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中國工程院院士丁文江:推動(dòng)中國氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階

《瞭望》發(fā)布時(shí)間:2023-07-03 14:27:53  作者:潘旭、胡了然

  ◇全球首輛鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車最大儲(chǔ)氫量可達(dá)1噸,相當(dāng)于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車的4倍,而運(yùn)輸?shù)某杀緝H約三分之一

  ◇中國金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分地利用優(yōu)勢(shì)資源,將固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫發(fā)展成有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)


噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車在江蘇如皋測(cè)試基地測(cè)試充放氫性能 受訪者供圖

  一輛外形酷似集裝箱卡車的噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車于今年4月公開亮相,這是全球首輛噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車,是中國工程院院士、上海交通大學(xué)教授丁文江從事鎂合金研究30多年來的一個(gè)里程碑。

  丁文江團(tuán)隊(duì)將氫氣運(yùn)輸從氣態(tài)變成了固態(tài)。有了這輛車,氫氣可以被儲(chǔ)存在鎂合金材料里進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸,不僅可在常溫、常壓下進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn),且安全性更強(qiáng)、容量更大、密度更高。氫能是世界公認(rèn)的清潔能源,在現(xiàn)有的氫能產(chǎn)業(yè)鏈中,儲(chǔ)運(yùn)占到總成本的30%至50%,安全高效的氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是決定氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。

  在接受《瞭望》新聞周刊記者采訪過程中,丁文江院士指出,用鎂合金來解決氫能儲(chǔ)運(yùn),對(duì)中國而言有著天然的優(yōu)勢(shì)。中國的鎂資源豐富,占全世界鎂資源的50%左右,不需要進(jìn)口。到目前為止,中國金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分利用優(yōu)勢(shì)資源,結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新,推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階。

  運(yùn)用鎂合金技術(shù)解決氫儲(chǔ)運(yùn)難題

  《瞭望》:噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車有什么特點(diǎn)?和傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車相比有什么優(yōu)勢(shì)?

  丁文江:從數(shù)據(jù)上看,優(yōu)勢(shì)一目了然。首輛鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車最大儲(chǔ)氫量可達(dá)1噸,相當(dāng)于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車的4倍,運(yùn)輸成本僅約三分之一。

  我們做固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車的初心,是看到現(xiàn)有的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),特別是在陸地上的儲(chǔ)運(yùn),還有很多不盡如人意之處。比如,目前最常使用的長(zhǎng)管拖車,屬于氣態(tài)儲(chǔ)氫,把氫氣壓縮到200個(gè)大氣壓左右后置于長(zhǎng)管內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸,這也是世界各國的通行做法。氣態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸屬于危險(xiǎn)品運(yùn)輸,有很大的安全隱患,且對(duì)道路條件要求高,車輛無法通行于隧道等路段。在這種情況下,科學(xué)家們想到了液態(tài)儲(chǔ)氫,將氫氣降溫到零下253攝氏度,變成液態(tài)后運(yùn)輸。這種方式的難度在于,一是要攻克能夠持續(xù)以零下253攝氏度儲(chǔ)存液態(tài)氫的容器和材料難題;二是要解決如何密閉的問題。和儲(chǔ)運(yùn)天然氣不一樣,氫的分子是所有分子里最小的一個(gè),穿透性、滲透力很強(qiáng),實(shí)現(xiàn)密閉性是液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)中的難題。

  考慮到以上種種,我們采用固態(tài)儲(chǔ)氫方案。固態(tài)儲(chǔ)氫有三個(gè)好處:一是常溫儲(chǔ)運(yùn)。液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)需要零下253攝氏度,屬于極低溫,而固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸可實(shí)現(xiàn)常溫儲(chǔ)運(yùn)。第二,常壓儲(chǔ)運(yùn)。儲(chǔ)運(yùn)時(shí)的壓力約1.2個(gè)大氣壓強(qiáng),幾乎為常壓,和氣態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)相比有著更高的安全性。第三,含氫密度高。每立方米的氣態(tài)氫重約39千克,每立方米的液態(tài)氫重約70千克,而每立方米的固態(tài)儲(chǔ)氫可達(dá)110千克。

  這三方面的優(yōu)點(diǎn)讓我們從2007年開始下定決心,攻關(guān)固態(tài)儲(chǔ)氫的各項(xiàng)技術(shù)難題。

  《瞭望》:通過這些年的攻關(guān),運(yùn)用鎂合金技術(shù)解決了氫儲(chǔ)運(yùn)的哪些技術(shù)難題或瓶頸?還有什么難題需要克服?

  丁文江:目前我們已經(jīng)成功攻克的是工程化生產(chǎn)儲(chǔ)氫材料以及用鎂儲(chǔ)氫的技術(shù)。發(fā)達(dá)國家早就在開發(fā)鎂材料儲(chǔ)氫,但因?yàn)榇嬖诩夹g(shù)難度一直沒能被廣泛使用。國外采取的技術(shù)是把鎂切得很細(xì)很小以增加儲(chǔ)氫表面積,鎂的表面積越大,儲(chǔ)氫的量就越大,放氫的速度也越快。比如有的國家的科研人員把塊狀鎂材料一層層切取下來,把大塊的鎂磨碎成小粒子的鎂,增加表面積,鎂粒子可細(xì)致到微米級(jí)甚至是納米級(jí)。所以本質(zhì)上,他們是把鎂“從大變小”。

  我們恰恰相反,把鎂“從小變大”。將鎂做成氣態(tài)鎂,也就是鎂的蒸汽,從而得到非常微小的鎂粒子,其接觸面積非??捎^,可用以儲(chǔ)存大量的氫氣,但是氣體又如何儲(chǔ)存氣體呢?我們的辦法是快速冷卻鎂蒸汽至固態(tài),在冷卻的同時(shí)將氫填充進(jìn)去,在這個(gè)過程中克服了大量的科研難題,比如安全性,因?yàn)樵撨^程有爆炸、起火的風(fēng)險(xiǎn)隱患,研究出了噸級(jí)的固態(tài)儲(chǔ)氫工程化技術(shù),最后以車的方式呈現(xiàn)。目前這輛儲(chǔ)運(yùn)氫車是一輛原理樣車,還沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?;纳a(chǎn),我們正在向規(guī)?;姆较蚺?。

  今后,我們還要不斷進(jìn)行材料學(xué)科的科研攻關(guān),讓氫的存取更為容易。通俗地講,就是把氫放到鎂里面去后還要讓它出得來,而且進(jìn)出過程要方便。同時(shí)對(duì)氫進(jìn)行固態(tài)化儲(chǔ)存的時(shí)間不能太久。所以材料的改進(jìn)至關(guān)重要。氫進(jìn)入固態(tài)鎂合金是放熱過程,提取氫氣則是吸熱過程,從熱力學(xué)角度講,氫的焓值比較高,傳統(tǒng)的材料需要400攝氏度才能放氫,現(xiàn)在我們致力于研究合適的、能將吸放氫的溫度降下來的材料,我們還在不斷努力。

  《瞭望》:噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車要大規(guī)模地行駛在路上,還要克服哪些困難?

  丁文江:從原理樣車到規(guī)?;a(chǎn),還要持續(xù)努力去解決它所面臨的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等等。

  再比如政策法規(guī)層面,新生事物在很多方面沒有納入已有的政策法規(guī)中,需要在實(shí)踐中磨合。這輛噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車要行駛在路上,就面臨現(xiàn)有的交通法規(guī)以及化學(xué)品管理制度如何對(duì)其管理的問題,不僅我國缺少相關(guān)規(guī)定,西方發(fā)達(dá)國家也沒有類似的管理經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,這項(xiàng)技術(shù)是世界范圍內(nèi)領(lǐng)先的,因此今后還要和相關(guān)的主管部門攜手共同來制定好管理規(guī)則,為新生事物的產(chǎn)業(yè)化掃清障礙。

  中國氫能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展重點(diǎn)

  《瞭望》:中國未來如何能在固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)上占據(jù)世界一席之地?

  丁文江:固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)對(duì)于氫能源的利用有著戰(zhàn)略意義。對(duì)我國而言,發(fā)展該技術(shù)有著三方面的有利條件。

  中國的鎂資源豐富,占整個(gè)世界鎂資源的50%左右,金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國可以充分地利用優(yōu)勢(shì)資源,將固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫發(fā)展成有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)。

  當(dāng)前中國的氫能發(fā)展已進(jìn)入科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的視野,很多人都在討論和研究光伏制氫、風(fēng)電制氫等氫能發(fā)展技術(shù)。在這樣的背景下,固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)就有可能成為中國有自主地位的一項(xiàng)氫能源技術(shù)。

  從固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)本身來看,我們?cè)谑澜绺?jìng)爭(zhēng)中已具有優(yōu)勢(shì)。這輛噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車及其相應(yīng)的技術(shù)世界領(lǐng)先,未來要考慮的是它的產(chǎn)業(yè)化和商品化,屆時(shí)將有望在世界范圍內(nèi)占據(jù)一席之地。

  除了鎂資源,還可以梳理我國的一些優(yōu)勢(shì)資源以及與這些資源相對(duì)應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),梳理出的這些都是有優(yōu)勢(shì)的“潛力股”,通過將資源和技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行大力發(fā)展,假以時(shí)日有望形成一批世界領(lǐng)先的、人無我有的產(chǎn)業(yè)。

  《瞭望》:氫能是世界公認(rèn)的清潔能源,中國氫能產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展重點(diǎn)是什么?

  丁文江:任何一項(xiàng)技術(shù)要發(fā)展成產(chǎn)業(yè),都離不開兩個(gè)字——需求。沒有需求,技術(shù)只能是技術(shù),躺在實(shí)驗(yàn)室里,或是在產(chǎn)業(yè)化道路上躺在某個(gè)辦公室的抽屜里。氫能產(chǎn)業(yè)同樣如此。

  中國是世界上最大的使用氫能的國家,但從能源結(jié)構(gòu)總體來看,氫能的占比還是很小,原因是以前儲(chǔ)存氫能源的技術(shù)沒有發(fā)展起來。

  我國能源結(jié)構(gòu)中,煤的占比依舊很高,用煤來發(fā)電是主要的發(fā)電方式,即便是現(xiàn)在發(fā)展迅速的鋰電池和與之相關(guān)的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè),也是運(yùn)用傳統(tǒng)的發(fā)電方式后再通過鋰電池把能源儲(chǔ)存起來。

  在我看來,首先,鋰電池也只是過渡產(chǎn)品,它存取能源伴隨著較大的衰減。鋰電池儲(chǔ)能每天要衰減1%至3%,所以長(zhǎng)期來看,氫能源的存取有其優(yōu)勢(shì)。

  其次就是能源的清潔性。鋰電池存取的能源主要是煤發(fā)電,比如我們手機(jī)充電,把電池連接著充電器,插進(jìn)電源口去充電,電的清潔與否直接決定了這部手機(jī)所使用的是否是清潔能源。氫能就可以解決這個(gè)問題,氫能可用于制作燃料電池,其本身就是清潔能源,因?yàn)闅湓氐奶匦裕瑲淠茉谑褂眠^程中排放出的是水,而且是高純度的水,氫可以來自太陽能,有很強(qiáng)的可持續(xù)性。

  歸根結(jié)底,要讓氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,就需要通過多種手段改變?nèi)藗儗?duì)能源的需求,把對(duì)傳統(tǒng)能源的需求變?yōu)閷?duì)氫能的需求。

  氫能產(chǎn)業(yè)兩大優(yōu)勢(shì)助力“雙碳”目標(biāo)

  《瞭望》:氫能產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)將會(huì)在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的低碳綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮怎樣的作用?

  丁文江:我國自2020年提出碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)以來,各方正在積極有序推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。要確保實(shí)現(xiàn)目標(biāo),大力推進(jìn)低碳、零碳甚至負(fù)碳科技創(chuàng)新至關(guān)重要,加大對(duì)可再生能源發(fā)電、新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、可再生燃料、碳捕集與利用和儲(chǔ)能等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),在總體框架下設(shè)定短期、中期、長(zhǎng)期的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)和路徑,實(shí)現(xiàn)綠色低碳技術(shù)系列突破。

  在這方面,發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先是能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整。相比傳統(tǒng)能源,氫更清潔,可從太陽能中獲取,是未來解決清潔能源的一個(gè)重要出路。

  其次,為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),學(xué)界和業(yè)界正大力研究如何減少二氧化碳排放的問題,也就是碳捕集和利用技術(shù)。在這方面,氫有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。氫可以被用來和二氧化碳結(jié)合,變成甲醇或是甲烷,也就是說,二氧化碳在改造之下又變成了可以被利用的能源,一旦研究和轉(zhuǎn)化成功,將成為我國實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一大技術(shù)支撐。

  《瞭望》2023年第27期 ) 記者 潘旭 實(shí)習(xí)生 胡了然


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