◇全球首輛鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車最大儲氫量可達(dá)1噸，相當(dāng)于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車的4倍，而運(yùn)輸?shù)某杀緝H約三分之一
◇中國金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分地利用優(yōu)勢資源，將固態(tài)儲運(yùn)氫發(fā)展成有核心競爭力的產(chǎn)業(yè)
噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)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(tài)儲運(yùn)氫車于今年4月公開亮相，這是全球首輛噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車，是中國工程院院士、上海交通大學(xué)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(tuán)隊將氫氣運(yùn)輸從氣態(tài)變成了固態(tài)。有了這輛車，氫氣可以被儲存在鎂合金材料里進(jìn)行長距離運(yùn)輸，不僅可在常溫、常壓下進(jìn)行儲運(yùn)，且安全性更強(qiáng)、容量更大、密度更高。氫能是世界公認(rèn)的清潔能源，在現(xiàn)有的氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲運(yùn)占到總成本的30%至50%，安全高效的氫能儲運(yùn)技術(shù)是決定氫能應(yīng)用的關(guān)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(yùn)，對中國而言有著天然的優(yōu)勢。中國的鎂資源豐富，占全世界鎂資源的50%左右，不需要進(jìn)口。到目前為止，中國金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分利用優(yōu)勢資源，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，推動氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺階。
運(yùn)用鎂合金技術(shù)解決氫儲運(yùn)難題
《瞭望》：噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車有什么特點(diǎn)?和傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車相比有什么優(yōu)勢?
丁文江：從數(shù)據(jù)上看，優(yōu)勢一目了然。首輛鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車最大儲氫量可達(dá)1噸，相當(dāng)于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車的4倍，運(yùn)輸成本僅約三分之一。
我們做固態(tài)儲運(yùn)氫車的初心，是看到現(xiàn)有的氫儲運(yùn)技術(shù)，特別是在陸地上的儲運(yùn)，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(tài)儲氫，把氫氣壓縮到200個大氣壓左右后置于長管內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，這也是世界各國的通行做法。氣態(tài)儲氫運(yùn)輸屬于危險品運(yùn)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(xué)家們想到了液態(tài)儲氫，將氫氣降溫到零下253攝氏度，變成液態(tài)后運(yùn)輸。這種方式的難度在于，一是要攻克能夠持續(xù)以零下253攝氏度儲存液態(tài)氫的容器和材料難題;二是要解決如何密閉的問題。和儲運(yùn)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(qiáng)，實(shí)現(xiàn)密閉性是液態(tài)氫儲運(yùn)中的難題。
考慮到以上種種，我們采用固態(tài)儲氫方案。固態(tài)儲氫有三個好處：一是常溫儲運(yùn)。液態(tài)氫儲運(yùn)需要零下253攝氏度，屬于極低溫，而固態(tài)儲氫運(yùn)輸可實(shí)現(xiàn)常溫儲運(yùn)。第二，常壓儲運(yùn)。儲運(yùn)時的壓力約1.2個大氣壓強(qiáng)，幾乎為常壓，和氣態(tài)氫儲運(yùn)相比有著更高的安全性。第三，含氫密度高。每立方米的氣態(tài)氫重約39千克，每立方米的液態(tài)氫重約70千克，而每立方米的固態(tài)儲氫可達(dá)110千克。
這三方面的優(yōu)點(diǎn)讓我們從2007年開始下定決心，攻關(guān)固態(tài)儲氫的各項(xiàng)技術(shù)難題。
《瞭望》：通過這些年的攻關(guān)，運(yùn)用鎂合金技術(shù)解決了氫儲運(yùn)的哪些技術(shù)難題或瓶頸?還有什么難題需要克服?
丁文江：目前我們已經(jīng)成功攻克的是工程化生產(chǎn)儲氫材料以及用鎂儲氫的技術(shù)。發(fā)達(dá)國家早就在開發(fā)鎂材料儲氫，但因?yàn)榇嬖诩夹g(shù)難度一直沒能被廣泛使用。國外采取的技術(shù)是把鎂切得很細(xì)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(xì)致到微米級甚至是納米級。所以本質(zhì)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(tài)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(tài)，在冷卻的同時將氫填充進(jìn)去，在這個過程中克服了大量的科研難題，比如安全性，因?yàn)樵撨^程有爆炸、起火的風(fēng)險隱患，研究出了噸級的固態(tài)儲氫工程化技術(shù)，最后以車的方式呈現(xiàn)。目前這輛儲運(yùn)氫車是一輛原理樣車，還沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)，我們正在向規(guī)模化的方向努力。
今后，我們還要不斷進(jìn)行材料學(xué)科的科研攻關(guān)，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(jìn)出過程要方便。同時對氫進(jìn)行固態(tài)化儲存的時間不能太久。所以材料的改進(jìn)至關(guān)重要。氫進(jìn)入固態(tài)鎂合金是放熱過程，提取氫氣則是吸熱過程，從熱力學(xué)角度講，氫的焓值比較高，傳統(tǒng)的材料需要400攝氏度才能放氫，現(xiàn)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(tài)儲運(yùn)氫車要大規(guī)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(guī)模化生產(chǎn)，還要持續(xù)努力去解決它所面臨的環(huán)境風(fēng)險、安全生產(chǎn)風(fēng)險等等。
再比如政策法規(guī)層面，新生事物在很多方面沒有納入已有的政策法規(guī)中，需要在實(shí)踐中磨合。這輛噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車要行駛在路上，就面臨現(xiàn)有的交通法規(guī)以及化學(xué)品管理制度如何對其管理的問題，不僅我國缺少相關(guān)規(guī)定，西方發(fā)達(dá)國家也沒有類似的管理經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這項(xiàng)技術(shù)是世界范圍內(nèi)領(lǐng)先的，因此今后還要和相關(guān)的主管部門攜手共同來制定好管理規(guī)則，為新生事物的產(chǎn)業(yè)化掃清障礙。
中國氫能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展重點(diǎn)
《瞭望》：中國未來如何能在固態(tài)儲運(yùn)氫技術(shù)上占據(jù)世界一席之地?
丁文江：固態(tài)儲運(yùn)氫技術(shù)對于氫能源的利用有著戰(zhàn)略意義。對我國而言，發(fā)展該技術(shù)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(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分地利用優(yōu)勢資源，將固態(tài)儲運(yùn)氫發(fā)展成有核心競爭力的產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前中國的氫能發(fā)展已進(jìn)入科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的視野，很多人都在討論和研究光伏制氫、風(fēng)電制氫等氫能發(fā)展技術(shù)。在這樣的背景下，固態(tài)儲氫技術(shù)就有可能成為中國有自主地位的一項(xiàng)氫能源技術(shù)。
從固態(tài)儲運(yùn)氫技術(shù)本身來看，我們在世界競爭中已具有優(yōu)勢。這輛噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車及其相應(yīng)的技術(shù)世界領(lǐng)先，未來要考慮的是它的產(chǎn)業(yè)化和商品化，屆時將有望在世界范圍內(nèi)占據(jù)一席之地。
除了鎂資源，還可以梳理我國的一些優(yōu)勢資源以及與這些資源相對應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢，梳理出的這些都是有優(yōu)勢的“潛力股”，通過將資源和技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行大力發(fā)展，假以時日有望形成一批世界領(lǐng)先的、人無我有的產(chǎn)業(yè)。
《瞭望》：氫能是世界公認(rèn)的清潔能源，中國氫能產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展重點(diǎn)是什么?
丁文江：任何一項(xiàng)技術(shù)要發(fā)展成產(chǎn)業(yè)，都離不開兩個字——需求。沒有需求，技術(shù)只能是技術(shù)，躺在實(shí)驗(yàn)室里，或是在產(chǎn)業(yè)化道路上躺在某個辦公室的抽屜里。氫能產(chǎn)業(yè)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(jié)構(gòu)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(shù)沒有發(fā)展起來。
我國能源結(jié)構(gòu)中，煤的占比依舊很高，用煤來發(fā)電是主要的發(fā)電方式，即便是現(xiàn)在發(fā)展迅速的鋰電池和與之相關(guān)的電動汽車產(chǎn)業(yè)，也是運(yùn)用傳統(tǒng)的發(fā)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(chǎn)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(yōu)勢。
其次就是能源的清潔性。鋰電池存取的能源主要是煤發(fā)電，比如我們手機(jī)充電，把電池連接著充電器，插進(jìn)電源口去充電，電的清潔與否直接決定了這部手機(jī)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?yàn)闅湓氐奶匦裕瑲淠茉谑褂眠^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(qiáng)的可持續(xù)性。
歸根結(jié)底，要讓氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就需要通過多種手段改變?nèi)藗儗δ茉吹男枨螅褜鹘y(tǒng)能源的需求變?yōu)閷淠艿男枨蟆?/p>
氫能產(chǎn)業(yè)兩大優(yōu)勢助力“雙碳”目標(biāo)
《瞭望》：氫能產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)將會在我國經(jīng)濟(jì)社會的低碳綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮怎樣的作用?
丁文江：我國自2020年提出碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)以來，各方正在積極有序推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。要確保實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，大力推進(jìn)低碳、零碳甚至負(fù)碳科技創(chuàng)新至關(guān)重要，加大對可再生能源發(fā)電、新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、可再生燃料、碳捕集與利用和儲能等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在總體框架下設(shè)定短期、中期、長期的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)和路徑，實(shí)現(xiàn)綠色低碳技術(shù)系列突破。
在這方面，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈有兩個優(yōu)勢。首先是能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整。相比傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，學(xué)界和業(yè)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(shù)。在這方面，氫有著獨(dú)特的優(yōu)勢。氫可以被用來和二氧化碳結(jié)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(zhuǎn)化成功，將成為我國實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一大技術(shù)支撐。
《瞭望》2023年第27期 ) 記者 潘旭 實(shí)習(xí)生 胡了然
作者：潘旭、胡了然
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