互动科普

布什总统宣布了一项价值17亿美元的汽车研究项目，旨在开发减少对大气的污染，并降低美国对进口石油依赖性的汽车。没过几个月，2003年秋天，丰田公司就带了这样两款汽车来到华盛顿特区。其中一款是商用混合型小轿车，它配有传统汽油内燃发动机，另以一台电池驱动电动发动机为辅助。这款轿车大约80千米耗油1加仑（3.8升），而二氧化碳排放量只有普通轿车的一半。另一款试验性SUV（运动休闲旅行车），配备氢电池驱动电动发动机，排放物除了热量之外，就是比毕雷（Perrier）矿泉水还纯净的水了。哪一款汽车更清洁呢？

正确回答这个问题对资金投入的研究影响重大，将直接影响到政府决定究竟资助哪种技术，才能让我们摆脱对汽油，及最终对环境的依赖。然而答案和许多人所料想的并不一样，至少对丰田公司负责技术和监管问题的研发经理Robert Wimmer而言是如此。他认为这两款汽车的清洁程度几乎一样。

现在，Wimmer以及越来越多的专家开始更全面地考虑问題，他们的视野不再局限在简单的汽车排放物之上，而是重在考虑汽车的使用及其燃料制造过程对整个环境的综合影响。从更宽泛的角度来看，即使氧燃料所谓的巨大优势，比如燃料电池的清洁性和高效率等，也并没有想象中那么神奇。从这种意义来说，燃料电池汽车能和混合型并驾齐驱，也算是一种成就了；按照能源部的说法，在某些情况下，燃料电池汽车甚至会排放更多二氧化碳及其他各种废物。而且在某一点上，混合型汽车显然更具优势：它已经是一种商品化产品，现在用它就可以减少污染。比较起来，燃料电池汽车的商用化进程大概和NASA的火星载人登陆计划的进度差不多，成功的可能性也大致相当。

如果这些听起来让人吃惊，那么它也揭示出建立氢经济之路上存在着诸多不确定性和挑战。在氢经济中，绝大部分能量都将用来制备氢，随后氢通过燃料电池产生电力。目前人们的期望大都围绕在燃料电池的发展，以及更清洁氢经济的可能性上，这不仅包括氢在交通运输方面的应用，还包括为住宅和其他建筑物供能。去年11月在华盛顿，美国能源部长Spencer Abraharn在和欧盟及其他14国能源部长的聚会上就谈到，氢将“根本改变我们的生活环境。”得知全美2亿多台机动车每天消耗超过2000万桶的石油后，布什总统把氢称为“免费燃料”。

然而无论从资金还是对环境的危害来讲，氢都不是免费的。与输出相同功率的内燃发动机相比，燃料电池的造价要高出几乎100倍。按照Eastman化工公司的副研究员Tim R. Dawsey的说法，要想具备价格竞争力，“成本必须控制在每瓦特5美分，而我们目前的成本是每瓦特4美元”。该公司正在制造燃料电池用聚合物。每单位氢的成本也比汽油这样其他可用能源贵5倍左右。单纯钱并不是通向氢经济之路上唯一的拦路虎。另一个问题是提供用来制备纯氢的能量本身也要产生污染，即使这种能量是来自于某种可再生能源，比如说太阳能或风力，从环境角度来说.要比制备氢产品有更可靠的用途。氢，宇宙里最轻气体，它的运输和储存，都存在着技术和基础设施建设的问题，对它的安全处置也同样存在着问题。任何对氢经济的实际建议，都必须考虑到以上这些问题。

哪种能源更有意义？

氢燃料电池具有以下两条显著的吸引力。首先，它们在使用时不会产生污染[参见“奔向氢社会的骑车”，科学，2002年12月]。其次，氢的来源无穷无尽。实际上，这种气体并非传统意义上的燃料。燃料是在自然界发现（比如说煤）或从某种自然物中提炼而得的物质，它燃烧后可以做功。自然界中并不存在纯氢，而且它的制备过程也很繁琐，因此它实际上更应该是一种储存和运输能量的载体或媒介，将某种来源的能量转移到能发电的机器上。“氢之美就在于它使燃料的多样性成为可能，”美国政府负责能源效率和可再生能源的助理秘书David K. Garman如是说。但是，无论哪种来源都有其不利的一面。

例如，一种称为电解的过程通过电解水分子以获取氢[参见40页图解]。电力的来源可以是太阳能电池、风车、水力发电或者是更安全的下一代核反应堆[参见“下一代核电站”，科学，2002年3月]。同时，还有研究人员在尝试用微生物转化植物废料的方式来制备氢，包括使用部分目前已经没有经济价值的农作物。二月份，来自明尼苏达大学和希腊佩特雷大学的研究者宣布，他们发明了一种能从酒精和水的混合物生成氢的化学反应器。虽然听起来鼓舞人心，但按照专家们的说法，这些技术要么成本极高，要么无法获得大规模的商业应用，而且这种情况大概还要保持许多年。

氢可以利用烧煤获得的电力来制备，这是目前美国绝大部分地区最廉价的能量来源。但是评论人士认为，如果煤炭成为氢经济的首要成份，那么更多二氧化碳的排放将导致全球变暖进一步加剧。

当然氢也可以来自于天然气中的甲烷、乙烷或者其他碳水化合物燃料[参40页图解]。天然气和水蒸气反应可以产生氢和二氧化碳。然而使用燃料电池的话，可就妨碍了现在天然气的最佳工业用途了：在天然气与水蒸气联合循环的高效汽轮机中燃烧来产生电力。这样就又可能导致使用更多煤炭。联合循环发电厂可将天然气燃烧所得热能的60%转化为电力；而烧煤的发电厂转化效率只有33%。而且，燃烧天然气产生每单位热量生成的二氧化碳，只比燃烧煤炭产生的一半多一点，即每百万Btu（英国热量单位）53千克比96千克。因此，同样产生1千瓦时电力，一个新型天然气发电厂所产生的二氧化碳量只比烧煤发电厂的1/4多一点。总而言之，从环境角度来说，最好是把天然气用于电网的供电来节约煤炭，而不应该把它用于制备氢以节省汽油。

另外有两种燃料可以在汽化后用来制备氢：从委内瑞拉或海湾地区运来的石油，和来自阿巴拉契亚山脉的煤炭。要想从矿物燃料制备氢，并且不增加二氧化碳排放量，就必须束缚碳，使它不进入大气层。这种方法大致应该比从数以百万计的汽车尾气排放管整合碳要容易些。否则的话，这些燃料还是应该用于直接燃烧。

“如果你从整个系统，而不是某个局部的角度来看问题，更应该拆除那些烧炭的发电厂，因为煤炭实在是一种富碳的燃料，”阿尔贡国家实验室的一位研究院Michael Wang如是说。由煤炭所得的电力占全美电力的1/2略强，约有20%的电力来源于天然气。其余的电力基本上都来自于不含碳的燃料，主要是核电和水电。这样看来，替换煤炭发电厂的过程大约要花费数十年的时间。

不管怎么说，即使氢的供应突然大幅上升，燃料电池也不是它的最好应用场所。纽约城市学院化学工程教授Reuel Shinnar在最近一篇论文中回顾了能源及燃料的各种生产方法。他指出不应将氢用作燃料，而是有更为简单的方法：增加在氢化裂解和加氢精制方面的应用。按照Shinnar的计算，采用这种方式可为美国每天节约300万桶原油。氢化裂解和加氢精制都开始于原油中那些不适宜提炼汽油的分子，它们的分子太大，而且碳氢比也过大。这些处理过程虽然昂贵但还是有利可图的，因为这样精炼厂就可以利用那些原本只适于制造低价产品的成份，例如说沥青和锅炉燃料，并将它们转化为汽油。这就好比把牛颈肉排加工成牛腰肉排一样。

转化成本究竟如何？

如果氢的制备过程污染严重而且昂贵的话，那么从应用角度来看，它那给人留下深刻印象的高能源效率，是否能抵消这些缺点呢？同样，这个问题的答案很复杂。

1千克氢所含能量大致和1加仑（3.8升）无铅汽油所含能量相当，也就是说，燃烧时两者将释放几乎相同的能量。但内燃机和燃料电池将燃料能量转化为功的能力可不一样。对内燃机而言，大部分能量以热能形式从排气管中跑掉了，还有一部分能量要消耗在发动机内部的摩擦上。大致说来，无论是燃料电池的支持者还是反对者都同意，它从1千克氢中获取的功是内燃机从1加仑（3.8升）汽油中获取功的两倍。在一些静态应用场所，例如地下发电设施，它从天然气中获取氢，然后将其转化为电力以供家庭使用，效率可能会更高，因为燃料电池所释放的热量还可以被重新利用，比如说用于给自来水加热。

实际上有一种系统的方法可用于评判每种燃料在哪里应用最佳。一种新型能源分析，“油井到车轮”，比较了所有已知驱动车轮方法[参见本页上图]的能效。组成“油井到车轮”性能分析模块是“转化效率”。在能源链的每一步中，从将原油从地下抽出、提炼到它在发动机中燃烧，燃料所包含的能量总有一部分要丧失掉。

测定汽车适用性的第一步是工程师们所谓的“油井到油箱”，也就是如何制备并输送燃料。按照能源部能源效率与可再生能源办公室的说法，当天然气裂化制备氢时，它的潜在能量将有约40%消耗在转化过程中。用电网电解水以制备氢，则将损失78%的能量。尽管电解法效率非常低，但在氢经济早期它还是会占据主导地位，因为这种方法非常简便，在需要氢的地方就可以制备它，因而避开了运输氢所带来的问题。与之相反，从地下抽取3.8升原油，将它送至精炼厂，转化为汽油，将汽油运送到加油站，所消耗的潜在能量只有21%。产生天然气并把它压缩在气罐中的损失仅仅为15%。

整个能源分析的第二步是“油箱到车轮”，或者说是汽车油箱中燃料能量真正用于驱动车轮的比率。对传统汽油内燃机而言，油箱中85%的能量都白白丧失了；这样的话，整个系统，从油井到油箱加上油箱到车轮，浪费的能量占了88%。

燃料电池可将氢所含能量的37%转化为车轮的动力。假如氢的来源是汽化天然气的话，整个油井到车轮的损失约为78%。假如氢的来源是电解过程所耗的煤炭的话，从油井（实际上是煤矿）到油箱的损失将是78%；当这些氢在燃料电池中燃烧后又将损失43%，这样总的损失率将高达92%。

加州蒙罗维亚市Aero Vironment公司的研发工程师Wally Rippe，曾参与通用汽车公司EV-1电动车和NASA“太阳神号”太阳能电动飞机的研发，对此问题他提供了另外一个视角。根据他的计算，采用电动发动机的汽车，同样1千瓦时电量，用于充电电池比用于氢燃料电池距离远三倍。

以上所有事实综合起来，我们可以得出以下结论：不要用电制备氢之后，又通过发动机罩下的燃料电池把氢转化为电。但有一个重要理由让我们考虑这种低效的多步转化方案。这些转化也许仍具有经济意义，到目前为止，金钱还是能源市场的决定性因素。就是说，虽然氢系统十分浪费能源，但各种来源的能量成本有着很大差别，所以我们转换到利用最廉价能源的系统中还是有意义的。

康涅狄格州的质子能量系统公司（Proton Energy Systems）生产电解设备，其总裁兼首席执行官Walter “Chip” Schroeder向我们解释了这里面的经济学逻辑。目前价格（即可能在未来多年内维系同一水平的价格）的煤炭成本略高于每百万Btu 80美分。每加仑1.75美元汽油的制备成本约为15.40美元。把1Btu能量从煤炭转换到驱动汽车的机制也许非常棘手，但通过这种转变，“你最终得到的是酒而不是水”，他说道。类似的，他把他将水转化为氢的设备描述为一种“套汇机器”。“套汇”一词本是投资银行家、股票或商品交易者用于描述低买高抛的专业术语，不过它通常指某一股票或货币在不同市场上的微小价差。Schroeder说道：“如果没有认识到能源市场上存在的巨大价格差距，你就无法制定合理的政策。”

如何输送氢

然而，不同来源的能量也许无法像钱在套汇过程中那样互相替换。要想以合理的价格方便地获得氢，还存在一个问题，至少对于来自太阳能、水电或风力等可再生能源的氢是如此，因为这些能源只能在国内某些特定区域才能获得。

能源部的Garman说，当风电的成本为每千瓦时3美分时，从风力获得的氢才能和汽油相竞争。这只能出现在风力稳定的地方。他又指出：“当某地的风电成本只有3美分时，这里往往就（风太大而）不适合人类居住。”在美国，这种风力仅存在于从蒙大纳和达科他到德州的带状地区内。这些地方发的电需要经过漫长的传输线路才能到达最终用户那里，一路上又有大量的能量损失在传输电网上了。Garman指出：“由于传输限制，你无法把达科他的电输送出来。”“也许一条输氢管道可以把那里大量的风能资源输送到芝加哥”，那里是最近的汽车燃料市场。

就是说，即使建设这样一条管道可行，由于氢密度低，输送它比天然气要困难的多。无论运送哪种气体，只要体积大就必须压缩，不然管道的直径就要和飞机机身一样大。压缩需要做功，这样整个过程耗费的能量又增多了。即使在这种情况下，处理氢也比处理其他燃气需要更多的技巧。最近，三位欧洲研究人员Ulf Bossel，Baldur Eliasson和Gordon Taylor在一项研究中指出，压缩到790个大气压下的氢，要比同样压力下天然气中甲烷所包含能量的1/3还要少。

与之相关的问题是，Bossel和他的同事发现，1辆能运送2400千克天然气的货车在同样压力下只能装在288千克氢。换句话说，1卡车汽油所能驱动的汽车数量需要大约15卡车的氢气。假如改为运送液态氢的话，大约3卡车液态氢相当于1车汽油。但要把氢液化又需要付出可观的成本。甲醇可以在汽车上蒸汽重整[参见下图]，以这种方式来运送氢，可以缓解运输问题，但是附加的转化过程又需要消耗能量。所有这些因素决定了氢应该使用在能制备的地方，而那里却可能远离主要发动机燃料市场。

无论氢是如何输送到目的地的，处理这种难以控制的气体的困难还远未结束。易燃性是氢的缺点之一。所有气体燃料都有燃烧的浓度上下限，而氢的这个范围出奇的宽，从2%到75%。与之相反，天然气的这一范围仅为5%到15%。这样的话，氢气泄漏比天然气泄漏更为危险，因为氢气会在更大浓度范围内燃着。点燃氢气所需的最小能量也远小于天然气。

而且氢的燃烧还看不见。NASA出版的安全手册上推荐了一种检查氢是否燃烧的方法：把扫帚伸到一臂远的地方，然后看上面的扫帚苗是否着起火来了。南卡大学化工系主任Michael D. Amiridis说：“这太可怕了，因为你看不到火焰的存在。”他正在和多家公司签约进行燃料电池的研究。他指出，一款成功的燃料电池汽车，最起码要具有“和我现在那辆汽车一样的安全性能”。发展氢燃料供应链的初期工作中，一个主要的部分是制造能够可靠识别氢气的报警装置。

氢经济的准则

尽管存在诸多技术和基础建设方面的困难，氢经济还是有可能到来的。假如是这样的话，它会和香水经济很类似。在香水市场里，产量的稀少使单位产品的价格不成问题。商机极有可能首先出现在手机和笔记本电脑上，因为这些商品的消费者不在乎为燃料电池的电力花费10美元/千瓦时。燃料电池业界近期的一项研究表明，年内就会有此类笔记本电脑出售。也许氢电池最终会进入居室，那里的用电大概刚刚5千瓦左右，迫切需要提高碳效率，因为几乎一天中的每小时都对电力有着大量需求。但氢电池不大可能在马路上大量出现，因为每辆汽车的总能耗大约是50千克，而每天行驶的时间平均也就2小时，任何一位优秀工程师都不会在这种情况下使用燃料电池设备的，因为燃料电池的运行成本很低，但单位容量造价却很高。尽管几乎每个人都听说过燃料电池可能成为汽车动力来源的替代品，但在燃料电池商业化名单中，汽车却可能要排在最后一位。

假如必须为交通工具找到石油的替代品，在考虑氢之前，我们可以看看其他的选择。一种就是天然气，它几乎没有什么技术难题没有解决，而且供应量又很丰富。另一种是用于电动汽车的电力。电池技术可能碰到了非常大的障碍，但它们还是应该比燃料电池遇到的要简单些。如果必须，我们还可以用从煤炭中提炼的甲烷来驱动汽车，德国人1940年代就采用了这种办法，显然我们今天也可以找出使用它的办法。

最后，假如我们的社会确实支持可再生能源的开发，比如风车和太阳能电池，它们完全可以替代大部分今天电网系统中使用的矿物燃料。运输经济使石油正消耗殆尽，使我们首先为氢而担心。随着上述研究的发展，再加上明智的节约，我们将会给运输业留下相当多的能源。

[何毓嵩/译    杨光/校]