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中国工程院院士丁文江:固态储氢,前程在“镁”

发布时间 :2023-04-22 浏览次数 : 1684

氢能作为一种清洁且应用场景丰富的可再生能源,被认为是解决人类能源危机和可持续发展的有效方式,未来将在“双碳”目标实现过程中发挥重要作用。氢气储运,作为氢能产业链的重要一环,其安全性、成本及效率是当前氢能大规模应用需要解决的关键问题

镁基固态储运氢技术,具有高储氢密度、高安全性、高纯度释氢、可长时间储存等性能优势,并且我国镁资源十分丰富,因此成为突破当前氢气储运瓶颈的有效途径。

今年以来,镁基固态储氢发展呈加快之势。据报道,由上海氢枫能源技术有限公司与上海交通大学氢科学中心联合主办的“吨级镁基固态储运氢车发布会”,将于2023年4月13日在上海市嘉定区上海汽车会展中心举办,届时中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江院士及其团队、多位行业院士专家及政府领导等将共同出席本次会议。


图源氢枫能源

此外,3月26日,央视财经频道《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任、中国有色金属工业协会镁业分会副会长、文镁轻量化应用澳门太阳网城官网首席科学家丁文江精彩解析《固态储氢 前程在“镁”》

人物介绍

丁文江



图源央视财经频道视频截图

中国工程院院士,氢合金精密成型国家工程研究中心主任、上海交通大学氢科学中心主任。潜心研究前氢合金材料40年,带领团队创制的镁稀土合金在航空、航天、医疗、能源等领域大放异彩,在镁基固态储氢材料基础研究、应用开发、工程化研究和技术转移等领域实现了多项突破,为解决氢能利用中的储存运输难题提供了建设性方案,曾荣获国家技术发明一等奖,全国优秀科技工作者等荣誉。

氢是自然界的能源之母,绿色低碳转型的重要载体,因其清洁、高效、可持续,氢在新能源发展中被寄予厚望。

由于氢气通常以气态形式存在,且易燃易爆易扩散,导致常温常压下氢气的储存和运输存在很多现实难题。

目前市场上常用的高压气态储氢和低温液态储氢成本高、能耗大,大规模应用存在很多障碍。能否另辟蹊径,找到一种新办法,让氢储运成本更低?安全性更好?更适合规模化应用需求?

我国科研人员经过长期攻关,找到了一个新方向,用固体形式来存储氢气,他们从镁材料中发现了机会,制备出了一种神奇的合金材料,这种材料不仅让氢进出自由,还能对氢进行净化,让氢以固体形式留在了镁基材料中,从而使得存储和运输的量更大、成本更低、安全性更高。

目前这项固态储氢技术在交通、风电、冶金等领域已开始逐步探索应用,这种神奇的合金,为什么能有效破解氢能储运难题?在研发的道路上,他们经历了怎样的曲折才最终找到了这条“金光大道”。

在能源结构向低碳清洁、绿色转型过程中,还需攻克哪些难关才能实现“氢”装上阵?

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

在能源转型的过程当中,氢是一个不可或缺的角色,这样的一个能源离真正进入还有很大的距离,那么它的距离为什么会产生呢?

因为有痛点,痛点实际就是:成本贵。

那么贵在哪里?

第一个是制氢,因为氢是二次能源,一定要从其它东西转化而成,制氢现在一般都是采用煤制氢或者电制氢,煤制氢会排放二氧化碳,电制氢要用到催化剂,这个催化剂是铂,也就是铂金,因此比较贵。

第二个是制氢之后又要储运。现阶段大量储运的氢就采用高压罐,大概有200个大气压,压缩在里面,拉来拉去,运氢就是用气态运氢,使用气态运氢的一辆49t卡车,大概只能装300kg氢气,效率非常低,所以运氢就比较贵。

还有一种运用采用液态的方式,在-253℃的情况下将氢气液化。那么大家可以想一下,实现-253℃是一个很大的困难,再加上运输、密封,并对其管道泄漏都要很好的控制,所以成本也比较贵。

氢合金材料里面有一个镁,此外,水蒸气在一定的状态下可以变成雾,也可以变成霜,也可以变成雨,我国都把镁蒸气变成了“雪”和“冰”,并进行重熔。

全世界九成的金属镁都是中国生产。中国到目前为止生产的镁占了全世界90%,都是镁蒸气变的。因此丁文江表示产生了一个想法,就是能不能让镁变成“霜”。

镁的“霜”其质点会非常细,就像纳米状态。

那么这样纳米状态的、细的镁粉(高纯氢化镁粉),在高科技产业里面,特别是一些含能材料里面都有非常广阔的应用前景。

15年前,丁教授带领着他的科研团队,开始对镁材料进行功能性研究,因为镁极其活泼,当磨的很细的时候,非常容易发生爆炸,为了解决镁易爆的问题,研究团队尝试使用多种气体来进行安全性保护,但都没有成功。

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

用了氮气、用了氩气,也用过二氧化碳,也用过其他的像六氟化硫的这种保护气体,但是在这个过程当中都产生了很多的事故,这个机器在试验过程当中还发生过爆炸。

丁教授他们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,眼看山穷水尽苦无办法之际,他们想到了氢。

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

就是一个灵感,让氢直接去跟镁见面,接触以后氢就到了纳米镁的上面,上去之后镁就变成镁氢素了,镁氢素就没有爆炸,也非常安全。

长期的探索积累,最终给研究团队最温暖的回报,他们首创的用蒸气法来制造含镁氢的合金新材料,初步具备批量生产的可能,也给低成本固体储氢的应用带来了希望。

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

团队做的就是要把氢走进固体里面去,大概原子数的比例是1:2(一个镁原子带两个氢原子),氢化镁这个物质在一定的条件下,氢还可以取出来,又可以再把氢放进去,而且其储存能力很强,所以就创制了氢化镁这个材料。

其实,氢化镁这个材料早在40年前就有了,以前所有的氢化镁做法都是把一个镁锭切成一片一片,进行球磨并做成很细的粉,再充上氢,变成氢化镁。这样做非常贵并且效率也非常低,因此只能够变成一些科学试剂而用,做不到工程化、产业化。

团队的方法正好与之相反,由小往大做,用蒸气开始,从镁原子-镁颗粒-氢化镁,这样做起来批量就会“大起来”,这样使得现在的镁基固态储氢变成了可能。

固态储氢怎么来解决储运氢的难题?

团队最后做成的镁跟氢结合的物质,形状一粒粒的像药片一样,可以像运大米、运面粉一样,让氢放在镁的这个固体里面进行运氢、固态储氢,首先要做出这样一个产品,把氢可以放进去;第二就是要把镁变成一个能够批量地、低成本地进行储氢的一个体系。

团队做了一个比较,每个立方米200个大气压的气态氢气大概只能存储14.4公斤,液态氢在-253℃的时候每立方米只能存储70公斤氢气,而如果采用固态储氢材料氢化镁,由于是常温低压,每个立方米存储氢气110公斤,可以看到固态储氢的优越性非常强。

由于在材料上要做很多的研究,丁教授团队就对其结构表面进行了修饰,使氢进去、出来的通道非常畅通,而且不会产生其他的变化,称之为材料结构完成了创新。

把该粉末状压制在药片上,然后放到一个储氢系统里面,就完成了材料的研发,这个是可以根据纯度来划分其他不同的用途,在不同的用途中有两种,一种就是储存,不断的储存;另外一种就是直接进行水解,放置在带有催化剂的水里面,可以直接就放出氢气,这种粉状的氢是一次使用,颗粒状的氢可以重复使用,可反复使用约3000次,没有任何衰减。

粉状氢是做成纳米粉,能够在水解的时候,表面积充分地释放,可以把水里面的两个氢也带出来,储氢密度实际达到13%左右,理论水平大概是15.2%,粉状材料已经实现以吨进行生产。

这种材料储氢时有很大的一个特点,比如说很多工业废氢中有一部分具有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等各种杂质。氢储存进去之后,像一氧化碳、二氧化硫这类气体就自然排除了,储存好之后运到所应用的场景,放出来至少是99.999%的氢。如果把阀、管道清理得当,甚至可以达到99.99999999%的氢,这种就叫净化储运。

所以固态储氢有一个很大的特点,可以净化储运,也就是储存进去的氢气可以得到净化,也就意味着在储运的过程当中对氢气进行了纯化。

在现阶段的末端应用里面,包括医疗、半导体产业、新材料领域里面用的氢气,甚至于现在燃料电池要用的氢气,大部分都是要高纯氢,达到99.999%以上的氢。

值得一提的是,这样不仅仅是在储运氢,同时还在改造氢,把氢弄得更纯、更干净。

但是也有缺点,缺点是什么呢?

就是放氢、充氢的时候,这个材料会发热,会有点膨胀。这个热量会放出来,然后到使用端的时候,还需加热。

那么开始接触的时候,放氢温度400℃。团队目前还在努力,把颗粒状储氢材料进行合金化,加进一些催化剂,使其属性温度不断下降,现阶段大概降至280℃,实验室大概可以达到200℃以下。

正因为这样一个东西,要吸热、要放热,当变成一个体系的时候,怎么做到热平衡?怎么做到热管理?最后能够做到热控制,来进一步提高这个固态储氢的效率和稳定?

解决热控制问题的时候,团队做了很多的创新,第一个是让它分成一小块、一小块,能够成为加热的介质,让它充分地进行热交换,让它快速散热,放氢加热就更加均匀,让它有隔离空间,防止材料在一边堆积来避免形成局部膨胀。

有了固态储氢材料创新和技术基础,丁文江院士团队进一步在应用上进行工程化研究,一辆49t的卡车气态运氢只能装300kg氢气。如果换成固态储氢,储氢量可增加四倍以上,还可常温下长距离运输,安全性也好,朝着这个方向,他们准备制造储氢能力1t以上的标准集装箱,不过这种大型固态储氢装置的建造需要研究解决的课题也很多。

上海交通大学氢科学中心副主任邹建新:

这样大型的镁储氢装置,它的氢要进入和脱出是相当困难的,特别是在表面氧化之后,要把镁材料表面上给它形成一些催化点,相当于氢进入和脱出的一些窗口。

丁文江院士团队经过反复试验,不断尝试新的方法,才初步实现了氢的吸入和放出,但是在这一过程中会产生大量的热,如何解决热失控的问题又成了新的难点。

上海交通大学氢科学中心副主任邹建新:

记得之前有一个非常危险的情况出现,就是当时氢充进去以后出现了一个热失控的情况,里面的温度发生了一个飙升,身边的人都已经不知道该怎么去处理。

万分紧急情况下,邹建新果断采取了措施,关掉了进氢阀,并不断测试,通过控制氢气流量,调节在一个合适的范围,才逐步解决了热失控的问题。

在创新的路上,他们执着前行,经过五年的研究,终于在2022年12月份试制出世界首台标准化镁基固态储氢车。

上海交通大学氢科学中心与氢枫科技研发人员方沛军:

这辆首台标准化镁基固态储氢车,基本上40尺的大小可以存1.5t的氢气,是常规的(气态储氢)四到五倍的存储量,这个高密度储存会带来很多经济方面的一些效益。

另外高密度储氢本身在运输过程里边是常温常压的,安全性能够得到很大的一个保证。

标准集装箱式设计的镁基固态储氢装置,能够适应铁路、公路、轮船等不同的运输方式,适合长距离、大规模氢运输,不同的集装箱组合在一起,可以固定存储大量的氢能,形成大规模的固态储氢站。

不过因为固态储氢,储放氢的过程需要能量介入,储氢的成本怎样?

据测算,气态存储1kg氢气从常压常温压缩到35MPa,所需的能耗是5度电。液态储氢从常压常温液化为1kg氢气需耗电15度。常温常压下固态储氢,放1kg氢气需耗电14度。

镁基固态储氢装置在实际应用中需要跟各种场景匹配。控制储放氢的能量损耗和成本是关键点,这些核心问题一旦解决,氢能就可以登上更广阔的舞台,释放巨大的能量。

未来固态储氢技术,有哪些氢能应用场景?它能为全社会的能源转型发展带来什么改变?

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

首先应用场景可以叫“走天下”。

“走天下”代表可以长距离、大规模,可以用火车拉集装箱,也可以船运集装箱,甚至于对一些急需的场合,还可以空运。

例如上海崇明要建崇明生态岛,就希望采用氢能源,但是要把这个氢用到生态崇明岛上去,气态氢不能走隧道,因为它是危险品,也不允许走,所以这个场景应用比较困难。

那如果用一吨的固态运氢车去满足这项应用场景,从隧道过去就能把氢运过去。

现阶段要使用氢能源有一个很大的痛点——加氢站建设。

加氢站如果采用了固态储氢,再放一个加热系统,就可以实现加氢。现阶段国内的加氢站实际加氢量还未出现“上过吨”的,如果真正实现固态储氢加氢,2辆车就载有2吨氢气,假如5kg加满一辆车,2吨氢气一天就可以加满400辆汽车。

固态储氢可以常温常压下储存大量余能。

第二个场景叫储余能,余是多余下来的能,或者是我们放弃的能,全世界都存在这个问题,都要采用太阳能作为清洁能源,要用光伏、风能来发电,这个电是周期性的、有波动的,电网不太喜欢,所以产生了大量的弃风、弃电,由于上不了电网,有时候电就白白的浪费了。

比如生活当中晚间的电费便宜,白天的电费贵,为什么呢?

因为晚上用的人少,电只要发出来,一定要用掉,如果用不掉就是浪费,丁院士认为最方便的就是固态储氢,因为固态储氢有一个很好的特性,只要氢进去了,它就是固体了,他也不会衰退,除非加热或者潮湿水解。

只要不潮、不热,就永远在镁里面,所以余能采用固态储氢,大量的余能给我们打开了一个非常好的应用场景。

第三个场景叫“进万家”。日本家庭用氢已经达到了300万户,而且增长速度非常快,日本把天然气装在钢瓶里面,运到家庭里面去,放在外面,把天然气附加了一个装置,把天然气转化成氢气,然后用氢气去推动燃料电池发电,重点是效率高。因为家用能源,最主要用在两个地方,一个是家用电器,另外一个是能源,要加热、洗澡。

分布式电源供的方式最大的好处是什么呢?

称之为热电联供,按照日本的做法,热电联供的效率加起来效率最高可以达到90%,因为氢在变成燃料电池发电的时候,就供出90℃左右的水,而且这个水是没有任何污染,应该是最纯的水,因为直接是由氢跟氧结合起来,没有其他东西,这个水甚至可以喝,那么对比一下,我们现在用煤来发电,上海这个发电厂水平最高,全国这个发电效率最高,发电效率不会超过45%,那么如果让氢能走进家庭,效率可以提到那么高,能耗会大量降低,对我们国家实现“双碳”的目标会有很大的一个促进作用。

固态储氢如果“进万家”,用来为家庭供氢的时候,不要有一个天然气变成氢气的过程。因为天然气变成氢气,某种意义上还是一个化学过程。如果使用固态储氢,5kg的储氢罐就可以发75度电,还可以满足每天一个五口之家用的热水、洗澡,甚至于房间里面供热,效率都很高。

家庭用的分布式的电源、能源就是热电联供,效率又高、又便宜、又方便,可以用于学校、园区、医院、大楼等场景。

固态储氢,不仅可以在交通运输、储能、家庭热电联供等领域广泛应用,在工业生产中,同样前景广阔。比如半导体行业在生产过程中需要大量高纯度的氢。

依靠气态存储瓶,供应量小且存在安全隐患,如果用一种75kg的固态储氢罐来供氢,不仅储氢量相当于15个气态氢气瓶,还能更加安全高效,为此丁院士团队进行了专项研发,但是在研发过程中,材料膨胀如何控制的技术难题又摆在面前。

上海交通大学氢科学中心与镁源动力研发人员刘兵银:

这个材料在我们充放氢的过程中,它会发生大小的变化,这个变化无法控制,我们经过无数次的实验,就发现镁也不能做到稳定地、均匀地储存氢气。

大家多次进行不同场景下的模拟测试,始终无法解决这个问题。研发小组一筹莫展,直到一次激烈的现场争论,他们从爆米花中获得了灵感。

上海交通大学氢科学中心与镁源动力研发人员刘兵银:

这个材料和玉米粒比较像,我们就想起了小时候的爆米花,爆米花也是把玉米放到一个容器里面进行加热,然后再爆开,它就形成了一个稳定的形状,我们考虑能不能采取这种原理。

按照这个思路,他们把材料进行加、加压,再泄压,在不同的温度环境下反复进行实验,最后终于找到了控制材料膨胀的诀窍,使得氢气可以稳定地、均匀地储存和释放。

75kg的固态储氢罐最终被研制成功,给半导体行业的供氢带来了新选择,事实上这只是固态储氢技术在工业领域应用的一个场景,它也说明氢能的应用可以更加广泛,在冶金,电力等行业的节能减排中还可以有更大的发挥空间。那么固态储氢进企业能带来哪些重大技术革新?实现双碳目标,固态储氢技术又能做出怎样的贡献?

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

镁基固态储氢进企业做什么呢?

做冶金、炼钢。

现在中国的钢铁产量已经很厉害了,产能已经达到了14亿t,那么每一吨钢在炼钢的时候,排出的二氧化碳要到1.8吨,14亿吨就相当于25吨二氧化碳的排放。

25亿的碳排放就相当于我们国家碳排放的总量的1/5,那么这样大的碳排放对钢铁行业来说,它是一个多可怕的一件事情,要达到我们碳达峰,我们怎么做呢?

其中有一条路就是叫氢冶金,氢冶金就是因为铁矿石都是氧化铁,氢是还原它最强的一个还原剂,就用固态储氢在炼钢炉边上用氢来还原氧化铁来炼钢。这样冶金行业、钢行业就可以没有二氧化碳排放,因为在炼钢的同时,还要还原发热,余热可以供给固态储氢的放氢,能源效率得到了非常高的提升,这也是进企业的一个场景。

镁基固态储氢进企业第二个场景——固态储氢助力燃气轮机发电。燃气轮机可用于发电,发电用过去都是用煤烧成蒸气来发电,那么同样的燃气轮机如果也用余热来把固态储氢系统里面的氢放出来,变成燃气轮机的一个能源,碳排放至少可以节省一半,因为(全国电厂)发电的碳排放的总量大概也占到全社会整个碳排放量的20%~25%左右,也相当于1/4~1/5。

如果炼钢跟燃气轮机的发电把氢用上去的话,全社会的碳排放量就降低了50%,我国每年大概使用3000万t氢,里面有近80%来源于煤炭,这个煤炭产生的氢气叫作灰氢,工业废气产生的氢气叫作蓝氢。

现在我国整个生产氢气的比例:用煤气化制氢排出二氧化碳的占了我们国家用氢总量的63.6%,用焦炉煤气作为副产品制氢(蓝氢)大概占到18%。天然气制氢大概占到13.8%,氯碱工业的复产氢大概占3.2%,绿氢、电解制氢大概只有1.5%,煤气跟天然气加起来生产的氢大概占到80%。

那么如何来改变?

改变就需要用到固态储氢的一个很重要的应用场景,也是团队最近搞得一个新技术,这个技术就是把工业当中含碳氢的废弃物(比如塑料、废轮胎、风电的叶片)进行回收,让里面的碳氢化合物、非粮废弃物都可以用这个工艺、用这个技术,让它变成可燃气体。

我们国家的废弃物每年有1.46亿吨。大部分都是去做填埋处理或者进行焚烧,那环保费用会很贵,特别像塑料,燃烧会产生二噁英,就用回收的可燃气体甲烷再进一步分解成氢跟碳,这就叫金氢工程,这个金氢不单是零排放,在制造氢的过程当中把二氧化碳作为负的排放,这个技术的从实验室已经完成了。

金氢工程,简而言之是在特殊催化剂的作用下,将废弃物中的碳氢化合物,特别是甲烷在低能耗条件下逐级脱去氢原子,最终裂解生成氢气和碳材料的过程。这一过程中利用的加热源是工业余热、废热、蒸汽和地热等,而传统处理废弃物的方式需要燃烧,并会大量排放二氧化碳。相比之下,金氢工程碳排放几乎为零,而且产生的碳会被固定下来,甚至实现了负排放。

我国的甲烷资源十分丰富,既能从大量的湿垃圾、农业废弃物等富含碳氢元素的有机固体废物中作为原料来制取,又能从煤层气、焦炉煤气和油液岩裂解器中分离出来。

金氢工程可以广泛在垃圾发电厂等场景中使用,我国每年生产的氢有近80%来源于煤炭、天然气重整制氢,不进行二氧化碳普及,这又称为灰氢。

如果将低品质的煤先转化成甲烷,再通过金氢工程转化为高纯氢和高纯碳材料,这样就可实现近零碳排放。

高纯度氢气,可以大批量固态存储,运输到相应的使用场景,将真正实现灰氢变身绿氢的飞跃,为实现双碳目标贡献力量。

中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江:

灰氢通过金氢工程就可以变成绿氢。

根据市场调查,如果把煤都变成了氢,氢跟碳出来了,那这个碳往哪里走呢?

团队跟农科院请教,发现这个碳可以作为我国的碳肥(有机碳肥)来改造农田,那么接下来利用这样的一个技术来发展国家资源优势的煤、镁、氢能源。

其中镁是金属镁,我国除了煤炭资源丰富之外,金属镁资源也比较丰富,这两个中国最丰富的资源来服务于氢能源,在利用固态储氢的时候,把已经开始的风电、储能产业充分发展起来,在西部建立数据中心,然后计算是在东部用,因为计算中心耗能很大,如果在这样一些应用场景里面把固态储氢作为一个分布式电源给计算中心供电,用碳这个能源转变成用氢的能源,才能够使我们国家的能源转型得到充分的体现,为实现双碳承诺发挥巨大的促进作用。

产业发展最根本的是两个学科,第一个是基础性的、关键性的材料;第二个是信息,能源与高端装备本质上就是材料技术跟信息技术不同的排列组合。

科技人员一定要把我国的资源优势化为技术优势和经济优势,为中国式的现代化实现做出应有贡献。


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