中國工程院院士 丁文江：推動中國氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺階

◆   全球首輛鎂基固態(tài)儲運氫車最大儲氫量可達 1 噸，相當于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車的 4 倍，而運輸?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)勢資源，將固態(tài)儲運氫發(fā)展成有核心競爭力的產(chǎn)業(yè)

文  |  《瞭望》新聞周刊記者 潘旭 實習生 胡了然

噸級鎂基固態(tài)儲運氫車在江蘇如皋測試基地測試充放氫性能 受訪者供圖

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

丁文江團隊將氫氣運輸從氣態(tài)變成了固態(tài)。有了這輛車，氫氣可以被儲存在鎂合金材料里進行長距離運輸，不僅可在常溫、常壓下進行儲運，且安全性更強、容量更大、密度更高。氫能是世界公認的清潔能源，在現(xiàn)有的氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲運占到總成本的 30% 至 50%，安全高效的氫能儲運技術(shù)是決定氫能應用的關(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運，對中國而言有著天然的優(yōu)勢。中國的鎂資源豐富，占全世界鎂資源的 50% 左右，不需要進口。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)勢資源，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，推動氫能產(chǎn)業(yè)邁上新臺階。

運用鎂合金技術(shù)解決氫儲運難題

《瞭望》：噸級鎂基固態(tài)儲運氫車有什么特點？和傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車相比有什么優(yōu)勢？

丁文江：從數(shù)據(jù)上看，優(yōu)勢一目了然。首輛鎂基固態(tài)儲運氫車最大儲氫量可達 1 噸，相當于傳統(tǒng)高壓氣態(tài)長管拖車的 4 倍，運輸成本僅約三分之一。

我們做固態(tài)儲運氫車的初心，是看到現(xiàn)有的氫儲運技術(shù)，特別是在陸地上的儲運，還有很多不盡如人意之處。比如，目前最常使用的長管拖車，屬于氣態(tài)儲氫，把氫氣壓縮到 200 個大氣壓左右后置于長管內(nèi)進行運輸，這也是世界各國的通行做法。氣態(tài)儲氫運輸屬于危險品運輸，有很大的安全隱患，且對道路條件要求高，車輛無法通行于隧道等路段。在這種情況下，科學家們想到了液態(tài)儲氫，將氫氣降溫到零下 253 攝氏度，變成液態(tài)后運輸。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。和儲運天然氣不一樣，氫的分子是所有分子里最小的一個，穿透性、滲透力很強，實現(xiàn)密閉性是液態(tài)氫儲運中的難題。

考慮到以上種種，我們采用固態(tài)儲氫方案。固態(tài)儲氫有三個好處：一是常溫儲運。液態(tài)氫儲運需要零下 253 攝氏度，屬于極低溫，而固態(tài)儲氫運輸可實現(xiàn)常溫儲運。第二，常壓儲運。儲運時的壓力約 1.2 個大氣壓強，幾乎為常壓，和氣態(tài)氫儲運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)儲氫可達 110 千克。

這三方面的優(yōu)點讓我們從 2007 年開始下定決心，攻關(guān)固態(tài)儲氫的各項技術(shù)難題。

《瞭望》：通過這些年的攻關(guān)，運用鎂合金技術(shù)解決了氫儲運的哪些技術(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)儲氫材料以及用鎂儲氫的技術(shù)。發(fā)達國家早就在開發(fā)鎂材料儲氫，但因為存在技術(shù)難度一直沒能被廣泛使用。國外采取的技術(shù)是把鎂切得很細很小以增加儲氫表面積，鎂的表面積越大，儲氫的量就越大，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，鎂粒子可細致到微米級甚至是納米級。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，其接觸面積非常可觀，可用以儲存大量的氫氣，但是氣體又如何儲存氣體呢？我們的辦法是快速冷卻鎂蒸汽至固態(tài)，在冷卻的同時將氫填充進去，在這個過程中克服了大量的科研難題，比如安全性，因為該過程有爆炸、起火的風險隱患，研究出了噸級的固態(tài)儲氫工程化技術(shù)，最后以車的方式呈現(xiàn)。目前這輛儲運氫車是一輛原理樣車，還沒有實現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)，我們正在向規(guī)模化的方向努力。

今后，我們還要不斷進行材料學科的科研攻關(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，而且進出過程要方便。同時對氫進行固態(tài)化儲存的時間不能太久。所以材料的改進至關(guān)重要。氫進入固態(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》：噸級鎂基固態(tài)儲運氫車要大規(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)模化生產(chǎn)，還要持續(xù)努力去解決它所面臨的環(huán)境風險、安全生產(chǎn)風險等等。

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，需要在實踐中磨合。這輛噸級鎂基固態(tài)儲運氫車要行駛在路上，就面臨現(xiàn)有的交通法規(guī)以及化學品管理制度如何對其管理的問題，不僅我國缺少相關(guān)規(guī)定，西方發(fā)達國家也沒有類似的管理經(jīng)驗可以借鑒，這項技術(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

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

丁文江：固態(tài)儲運氫技術(shù)對于氫能源的利用有著戰(zhàn)略意義。對我國而言，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)勢資源，將固態(tài)儲運氫發(fā)展成有核心競爭力的產(chǎn)業(yè)。

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

從固態(tài)儲運氫技術(shù)本身來看，我們在世界競爭中已具有優(yōu)勢。這輛噸級鎂基固態(tài)儲運氫車及其相應的技術(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)勢資源以及與這些資源相對應的技術(shù)優(yōu)勢，梳理出的這些都是有優(yōu)勢的 " 潛力股 "，通過將資源和技術(shù)相結(jié)合進行大力發(fā)展，假以時日有望形成一批世界領(lǐng)先的、人無我有的產(chǎn)業(yè)。

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

丁文江：任何一項技術(shù)要發(fā)展成產(chǎn)業(yè)，都離不開兩個字——需求。沒有需求，技術(shù)只能是技術(shù)，躺在實驗室里，或是在產(chǎn)業(yè)化道路上躺在某個辦公室的抽屜里。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)的電動汽車產(chǎn)業(yè)，也是運用傳統(tǒng)的發(fā)電方式后再通過鋰電池把能源儲存起來。

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。鋰電池儲能每天要衰減 1% 至 3%，所以長期來看，氫能源的存取有其優(yōu)勢。

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，比如我們手機充電，把電池連接著充電器，插進電源口去充電，電的清潔與否直接決定了這部手機所使用的是否是清潔能源。氫能就可以解決這個問題，氫能可用于制作燃料電池，其本身就是清潔能源，因為氫元素的特性，氫能在使用過程中排放出的是水，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δ茉吹男枨螅褜鹘y(tǒng)能源的需求變?yōu)閷淠艿男枨蟆?/span>

氫能產(chǎn)業(yè)兩大優(yōu)勢助力 " 雙碳 " 目標

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

丁文江：我國自 2020 年提出碳達峰碳中和目標以來，各方正在積極有序推進實現(xiàn) " 雙碳 " 目標。要確保實現(xiàn)目標，大力推進低碳、零碳甚至負碳科技創(chuàng)新至關(guān)重要，加大對可再生能源發(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、長期的技術(shù)開發(fā)目標和路徑，實現(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)鏈有兩個優(yōu)勢。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重要出路。

其次，為實現(xiàn) " 雙碳 " 目標，學界和業(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，氫有著獨特的優(yōu)勢。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，將成為我國實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一大技術(shù)支撐。

刊于《瞭望》2023 年第 27 期