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(xué)氫科學(xué)中心主任。他潛心研究輕合金材料40年,帶領(lǐng)團隊創(chuàng)制的鎂稀土合金,在航空航天、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域大放異彩。他在鎂基固態(tài)儲氫材料基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)、工程化研究和技術(shù)轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(shè)性方案。他曾榮獲國家科技進步二等獎、國家技術(shù)發(fā)明二等獎、“全國優(yōu)秀科技工作者”等榮譽。
氫是自然界的能源之母,綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體,因其清潔、高效、可持續(xù),氫在新能源發(fā)展中被寄予厚望。由于氫通常以氣態(tài)形式存在,且易燃、易爆、易擴散,導(dǎo)致常溫常壓下,氫氣的儲存和運輸存在很多現(xiàn)實難題。目前市場上常用的高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫成本高、能耗大,大規(guī)模應(yīng)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(guī)?;瘧?yīng)用需求?經(jīng)過長期攻關(guān),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(fā)現(xiàn)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(tài)儲氫技術(shù)在交通、風(fēng)電、冶金等領(lǐng)域,已開始逐步探索應(yīng)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(fā)的道路上經(jīng)歷了怎樣的曲折才最終找到這條“金光大道”?在能源結(jié)構(gòu)向低碳、清潔、綠色轉(zhuǎn)型過程中,還需攻克哪些難關(guān)才能實現(xiàn)“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(zhuǎn)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(guī)模應(yīng)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(zhuǎn)化過來。制氫現(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(shè)要占地,成本也非常貴。
輕合金材料里面含有鎂,在表現(xiàn)過去的電視劇或者電影當(dāng)中,出現(xiàn)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(tài)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(chǎn)的鎂占了全世界90%,90%的鎂都是鎂蒸氣變的。我當(dāng)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(zhì)點會非常細,就像納米狀態(tài)的細的鎂粉,在高科技產(chǎn)業(yè),特別是在一些含能材料里面有非常廣的應(yīng)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(dāng)磨得很細的時候,非常容易發(fā)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(jīng)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(jié)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(chuàng)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(chǎn)的可能,也給低成本固態(tài)儲氫的應(yīng)用帶來了希望。
固態(tài)儲氫為能源發(fā)展帶來改變
有了固態(tài)儲氫材料創(chuàng)新和技術(shù)基礎(chǔ),我們團隊進一步在應(yīng)用上進行工程化研究。一輛49噸的卡車,氣態(tài)運氫只能裝300公斤氫氣,如果換成固態(tài)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(tài)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(dāng)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(dāng)于氫進入和脫出的一些窗口。我們經(jīng)過反復(fù)實驗,不斷嘗試新的方法,才初步實現(xiàn)了氫的吸入和放出。但是,在這一過程中會產(chǎn)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(jīng)過不斷測試,通過控制氫氣流量,讓它調(diào)節(jié)在一個合適的范圍才逐步解決了熱失控的問題。在科技創(chuàng)新的路上,我們經(jīng)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(tài)儲氫車。這種儲氫車可以儲存1.5噸的氫氣,是常規(guī)氣態(tài)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(shè)計的鎂基固態(tài)儲氫裝置能夠適應(yīng)鐵路、公路、輪船等不同的運輸方式,適合長距離、大規(guī)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(guī)模的固態(tài)儲氫站。不過,因為固態(tài)儲氫儲放氫的過程需要能量介入。儲氫的成本怎樣呢?據(jù)測算,氣態(tài)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(tài)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(tài)儲氫放1公斤氫氣需耗電14度。鎂基固態(tài)儲氫裝置在實際應(yīng)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(guān)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(tài)儲氫前景廣闊
固態(tài)儲氫不僅可以在交通運輸、儲能、家庭熱電聯(lián)供等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,在工業(yè)生產(chǎn)中它也同樣前景廣闊。比如,半導(dǎo)體行業(yè)在生產(chǎn)過程中需要大量高純度的氫,依靠氣態(tài)存儲瓶,供應(yīng)量小且存在安全隱患,如果用一種75公斤的固態(tài)儲氫罐來供氫,不僅儲氫量相當(dāng)于15個氣態(tài)氫氣瓶,還更加安全高效。為此,我們團隊進行了專項研發(fā)。但是,在研發(fā)過程中,材料膨脹如何控制的技術(shù)難題又擺在面前。經(jīng)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(fā)小組一籌莫展。直到在一次激烈的現(xiàn)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(huán)境下反復(fù)進行實驗,終于找到控制材料膨脹的訣竅,使得氫氣可以穩(wěn)定地、均勻地儲存和釋放。75公斤的固態(tài)儲氫罐最終被研制成功,給半導(dǎo)體行業(yè)的供氫帶來新選擇。事實上,這只是固態(tài)儲氫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個場景,它也說明,氫能的應(yīng)用可以更加廣泛,在冶金、電力等行業(yè)的節(jié)能減排過程中,還可以有更大的發(fā)揮空間。那么,固態(tài)儲氫進企業(yè)能帶來哪些重大技術(shù)革新?實現(xiàn)“雙碳”目標,固態(tài)儲氫技術(shù)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(yè)余熱、廢熱蒸氣和地?zé)岬?#xff0c;而傳統(tǒng)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(chǎn)生的碳會被固定下來,甚至實現(xiàn)了負排放。
我國甲烷資源十分豐富,既能從大量的濕垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等富含碳氫元素的有機固體廢物作為原料來制取,又能從煤層氣、焦?fàn)t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(fā)電廠等場景中使用,我國每年生產(chǎn)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(zhì)的煤先轉(zhuǎn)換成甲烷,再通過金氫工程轉(zhuǎn)化為高純氫和高純碳材料,就可實現(xiàn)近零碳排放。高純度氫氣可以大批量固態(tài)存儲,運輸?shù)较鄳?yīng)的使用場景,將真正實現(xiàn)灰氫變身綠氫的飛躍,為實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻力量。
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