專訪丨鎂基固態儲氫的優勢和應用前景

來源：中國能源觀察 時間：2024-03-01 17:15

——訪中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江

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　　“鎂基固態儲氫的優越性非常突出。”近日，在由中國氫能聯盟領銜主辦的2023世界氫能青年科學家論壇上，中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江表示。何為鎂基固態儲氫？相較其他儲氫方式，鎂基固態儲氫擁有怎樣的優勢和應用前景？丁文江詳細闡述了氫能源之“鎂”。

　　中能傳媒：您長期致力于先進鎂合金材料及其加工方面的研究，請您簡要介紹下鎂的特性。

　　丁文江：鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，幾乎取之不盡、用之不竭，只要有海水就有鎂。我國是鎂資源最豐富的國家，鎂產量世界第一。2022年，我國鎂產量占全世界的90%。

　　鎂的內稟功能有五個：第一是比重輕；第二是阻尼性能優，能夠降噪減震；第三是儲氫量大；第四是電化學容量高；第五是生物可降解。歸納來看，我們把前面兩個視作“輕量化之鎂”；后面三個視作“氫科學之鎂”，具體分為能源之鎂、醫學之鎂、農業之鎂。

　　中能傳媒：您提到鎂的儲氫量大，具體是如何實現的？

　　丁文江：15年前，我們開始對鎂材料進行功能性研究。鎂極其活潑，當磨到很細的時候非常容易發生爆炸。為此，我們嘗試使用氮氣、氬氣、二氧化碳、六氟化硫等多種氣體來進行安全性保護，均以失敗告終。直到讓氫直接跟鎂“見面”，二者接觸以后，鎂就變成鎂氫素。鎂氫素沒有爆炸，非常安全。

　　沿著這個思路，我們想辦法讓氫“走”到固體里，制成原子數比例為1:2（1個鎂原子帶2個氫原子）的氫化鎂。在一定條件下，氫化鎂中的氫可以取出來，也可以再放進去，而且儲存能力很強。

　　其實氫化鎂早在40年前就有了，以前的氫化鎂是把一個鎂錠切成一片一片，進行球磨并做成很細的粉，再充上氫。這樣做非常貴并且效率也低，只能作為一些科學試劑使用。我們則將目光瞄準能夠量產的材料，通過各種工藝創新和材料結構創新，從蒸氣開始，到鎂原子—鎂顆?！獨浠V，成功研發出低成本、批量化材料的生產技術，做出形狀如藥片的產品，可以像運大米、面粉一樣把氫放在鎂的固體里進行儲運。儲氫的質量密度達到6.2%，循環的次數達到3000次，且儲放的密度沒有明顯的衰減，如此的高密度儲存會帶來很多經濟效益。

　　在此過程中，我們達到了以噸級工程化能力來制備鎂氫的水平，同時也研發了不同場景下應用材料可控的技術和材料制備的工業化生產裝備。例如，應用于實驗室的1千克儲氫裝置；應用于半導體產業的5千克儲氫裝置；應用于批量制造材料領域的75千克儲氫裝置，以及世界首臺標準化鎂基固態儲氫車。

　　當然，針對大型的鎂儲氫裝置，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，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。

　　此外，材料膨脹如何控制也是一道難關。我們經過多次不同場景下的模擬測試，始終無法解決這個問題。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，我們把材料進行先加熱加壓，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，使氫氣可以穩定、均勻地儲存和釋放。

　　中能傳媒：相較其他儲運形式，鎂基固態儲氫的優勢體現在哪些方面？

　　丁文江：在能源轉型的過程中，氫能扮演著不可或缺的角色。但是氫能的推廣應用有痛點，即成本高。

　　首先是制氫。氫是二次能源，制氫一般都是采用煤制氫或者電解制氫，煤制氫會排放二氧化碳，電解制氫則要用到價格高的催化劑——鉑。

　　其次是儲運，在現有的氫能產業鏈中，儲運占到總成本的30%—50%。目前主要的儲運形式是高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫。比較來看，用長管拖車的話，每立方米200個大氣壓的氣態氫氣可存儲14.4千克；液態氫在零下253攝氏度時每立方米可存儲氫氣70千克。如果采用固態儲氫材料氫化鎂，每立方米可存儲氫氣110千克。

　　固態儲氫沒有氣態儲氫可能面臨的爆炸危險，也規避了零下253攝氏度的低溫所面臨的包括密封、泄漏等在內的風險。鑒于該方式儲氫量高、常溫低壓、安全便捷，長遠來看前景廣闊。

　　值得一提的是，鎂基固態儲氫還可以對氫氣進行純化。很多工業副產氫含有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等雜質，鎂基固態儲氫可將這些雜質自然排除。儲存好之后運到所應用的場景，放出來的氫氣純度至少為99.999%，如果泵閥、管道等清理得當，純度甚至可以達到99.99999999%，真正實現凈化儲運。

　　另外，氫化鎂可以水解制氫，同時把水里面的2個氫也“拿”出來。在反應前只有2個氫的氫化鎂，反應以后變成4個氫，氫的密度更高，理想狀態下可以達到15.2%。

　　中能傳媒：固態儲氫技術有哪些應用場景？

　　丁文江：主要有三大場景。第一個應用場景是“走天下”。鎂基固態儲氫是在常溫常壓下進行的，其特點就是可以大規模、遠距離、高安全、低成本運輸?？梢杂没疖嚴b箱，也可以船運集裝箱，甚至于對一些急需的場合還可以空運。例如上海崇明要建崇明生態島，希望采用氫能。那么如何把氫運到崇明島上？利用固態儲氫車運輸，不失為一個好辦法。

　　另外，我們研制的世界首臺標準化鎂基固態儲氫車可以儲存1.5噸氫氣，是常規氣態儲氫的4—5倍，將2輛至少載有2噸氫氣的儲氫車拉到加氫站，若加滿一輛車需要5千克，2噸氫氣一天就可以加滿400輛車。這種加氫站占地面積小、經濟成本低、加氫能力大、安全性能高。

　　第二個應用場景是“儲余能”。余能是多余下來的能，或者是我們不得已“放棄”的能，比如棄風、棄光等?？梢詫⑦@些電能制成綠氫，然后再用鎂基固態儲氫技術將其儲存起來。當然，鋰電池也可以存儲，但是它會伴隨每天1%—3%的衰減。采用鎂基固態儲氫，只要不潮、不熱，氫就可以進行長達幾十年的存儲，且不會衰減。

　　第三個場景是“進萬家”，這是非常重要的一個領域。以日本為例，日本的家庭用氫并不罕見，已經達到了300萬戶，而且增長速度很快。日本采用的是一種家用熱電聯供系統，該系統在裝置現場利用天然氣制取氫氣，然后進入燃料電池中發電，再用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水。據了解，熱電聯供的發電效率最高可達90%，相比之下，我國的燃煤電廠的發電效率不超過45%?？梢灶A見，若氫能可以走進尋常百姓家，能耗將大量降低，對我們實現“雙碳”目標會有很大的促進作用。

　　當然，天然氣制取氫氣是一個化學過程，為家庭供氫多有不便。我國建議使用固態儲氫，5千克的儲氫罐可以發電75千瓦時，既滿足一個五口之家的用電需求，還能供熱。這種家庭用的分布式電源效率高，且便宜、便捷，可以推廣用于學校、園區、醫院、大樓等眾多場景。

　　“進萬家”也包括進企業，氫能在冶金、電力等行業的節能減排中也有很大的發揮空間。如今我國的鋼鐵產能已經達到14億噸/年，按照每噸鋼鐵排放二氧化碳1.8噸測算，14億噸鋼鐵相當于排放25億噸二氧化碳，約為我國碳排放總量的五分之一。在此背景下，可以讓鎂基固態儲氫走進企業開展氫冶金。我國主流的鋼鐵生產工藝是用焦炭和鐵礦石在高爐冶煉出鐵水，再經轉爐熔煉成鋼，該過程碳排放強度較高。氫冶金技術是用氫替代焦炭來還原鐵礦石中的氧化鐵，減少長流程煉鋼的碳排放，是鋼鐵行業的重要減碳途徑之一。煉鋼過程中產生的余熱，還可以供給固態儲氫裝置來放氫，能源效率得到了很大提升。

　　鎂基固態儲氫進企業，還可以助力燃氣輪機發電。燃氣輪機可用余熱將固態儲氫系統里的氫釋放出來，取代煤炭成為新的動力源。

　　數據顯示，全國電廠發電的碳排放總量約占全社會碳排放量的20%—25%，如果鋼鐵行業跟燃氣輪機發電都能用上氫能，全社會的碳排放量又可大幅降低。

　　中能傳媒：對于氫能的發展，您還有何建議？

　　丁文江：我國每年大概使用氫能3000萬噸，近80%來源于煤炭重整制氫，不進行二氧化碳捕集，這稱為灰氫。針對這種現狀，我們正在打造“金氫工程”。

　　“金氫工程”是我命名的。簡言之，就是在特殊催化劑的作用下，將廢棄物中的碳氫化合物，尤其是甲烷，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，該過程利用的加熱源是工業余熱、廢熱蒸汽和地熱等。我們國家的廢棄物每年有1.46億噸，大部分都是去做填埋處理或者進行焚燒，環保費用很高，特別像塑料，燃燒還會產生二噁英。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。如果將低品質的煤先轉化成甲烷，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。煤和鎂，是我國最為豐富的兩種資源，通過“金氫工程”最終共同服務于氫能的發展，為實現“雙碳”目標提供了一條佳徑。

　　產業發展最根本的是兩個學科：第一個是基礎性的、關鍵性的材料；第二個是信息，能源與高端裝備本質上就是材料技術跟信息技術不同的排列組合?？蒲腥藛T要下大力氣把我國的資源優勢轉化為技術優勢和經濟優勢，為中國式現代化的實現作出應有貢獻。

責任編輯：楊娜