未来的清洁能源

随着科学技术的发展和人们物质生活水平的提高，不但对于能源的需求量越来越大，而且对使用能源后是否引起环境污染也更加关注。氢能、太阳能、生物质能和燃料电池等属于清洁型能源，而且资源也极为丰富，因此是理想的未来能源。

1 氢能

氢能是一种理想的、极有前途的二次能源。氢能有许多优点：氢的原料是水，资源不受限制；氢燃烧时反应速率快，高发热值大[ （298.15K）=-286kJ·mol-1，即ΔH （298.15K）=-143kJ·g-1]；更突出的优点是氢燃烧的产物是水，不会污染环境，是最干净的燃料。另外，氢能的应用范围广，适应性强。

然而，要使氢成为广泛使用的能源，要害是要解决廉价的制氢技术及安全、方便的贮存和运输方法等问题。

目前工业上制取氢的方法主要是水煤气法和电解水法。由于这两种方法都要消耗能量，还是离不开化石燃料，所以不理想。目前认为最有前途的方法是光解水，即在催化剂存在时，吸收太阳光辐射使水分解为氢气和氧气

光催化剂是多种多样的，主要有金属氧化物、半导体电极、蓝-绿藻的低等植物等。目前，应用各种光催化剂使水光解的方法仍处在试验阶段。预计在本世纪末或下世纪初会有大的突破。

氢气密度小，不利于贮存。例如，在15MPa压力下，40dm3钢瓶只能装0.5kg氢气。若将氢气液化，则需耗费很大能量，且容器需绝热，很不安全。最有发展前途的贮氢方法是用固态金属氢化物贮氢。例如，镧镍合金LaNi5能吸收氢气形成金属氢化物，加热时，LaNi5H6又可放出氢。LaNi5合金可相当长期地反复进行吸氢和放氢，且贮氢量大，1kgLaNi5合金在室暖和250kPa压力下可贮15g以上氢气。除镧镍合金外，还有多种合金也能贮氢（参见5．2．3节）。目前正在开发、研究以进一步提高贮氢性能，使其成为既安全、方便，又经济的贮氢方法。 .  
目前有关氢能利用的许多工作尚处于试验阶段。氢能可以发电、供热、提供动力。它可以取代现有的几乎所有的能源，而且有这些能源所没有的高效、清洁、安静的优势。例如，液态氢已被用作人造卫星和宇宙飞船中的能源。1980年我国研制成功了第一辆氢能汽车。1985年原苏联也利用Ti、Fe、V合金氢化物进行了用氢气和汽油作为混合燃料的汽车的试验，若在汽油中加入质量分数约为4％的氢气，则可节油40％，废气中的CO也可减少90％。预计不久的将来，氢能不仅可以广泛地作为汽车、飞机、轮船、火车等的动力，而且可以成为工业和生活中的重要能源。

2 太阳能

太阳能是一种取之不尽、用之不竭又无污染的能源。太阳能来自氢聚变成氦的核反应。估计地球表面接受来自太阳的巨大能量每年总共有5×1021kJ，只要能利用它的万分之一，就可满足目前世界上所需的能量。但太阳能受日夜、季节、地理和气候的影响，它的能量密度又低，因此，如何有效地收集太阳能是太阳能利用中极为重要的课题。

对太阳能的收集和利用主要有三种方式：光-热转换，光-电转换和光-化学转换。

光-热转换通常是用聚光器或集热器将太阳辐射能转换成热能。用于加热工业用或生活用热水、采暖、空调以及农作物干燥和温水养鱼等。但聚光器或集热器的材料有待改进，以提高集热效率。

光-电转换是将太阳辐射能直接转换成电能。利用光电效应将太阳能直接转换成电能的装置叫太阳能电池。太阳能电池有多种，根据其构成的半导体材料不同，主要有硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池等，太阳能电池的制造工序较复杂，制造成本高而且受到半导体材料供给的限制。目前太阳能电池仍局限在1kW之内。随着太阳能电池制造技术的改进，光-电转换将是利用太阳能较为切实的方式。因为它既可做小型电源使用，又可建成大面积大功率的太阳能电站，非凡是在沙漠、高山、海岛等地建设太阳能电站更为合适。它必将为人类大规模地利用太阳能开辟道路。

-化学转换是将太阳辐射能直接转换成化学能。绿色植物的光合作用就是光-化学转换过程。到目前为止，它是利用太阳能最主要、最根本的方式。然而，通过绿色植物来实现的光-化学转换目前尚不能完全受人控制。因此，研究各种完全可控的光-化学转换方法也是当前世界上重大的研究课题之一。近年来发现，有些物质可以直接吸收太阳能进行化学反应，产生高能物质，而逆反应又是放热反应。因此，可利用这种作用将光能贮藏到化学物质中去，然后在需要时让它释放出来。
我国太阳能资源十分丰富，非凡是内陆高原地区，例如西藏地区能量密度在（6.3～10）×105J／（cm2·a），其余地区也有（4.6～5.9）×105J／（cm2·a）。西藏的太阳能烤箱，一月份可达240℃。太阳炉、太阳灶等已在我国能源短缺的某些地区获得广泛的应用。

人们还设想建立“宇宙太阳能站”，宇宙太阳能站在宇宙空间按一定轨道运转，它在接收太阳能时不受地球大气层的阻挡，其效率要比地面上高得多。图4．7就是这一电站的设想方案——“同步空间站”设计方案。同步空间站处于与赤道平行，与地球相距3.56×104km的轨道上，并以与地球同步的方式绕地球运动，空间站与地面接收站保持固定的距离。在空间站内，太阳能通过若干太阳能电池把太阳能转变成电能，再用微波发生器把电能转变成微波，然后以集束形式把微波发射到地面接收站。地面接收站再把微波转换成电能。这样的电站将能满足一个现代化大城市所需要的电力供给。假如若干个“同步空间站”在空中工作，将为人类提供源源不断的电力。

目前对太阳能的利用尚处于初始阶段，在近期内只能作为辅助能源使用。但从长远看，太阳能是人类最基本的能源，与太阳的寿命一样长，当利用太阳能的技术有了根本的改变后，太阳能势必又要大规模地代替核动力，从根本上改变人类利用能源的状况

3 生物质能与沼气——垃圾能源
生物质能是绿色植物经过光合作用，将太阳能转化为化学能贮藏在生物体内的能量。植物的叶绿体在阳光的作用下，把水、二氧化碳、无机盐分等转变为简单的小分子物质，再合成为糖类、蛋白质、脂肪等较复杂的大分子，以ATP（三磷酸腺甙）的形式，把能量贮存起来。每摩尔ATP贮存的能量约50kJ。因此，利用生物质能，就是间接利用太阳能。

地球上生物质能的资源非常丰富，现今全世界每年由光合作用所形成的有机质约200Gt，相当于3×1021J能量。全世界天天产生垃圾27Mt，各种废水的排放量每年多达450Gt，每年的人畜粪便超过几十亿吨。所有这些废弃物都将是生物质的潜在资源。据测定，城市垃圾的热值与褐煤相近，大约2t垃圾相当于1t煤。林业及其废弃物、农业废弃物也是生物质资源的巨大宝库。但作为能源利用的生物质还不到其总生物量的1％，给人们提供的能量却占世界总能耗的14％。

传统的从生物质取能的方式是直接燃烧法，此法对生物质能的利用率低，且污染环境。因此，必须改变传统的用能方式，利用生物质的转化技术使能量利用率大为提高。

生物质发酵制取沼气是一种最合理、最有效的生物质能转换方式。沼气是利用城市垃圾、污水、污泥、人畜粪便、庄稼秸杆、杂草等废弃物，经好氧分解和厌氧分解而得到的一种可燃气体。其主要组分为：含CH455％～65％，含CO235％～45％。沼气是一种高效的、廉价的、清洁的能源。发酵的残余物还可综合利用，作为肥料、饲料等。同时，又能比较合理地保持自然生态系统的平衡。

北美和西欧的许多国家早就利用城市污水、垃圾等制取沼气，并作为动力能源使用。最近，法国罗尔卡公司研制成功一种垃圾沼气化装置，可将家庭垃圾、污水、污泥、工业有机垃圾、农业垃圾等进行连续处理，不会放出烟和恶臭，处理垃圾的同时还能回收宝贵的能源——沼气以及有较高使用价值的有机肥料。又如在英格兰开发了一种使家庭垃圾快速转变成无污染的燃油的方法。它是将垃圾、金属镍催化剂和轻油一起放入高压反应器内，温度保持在350℃，经10分钟后，就转化为燃油、二氧化碳和水。而这一转变在自然界中需要百万年才能完成。这种方法生产的燃油不含硫和氧，燃烧后不会引起酸雨，经过加热裂解还能生产低分子产物（如汽油等），使城市垃圾处理厂由单纯的消费性事业单位转向有直接产值的生产单位。由此可见，垃圾能源大有可为。