2.2　醇基清洁燃料的理论基础

地球上并不缺少能源，太阳散发到地球的能量和地心散发出来的地热，足够养育地球和地球人，只是能量的规模化储存问题还没有解决。太阳散发到地球上的能量和地心散发出来的地热，大部分又跑到宇宙空间了。如果把太阳散发到地球上的能量多留下一些，如果把热带的太阳能储存下来到寒带再释放出来，如果把夏季的太阳能储存下来到冬季再释放出来，地球上还会有能源危机吗？

各种能源转换为电能，是能源形式的统一，煤、油、气、核能、地热、太阳能及其衍生的风能、水能、生物质能等，都可以转换为电能，方便地加以传输和应用，因此，电能的发明和应用，是能源发展中的一个伟大事件。但是，电能本身也有缺点，就是迄今为止还没有适当的规模性储存办法，无论什么形式的能量转换为电能以后，必须立刻使用，如果使用不了，就要浪费掉。

用蓄电池储存电能，经过多年研究发展，有了重大进步，特别是锂电池、石墨烯电池问世后，可以小规模、短时间储备电能，在电动汽车、电动器械和光热设备上有了应用，但其制造成本和储备电能的成本都比较高，且寿命有限，维护保养困难，废旧蓄电池还污染环境，因而并没有彻底解决能量储存问题。

大量储存电能的问题没有彻底解决，致使在用电低谷时，电站发出的电力大量过剩，而在用电高峰时，又出现电力短缺的现象。水电、风电、核电和一切暂时剩余的电能，都还没有找到理想的储存和调节利用办法。高技术的核电站，不便随意关停，因而在用电低谷时剩余的核电，只好采用最原始办法，把水提升到高位，需要时再把高位水的势能释放出来。

1972年，苏联建成的首座抽水蓄能电站——基辅抽水蓄能电站投入运行，机组容量22.5万千瓦。

美国巴斯康蒂抽水蓄能电站，装机容量210万千瓦，1975年开工，1985年投产，当时是世界装机容量最大的抽水蓄能电站。其工程浩大，发电设计水头329m，抽水设计扬程335m，抽水最大流量116m³/s。上水库土石坝最大坝高 140m，坝顶长731m。总库容4400万立方米。下水库土石坝最大坝高41m，坝顶长690m，总库容3760万立方米，引水系统包括岸坡式取水口、引水平洞、竖井、压力隧洞、压力钢管和调压井等。

1992年，中国滦河潘家口水电站采用变频运行抽水蓄能机组，安装了从意大利引进的3台9万千瓦可逆式双转速抽水蓄能机组。

1997年，北京十三陵抽水蓄能电站建成，安装了4台20万千瓦可逆式机组，总容量80万千瓦。

2000年，中国广东从化县建成世界最大的广州抽水蓄能电站，安装了从法国阿斯通公司和德国西门子公司引进的8台30万千瓦机组，总容量240万千瓦。同年，中国浙江安吉县天荒坪抽水蓄能电站建成，安装了6台30万千瓦机组，总容量180万千瓦。

以上几个例子表明，自1972年以来，世界上的一些储能电站，仍然只是采用原始的抽水蓄能转换法储存核电能量。

那么，有没有理想的能量储存办法呢？通过解析物质分子结合能和能态变换，本书揭示了能量储存和释放的理论，此理论正是甲醇化工新能源的基础理论。各种能量均可以储存在甲醇之中，需要时通过甲醇燃烧或者甲醇燃料电池，把所储存的能量释放出来。

什么是结合能？它是描述物质能态或结合牢固程度的一种参数，是两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量。自由原子结合为分子时释放出的能量叫化学结合能，简称化学能；独立的几种核子组成原子核时释放的能量叫原子核结合能，简称核能。

不同种类的物体具有不同的结合能。因此，当几个物体发生反应时，总的结合能就有了变化。利用适当的化学反应可以把某些分子总结合能减少的部分释放出来。例如，二氧化碳分子是由两个氧原子和一个碳原子构成的，二氧化碳分子的结合能比它的各组分结合能之和更大，所以，碳原子和氧分子发生氧化反应时释放出一些化学结合能。这就是碳在空气中燃烧生成二氧化碳时，化学结合能以热能的形式释放出来的情况。

结合能的数值越大，能态越低，结合得越牢固。

单个原子没有化学结合能，例如，氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等，都没有化学结合能；两个氢原子结合成氢分子，两个氧原子结合成氧分子，就有了化学结合能。所以，氢原子和氧原子一般都不是单独存在的，而是以氢分子、氧分子或含有氢元素、氧元素的化合物形式存在的。

单质和由它结合成的化合物相比，化合物的结合能更大、更稳定，所以，许多元素都是以化合物形式存在的。水的结合能与H+H+O结合能之和相比，数值更大，能态更低，所以水分子更稳定。要把水中的H和O释放出来，必须克服它们结合成水时增加的结合能，这就是高温下消耗一些能量才可以将水分解的原因。煤的正式组分是碳，其他如硫、磷等只是杂质。煤炭氧化燃烧产生高温，如果没有其他因素介入，完全燃烧的产物只是CO₂，但是，喷进水后，消耗一部分煤炭燃烧的能量，把水中的氢和氧释放出来了，煤炭的不完全燃烧，产生了CO，综合产物就是H₂、CO、CO₂等组成的半水煤气，也称为合成气，只要工艺条件和催化剂合适，就可以将合成气用于合成氨或者合成甲醇。以下是催化合成甲醇的过程：

（C+O ₂）+H₂OH₂+CO+CO₂2CH₃OH+H₂O

“合成气”组分（H₂+CO+CO₂）总的能态比较高、结合能数值比较小，在适当的催化剂作用下，合成了能态比较低、结合能数值比较大的甲醇（CH₃OH）。

2H₂+COCH₃OH； 3H₂+CO₂CH₃OH+H₂O

这样，人们可以直接或间接地利用太阳能或者其他各种形式的能量，把能级低、结合能大的物质H₂O和CO₂转变为能级高、结合能小的储能物质CH₃OH。即消耗能量把H₂O和CO₂转变为能级较高、结合能较小的CH₃OH，达到储存能量的目的，需要时，再把CH₃OH储存的能量释放出来，CH₃OH又变成了能级低、结合能大的H₂O和CO₂。

CH₃OH+O₂CO₂+H₂O

请注意，必须施加和消耗能量才能把H₂O和CO₂转变为能级较高、结合能较小的CH₃OH。这就是H₂O不能自动变成油的道理。在此，CH₃OH充当了油的角色。曾经出现的“水变油”骗局，只是一个荒唐的笑话！

“燃烧”是常见的释放能量的化学反应。目前，除了核能、风能、水能、太阳能或地热发电以外，人们利用各种能源物质的化学变化获取能量，其基本形式就是“燃烧”。尽管有许多物质也可以燃烧释放能量，例如，火箭燃料之一的硼氢化合物（剧毒），以及硫、磷、铝等，但是，最常用和最好用的还是氢和碳，以及它们氧化燃烧生成最低能级水和二氧化碳以前的各种烃类物质。

中国科学技术大学孟广耀教授研制成功的“陶瓷膜甲醇燃料电池CMFC”，直接将甲醇储存的化学能转换为电能，是最新一代的燃料电池，它摆脱了机械转换不可避免的能量损失，将是一种高效的能量转换形式。

H和O结合生成H₂O释放的能量是142885kJ/kg（285.77kJ/mol）；C和O结合生成CO₂ 释放的能量的是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CO₂，两步加起来的燃烧热的总和，仍然是32793kJ/kg，这叫盖斯定律。

根据盖斯定律，化学反应的热效应只与起始状态和终了状态有关，而与变化的途径无关。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氧化成为H₂O和CO₂以前的各种烃类物质，理论上都可以作为能源物质。

值得注意的是，H和含H的有机化合物，氧化燃烧的最终结果是生成了H₂O，就是人们所谓的没有CO₂生成的“零排放”。

C和含C的有机化合物氧化燃烧的最终结果是生成了CO₂，与H和O化合成水相比，有两个问题：一是按照质量计算的发热量比较低，只有32793kJ/kg，不到H、O化合成H₂O的发热量142885kJ/kg的1/4；二是生成的CO₂，目前被一些人认为是造成温室效应的有害气体。

因此，目前认为发热量高和环境友好的燃料，是C少H多的燃料。这就是把“低碳高氢”燃料称为“清洁能源”的理论基础。

CO₂和H₂O在C和H的化合物中是能级最低的，如果要把其中的C或者H释放出来，必须花费能量，绝不会产生能量。如前所述，这就是在没有能量注入的情况下水不可能变油的基本道理。

用天然气或煤炭作为原料合成甲醇，就是把天然气或煤炭的大部分能量转化给甲醇储存起来。用煤炭作为原料合成甲醇时，约3/4的煤炭是原料煤，约1/4的煤炭是燃料煤。甲醇的结合能数值比水和二氧化碳两种化合物分子的结合能数值之和要小，因而可以说，甲醇是一种“储氢器”“储碳器”，也就是“储能器”，同时还储备了50%的助燃内含氧。甲醇常温下是一种稳定的液态化合物，便于储运，需要能量时随时可以把它储存的能量释放出来，即甲醇燃烧生成水和二氧化碳，又回到了化学结合能数值更大、更稳定的低能态。

甲醇的这种储存能量的方式，是一种非常理想的储能方式。其他化合物也有类似的功能，例如常温下是气态的氨（NH₃）也是“储氢储能器”，但是，它没有甲醇简便易行，并且，NH₃的燃烧产物是H₂O和氮氧化物（NO_x），空气中的NO_x危害比二氧化碳CO₂大得多。

原则上，化学能的变化，也可以用爱因斯坦的质能转换方程式来描述。几个粒子单独的质量之和，比它们结合成复合粒子的质量要大，例如，H₂和O的质量之和比它们结合成H₂O的质量大，反应物2CH₃OH+3O₂的质量之和比生成物2CO₂+4H₂O的质量大，这些过程中产生的质量亏损，以化学能的形式释放出来。

在所释放的能量ΔE=Δmc²(c为光速，Δm为质量亏损)之中，与核子结合能引起的质量变化相比，化学结合能对应的质量变化太小了，用现有的常规方法难以测出来，但是，肯定是有变化的！

请注意，正因为化学能变化很小，所以化学能的储存和释放是可逆的。这正是化学能比核能更适合于人们控制使用的优越之处。加之，目前的铀核裂变产生的放射性污染很难治理，因而在一定意义和实用价值上，化学能比核能更伟大！

把各种暂时剩余的能量储存在甲醇之中，需要时再释放出来，将是“新能源革命”中的一个关键技术，其意义非常重大。

甲醇作为一种储存能量的载体，不仅比上述的NH₃优越，也比其他一些物质更优越！譬如，偏远地区的天然气，既不便于储存起来，也不便于运输出去，转化为甲醇就便于储存和运输了，这就是世界上80%的甲醇都是用天然气生产的原因。又如，油页岩、可燃冰（甲烷水合物），开发出来都是气态形式，变成液态形式的甲醇，才便于储存和运输。

还有一个重大意义，把H储存在CH₃OH之中，H就变得温顺和便于控制了！在常温下甲醇不用压缩就是液态，自燃点高达435℃，沸点64.7℃，闪点12℃，完全克服了单质氢能源难以压缩储运和极易爆炸的缺点。这就是说，CH₃OH中的H，作为储存在化合物中的H能源，还是可行的。

这个原理，在研制氢弹时已经应用了。利用氢的同位素氘产生热核聚变反应，即使在撒哈拉大沙漠里建造一座十层高的大楼，也很难将氘气压缩到可以产生聚变的程度。但是，如果把氘气与锂化合生成氘化锂，其本身就是体积很小的稳定化合物，由此制成了体积小和可以在实战中使用的氢弹。

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注释

[1] 1 kcal=4.1868kJ，全书同。