能源之母“氫”裝上陣前景如何

丁文江，中國工程院院士，輕合金精密成型國家工程研究中心主任，上海交通大學氫科學中心主任。他潛心研究輕合金材料40年，帶領團隊創制的鎂稀土合金，在航空航天、醫療、能源等領域大放異彩。他在鎂基固態儲氫材料基礎研究、應用開發、工程化研究和技術轉移等領域實現了多項突破，為解決氫能利用中的儲存、運輸難題，提供了建設性方案。他曾榮獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎、“全國優秀科技工作者”等榮譽。

氫是自然界的能源之母，綠色低碳轉型的重要載體，因其清潔、高效、可持續，氫在新能源發展中被寄予厚望。由于氫通常以氣態形式存在，且易燃、易爆、易擴散，導致常溫常壓下，氫氣的儲存和運輸存在很多現實難題。目前市場上常用的高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫成本高、能耗大，大規模應用存在很多障礙。能否另辟蹊徑找到一種新辦法，讓氫儲運成本更低、安全性更好、更適合規?；瘧眯枨?#xff1f;經過長期攻關，找到了一個新方向：用固體形式來存儲氫氣。我國科研人員從鎂材料中發現了機會，制備出一種神奇的合金材料，這種材料不僅讓氫進出自由，還能對氫進行凈化，讓氫以固體形式留在鎂基材料中，從而使得存儲和運輸量更大、成本更低、安全性更高。目前，這項固態儲氫技術在交通、風電、冶金等領域，已開始逐步探索應用。這種神奇的合金為什么能有效破解氫能儲運難題？在研發的道路上經歷了怎樣的曲折才最終找到這條“金光大道”？在能源結構向低碳、清潔、綠色轉型過程中，還需攻克哪些難關才能實現“氫”裝上陣？

如何讓昂貴的“氫”變得低廉

氫在元素周期表里排第一位，實際上氫是自然界的所有能源之母，能源轉型的過程中氫是一個不可或缺的角色。這樣好的能源，距離真正進入大規模應用還有很大的距離，它的痛點主要在于成本。首先，氫在自然界是沒有的，它屬于二次能源，一定要從其他東西轉化過來。制氫現在一般都是用煤或者用電，用煤制氫的時候會排放二氧化碳，用電制氫的時候，要用鉑金作為催化劑，鉑金就比較貴。其次，氫制造出來要儲運，現在儲運氫，就是用一個大概有200個大氣壓的高壓罐，把氫壓縮在里面，拉來拉去，這就是氣態運氫。一輛49噸的卡車，只能裝300公斤氫氣，效率非常低，所以運氫就比較貴。還有一種就是用液態運氫，就是在零下253攝氏度把氫氣液化了，要到零下253攝氏度才能實現它，這是一個很大的困難；再加上運輸它要密封，對各種各樣的管道、泄漏都要很好地控制，所以成本也比較貴。最后，加氫站建設要占地，成本也非常貴。

輕合金材料里面含有鎂，在表現過去的電視劇或者電影當中，出現照相場景的時候有一種鎂光燈，這個鎂光燈就是利用鎂燃燒的一剎那放出的光進行拍照。水蒸氣在一定的狀態下可以變成霧，也可以變成霜，這個霜就是李白說的“床前明月光，疑是地上霜”那個霜。我國到目前為止生產的鎂占了全世界90%，90%的鎂都是鎂蒸氣變的。我當時有一個想法，就是能不能讓它變成“霜”呢？就是鎂的“霜”，“霜”的質點會非常細，就像納米狀態的細的鎂粉，在高科技產業，特別是在一些含能材料里面有非常廣的應用前景。15年前，我們的科研團隊開始對鎂材料進行功能性研究，因為鎂極其活潑，當磨得很細的時候，非常容易發生爆炸。為了解決鎂易爆的問題，研究團隊嘗試使用多種氣體來進行安全性保護，比如氮氣、氬氣、二氧化碳、六氟化硫，但都沒有成功。最后經過上千次的實驗，做了各種可能的嘗試，依然無法解決這個難題。眼看山窮水盡，苦無辦法之際，我們想到了氫。結果實驗成功了，氫一接觸納米鎂就變成了鎂氫素，不但沒爆炸，而且非常安全。長期的探索與積累，最終取得了回報。我們首創的用蒸氣法來制造含鎂氫的合金新材料，初步具備批量生產的可能，也給低成本固態儲氫的應用帶來了希望。

固態儲氫為能源發展帶來改變

有了固態儲氫材料創新和技術基礎，我們團隊進一步在應用上進行工程化研究。一輛49噸的卡車，氣態運氫只能裝300公斤氫氣，如果換成固態儲氫，儲氫量可增加4倍以上，還可在常溫下長距離運輸，安全性也好。朝著這個方向，我們準備制造儲氫能力1噸以上的標準集裝箱，不過，這種大型固態儲氫裝置的建造，需要研究解決的課題也很多。這樣大型鎂儲氫裝置，氫的進入和脫出是相當困難的，特別是在表面氧化之后，要形成一些催化點在鎂材料上面，相當于氫進入和脫出的一些窗口。我們經過反復實驗，不斷嘗試新的方法，才初步實現了氫的吸入和放出。但是，在這一過程中會產生大量的熱，如何解決熱失控的問題，又成了新的難點。研究團隊經過不斷測試，通過控制氫氣流量，讓它調節在一個合適的范圍才逐步解決了熱失控的問題。在科技創新的路上，我們經過5年的研究，終于在2022年12月份試制出世界首臺標準化鎂基固態儲氫車。這種儲氫車可以儲存1.5噸的氫氣，是常規氣態儲氫的4到5倍，而且可以在常溫常壓下儲運。標準集裝箱式設計的鎂基固態儲氫裝置能夠適應鐵路、公路、輪船等不同的運輸方式，適合長距離、大規模氫運輸。不同的集裝箱組合在一起，可以固定存儲大量的氫能，形成大規模的固態儲氫站。不過，因為固態儲氫儲放氫的過程需要能量介入。儲氫的成本怎樣呢？據測算，氣態存儲1公斤氫氣從常壓常溫壓縮到35兆帕所需的能耗是5度電；液態儲氫從常壓常溫液化為1公斤氫氣需耗電15度；常溫常壓下固態儲氫放1公斤氫氣需耗電14度。鎂基固態儲氫裝置在實際應用中需要跟各種場景匹配，控制儲放氫的能量損耗和成本是關鍵點。這些核心問題一旦解決，氫能就可以登上更廣闊的舞臺，釋放巨大的能量。

固態儲氫前景廣闊

固態儲氫不僅可以在交通運輸、儲能、家庭熱電聯供等領域廣泛應用，在工業生產中它也同樣前景廣闊。比如，半導體行業在生產過程中需要大量高純度的氫，依靠氣態存儲瓶，供應量小且存在安全隱患，如果用一種75公斤的固態儲氫罐來供氫，不僅儲氫量相當于15個氣態氫氣瓶，還更加安全高效。為此，我們團隊進行了專項研發。但是，在研發過程中，材料膨脹如何控制的技術難題又擺在面前。經過多次不同場景下的模擬測試，始終無法解決這個問題，研發小組一籌莫展。直到在一次激烈的現場爭論中，我們從爆米花中獲得了靈感。按照這個思路，我們把材料進行加熱加壓，再卸壓，在不同的溫度環境下反復進行實驗，終于找到控制材料膨脹的訣竅，使得氫氣可以穩定地、均勻地儲存和釋放。75公斤的固態儲氫罐最終被研制成功，給半導體行業的供氫帶來新選擇。事實上，這只是固態儲氫技術在工業領域應用的一個場景，它也說明，氫能的應用可以更加廣泛，在冶金、電力等行業的節能減排過程中，還可以有更大的發揮空間。那么，固態儲氫進企業能帶來哪些重大技術革新？實現“雙碳”目標，固態儲氫技術又能作出怎樣的貢獻？

金氫工程，簡而言之，是在特殊催化劑的作用下，將廢棄物中的碳氫化合物，特別是甲烷，在低能耗條件下，逐級脫去氫原子，最終裂解生成氫氣和碳材料的過程。這一過程中利用的加熱源是工業余熱、廢熱蒸氣和地熱等，而傳統處理廢棄物的方式，需要燃燒，并會大量排放二氧化碳。相比之下，金氫工程碳排放幾乎為零，而且產生的碳會被固定下來，甚至實現了負排放。

我國甲烷資源十分豐富，既能從大量的濕垃圾、農業廢棄物等富含碳氫元素的有機固體廢物作為原料來制取，又能從煤層氣、焦爐煤氣及其油頁巖裂解氣中分離出來。金氫工程可以廣泛在垃圾發電廠等場景中使用，我國每年生產的氫有近80%來源于煤炭重整制氫，不進行二氧化碳捕集，這又稱為灰氫。如果將低品質的煤先轉換成甲烷，再通過金氫工程轉化為高純氫和高純碳材料，就可實現近零碳排放。高純度氫氣可以大批量固態存儲，運輸到相應的使用場景，將真正實現灰氫變身綠氫的飛躍，為實現“雙碳”目標貢獻力量。