鎂基固態(tài)儲氫的優(yōu)勢和應(yīng)用前景
——訪中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江

■本刊記者 曲藝 通訊員 盧常佳/ 編輯 余璇

“鎂基固態(tài)儲氫的優(yōu)越性非常突出。”近日，在由中國氫能聯(lián)盟領(lǐng)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(tài)儲氫？相較其他儲氫方式，鎂基固態(tài)儲氫擁有怎樣的優(yōu)勢和應(yīng)用前景？丁文江詳細闡述了氫能源之“鎂”。

《中國能源觀察》：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(chǎn)量世界第一。2022年，我國鎂產(chǎn)量占全世界的90%。

鎂的內(nèi)稟功能有五個：第一是比重輕；第二是阻尼性能優(yōu)，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(yī)學之鎂、農(nóng)業(yè)之鎂。

《中國能源觀察》：您提到鎂的儲氫量大，具體是如何實現(xiàn)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(fā)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(shù)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(chǎn)的材料，通過各種工藝創(chuàng)新和材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從蒸氣開始，到鎂原子—鎂顆?！獨浠V，成功研發(fā)出低成本、批量化材料的生產(chǎn)技術(shù)，做出形狀如藥片的產(chǎn)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(zhì)量密度達到6.2%，循環(huán)的次數(shù)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(jīng)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(fā)了不同場景下應(yīng)用材料可控的技術(shù)和材料制備的工業(yè)化生產(chǎn)裝備。例如，應(yīng)用于實驗室的1 千克儲氫裝置；應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的5 千克儲氫裝置；應(yīng)用于批量制造材料領(lǐng)域的75 千克儲氫裝置，以及世界首臺標準化鎂基固態(tài)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(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。

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

《中國能源觀察》：相較其他儲運形式，鎂基固態(tài)儲氫的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？

丁文江：在能源轉(zhuǎn)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(yīng)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(xiàn)有的氫能產(chǎn)業(yè)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(tài)儲氫和低溫液態(tài)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(tài)氫氣可存儲14.4千克；液態(tài)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(tài)儲氫材料氫化鎂，每立方米可存儲氫氣110千克。

固態(tài)儲氫沒有氣態(tài)儲氫可能面臨的爆炸危險，也規(guī)避了零下253攝氏度的低溫所面臨的包括密封、泄漏等在內(nèi)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(tài)儲氫還可以對氫氣進行純化。很多工業(yè)副產(chǎn)氫含有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等雜質(zhì)，鎂基固態(tài)儲氫可將這些雜質(zhì)自然排除。儲存好之后運到所應(yīng)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(xiàn)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(yīng)前只有2 個氫的氫化鎂，反應(yīng)以后變成4個氫，氫的密度更高，理想狀態(tài)下可以達到15.2%。

《中國能源觀察》：固態(tài)儲氫技術(shù)有哪些應(yīng)用場景？

丁文江：主要有三大場景。第一個應(yīng)用場景是“走天下”。鎂基固態(tài)儲氫是在常溫常壓下進行的，其特點就是可以大規(guī)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(tài)島，希望采用氫能。那么如何把氫運到崇明島上？利用固態(tài)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(tài)儲氫車可以儲存1.5 噸氫氣，是常規(guī)氣態(tài)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(jīng)濟成本低、加氫能力大、安全性能高。

第二個應(yīng)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。可以將這些電能制成綠氫，然后再用鎂基固態(tài)儲氫技術(shù)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(tài)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(lǐng)域。以日本為例，日本的家庭用氫并不罕見，已經(jīng)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(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)在裝置現(xiàn)場利用天然氣制取氫氣，然后進入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水。據(jù)了解，熱電聯(lián)供的發(fā)電效率最高可達90%，相比之下，我國的燃煤電廠的發(fā)電效率不超過45%?？梢灶A(yù)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(xiàn)“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(tài)儲氫，5千克的儲氫罐可以發(fā)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(qū)、醫(yī)院、大樓等眾多場景。

“進萬家”也包括進企業(yè)，氫能在冶金、電力等行業(yè)的節(jié)能減排中也有很大的發(fā)揮空間。如今我國的鋼鐵產(chǎn)能已經(jīng)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(tài)儲氫走進企業(yè)開展氫冶金。我國主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是用焦炭和鐵礦石在高爐冶煉出鐵水，再經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉成鋼，該過程碳排放強度較高。氫冶金技術(shù)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(yè)的重要減碳途徑之一。煉鋼過程中產(chǎn)生的余熱，還可以供給固態(tài)儲氫裝置來放氫，能源效率得到了很大提升。

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

數(shù)據(jù)顯示，全國電廠發(fā)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(yè)跟燃氣輪機發(fā)電都能用上氫能，全社會的碳排放量又可大幅降低。

《中國能源觀察》：對于氫能的發(fā)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(xiàn)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(yè)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(huán)保費用很高，特別像塑料，燃燒還會產(chǎn)生二噁英。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(fā)電廠等場景中使用。如果將低品質(zhì)的煤先轉(zhuǎn)化成甲烷，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。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(wù)于氫能的發(fā)展，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供了一條佳徑。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展最根本的是兩個學科：第一個是基礎(chǔ)性的、關(guān)鍵性的材料；第二個是信息，能源與高端裝備本質(zhì)上就是材料技術(shù)跟信息技術(shù)不同的排列組合?？蒲腥藛T要下大力氣把我國的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢，為中國式現(xiàn)代化的實現(xiàn)作出應(yīng)有貢獻。■