一輛外形酷似集裝箱卡車(chē)的噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)于今年4月公開(kāi)亮相，這是全球首輛噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)，是中國(guó)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(lái)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(chē)，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。
在接受記者采訪過(guò)程中，丁文江院士指出，用鎂合金來(lái)解決氫能儲(chǔ)運(yùn)，對(duì)中國(guó)而言有著天然的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)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(guó)金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。中國(guó)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
噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)有什么特點(diǎn)？和傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)，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(guó)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(chē)輛無(wú)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(wèn)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(kāi)始下定決心，攻關(guān)固態(tài)儲(chǔ)氫的各項(xiàng)技術(shù)難題。
通過(guò)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(guó)家早就在開(kāi)發(fā)鎂材料儲(chǔ)氫，但因?yàn)榇嬖诩夹g(shù)難度一直沒(méi)能被廣泛使用。國(guó)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(guó)家的科研人員把塊狀鎂材料一層層切取下來(lái)，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(guò)程中克服了大量的科研難題，比如安全性，因?yàn)樵撨^(guò)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(chē)的方式呈現(xiàn)。目前這輛儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)是一輛原理樣車(chē)，還沒(méi)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(lái)，而且進(jìn)出過(guò)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(guò)程，提取氫氣則是吸熱過(guò)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(lái)的材料，我們還在不斷努力。
噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)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(chē)到規(guī)模化生產(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(méi)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(chē)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(wèn)題，不僅我國(guó)缺少相關(guān)規(guī)定，西方發(fā)達(dá)國(guó)家也沒(méi)有類(lèi)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(mén)攜手共同來(lái)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(guó)氫能產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)
中國(guó)未來(lái)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(guó)而言，發(fā)展該技術(shù)有著三方面的有利條件。
中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)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(chē)及其相應(yīng)的技術(shù)世界領(lǐng)先，未來(lái)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(guó)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(guò)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(wú)我有的產(chǎn)業(yè)。
氫能是世界公認(rèn)的清潔能源，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)未來(lái)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(kāi)兩個(gè)字——需求。沒(méi)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(guó)是世界上最大的使用氫能的國(guó)家，但從能源結(jié)構(gòu)總體來(lái)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(méi)有發(fā)展起來(lái)。
我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，煤的占比依舊很高，用煤來(lái)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(chē)產(chǎn)業(yè)，也是運(yùn)用傳統(tǒng)的發(fā)電方式后再通過(guò)鋰電池把能源儲(chǔ)存起來(lái)。
在我看來(lái)，首先，鋰電池也只是過(guò)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(lái)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(wèn)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?，氫能在使用過(guò)程中排放出的是水，而且是高純度的水，氫可以來(lái)自太陽(yáng)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(guò)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)
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)將會(huì)在我國(guó)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(guó)自2020年提出碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)以來(lái)，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(kāi)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(yáng)能中獲取，是未來(lái)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(wèn)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(lái)和二氧化碳結(jié)合，變成甲醇或是甲烷，也就是說(shuō)，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(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一大技術(shù)支撐。
原標(biāo)題：中國(guó)工程院院士丁文江：推動(dòng)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階
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