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專(zhuān)訪(fǎng)丨鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景

來(lái)源：中國(guó)能源觀察 時(shí)間：2024-03-01 17:15

——訪(fǎng)中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江

曲藝

　　“鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)越性非常突出。”近日，在由中國(guó)氫能聯(lián)盟領(lǐng)銜主辦的2023世界氫能青年科學(xué)家論壇上，中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江表示。何為鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫？相較其他儲(chǔ)氫方式，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫擁有怎樣的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景？丁文江詳細(xì)闡述了氫能源之“鎂”。

　　中能傳媒：您長(zhǎng)期致力于先進(jìn)鎂合金材料及其加工方面的研究，請(qǐng)您簡(jiǎn)要介紹下鎂的特性。

　　丁文江：鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，幾乎取之不盡、用之不竭，只要有海水就有鎂。我國(guó)是鎂資源最豐富的國(guó)家，鎂產(chǎn)量世界第一。2022年，我國(guó)鎂產(chǎn)量占全世界的90%。

　　鎂的內(nèi)稟功能有五個(gè)：第一是比重輕；第二是阻尼性能優(yōu)，能夠降噪減震；第三是儲(chǔ)氫量大；第四是電化學(xué)容量高；第五是生物可降解。歸納來(lái)看，我們把前面兩個(gè)視作“輕量化之鎂”；后面三個(gè)視作“氫科學(xué)之鎂”，具體分為能源之鎂、醫(yī)學(xué)之鎂、農(nóng)業(yè)之鎂。

　　中能傳媒：您提到鎂的儲(chǔ)氫量大，具體是如何實(shí)現(xiàn)的？

　　丁文江：15年前，我們開(kāi)始對(duì)鎂材料進(jìn)行功能性研究。鎂極其活潑，當(dāng)磨到很細(xì)的時(shí)候非常容易發(fā)生爆炸。為此，我們嘗試使用氮?dú)?、氬氣、二氧化碳、六氟化硫等多種氣體來(lái)進(jìn)行安全性保護(hù)，均以失敗告終。直到讓氫直接跟鎂“見(jiàn)面”，二者接觸以后，鎂就變成鎂氫素。鎂氫素沒(méi)有爆炸，非常安全。

　　沿著這個(gè)思路，我們想辦法讓氫“走”到固體里，制成原子數(shù)比例為1:2（1個(gè)鎂原子帶2個(gè)氫原子）的氫化鎂。在一定條件下，氫化鎂中的氫可以取出來(lái)，也可以再放進(jìn)去，而且儲(chǔ)存能力很強(qiáng)。

　　其實(shí)氫化鎂早在40年前就有了，以前的氫化鎂是把一個(gè)鎂錠切成一片一片，進(jìn)行球磨并做成很細(xì)的粉，再充上氫。這樣做非常貴并且效率也低，只能作為一些科學(xué)試劑使用。我們則將目光瞄準(zhǔn)能夠量產(chǎn)的材料，通過(guò)各種工藝創(chuàng)新和材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從蒸氣開(kāi)始，到鎂原子—鎂顆?！?dú)浠V，成功研發(fā)出低成本、批量化材料的生產(chǎn)技術(shù)，做出形狀如藥片的產(chǎn)品，可以像運(yùn)大米、面粉一樣把氫放在鎂的固體里進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)。儲(chǔ)氫的質(zhì)量密度達(dá)到6.2%，循環(huán)的次數(shù)達(dá)到3000次，且儲(chǔ)放的密度沒(méi)有明顯的衰減，如此的高密度儲(chǔ)存會(huì)帶來(lái)很多經(jīng)濟(jì)效益。

　　在此過(guò)程中，我們達(dá)到了以噸級(jí)工程化能力來(lái)制備鎂氫的水平，同時(shí)也研發(fā)了不同場(chǎng)景下應(yīng)用材料可控的技術(shù)和材料制備的工業(yè)化生產(chǎn)裝備。例如，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的1千克儲(chǔ)氫裝置；應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的5千克儲(chǔ)氫裝置；應(yīng)用于批量制造材料領(lǐng)域的75千克儲(chǔ)氫裝置，以及世界首臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫車(chē)。

　　當(dāng)然，針對(duì)大型的鎂儲(chǔ)氫裝置，氫的進(jìn)入和脫出是相當(dāng)困難的，特別是在表面氧化之后要形成一些催化點(diǎn)在鎂材料上，相當(dāng)于氫進(jìn)入和脫出的一些窗口。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷嘗試新的方法，才初步實(shí)現(xiàn)了氫的吸入和放出。

　　此外，材料膨脹如何控制也是一道難關(guān)。我們經(jīng)過(guò)多次不同場(chǎng)景下的模擬測(cè)試，始終無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。直到在一次激烈的現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)論中，我們從爆米花中獲得了靈感。按照這個(gè)思路，我們把材料進(jìn)行先加熱加壓，再卸壓，在不同的溫度環(huán)境下反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，終于找到控制材料膨脹的訣竅，使氫氣可以穩(wěn)定、均勻地儲(chǔ)存和釋放。

　　中能傳媒：相較其他儲(chǔ)運(yùn)形式，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪些方面？

　　丁文江：在能源轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，氫能扮演著不可或缺的角色。但是氫能的推廣應(yīng)用有痛點(diǎn)，即成本高。

　　首先是制氫。氫是二次能源，制氫一般都是采用煤制氫或者電解制氫，煤制氫會(huì)排放二氧化碳，電解制氫則要用到價(jià)格高的催化劑——鉑。

　　其次是儲(chǔ)運(yùn)，在現(xiàn)有的氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲(chǔ)運(yùn)占到總成本的30%—50%。目前主要的儲(chǔ)運(yùn)形式是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。比較來(lái)看，用長(zhǎng)管拖車(chē)的話(huà)，每立方米200個(gè)大氣壓的氣態(tài)氫氣可存儲(chǔ)14.4千克；液態(tài)氫在零下253攝氏度時(shí)每立方米可存儲(chǔ)氫氣70千克。如果采用固態(tài)儲(chǔ)氫材料氫化鎂，每立方米可存儲(chǔ)氫氣110千克。

　　固態(tài)儲(chǔ)氫沒(méi)有氣態(tài)儲(chǔ)氫可能面臨的爆炸危險(xiǎn)，也規(guī)避了零下253攝氏度的低溫所面臨的包括密封、泄漏等在內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于該方式儲(chǔ)氫量高、常溫低壓、安全便捷，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看前景廣闊。

　　值得一提的是，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫還可以對(duì)氫氣進(jìn)行純化。很多工業(yè)副產(chǎn)氫含有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等雜質(zhì)，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫可將這些雜質(zhì)自然排除。儲(chǔ)存好之后運(yùn)到所應(yīng)用的場(chǎng)景，放出來(lái)的氫氣純度至少為99.999%，如果泵閥、管道等清理得當(dāng)，純度甚至可以達(dá)到99.99999999%，真正實(shí)現(xiàn)凈化儲(chǔ)運(yùn)。

　　另外，氫化鎂可以水解制氫，同時(shí)把水里面的2個(gè)氫也“拿”出來(lái)。在反應(yīng)前只有2個(gè)氫的氫化鎂，反應(yīng)以后變成4個(gè)氫，氫的密度更高，理想狀態(tài)下可以達(dá)到15.2%。

　　中能傳媒：固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？

　　丁文江：主要有三大場(chǎng)景。第一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是“走天下”。鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫是在常溫常壓下進(jìn)行的，其特點(diǎn)就是可以大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、高安全、低成本運(yùn)輸。可以用火車(chē)?yán)b箱，也可以船運(yùn)集裝箱，甚至于對(duì)一些急需的場(chǎng)合還可以空運(yùn)。例如上海崇明要建崇明生態(tài)島，希望采用氫能。那么如何把氫運(yùn)到崇明島上？利用固態(tài)儲(chǔ)氫車(chē)運(yùn)輸，不失為一個(gè)好辦法。

　　另外，我們研制的世界首臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫車(chē)可以?xún)?chǔ)存1.5噸氫氣，是常規(guī)氣態(tài)儲(chǔ)氫的4—5倍，將2輛至少載有2噸氫氣的儲(chǔ)氫車(chē)?yán)郊託湔?，若加滿(mǎn)一輛車(chē)需要5千克，2噸氫氣一天就可以加滿(mǎn)400輛車(chē)。這種加氫站占地面積小、經(jīng)濟(jì)成本低、加氫能力大、安全性能高。

　　第二個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是“儲(chǔ)余能”。余能是多余下來(lái)的能，或者是我們不得已“放棄”的能，比如棄風(fēng)、棄光等?？梢詫⑦@些電能制成綠氫，然后再用鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)將其儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)然，鋰電池也可以存儲(chǔ)，但是它會(huì)伴隨每天1%—3%的衰減。采用鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫，只要不潮、不熱，氫就可以進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)幾十年的存儲(chǔ)，且不會(huì)衰減。

　　第三個(gè)場(chǎng)景是“進(jìn)萬(wàn)家”，這是非常重要的一個(gè)領(lǐng)域。以日本為例，日本的家庭用氫并不罕見(jiàn)，已經(jīng)達(dá)到了300萬(wàn)戶(hù)，而且增長(zhǎng)速度很快。日本采用的是一種家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)在裝置現(xiàn)場(chǎng)利用天然氣制取氫氣，然后進(jìn)入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能來(lái)供應(yīng)暖氣和熱水。據(jù)了解，熱電聯(lián)供的發(fā)電效率最高可達(dá)90%，相比之下，我國(guó)的燃煤電廠的發(fā)電效率不超過(guò)45%。可以預(yù)見(jiàn)，若氫能可以走進(jìn)尋常百姓家，能耗將大量降低，對(duì)我們實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)會(huì)有很大的促進(jìn)作用。

　　當(dāng)然，天然氣制取氫氣是一個(gè)化學(xué)過(guò)程，為家庭供氫多有不便。我國(guó)建議使用固態(tài)儲(chǔ)氫，5千克的儲(chǔ)氫罐可以發(fā)電75千瓦時(shí)，既滿(mǎn)足一個(gè)五口之家的用電需求，還能供熱。這種家庭用的分布式電源效率高，且便宜、便捷，可以推廣用于學(xué)校、園區(qū)、醫(yī)院、大樓等眾多場(chǎng)景。

　　“進(jìn)萬(wàn)家”也包括進(jìn)企業(yè)，氫能在冶金、電力等行業(yè)的節(jié)能減排中也有很大的發(fā)揮空間。如今我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到14億噸/年，按照每噸鋼鐵排放二氧化碳1.8噸測(cè)算，14億噸鋼鐵相當(dāng)于排放25億噸二氧化碳，約為我國(guó)碳排放總量的五分之一。在此背景下，可以讓鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫走進(jìn)企業(yè)開(kāi)展氫冶金。我國(guó)主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是用焦炭和鐵礦石在高爐冶煉出鐵水，再經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉成鋼，該過(guò)程碳排放強(qiáng)度較高。氫冶金技術(shù)是用氫替代焦炭來(lái)還原鐵礦石中的氧化鐵，減少長(zhǎng)流程煉鋼的碳排放，是鋼鐵行業(yè)的重要減碳途徑之一。煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的余熱，還可以供給固態(tài)儲(chǔ)氫裝置來(lái)放氫，能源效率得到了很大提升。

　　鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫進(jìn)企業(yè)，還可以助力燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)可用余熱將固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)里的氫釋放出來(lái)，取代煤炭成為新的動(dòng)力源。

　　數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)電廠發(fā)電的碳排放總量約占全社會(huì)碳排放量的20%—25%，如果鋼鐵行業(yè)跟燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電都能用上氫能，全社會(huì)的碳排放量又可大幅降低。

　　中能傳媒：對(duì)于氫能的發(fā)展，您還有何建議？

　　丁文江：我國(guó)每年大概使用氫能3000萬(wàn)噸，近80%來(lái)源于煤炭重整制氫，不進(jìn)行二氧化碳捕集，這稱(chēng)為灰氫。針對(duì)這種現(xiàn)狀，我們正在打造“金氫工程”。

　　“金氫工程”是我命名的。簡(jiǎn)言之，就是在特殊催化劑的作用下，將廢棄物中的碳?xì)浠衔铮绕涫羌淄?，在低能耗條件下逐級(jí)脫去氫原子，最終裂解生成氫氣和碳材料的過(guò)程，該過(guò)程利用的加熱源是工業(yè)余熱、廢熱蒸汽和地?zé)岬?。我們?guó)家的廢棄物每年有1.46億噸，大部分都是去做填埋處理或者進(jìn)行焚燒，環(huán)保費(fèi)用很高，特別像塑料，燃燒還會(huì)產(chǎn)生二噁英。相比之下，“金氫工程”碳排放幾乎為零，而且產(chǎn)生的碳會(huì)被固定下來(lái)，甚至實(shí)現(xiàn)了負(fù)排放。

　　我國(guó)甲烷資源十分豐富，既能從大量的濕垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等富含碳?xì)湓氐挠袡C(jī)固體廢物作為原料來(lái)制取，又能從煤層氣、焦?fàn)t煤氣及其油頁(yè)巖裂解氣中分離出來(lái)，“金氫工程”可以廣泛在垃圾發(fā)電廠等場(chǎng)景中使用。如果將低品質(zhì)的煤先轉(zhuǎn)化成甲烷，再通過(guò)“金氫工程”轉(zhuǎn)化為高純氫和高純碳材料，就可實(shí)現(xiàn)近零碳排放。

　　高純度氫氣可以大批量固態(tài)存儲(chǔ)，運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的使用場(chǎng)景，將真正實(shí)現(xiàn)灰氫變身綠氫的飛躍。煤和鎂，是我國(guó)最為豐富的兩種資源，通過(guò)“金氫工程”最終共同服務(wù)于氫能的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了一條佳徑。

　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展最根本的是兩個(gè)學(xué)科：第一個(gè)是基礎(chǔ)性的、關(guān)鍵性的材料；第二個(gè)是信息，能源與高端裝備本質(zhì)上就是材料技術(shù)跟信息技術(shù)不同的排列組合?？蒲腥藛T要下大力氣把我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)式現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

責(zé)任編輯：楊娜