中國工程院院士丁文江：推動中國氫能產業邁上新臺階

　　◇全球首輛鎂基固態儲運氫車最大儲氫量可達1噸，相當于傳統高壓氣態長管拖車的4倍，而運輸的成本僅約三分之一

　　◇中國金屬鎂產量約占世界的90%。中國可以充分地利用優勢資源，將固態儲運氫發展成有核心競爭力的產業

噸級鎂基固態儲運氫車在江蘇如皋測試基地測試充放氫性能 受訪者供圖

　　一輛外形酷似集裝箱卡車的噸級鎂基固態儲運氫車于今年4月公開亮相，這是全球首輛噸級鎂基固態儲運氫車，是中國工程院院士、上海交通大學教授丁文江從事鎂合金研究30多年來的一個里程碑。

　　丁文江團隊將氫氣運輸從氣態變成了固態。有了這輛車，氫氣可以被儲存在鎂合金材料里進行長距離運輸，不僅可在常溫、常壓下進行儲運，且安全性更強、容量更大、密度更高。氫能是世界公認的清潔能源，在現有的氫能產業鏈中，儲運占到總成本的30%至50%，安全高效的氫能儲運技術是決定氫能應用的關鍵。

　　在接受《瞭望》新聞周刊記者采訪過程中，丁文江院士指出，用鎂合金來解決氫能儲運，對中國而言有著天然的優勢。中國的鎂資源豐富，占全世界鎂資源的50%左右，不需要進口。到目前為止，中國金屬鎂產量約占世界的90%。中國可以充分利用優勢資源，結合技術創新，推動氫能產業邁上新臺階。

　　運用鎂合金技術解決氫儲運難題

　　《瞭望》：噸級鎂基固態儲運氫車有什么特點?和傳統高壓氣態長管拖車相比有什么優勢?

　　丁文江：從數據上看，優勢一目了然。首輛鎂基固態儲運氫車最大儲氫量可達1噸，相當于傳統高壓氣態長管拖車的4倍，運輸成本僅約三分之一。

　　我們做固態儲運氫車的初心，是看到現有的氫儲運技術，特別是在陸地上的儲運，還有很多不盡如人意之處。比如，目前最常使用的長管拖車，屬于氣態儲氫，把氫氣壓縮到200個大氣壓左右后置于長管內進行運輸，這也是世界各國的通行做法。氣態儲氫運輸屬于危險品運輸，有很大的安全隱患，且對道路條件要求高，車輛無法通行于隧道等路段。在這種情況下，科學家們想到了液態儲氫，將氫氣降溫到零下253攝氏度，變成液態后運輸。這種方式的難度在于，一是要攻克能夠持續以零下253攝氏度儲存液態氫的容器和材料難題;二是要解決如何密閉的問題。和儲運天然氣不一樣，氫的分子是所有分子里最小的一個，穿透性、滲透力很強，實現密閉性是液態氫儲運中的難題。

　　考慮到以上種種，我們采用固態儲氫方案。固態儲氫有三個好處：一是常溫儲運。液態氫儲運需要零下253攝氏度，屬于極低溫，而固態儲氫運輸可實現常溫儲運。第二，常壓儲運。儲運時的壓力約1.2個大氣壓強，幾乎為常壓，和氣態氫儲運相比有著更高的安全性。第三，含氫密度高。每立方米的氣態氫重約39千克，每立方米的液態氫重約70千克，而每立方米的固態儲氫可達110千克。

　　這三方面的優點讓我們從2007年開始下定決心，攻關固態儲氫的各項技術難題。

　　《瞭望》：通過這些年的攻關，運用鎂合金技術解決了氫儲運的哪些技術難題或瓶頸?還有什么難題需要克服?

　　丁文江：目前我們已經成功攻克的是工程化生產儲氫材料以及用鎂儲氫的技術。發達國家早就在開發鎂材料儲氫，但因為存在技術難度一直沒能被廣泛使用。國外采取的技術是把鎂切得很細很小以增加儲氫表面積，鎂的表面積越大，儲氫的量就越大，放氫的速度也越快。比如有的國家的科研人員把塊狀鎂材料一層層切取下來，把大塊的鎂磨碎成小粒子的鎂，增加表面積，鎂粒子可細致到微米級甚至是納米級。所以本質上，他們是把鎂“從大變小”。

　　我們恰恰相反，把鎂“從小變大”。將鎂做成氣態鎂，也就是鎂的蒸汽，從而得到非常微小的鎂粒子，其接觸面積非常可觀，可用以儲存大量的氫氣，但是氣體又如何儲存氣體呢?我們的辦法是快速冷卻鎂蒸汽至固態，在冷卻的同時將氫填充進去，在這個過程中克服了大量的科研難題，比如安全性，因為該過程有爆炸、起火的風險隱患，研究出了噸級的固態儲氫工程化技術，最后以車的方式呈現。目前這輛儲運氫車是一輛原理樣車，還沒有實現規模化的生產，我們正在向規模化的方向努力。

　　今后，我們還要不斷進行材料學科的科研攻關，讓氫的存取更為容易。通俗地講，就是把氫放到鎂里面去后還要讓它出得來，而且進出過程要方便。同時對氫進行固態化儲存的時間不能太久。所以材料的改進至關重要。氫進入固態鎂合金是放熱過程，提取氫氣則是吸熱過程，從熱力學角度講，氫的焓值比較高，傳統的材料需要400攝氏度才能放氫，現在我們致力于研究合適的、能將吸放氫的溫度降下來的材料，我們還在不斷努力。

　　《瞭望》：噸級鎂基固態儲運氫車要大規模地行駛在路上，還要克服哪些困難?

　　丁文江：從原理樣車到規模化生產，還要持續努力去解決它所面臨的環境風險、安全生產風險等等。

　　再比如政策法規層面，新生事物在很多方面沒有納入已有的政策法規中，需要在實踐中磨合。這輛噸級鎂基固態儲運氫車要行駛在路上，就面臨現有的交通法規以及化學品管理制度如何對其管理的問題，不僅我國缺少相關規定，西方發達國家也沒有類似的管理經驗可以借鑒，這項技術是世界范圍內領先的，因此今后還要和相關的主管部門攜手共同來制定好管理規則，為新生事物的產業化掃清障礙。

　　中國氫能產業未來發展重點

　　《瞭望》：中國未來如何能在固態儲運氫技術上占據世界一席之地?

　　丁文江：固態儲運氫技術對于氫能源的利用有著戰略意義。對我國而言，發展該技術有著三方面的有利條件。

　　中國的鎂資源豐富，占整個世界鎂資源的50%左右，金屬鎂產量約占世界的90%。中國可以充分地利用優勢資源，將固態儲運氫發展成有核心競爭力的產業。

　　當前中國的氫能發展已進入科研和產業領域的視野，很多人都在討論和研究光伏制氫、風電制氫等氫能發展技術。在這樣的背景下，固態儲氫技術就有可能成為中國有自主地位的一項氫能源技術。

　　從固態儲運氫技術本身來看，我們在世界競爭中已具有優勢。這輛噸級鎂基固態儲運氫車及其相應的技術世界領先，未來要考慮的是它的產業化和商品化，屆時將有望在世界范圍內占據一席之地。

　　除了鎂資源，還可以梳理我國的一些優勢資源以及與這些資源相對應的技術優勢，梳理出的這些都是有優勢的“潛力股”，通過將資源和技術相結合進行大力發展，假以時日有望形成一批世界領先的、人無我有的產業。

　　《瞭望》：氫能是世界公認的清潔能源，中國氫能產業未來的發展重點是什么?

　　丁文江：任何一項技術要發展成產業，都離不開兩個字——需求。沒有需求，技術只能是技術，躺在實驗室里，或是在產業化道路上躺在某個辦公室的抽屜里。氫能產業同樣如此。

　　中國是世界上最大的使用氫能的國家，但從能源結構總體來看，氫能的占比還是很小，原因是以前儲存氫能源的技術沒有發展起來。

　　我國能源結構中，煤的占比依舊很高，用煤來發電是主要的發電方式，即便是現在發展迅速的鋰電池和與之相關的電動汽車產業，也是運用傳統的發電方式后再通過鋰電池把能源儲存起來。

　　在我看來，首先，鋰電池也只是過渡產品，它存取能源伴隨著較大的衰減。鋰電池儲能每天要衰減1%至3%，所以長期來看，氫能源的存取有其優勢。

　　其次就是能源的清潔性。鋰電池存取的能源主要是煤發電，比如我們手機充電，把電池連接著充電器，插進電源口去充電，電的清潔與否直接決定了這部手機所使用的是否是清潔能源。氫能就可以解決這個問題，氫能可用于制作燃料電池，其本身就是清潔能源，因為氫元素的特性，氫能在使用過程中排放出的是水，而且是高純度的水，氫可以來自太陽能，有很強的可持續性。

　　歸根結底，要讓氫能產業發展，就需要通過多種手段改變人們對能源的需求，把對傳統能源的需求變為對氫能的需求。

　　氫能產業兩大優勢助力“雙碳”目標

　　《瞭望》：氫能產業鏈的建設將會在我國經濟社會的低碳綠色轉型中發揮怎樣的作用?

　　丁文江：我國自2020年提出碳達峰碳中和目標以來，各方正在積極有序推進實現“雙碳”目標。要確保實現目標，大力推進低碳、零碳甚至負碳科技創新至關重要，加大對可再生能源發電、新能源為主體的新型電力系統、可再生燃料、碳捕集與利用和儲能等領域的基礎研究和關鍵技術攻關，在總體框架下設定短期、中期、長期的技術開發目標和路徑，實現綠色低碳技術系列突破。

　　在這方面，發展氫能產業鏈有兩個優勢。首先是能源結構的調整。相比傳統能源，氫更清潔，可從太陽能中獲取，是未來解決清潔能源的一個重要出路。

　　其次，為實現“雙碳”目標，學界和業界正大力研究如何減少二氧化碳排放的問題，也就是碳捕集和利用技術。在這方面，氫有著獨特的優勢。氫可以被用來和二氧化碳結合，變成甲醇或是甲烷，也就是說，二氧化碳在改造之下又變成了可以被利用的能源，一旦研究和轉化成功，將成為我國實現綠色低碳發展的一大技術支撐。

　　《瞭望》2023年第27期 )　記者 潘旭 實習生 胡了然

作者：潘旭、胡了然