能源宝库索取能量,实现人类历史上这次重要的能源变革,已成为今后能源发展的主要趋向。
氢能
很久以前,法国科幻作家凡尔纳曾经说过一句话:“总有一天水会被用作燃料。”今天,凡尔纳的科学预言已经成真有望,人类大规模地用水制氢的日子已日益接近了。用水提炼出的氢,将会为人类提供无穷无尽的光和热。
位居“门氏元素周期表”首位的是氢——H,而氢是自然界存在的最普遍的元素,它至少构成了宇宙质量的75%,真不愧为“百素之首”。
现代能源专家们把地球上现有的“二次能源”分为“过程性能源”和“含能体能源”两大类。当今应用最广泛的“过程性能源”是电能,应用最广泛的“含能体能源”是汽油和柴油。而电能无法直接贮存,因此,像汽车、轮船、飞机等机动性强的耗能动力设备,就无法直接使用,而只能继续耗费汽油、柴油等能源。即使蓄电池也是间接的储能设备,而且也尚未能成为主能源。人们急需一种含能体能源。在竭力寻索中,终于发现了氢,这个肉眼看不见的宠儿可以充当这个角色,科学家们甚至预言,氢能将要成为21世纪替代矿物燃料的理想能源。
虽然氢几乎存在于世界各地,处处皆有,但如何提取出来,确是世界级的一大难题。尽管已有一些办法,但这些技术仍要消耗大量常规能源。因此,研究一种经济、便捷的制氢技术就是新能源领域里的一项重要课题了。氢,是元素中最轻的物质,而且又易燃烧。有了氢,如何储运,保证使用安全,就成了另一个大问题。还有就是如何应用这个干净优质的新能源?也提上了人们的议事日程。令人欣慰的是,在氢能的研究应用领域不断取得的成功,已为21世纪的世界能源描绘出了一幅诱人的前景。
氢的制取
当今,全球人类使用的主要能源都是以碳氢化合物为基础的能源。早在40多年前,一些科学家就研究实验了氢在石油化工、合成氨及其他领域里的广泛应用的可能性。
随着常规能源的一再告急,生态环境保护的呼声日益高涨,形势迫使人们要采取以开发新能源为主,坚持多种能源并存的总体策略,又把氢燃料的开发应用放在了一个重要的战略地位上,并在制取氢的工艺技术方面作了深入探索。氢的应用方面也作了许多大胆的尝试,特别是在航空器、航天器、导弹、火箭、汽车等方面的试用,证明氢作为能源,是完全可以胜任的。
独特优点
氢,在常温常压下是气体状态,在超低温高压下又可成为液态。作为能源,氢有七大特点:
一是重量最轻,在所有元素中,它的原子序数为1,就是说其余元素都比它重;
二是热值高,除核燃料外,它的燃烧热值,在所有的矿物燃料、生物燃料、化工燃料中名居榜首,每千克高达28900千卡,是汽油热值的3倍;三是“爆发力”强,它非常易于燃烧,且燃烧速度非常快;四是来源广,除空气中含有的氢气外,它主要是以化合物的形态贮存于水中,在水分子中,氢的重量占11%,而地球是“二山七水一分田”,水是大量存在的。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比世界上所有矿物燃料放出的热量还要大9000倍;
五是品质最纯洁,氢本身无色、无臭、无毒,十分纯净,它自身燃烧后只生成水和少量的氮化氢,而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质,少量的氮化氢稍加处理后也不会污染环境,而且它燃烧后所生成的水,还可继续制氢,反复循环使用;六是能量形式多,氢通过燃烧可以产生热能,再转换成机械能,也可以通过燃料电池和燃气——蒸汽涡轮发电机转换成电能,还可以转换成固态氢,用作结构材料;
七是储运很便捷,氢可以用气态、液态或固态的金属氢化物形态加以运输和贮存。
氢能的诸多优点,赢得了人们的青睐。一致认为,用氢能取代碳氢化合物能源,将是一个重要的发展趋势。这种新能源已开始逐步形成,通过太阳能制得的氢,将成为普遍使用的一种高级能源,二三十年后,氢,必将是众多领域的重要能源。
陈旧手段
氢作为能源,尽管优点很多,但要真正能够大量地而又廉价地获取它,需要些什么技术呢?这是要解决的关键问题。
氢是通过科学方法,利用其他能源来制取的。因此,氢属于“二次能源”。
目前,制氢的原料,是天然气、石油和煤,其中天然气占了96%。人们都知道,天然气是宝贵的燃料和化工原料,用它来制氢,显然仍是摆脱不了过分依赖矿物燃料的被动局面,而且很不经济。要大量制氢,从根本上说,只有用水做原料才是稳妥可靠的。
多年来,人们已研究出多种“用水制氢”的方法。但从本质上说,并非真正用水作原料,而仅是把它当介质,由“一次能源”转换而已。比如,在实验室里常用的方法是用某些金属(如镁)和蒸馏水“混合法”或用酸、碱反应制氢。这只是证明氢是如何提取出来的化学反应;“铁蒸汽法”,就是将水蒸气通过灼热的铁屑,生成四氧化三铁放出氢;“转化法”,就是将水蒸气通过灼热的煤层,生成氢气和一氧化碳的混合物,也就是长期以来常用的用煤来分解水,即“水煤气”,然后将水煤气再和水蒸气一起通过灼热的氧化铁,转化成二氧化碳和氢气,二者再分离,从而获得纯氢;“电解水法”,就是用纯水通电的方法,提取氢气,这种方法的效率仅有36%,而且,需要大量的纯水和大量的电能;“燃烧法”,就是用煤、石油、天然气燃烧所产生的热去分解制氢。
从上述这种种方法中,人们可以明显地看到,水在制氢过程中,只是一种原料,实际上都要依靠其他物质和大量的热能、电能,才可以真正获得宝贵的氢气,它的致命弱点是成本高,效率低。因此,从根本上说,这种制氢的方法仍是没有发展前途的。
“水作燃料”
近些年来,各国科学家普遍关注摸索新的科学制氢的途径问题,对用氢作燃料抱有极大的期望,都有设法寻求彻底摆脱长期以来用常规能源制氢这种得不偿失的陈旧办法,真正实现用水作原料制氢的愿望。
科学家经过潜心的钻研,终于设想利用太阳能制氢将是最佳选择。因为太阳能无穷无尽,到处都有;用水作为制氢原料,水是普遍存在的。把两者巧妙结合,就可将太阳能转变为氢能。
当前,一些国家已经初步摸索出的可行的太阳能制氢高新技术有以下8种。
太阳能热分解水制氢法热分解水制氢,现有两种方法,即直接热分解和热化学分解。太阳能直接热分解水,需要把水或蒸汽加热到3000K以上的温度时,水中的氢和氧才开始分解。其优点是热效率高,无污染,勿需催化剂;缺点是所需分解水温度很高,制造太阳能聚光器太昂贵、不经济。太阳能热化学分解水制氢,可以降低对温度的要求,但在反应过程中,要在水中加进化学元素或化合物等催化剂,然后加热到900~1200K的温度,使水产生反应,生成氢和氧。而催化剂只是起到加速水分解的催化作用,它们可在整个过程中,不断地再生和循环,基本上是消耗或消耗很少的。这种方法的制氢效率已可达到50%。
太阳能电解水制氢与常规的用直流电电解池电解水制氢的原理相似,太阳能电解水制氢就是利用太阳能分解水制氢,首先要将太阳能转换成电能,转换的方法可以采用热发电、光伏发电等不同途径。
这种电解水制氢的关键问题是只要将太阳能发电成本降低,就可以广泛应用了。
太阳能光化学分解水制氢这种方法与热化学分解水制氢过程很相似,也是要在水中加入添加剂,这种添加剂是光敏物质,如碘,用它帮助水吸收阳光中的长波光能,以保证高效连续利用太阳能制氢。
将水直接分解为氢和氧是很困难的,但把水分解为氢离子(H+)和氢氧离子(OH-),再生成氢和氧,就容易得多了。根据这个理论,有的科学家设计了综合制氢工艺流程。
就是说,第一步先进行光化学反应,即:使硫酸亚铁、碘与硫酸的水剂混合液在太阳光照射下,生成硫酸铁和碘化氢;同时,在太阳光紫外线作用下,或利用太阳热能加温到400℃以上时,碘化氢再分解为氢和碘。这种混合液进行第二步热化学反应,即:硫酸铁与水,在加热条件下,还原为硫酸亚铁、硫酸和氧。然后进行第三步电化学反应,即:这种溶液,通过较小功率的电解,生成氢和氧。实际操作中,这三个步骤是连续进行的,可以看到最终的结果是水分解为氢和氧的反应。