在上海的一些工业区或者主要交通干道上,我们时常会看到“加氢站”,而且数量似乎越来越多。这是否暗示着,氢能作为一种新能源,开始大面积落地了?2022年3月,中国政府发布《氢能产业发展中长期规划》,提出到2035年,明显提高可再生能源制氢在终端能源消费中的比例;同年,上海发布《打造未来产业创新高地,发展壮大未来产业集群行动方案》,未来能源赫然在列。氢能,就是未来能源的一种。
氢,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,也是世界上最干净的能源。早在1970,美国通用汽车公司的技术研究中心就提出了“氢经济”的概念。但将近半个多世纪过去了,人类对氢能的使用,似乎并没有出现跨越性的进步。这其中,一定有什么门槛在制约着行业的发展。丁文江,中国工程院院士,上海交通大学氢科学中心主任,也是《士说新语·院士谈未来》第三期节目的嘉宾。他带领团队,在氢能方面的研究已经处于国际领先地位,攻克了氢能在存储和运输中的难点,为氢能大规模落地铺平了道路,那就是“镁基固态储氢”。
在谈“镁基固态储氢”之前,先要谈谈氢能的存储和运输方式。整体来看,整个氢能产业链主要涉及三个环节:制氢、存储和运输、应用。储运环节是高效利用氢能的关键。目前的主流方式是长管拖车,但通常来讲,单车只能运输约300公斤氢气,运输效率较低,而且由于压差等问题,总会有一定量的残余氢气无法卸载,降低了实际运输的氢气量;于是液态储氢应运而生,但是常压下,氢气在-253℃才能液化,也就是说,液化的能耗非常高、对液氢储罐的要求更高。所以,丁文江院士就将目光瞄准了“固态储氢”。那么,选择什么样的固体来存储氢呢?镁,是不二选择。
4月13日,全球第一辆吨级镁基固态储运氢车正式与公众见面。这辆车,车长13.3米,最大储氢量可达1吨,车内装载了12个储氢容器,每个容器里面都装填了镁基固态储氢材料,就是将氢气存储在镁合金材料里,从运输气体变成运输固体,从而实现氢气的长距离、常温常压安全储运,并具备大容量、高密度、可长期循环储放氢的能力。它的单车储氢量是当前主流储氢方式——高压气态储氢的3到4倍。丁文江告诉我们,“镁,是一种非常好的储氢介质。”而这个结论的推出,要追溯到15年前。15年前,丁文江的科研团队开始对镁材料进行功能性研究,因为镁极其活泼,当磨得很细的时候,容易爆炸。为了解决镁易爆的问题,团队尝试使用多种气体来进行安全性保护,比如氮气、氩气、二氧化碳、六氟化硫,但都没有成功。最后经过上千次的实验,做了各种可能的尝试,依然无法解决这个难题。最终,大家想到了氢。结果氢一接触到纳米镁,就变成了镁氢素,不但没爆炸,而且非常安全。于是,含镁氢的合金新材料应运而生,也为低成本“固态储氢”这个想法的实现,扫清了第一个障碍。
科研上的难点,接踵而至。镁基固态储氢的材料在放氢、充氢的时候,会发热,而到了使用端又需要加热。最初,放氢时候的温度达到了400℃。团队把颗粒状储氢材料进行合金化,又加入催化剂,使其属性温度不断下降,目前可以降至280℃,实验室内可以达到200℃以下。那么作为一个体系,一会要吸热、一会要放热,怎么做到热平衡?怎么做到热管理?最后能够做到热控制?只有这样才能提高固态储氢的效率和稳定。创新还在继续。比如,解决热控制问题的时候,团队让材料分成一小块、一小块,可以充分地进行热交换,快速散热,放氢加热就更加均匀,让它有隔离空间,防止材料堆积,避免形成局部膨胀。
就这样,镁基固态储氢这个技术,正在朝着成熟逐步迈进。在现有的氢能产业链中,储运占据了整个成本的30%~50%,决定氢能应用的关键,就是寻找安全高效的氢能储运技术。而如今,丁文江院士的创新研发、团队的不断迭代技术、政策的支持和顶层设计的布局,所有因素的综合作用下,未来能源氢能的产业化,已经提速在即。
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