【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0%30%40%50%60%70%80%90%100%2050100%=28 太瓦新 能 源可 再 生 能 源核 能水 利生 物 質(zhì) 能煤天 然 氣石 油圖 2 世界總能量來(lái)源分布預(yù)測(cè)圖(2050)進(jìn)入二十一世紀(jì)，中國(guó)已經(jīng)逐漸成為世界能源大國(guó)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在 1990年，中國(guó)能源消耗量占全球能源消耗量的比例不足 8%。而美國(guó)在同時(shí)期能源消耗量占全球能源消耗量的比例接近 24%。中國(guó)的能源消耗量將于 2022 年超過美國(guó)，成為世界第一能源大國(guó)。到 2035 年，中國(guó)的能源消耗量將站到全球能源消耗量的25%左右(見圖 3)。氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書15美 國(guó) ， 中 國(guó) 及 印 度 的 能 源 消 耗 量 (19902035)1990 1995 2022 2022 2022 2020 2025 2030 2035占世界總量(%)美 國(guó) 中 國(guó) 印 度圖 3 中國(guó)，美國(guó)及印度能源消耗量量的比較與預(yù)測(cè)以 19802022 年間為例，圖 4 給出了全球主要國(guó)家人均能源需求與人均國(guó)民生產(chǎn)總值的關(guān)系。通過分析，我們可以得出如下結(jié)論:1. 無(wú)一例外的，人均能源需求與人均國(guó)民生產(chǎn)總值成正比關(guān)系。2. 發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)等，人均能源需求隨人均國(guó)民生產(chǎn)總值的增加的變化不大；而發(fā)展中國(guó)家，如中國(guó)、印度等，人均能源需求隨人均國(guó)民生產(chǎn)總值的增加的變化比較大。3. 中國(guó)的人均能源需求近年來(lái)已經(jīng)超過巴西等中等發(fā)達(dá)國(guó)家。100 1,000 10,000 100,000人 均 國(guó) 民 生 產(chǎn) 總 值 (美 元 )人均能量需求(千兆焦耳)中 國(guó)美 國(guó)巴 西西 班 牙愛 爾 蘭英 國(guó)德 國(guó)法 國(guó)希 臘俄 羅 斯印 度馬 來(lái) 西 亞日 本韓 國(guó)澳 大 利 亞中 國(guó)印 度巴 西俄 羅 斯美 國(guó)32億 人 口圖 4 全球主要國(guó)家人均能源需求與人均國(guó)民生產(chǎn)總值的關(guān)系(19802022)氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書16另外，圖 4 顯示目前有 32 億人口(中國(guó)、印度及其他第三世界國(guó)家)的人均能源需求在中等偏下的水平。這個(gè)數(shù)字，32 億，大約是目前全球人口總數(shù)的一半。也就是說(shuō)，從現(xiàn)在到本世紀(jì)中葉，全球有一半的發(fā)展中國(guó)家人口將要大幅度增加其能量的需求。隨著人口的增加，到 2050 年，全球?qū)⒂屑s 60 億人要加入這個(gè)能源的競(jìng)爭(zhēng)行列。這一趨勢(shì)使得全球新能源的開發(fā)更為迫切。目前，全球能源消耗量為 太瓦，見圖 1 及圖 2。到 2050 年，全球?qū)⑿枰蠹s 15 太瓦的新能源。因此，如果下面三個(gè)最重要的問題不解決，人類的現(xiàn)代化進(jìn)程將受到嚴(yán)重的阻礙。新能源從哪里來(lái)的問題可能是目前全球最熱門的問題之一。本節(jié)將對(duì)不同的新能源進(jìn)行綜合分析，并提出太陽(yáng)能是最佳的選擇。美國(guó)是目前全球最大的能源消耗國(guó)。如果在 2050 年發(fā)展中國(guó)家的 60 億人口可以得到充足的能源，那么目前美國(guó)的能源來(lái)源與消耗情況是是最好的參考。圖 5是美國(guó) 1999 年能源生產(chǎn)和消耗示意圖。圖中顯示，美國(guó)當(dāng)時(shí)能源來(lái)自于石油，煤，天然氣，核能，水利能，生物質(zhì)能及其他。百分比分別為%，%，%，%，%，%。其中，石油 60%靠進(jìn)口，天然氣 %靠進(jìn)口，其他能源為美國(guó)本土生產(chǎn)。氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書17圖 5 美國(guó) 1999 年能源生產(chǎn)和消耗示意圖其中，電廠發(fā)電(占總能源的 %)主要來(lái)源于煤，天然氣，核能和水利發(fā)電。發(fā)電的總量中有大部分在電力系統(tǒng)中損失掉了。天然氣主要供給工業(yè)和家庭用，損失量比較小。石油大部分用于交通運(yùn)輸，絕大部分被損失掉了?？偟膩?lái)說(shuō)，美國(guó)1999 年總能源有 59%以熱量的形式損失掉了,有用的能源只占 41%。到 2050 年，全球?qū)⑿枰蠹s 16 太瓦的新能源。那么，這些新能源從哪里來(lái)呢?可能的來(lái)源包括: 太陽(yáng)能，風(fēng)能，生物質(zhì)能，水利，核能等。2022 年全球的太陽(yáng)能光伏電池安裝量是 GW。雖然中國(guó)的光伏電池安裝量?jī)H GW，但比 2022 年整體增長(zhǎng)了 550%。到 2020 年中國(guó)的目標(biāo)為 20 GW；將會(huì)是現(xiàn)在的 100 倍。風(fēng)能市場(chǎng)也迅速發(fā)展起來(lái)。2022 年全球風(fēng)能裝機(jī)總量為 9 萬(wàn) MW，2022 年全球風(fēng)能發(fā)電增長(zhǎng)了 29%， 2022 年底全球累計(jì)風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)總量已經(jīng)超過 13 萬(wàn) MW，相當(dāng)于減排 1。59 億噸二氧化碳。中國(guó)成為繼歐洲和美國(guó)之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一，2022 年中國(guó)新增風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)到 720 萬(wàn)千瓦，新增風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)總量增長(zhǎng)了 109%，累計(jì)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總量超過 1300 萬(wàn)千瓦大關(guān)，高達(dá) 1325 萬(wàn)千瓦。但是無(wú)論是太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電目前都存在著難以并入電網(wǎng)和電能的存儲(chǔ)問題，特別是大型太陽(yáng)能發(fā)電廠和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本項(xiàng)目的氫能源技術(shù)正是解決這一瓶頸的創(chuàng)新和革命性的技術(shù)。該技術(shù)不僅能夠解決太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的存儲(chǔ)和并網(wǎng)問題，而且還能夠構(gòu)成獨(dú)立的離網(wǎng)式的供電系統(tǒng)。我們?cè)诿绹?guó)大紐約地區(qū) 2022年建的太陽(yáng)能氫能存儲(chǔ)的獨(dú)立離網(wǎng)式的供電系統(tǒng)，2022 徹底離網(wǎng)一直運(yùn)行供電直到如今（2022 年 11 月 20 日）氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書18 項(xiàng)目可能形成的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)前景分析隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增加，地球所蘊(yùn)藏的煤炭，石油，天然氣等傳統(tǒng)能源日益缺乏。在具大的能源壓力下，發(fā)展取之不盡用之不竭，清潔無(wú)碳無(wú)污染的氫能源已經(jīng)成為全球的共識(shí)。發(fā)展氫能源可以成為以氫能源為中心的太陽(yáng)能風(fēng)能和氫氣精細(xì)化工的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和具大的能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模。發(fā)展氫能源不僅可以成為開啟新能源時(shí)代的一把“鑰匙”，也是溫室氣體減排目標(biāo)和搶占“綠水經(jīng)濟(jì)”制高點(diǎn)的一件“利器”。氫能被視為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人類?duì)氫能應(yīng)用自 200 年前就產(chǎn)生了興趣，到 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開展了氫能研究。早在 1970 年，美國(guó)通用汽車公司的技術(shù)研究中心就提出了“氫經(jīng)濟(jì)”的概念。1976 年美國(guó)斯坦福研究院就開展了氫經(jīng)濟(jì)的可行性研究。20 世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)多種因素的匯合增加了氫能經(jīng)濟(jì)的吸引力。這些因素包括：持久的城市空氣污染、對(duì)較低或零廢氣排放的交通工具的需求、減少對(duì)外國(guó)石油進(jìn)口的需要、二氧化碳排放和全球氣候變化、儲(chǔ)存可再生電能供應(yīng)的需求等。氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，是人類的?zhàn)略能源發(fā)展方向。世界各國(guó)如冰島、中國(guó)、德國(guó)、日本和美國(guó)等不同的國(guó)家之間在氫能交通工具的商業(yè)化的方面已經(jīng)出現(xiàn)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。雖然其它利用形式是可能的（例如取暖、烹飪、發(fā)電、航行器、機(jī)車），但氫能在小汽車、卡車、公共汽車、出租車、摩托車和商業(yè)船上的應(yīng)用已經(jīng)成為焦點(diǎn)。氫是一種極為優(yōu)越的新能源，其主要優(yōu)點(diǎn)有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的 3 倍，酒精的 倍，焦炭的 倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源，演義了自然物質(zhì)循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程。適用范圍廣，氫燃料電池既可用于汽車、飛機(jī)、宇宙飛船、可發(fā)電，又可用于分布式電源等其他場(chǎng)合，如可以代替煤氣、暖氣、電力管線而走進(jìn)家庭生活。國(guó)際上認(rèn)為氫能將是本世紀(jì)汽車最理想的能源，也是人類長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略能源。氫能源的提煉成本跟汽油大致相當(dāng)，這為它替代石油改變未來(lái)世界格局提供了經(jīng)濟(jì)價(jià)值基礎(chǔ)。氫能源目前最大的問題是儲(chǔ)運(yùn)成本高于汽油 4 倍，而氫的燃燒效率又比石油高一倍，如與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書19量轉(zhuǎn)化效率高達(dá) 6080%，是內(nèi)燃機(jī)的 2 至 3 倍。所以目前只要將氫的成本降低一倍，就能讓氫動(dòng)力應(yīng)用處于經(jīng)濟(jì)性許可的范圍內(nèi)了。目前，德國(guó)通過電解水利用可回收能源制造氫；日本對(duì)氫技術(shù)提出了雄心勃勃的計(jì)劃,到 2020 年投資預(yù)算將達(dá)到40 億美元；冰島和殼牌石油,戴姆勒—克萊斯勒汽車公司以及挪威水力發(fā)電建立了獨(dú)特的合作聯(lián)盟,發(fā)起全球第一個(gè)氫經(jīng)濟(jì)計(jì)劃,在今后 40 年內(nèi)用氫能源取代石油；美國(guó)能源部制定了“氫能源”計(jì)劃，提出到 2022 年使燃料電池汽車占整個(gè)汽車市場(chǎng)的 25%。中國(guó)對(duì)氫能的研究與發(fā)展可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代初，中國(guó)科學(xué)家為發(fā)展本國(guó)的航天事業(yè)，對(duì)作為火箭燃料的液氫的生產(chǎn)、H2/O2 燃料電池的研制與開發(fā)進(jìn)行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，則是從20 世紀(jì) 70 年代開始的?，F(xiàn)在，為進(jìn)一步開發(fā)氫能，推動(dòng)氫能利用的發(fā)展，氫能技術(shù)已被列入《科技發(fā)展“十五”計(jì)劃和 2022 年遠(yuǎn)景規(guī)劃（能源領(lǐng)域）》。第四章 項(xiàng)目主要研究開發(fā)內(nèi)容 項(xiàng)目的主要研究開發(fā)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)、先進(jìn)性和成熟度分析本項(xiàng)目的技術(shù)成熟性高先進(jìn)性強(qiáng)，我們?cè)诿绹?guó)大紐約地區(qū)的太陽(yáng)能氫能的獨(dú)立離網(wǎng)供電系統(tǒng)已經(jīng)建立多年，并且從 2022 年離網(wǎng)生存至今，歷經(jīng)了接近五年的時(shí)間。2022 年二月，美國(guó)東北部經(jīng)歷了一次一百年來(lái)最大的雪災(zāi)，大紐約地區(qū)很多地區(qū)都停電。我們的樣板工程房沒有受到雪災(zāi)的任何影響，整個(gè) 3000 平方米的建筑的電氣包括供暖和熱水都正常運(yùn)轉(zhuǎn)（見圖 6）。我們的可移動(dòng)拖車式的太陽(yáng)能氫能離網(wǎng)供電系統(tǒng)。我們美國(guó)聯(lián)企已經(jīng)開始在北京，廣州，廈門，大連，和青島等城市進(jìn)行了該氫能源技術(shù)的推廣。希望能夠在浙江或其它地區(qū)國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。本項(xiàng)目的主要研究開發(fā)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)、先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)在于我們的氫能源技術(shù)的四大突破。（1）使用鎳，鈷和鐵家族過渡金屬作為催化劑，取代昂貴的鈀和鉑（白金）催化劑，我們正在研制的鎳硼酸鹽催化劑的效率是鉑催化劑效率的 200倍。（2）使用最新的半電位技術(shù)，我們電解每立方米的氫從 5 度電降低到低于 1氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書20度電。（3）使用硼氫化鈉（NaBH4）和氫氧化鈉（NaOH）作為穩(wěn)定劑使我們的硼氫化鈉產(chǎn)氫技術(shù)，安全可靠，容易方便，價(jià)格便宜。一分的硼氫化合物與兩分的水反應(yīng)產(chǎn)生四分的氫氣和一分的硼酸。（4）工程工藝的突破：采用自我調(diào)節(jié)的氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)氫燃料存儲(chǔ)室和氫反應(yīng)催化劑室的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增加了氫氣生成率，減少了氫燃料存儲(chǔ)室和氫反應(yīng)催化劑室的總?cè)萘?。降低了使用空間，電解電能，氣液交換能，氣液分離，和氣液泄漏保護(hù)及封閉的成本。圖 6 本項(xiàng)目在美國(guó)大紐約地區(qū)的樣板工程: (上圖) 2022 年至今，3000 平方英尺的住宅已經(jīng)完全使用太陽(yáng)能供電，不再使用電網(wǎng)供電；(下左) 氫氣儲(chǔ)罐；(下右) 燃料電池。下面分別詳細(xì)分析這四部分關(guān)鍵技術(shù)的可行性。（1）光合作用仿生觸媒及其太陽(yáng)能光伏電解器的研制：光合作用仿生觸媒是近年來(lái)由美國(guó)和日本等國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)科研小組及工業(yè)研發(fā)部門提出的。雖然只有幾年的時(shí)間，該領(lǐng)域已經(jīng)有了突破性進(jìn)展。特別是美國(guó)麻省理工大學(xué)的丹尼爾。農(nóng)思羅和安杰藍(lán)。貝爾琪兩個(gè)研究小組在該領(lǐng)域的工作為太陽(yáng)能光伏電解器的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目的太陽(yáng)能光伏電解器以鎳硼催化劑電鍍層為陽(yáng)極催化層，以光伏電池為電源，并采用新型磷酸化聚苯并咪唑離子膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向氫能源氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電系統(tǒng)商業(yè)計(jì)劃書21的轉(zhuǎn)化。2022 年起，本項(xiàng)目在美國(guó)的大紐約地區(qū)建立了美國(guó)第一家太陽(yáng)能氫能樣板工程，見圖 6。這座 3000 平方英尺的建筑已經(jīng)完全依靠太陽(yáng)能來(lái)供電，不再需要電網(wǎng)供電。2022 年二月，美國(guó)東北部經(jīng)歷了一次一百年來(lái)最大的雪災(zāi)，大紐約地區(qū)很多地區(qū)都停電。我們的樣板工程房沒有受到雪災(zāi)的任何影響，整個(gè)建筑都正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）使用最新的半電位技術(shù)，我們電解每立方米的氫從 5 度電降低到低于 1度電。其中高分子離子膜是水電解設(shè)備的核心組成部分之一。本項(xiàng)目自主開發(fā)的新型磷酸化聚苯并咪唑離子膜是以聚苯并咪唑?yàn)槠鹗嘉?，?jīng)過磷酸化反應(yīng)而制成的。聚苯并咪唑類高分子最初是用來(lái)生產(chǎn)防火纖維的。因此這種材料的機(jī)械性能，耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性等都高于全氟離子膜。由于整個(gè)材料不含氟，其價(jià)格比全氟離子膜低很多。本項(xiàng)目采用自主開發(fā)的新型磷酸化聚苯并咪唑離子膜與光合作用仿生觸媒相結(jié)合，使得太陽(yáng)能光伏電解器成為先進(jìn)，高效，廉價(jià)的新能源產(chǎn)品。并且預(yù)計(jì)在2022 年以前將成品太陽(yáng)能光伏電解器推向整個(gè)中國(guó)市場(chǎng)。本項(xiàng)技術(shù)還有望與目前其他的先進(jìn)技術(shù)，比如“光伏發(fā)電用太陽(yáng)同步跟蹤器”等，進(jìn)行廣泛地合作，使我們的“人性化太陽(yáng)能風(fēng)能氫能無(wú)碳能源系統(tǒng)”不斷完善。（3）低成本高效液態(tài)儲(chǔ)氫材料的開發(fā)氫氣的儲(chǔ)存是利用太陽(yáng)能氫能的技術(shù)瓶頸之一。我們提出的化學(xué)法高效液態(tài)儲(chǔ)氫材料在全球處于領(lǐng)先地位。以美國(guó)為例，目前生產(chǎn)硼氫化鈉的廠家主要是美國(guó)陶氏化學(xué)公司。該公司是世界第二大化學(xué)公司。其硼氫化鈉的合成技術(shù)是通過對(duì)羅門哈斯公司的并購(gòu)獲得(2022 年)。其合成路線是改進(jìn)的 Schlesinger 路線。美國(guó)公司 Millennium Cell 對(duì)降低硼氫化鈉生產(chǎn)成本做出了突出貢獻(xiàn)，但是由于美國(guó)經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，該公司已與 2022 宣布破產(chǎn)。我們美國(guó)聯(lián)企的產(chǎn)品是對(duì)他們產(chǎn)品的最好取代。使用硼氫化鈉（NaBH4）和氫氧化鈉（NaOH）作為穩(wěn)定劑使我們的硼氫化鈉產(chǎn)氫技術(shù)，安全可靠，容易方便，價(jià)格便宜。一分的硼氫化合物與兩分的水反應(yīng)產(chǎn)生四分的氫氣和一分的硼酸。這樣也使我們大幅度地提高了我們的氫氣的產(chǎn)量。（4）工程工藝的突破：我們的多個(gè)中國(guó)專利對(duì)工程工藝的生產(chǎn)氫氣的突破，進(jìn)行了詳細(xì)的描述。采用自我調(diào)節(jié)的氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)氫燃料存儲(chǔ)室和氫反氫能源風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電存儲(chǔ)供電