丁文江院士：固态储氢，前程在“镁”
丁文江，中国工程院院士，轻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。他潜心研究轻合金材料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。他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。他曾荣获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、“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？经过长期攻关，找到了一个新方向：用固体形式来存储氢气。我国科研人员从镁材料中发现了机会，制备出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镁基材料中，从而使得存储和运输量更大、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？在研发的道路上经历了怎样的曲折才最终找到这条“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？如何让昂贵的“氢”变得低廉氢在元素周期表里排第一位，实际上氢是自然界的所有能源之母，能源转型的过程中氢是一个不可或缺的角色。这样好的能源，距离真正进入大规模应用还有很大的距离，它的痛点主要在于成本。首先，氢在自然界是没有的，它属于二次能源，一定要从其他东西转化过来。制氢现在一般都是用煤或者用电，用煤制氢的时候会排放二氧化碳，用电制氢的时候，要用铂金作为催化剂，铂金就比较贵。其次，氢制造出来要储运，现在储运氢，就是用一个大概有200个大气压的高压罐，把氢压缩在里面，拉来拉去，这就是气态运氢。一辆49吨的卡车，只能装300公斤氢气，效率非常低，所以运氢就比较贵。还有一种就是用液态运氢，就是在零下253摄氏度把氢气液化了，要到零下253摄氏度才能实现它，这是一个很大的困难；再加上运输它要密封，对各种各样的管道、泄漏都要很好地控制，所以成本也比较贵。最后，加氢站建设要占地，成本也非常贵。轻合金材料里面含有镁，在表现过去的电视剧或者电影当中，出现照相场景的时候有一种镁光灯，这个镁光灯就是利用镁燃烧的一刹那放出的光进行拍照。水蒸气在一定的状态下可以变成雾，也可以变成霜，这个霜就是李白说的“床前明月光，疑是地上霜”那个霜。我国到目前为止生产的镁占了全世界90%，90%的镁都是镁蒸气变的。我当时有一个想法，就是能不能让它变成“霜”呢？就是镁的“霜”，“霜”的质点会非常细，就像纳米状态的细的镁粉，在高科技产业，特别是在一些含能材料里面有非常广的应用前景。15年前，我们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，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，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。眼看山穷水尽，苦无办法之际，我们想到了氢。结果实验成功了，氢一接触纳米镁就变成了镁氢素，不但没爆炸，而且非常安全。长期的探索与积累，最终取得了回报。我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，也给低成本固态储氢的应用带来了希望。固态储氢为能源发展带来改变有了固态储氢材料创新和技术基础，我们团队进一步在应用上进行工程化研究。一辆49吨的卡车，气态运氢只能装300公斤氢气，如果换成固态储氢，储氢量可增加4倍以上，还可在常温下长距离运输，安全性也好。朝着这个方向，我们准备制造储氢能力1吨以上的标准集装箱，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。这样大型镁储氢装置，氢的进入和脱出是相当困难的，特别是在表面氧化之后，要形成一些催化点在镁材料上面，相当于氢进入和脱出的一些窗口。我们经过反复实验，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。研究团队经过不断测试，通过控制氢气流量，让它调节在一个合适的范围才逐步解决了热失控的问题。在科技创新的路上，我们经过5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。这种储氢车可以储存1.5吨的氢气，是常规气态储氢的4到5倍，而且可以在常温常压下储运。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。储氢的成本怎样呢？据测算，气态存储1公斤氢气从常压常温压缩到35兆帕所需的能耗是5度电；液态储氢从常压常温液化为1公斤氢气需耗电15度；常温常压下固态储氢放1公斤氢气需耗电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。固态储氢前景广阔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，在工业生产中它也同样前景广阔。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75公斤的固态储氢罐来供氢，不仅储氢量相当于15个气态氢气瓶，还更加安全高效。为此，我们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。经过多次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。直到在一次激烈的现场争论中，我们从爆米花中获得了灵感。按照这个思路，我们把材料进行加热加压，再卸压，在不同的温度环境下反复进行实验，终于找到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。75公斤的固态储氢罐最终被研制成功，给半导体行业的供氢带来新选择。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过程中，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，固态储氢技术又能作出怎样的贡献？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、废热蒸气和地热等，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作为原料来制取，又能从煤层气、焦炉煤气及其油页岩裂解气中分离出来。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%来源于煤炭重整制氢，不进行二氧化碳捕集，这又称为灰氢。如果将低品质的煤先转换成甲烷，再通过金氢工程转化为高纯氢和高纯碳材料，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。