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專訪丨鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景 ——訪中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江

來(lái)源：中國(guó)電力報(bào) 時(shí)間：2024-03-25 10:58

中國(guó)能源新聞網(wǎng)記者 曲藝 通訊員 盧常佳

　　“鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)越性非常突出?！苯?，在由中國(guó)氫能聯(lián)盟主辦的世界氫能青年科學(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？對(duì)此，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，只要有海水就有鎂。我國(guó)是鎂資源最豐富的國(guó)家，截至2022年，我國(guó)鎂產(chǎn)量在全世界的占比為90%。 

　　鎂的內(nèi)稟功能有5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2個(gè)視作“輕量化之鎂”；后面3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)。 

　　我們將目光瞄準(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—鎂顆粒—?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，如此高密度的儲(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)和制備材料的工業(yè)化生產(chǎn)裝備。 

　　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，在表面氧化之后就需要在鎂材料上準(zhǔn)備一些催化點(diǎn)，相當(dāng)于氫進(jìn)入和脫出的窗口。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。 

　　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?？梢杂没疖?yán)?，也可以用船運(yùn)，甚至于在一些急需的場(chǎng)合還可以空運(yùn)。 

　　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，每輛最多可以儲(chǔ)存1.5噸氫氣，是常規(guī)氣態(tài)儲(chǔ)氫的4~5倍。若將2輛儲(chǔ)氫車?yán)郊託湔?，以總?噸氫氣，以及加滿一輛車需要5千克氫氣來(lái)計(jì)算，可以加滿400輛車。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?？梢岳眠@些電能制備綠氫，然后再用鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)將其儲(chǔ)存起來(lái)。 

　　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300萬(wàn)戶，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)是在裝置現(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，此方法熱電聯(lián)供的發(fā)電效率最高可達(dá)90%，相比之下，我國(guó)燃煤電廠的發(fā)電效率不超過(guò)45%?？梢灶A(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。我們建議使用固態(tài)儲(chǔ)氫，5千克的儲(chǔ)氫罐可以發(fā)電75千瓦時(shí)，在滿足1個(gè)五口之家用電需求的同時(shí)，還能供熱。 

　　“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。 

　　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)，并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，您還有哪些建議？ 

　　丁文江：我國(guó)每年大概使用3000萬(wàn)噸氫能，近80%來(lái)源于煤炭重整制氫，不進(jìn)行二氧化碳捕集，這稱為“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?，尤其是甲烷，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、地?zé)崮艿?。我?guó)每年產(chǎn)生約1.46億噸廢棄物，大部分都是進(jìn)行填埋或者焚燒處理，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)固體廢物中制取，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)，并運(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。

　　責(zé)任編輯：楊苗苗