2.2　醇基清潔燃料的理論基礎(chǔ)

地球上并不缺少能源，太陽(yáng)散發(fā)到地球的能量和地心散發(fā)出來(lái)的地?zé)幔銐蝠B(yǎng)育地球和地球人，只是能量的規(guī)模化儲(chǔ)存問(wèn)題還沒(méi)有解決。太陽(yáng)散發(fā)到地球上的能量和地心散發(fā)出來(lái)的地?zé)幔蟛糠钟峙艿接钪婵臻g了。如果把太陽(yáng)散發(fā)到地球上的能量多留下一些，如果把熱帶的太陽(yáng)能儲(chǔ)存下來(lái)到寒帶再釋放出來(lái)，如果把夏季的太陽(yáng)能儲(chǔ)存下來(lái)到冬季再釋放出來(lái)，地球上還會(huì)有能源危機(jī)嗎？

各種能源轉(zhuǎn)換為電能，是能源形式的統(tǒng)一，煤、油、氣、核能、地?zé)帷⑻?yáng)能及其衍生的風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等，都可以轉(zhuǎn)換為電能，方便地加以傳輸和應(yīng)用，因此，電能的發(fā)明和應(yīng)用，是能源發(fā)展中的一個(gè)偉大事件。但是，電能本身也有缺點(diǎn)，就是迄今為止還沒(méi)有適當(dāng)?shù)囊?guī)模性儲(chǔ)存辦法，無(wú)論什么形式的能量轉(zhuǎn)換為電能以后，必須立刻使用，如果使用不了，就要浪費(fèi)掉。

用蓄電池儲(chǔ)存電能，經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)展，有了重大進(jìn)步，特別是鋰電池、石墨烯電池問(wèn)世后，可以小規(guī)模、短時(shí)間儲(chǔ)備電能，在電動(dòng)汽車、電動(dòng)器械和光熱設(shè)備上有了應(yīng)用，但其制造成本和儲(chǔ)備電能的成本都比較高，且壽命有限，維護(hù)保養(yǎng)困難，廢舊蓄電池還污染環(huán)境，因而并沒(méi)有徹底解決能量?jī)?chǔ)存問(wèn)題。

大量?jī)?chǔ)存電能的問(wèn)題沒(méi)有徹底解決，致使在用電低谷時(shí)，電站發(fā)出的電力大量過(guò)剩，而在用電高峰時(shí)，又出現(xiàn)電力短缺的現(xiàn)象。水電、風(fēng)電、核電和一切暫時(shí)剩余的電能，都還沒(méi)有找到理想的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)利用辦法。高技術(shù)的核電站，不便隨意關(guān)停，因而在用電低谷時(shí)剩余的核電，只好采用最原始辦法，把水提升到高位，需要時(shí)再把高位水的勢(shì)能釋放出來(lái)。

1972年，蘇聯(lián)建成的首座抽水蓄能電站——基輔抽水蓄能電站投入運(yùn)行，機(jī)組容量22.5萬(wàn)千瓦。

美國(guó)巴斯康蒂抽水蓄能電站，裝機(jī)容量210萬(wàn)千瓦，1975年開(kāi)工，1985年投產(chǎn)，當(dāng)時(shí)是世界裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。其工程浩大，發(fā)電設(shè)計(jì)水頭329m，抽水設(shè)計(jì)揚(yáng)程335m，抽水最大流量116m³/s。上水庫(kù)土石壩最大壩高 140m，壩頂長(zhǎng)731m。總庫(kù)容4400萬(wàn)立方米。下水庫(kù)土石壩最大壩高41m，壩頂長(zhǎng)690m，總庫(kù)容3760萬(wàn)立方米，引水系統(tǒng)包括岸坡式取水口、引水平洞、豎井、壓力隧洞、壓力鋼管和調(diào)壓井等。

1992年，中國(guó)灤河潘家口水電站采用變頻運(yùn)行抽水蓄能機(jī)組，安裝了從意大利引進(jìn)的3臺(tái)9萬(wàn)千瓦可逆式雙轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組。

1997年，北京十三陵抽水蓄能電站建成，安裝了4臺(tái)20萬(wàn)千瓦可逆式機(jī)組，總?cè)萘?0萬(wàn)千瓦。

2000年，中國(guó)廣東從化縣建成世界最大的廣州抽水蓄能電站，安裝了從法國(guó)阿斯通公司和德國(guó)西門子公司引進(jìn)的8臺(tái)30萬(wàn)千瓦機(jī)組，總?cè)萘?40萬(wàn)千瓦。同年，中國(guó)浙江安吉縣天荒坪抽水蓄能電站建成，安裝了6臺(tái)30萬(wàn)千瓦機(jī)組，總?cè)萘?80萬(wàn)千瓦。

以上幾個(gè)例子表明，自1972年以來(lái)，世界上的一些儲(chǔ)能電站，仍然只是采用原始的抽水蓄能轉(zhuǎn)換法儲(chǔ)存核電能量。

那么，有沒(méi)有理想的能量?jī)?chǔ)存辦法呢？通過(guò)解析物質(zhì)分子結(jié)合能和能態(tài)變換，本書揭示了能量?jī)?chǔ)存和釋放的理論，此理論正是甲醇化工新能源的基礎(chǔ)理論。各種能量均可以儲(chǔ)存在甲醇之中，需要時(shí)通過(guò)甲醇燃燒或者甲醇燃料電池，把所儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)。

什么是結(jié)合能？它是描述物質(zhì)能態(tài)或結(jié)合牢固程度的一種參數(shù)，是兩個(gè)或幾個(gè)自由狀態(tài)的粒子結(jié)合在一起時(shí)釋放的能量。自由原子結(jié)合為分子時(shí)釋放出的能量叫化學(xué)結(jié)合能，簡(jiǎn)稱化學(xué)能；獨(dú)立的幾種核子組成原子核時(shí)釋放的能量叫原子核結(jié)合能，簡(jiǎn)稱核能。

不同種類的物體具有不同的結(jié)合能。因此，當(dāng)幾個(gè)物體發(fā)生反應(yīng)時(shí)，總的結(jié)合能就有了變化。利用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)可以把某些分子總結(jié)合能減少的部分釋放出來(lái)。例如，二氧化碳分子是由兩個(gè)氧原子和一個(gè)碳原子構(gòu)成的，二氧化碳分子的結(jié)合能比它的各組分結(jié)合能之和更大，所以，碳原子和氧分子發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)釋放出一些化學(xué)結(jié)合能。這就是碳在空氣中燃燒生成二氧化碳時(shí)，化學(xué)結(jié)合能以熱能的形式釋放出來(lái)的情況。

結(jié)合能的數(shù)值越大，能態(tài)越低，結(jié)合得越牢固。

單個(gè)原子沒(méi)有化學(xué)結(jié)合能，例如，氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等，都沒(méi)有化學(xué)結(jié)合能；兩個(gè)氫原子結(jié)合成氫分子，兩個(gè)氧原子結(jié)合成氧分子，就有了化學(xué)結(jié)合能。所以，氫原子和氧原子一般都不是單獨(dú)存在的，而是以氫分子、氧分子或含有氫元素、氧元素的化合物形式存在的。

單質(zhì)和由它結(jié)合成的化合物相比，化合物的結(jié)合能更大、更穩(wěn)定，所以，許多元素都是以化合物形式存在的。水的結(jié)合能與H+H+O結(jié)合能之和相比，數(shù)值更大，能態(tài)更低，所以水分子更穩(wěn)定。要把水中的H和O釋放出來(lái)，必須克服它們結(jié)合成水時(shí)增加的結(jié)合能，這就是高溫下消耗一些能量才可以將水分解的原因。煤的正式組分是碳，其他如硫、磷等只是雜質(zhì)。煤炭氧化燃燒產(chǎn)生高溫，如果沒(méi)有其他因素介入，完全燃燒的產(chǎn)物只是CO₂，但是，噴進(jìn)水后，消耗一部分煤炭燃燒的能量，把水中的氫和氧釋放出來(lái)了，煤炭的不完全燃燒，產(chǎn)生了CO，綜合產(chǎn)物就是H₂、CO、CO₂等組成的半水煤氣，也稱為合成氣，只要工藝條件和催化劑合適，就可以將合成氣用于合成氨或者合成甲醇。以下是催化合成甲醇的過(guò)程：

（C+O ₂）+H₂OH₂+CO+CO₂2CH₃OH+H₂O

“合成氣”組分（H₂+CO+CO₂）總的能態(tài)比較高、結(jié)合能數(shù)值比較小，在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┳饔孟拢铣闪?span id="mvx9ahl" class="hei">能態(tài)比較低、結(jié)合能數(shù)值比較大的甲醇（CH₃OH）。

2H₂+COCH₃OH； 3H₂+CO₂CH₃OH+H₂O

這樣，人們可以直接或間接地利用太陽(yáng)能或者其他各種形式的能量，把能級(jí)低、結(jié)合能大的物質(zhì)H₂O和CO₂轉(zhuǎn)變?yōu)槟芗?jí)高、結(jié)合能小的儲(chǔ)能物質(zhì)CH₃OH。即消耗能量把H₂O和CO₂轉(zhuǎn)變?yōu)槟芗?jí)較高、結(jié)合能較小的CH₃OH，達(dá)到儲(chǔ)存能量的目的，需要時(shí)，再把CH₃OH儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，CH₃OH又變成了能級(jí)低、結(jié)合能大的H₂O和CO₂。

CH₃OH+O₂CO₂+H₂O

請(qǐng)注意，必須施加和消耗能量才能把H₂O和CO₂轉(zhuǎn)變?yōu)槟芗?jí)較高、結(jié)合能較小的CH₃OH。這就是H₂O不能自動(dòng)變成油的道理。在此，CH₃OH充當(dāng)了油的角色。曾經(jīng)出現(xiàn)的“水變油”騙局，只是一個(gè)荒唐的笑話！

“燃燒”是常見(jiàn)的釋放能量的化學(xué)反應(yīng)。目前，除了核能、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能或地?zé)岚l(fā)電以外，人們利用各種能源物質(zhì)的化學(xué)變化獲取能量，其基本形式就是“燃燒”。盡管有許多物質(zhì)也可以燃燒釋放能量，例如，火箭燃料之一的硼氫化合物（劇毒），以及硫、磷、鋁等，但是，最常用和最好用的還是氫和碳，以及它們氧化燃燒生成最低能級(jí)水和二氧化碳以前的各種烴類物質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孟廣耀教授研制成功的“陶瓷膜甲醇燃料電池CMFC”，直接將甲醇儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，是最新一代的燃料電池，它擺脫了機(jī)械轉(zhuǎn)換不可避免的能量損失，將是一種高效的能量轉(zhuǎn)換形式。

H和O結(jié)合生成H₂O釋放的能量是142885kJ/kg（285.77kJ/mol）；C和O結(jié)合生成CO₂ 釋放的能量的是32793kJ/kg（393.51kJ/mol）。如果C和O化合首先生成CO，CO再和O化合生成二氧化碳CO₂，兩步加起來(lái)的燃燒熱的總和，仍然是32793kJ/kg，這叫蓋斯定律。

根據(jù)蓋斯定律，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與起始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)，而與變化的途徑無(wú)關(guān)。例如：

C + O₂CO₂ ΔH₁ = －393.51kJ/mol

C + 1/2 O₂CO ΔH₂ = －110.59kJ/mol

CO + 1/2 O₂CO ₂ ΔH₃ = －282.92kJ/mol

H和C氧化成為H₂O和CO₂以前的各種烴類物質(zhì)，理論上都可以作為能源物質(zhì)。

值得注意的是，H和含H的有機(jī)化合物，氧化燃燒的最終結(jié)果是生成了H₂O，就是人們所謂的沒(méi)有CO₂生成的“零排放”。

C和含C的有機(jī)化合物氧化燃燒的最終結(jié)果是生成了CO₂，與H和O化合成水相比，有兩個(gè)問(wèn)題：一是按照質(zhì)量計(jì)算的發(fā)熱量比較低，只有32793kJ/kg，不到H、O化合成H₂O的發(fā)熱量142885kJ/kg的1/4；二是生成的CO₂，目前被一些人認(rèn)為是造成溫室效應(yīng)的有害氣體。

因此，目前認(rèn)為發(fā)熱量高和環(huán)境友好的燃料，是C少H多的燃料。這就是把“低碳高氫”燃料稱為“清潔能源”的理論基礎(chǔ)。

CO₂和H₂O在C和H的化合物中是能級(jí)最低的，如果要把其中的C或者H釋放出來(lái)，必須花費(fèi)能量，絕不會(huì)產(chǎn)生能量。如前所述，這就是在沒(méi)有能量注入的情況下水不可能變油的基本道理。

用天然氣或煤炭作為原料合成甲醇，就是把天然氣或煤炭的大部分能量轉(zhuǎn)化給甲醇儲(chǔ)存起來(lái)。用煤炭作為原料合成甲醇時(shí)，約3/4的煤炭是原料煤，約1/4的煤炭是燃料煤。甲醇的結(jié)合能數(shù)值比水和二氧化碳兩種化合物分子的結(jié)合能數(shù)值之和要小，因而可以說(shuō)，甲醇是一種“儲(chǔ)氫器”“儲(chǔ)碳器”，也就是“儲(chǔ)能器”，同時(shí)還儲(chǔ)備了50%的助燃內(nèi)含氧。甲醇常溫下是一種穩(wěn)定的液態(tài)化合物，便于儲(chǔ)運(yùn)，需要能量時(shí)隨時(shí)可以把它儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，即甲醇燃燒生成水和二氧化碳，又回到了化學(xué)結(jié)合能數(shù)值更大、更穩(wěn)定的低能態(tài)。

甲醇的這種儲(chǔ)存能量的方式，是一種非常理想的儲(chǔ)能方式。其他化合物也有類似的功能，例如常溫下是氣態(tài)的氨（NH₃）也是“儲(chǔ)氫儲(chǔ)能器”，但是，它沒(méi)有甲醇簡(jiǎn)便易行，并且，NH₃的燃燒產(chǎn)物是H₂O和氮氧化物（NO_x），空氣中的NO_x危害比二氧化碳CO₂大得多。

原則上，化學(xué)能的變化，也可以用愛(ài)因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程式來(lái)描述。幾個(gè)粒子單獨(dú)的質(zhì)量之和，比它們結(jié)合成復(fù)合粒子的質(zhì)量要大，例如，H₂和O的質(zhì)量之和比它們結(jié)合成H₂O的質(zhì)量大，反應(yīng)物2CH₃OH+3O₂的質(zhì)量之和比生成物2CO₂+4H₂O的質(zhì)量大，這些過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損，以化學(xué)能的形式釋放出來(lái)。

在所釋放的能量ΔE=Δmc2(c為光速，Δm為質(zhì)量虧損)之中，與核子結(jié)合能引起的質(zhì)量變化相比，化學(xué)結(jié)合能對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化太小了，用現(xiàn)有的常規(guī)方法難以測(cè)出來(lái)，但是，肯定是有變化的！

請(qǐng)注意，正因?yàn)榛瘜W(xué)能變化很小，所以化學(xué)能的儲(chǔ)存和釋放是可逆的。這正是化學(xué)能比核能更適合于人們控制使用的優(yōu)越之處。加之，目前的鈾核裂變產(chǎn)生的放射性污染很難治理，因而在一定意義和實(shí)用價(jià)值上，化學(xué)能比核能更偉大！

把各種暫時(shí)剩余的能量?jī)?chǔ)存在甲醇之中，需要時(shí)再釋放出來(lái)，將是“新能源革命”中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其意義非常重大。

甲醇作為一種儲(chǔ)存能量的載體，不僅比上述的NH₃優(yōu)越，也比其他一些物質(zhì)更優(yōu)越！譬如，偏遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣，既不便于儲(chǔ)存起來(lái)，也不便于運(yùn)輸出去，轉(zhuǎn)化為甲醇就便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸了，這就是世界上80%的甲醇都是用天然氣生產(chǎn)的原因。又如，油頁(yè)巖、可燃冰（甲烷水合物），開(kāi)發(fā)出來(lái)都是氣態(tài)形式，變成液態(tài)形式的甲醇，才便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

還有一個(gè)重大意義，把H儲(chǔ)存在CH₃OH之中，H就變得溫順和便于控制了！在常溫下甲醇不用壓縮就是液態(tài)，自燃點(diǎn)高達(dá)435℃，沸點(diǎn)64.7℃，閃點(diǎn)12℃，完全克服了單質(zhì)氫能源難以壓縮儲(chǔ)運(yùn)和極易爆炸的缺點(diǎn)。這就是說(shuō)，CH₃OH中的H，作為儲(chǔ)存在化合物中的H能源，還是可行的。

這個(gè)原理，在研制氫彈時(shí)已經(jīng)應(yīng)用了。利用氫的同位素氘產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)，即使在撒哈拉大沙漠里建造一座十層高的大樓，也很難將氘氣壓縮到可以產(chǎn)生聚變的程度。但是，如果把氘氣與鋰化合生成氘化鋰，其本身就是體積很小的穩(wěn)定化合物，由此制成了體積小和可以在實(shí)戰(zhàn)中使用的氫彈。

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注釋

[1] 1 kcal=4.1868kJ，全書同。