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中國工程院院士丁文江:固態(tài)儲氫,前程在“鎂”

發(fā)布時(shí)間 :2023-04-22 瀏覽次數 : 2125

氫能作為一種清潔且應用場(chǎng)景豐富的可再生能源,被認為是解決人類(lèi)能源危機和可持續發(fā)展的有效方式,未來(lái)將在“雙碳”目標實(shí)現過(guò)程中發(fā)揮重要作用。氫氣儲運,作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán),其安全性、成本及效率是當前氫能大規模應用需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

鎂基固態(tài)儲運氫技術(shù),具有高儲氫密度、高安全性、高純度釋氫、可長(cháng)時(shí)間儲存等性能優(yōu)勢,并且我國鎂資源十分豐富,因此成為突破當前氫氣儲運瓶頸的有效途徑。

今年以來(lái),鎂基固態(tài)儲氫發(fā)展呈加快之勢。據報道,由上海氫楓能源技術(shù)有限公司與上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心聯(lián)合主辦的“噸級鎂基固態(tài)儲運氫車(chē)發(fā)布會(huì )”,將于2023年4月13日在上海市嘉定區上海汽車(chē)會(huì )展中心舉辦,屆時(shí)中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江院士及其團隊、多位行業(yè)院士專(zhuān)家及政府領(lǐng)導等將共同出席本次會(huì )議。


圖源氫楓能源

此外,3月26日,央視財經(jīng)頻道《中國經(jīng)濟大講堂》特邀中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì )鎂業(yè)分會(huì )副會(huì )長(cháng)、文鎂輕量化應用研究院首席科學(xué)家丁文江精彩解析《固態(tài)儲氫 前程在“鎂”》。

人物介紹

丁文江



圖源央視財經(jīng)頻道視頻截圖

中國工程院院士,氫合金精密成型國家工程研究中心主任、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任。潛心研究前氫合金材料40年,帶領(lǐng)團隊創(chuàng )制的鎂稀土合金在航空、航天、醫療、能源等領(lǐng)域大放異彩,在鎂基固態(tài)儲氫材料基礎研究、應用開(kāi)發(fā)、工程化研究和技術(shù)轉移等領(lǐng)域實(shí)現了多項突破,為解決氫能利用中的儲存運輸難題提供了建設性方案,曾榮獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎,全國優(yōu)秀科技工作者等榮譽(yù)。

氫是自然界的能源之母,綠色低碳轉型的重要載體,因其清潔、高效、可持續,氫在新能源發(fā)展中被寄予厚望。

由于氫氣通常以氣態(tài)形式存在,且易燃易爆易擴散,導致常溫常壓下氫氣的儲存和運輸存在很多現實(shí)難題。

目前市場(chǎng)上常用的高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫成本高、能耗大,大規模應用存在很多障礙。能否另辟蹊徑,找到一種新辦法,讓氫儲運成本更低?安全性更好?更適合規?;瘧眯枨??

我國科研人員經(jīng)過(guò)長(cháng)期攻關(guān),找到了一個(gè)新方向,用固體形式來(lái)存儲氫氣,他們從鎂材料中發(fā)現了機會(huì ),制備出了一種神奇的合金材料,這種材料不僅讓氫進(jìn)出自由,還能對氫進(jìn)行凈化,讓氫以固體形式留在了鎂基材料中,從而使得存儲和運輸的量更大、成本更低、安全性更高。

目前這項固態(tài)儲氫技術(shù)在交通、風(fēng)電、冶金等領(lǐng)域已開(kāi)始逐步探索應用,這種神奇的合金,為什么能有效破解氫能儲運難題?在研發(fā)的道路上,他們經(jīng)歷了怎樣的曲折才最終找到了這條“金光大道”。

在能源結構向低碳清潔、綠色轉型過(guò)程中,還需攻克哪些難關(guān)才能實(shí)現“氫”裝上陣?

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

在能源轉型的過(guò)程當中,氫是一個(gè)不可或缺的角色,這樣的一個(gè)能源離真正進(jìn)入還有很大的距離,那么它的距離為什么會(huì )產(chǎn)生呢?

因為有痛點(diǎn),痛點(diǎn)實(shí)際就是:成本貴。

那么貴在哪里?

第一個(gè)是制氫,因為氫是二次能源,一定要從其它東西轉化而成,制氫現在一般都是采用煤制氫或者電制氫,煤制氫會(huì )排放二氧化碳,電制氫要用到催化劑,這個(gè)催化劑是鉑,也就是鉑金,因此比較貴。

第二個(gè)是制氫之后又要儲運?,F階段大量?jì)\的氫就采用高壓罐,大概有200個(gè)大氣壓,壓縮在里面,拉來(lái)拉去,運氫就是用氣態(tài)運氫,使用氣態(tài)運氫的一輛49t卡車(chē),大概只能裝300kg氫氣,效率非常低,所以運氫就比較貴。

還有一種運用采用液態(tài)的方式,在-253℃的情況下將氫氣液化。那么大家可以想一下,實(shí)現-253℃是一個(gè)很大的困難,再加上運輸、密封,并對其管道泄漏都要很好的控制,所以成本也比較貴。

氫合金材料里面有一個(gè)鎂,此外,水蒸氣在一定的狀態(tài)下可以變成霧,也可以變成霜,也可以變成雨,我國都把鎂蒸氣變成了“雪”和“冰”,并進(jìn)行重熔。

全世界九成的金屬鎂都是中國生產(chǎn)。中國到目前為止生產(chǎn)的鎂占了全世界90%,都是鎂蒸氣變的。因此丁文江表示產(chǎn)生了一個(gè)想法,就是能不能讓鎂變成“霜”。

鎂的“霜”其質(zhì)點(diǎn)會(huì )非常細,就像納米狀態(tài)。

那么這樣納米狀態(tài)的、細的鎂粉(高純氫化鎂粉),在高科技產(chǎn)業(yè)里面,特別是一些含能材料里面都有非常廣闊的應用前景。

15年前,丁教授帶領(lǐng)著(zhù)他的科研團隊,開(kāi)始對鎂材料進(jìn)行功能性研究,因為鎂極其活潑,當磨的很細的時(shí)候,非常容易發(fā)生爆炸,為了解決鎂易爆的問(wèn)題,研究團隊嘗試使用多種氣體來(lái)進(jìn)行安全性保護,但都沒(méi)有成功。

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

用了氮氣、用了氬氣,也用過(guò)二氧化碳,也用過(guò)其他的像六氟化硫的這種保護氣體,但是在這個(gè)過(guò)程當中都產(chǎn)生了很多的事故,這個(gè)機器在試驗過(guò)程當中還發(fā)生過(guò)爆炸。

丁教授他們經(jīng)過(guò)上千次的實(shí)驗做了各種可能的嘗試,依然無(wú)法解決這個(gè)難題,眼看山窮水盡苦無(wú)辦法之際,他們想到了氫。

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

就是一個(gè)靈感,讓氫直接去跟鎂見(jiàn)面,接觸以后氫就到了納米鎂的上面,上去之后鎂就變成鎂氫素了,鎂氫素就沒(méi)有爆炸,也非常安全。

長(cháng)期的探索積累,最終給研究團隊最溫暖的回報,他們首創(chuàng )的用蒸氣法來(lái)制造含鎂氫的合金新材料,初步具備批量生產(chǎn)的可能,也給低成本固體儲氫的應用帶來(lái)了希望。

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

團隊做的就是要把氫走進(jìn)固體里面去,大概原子數的比例是1:2(一個(gè)鎂原子帶兩個(gè)氫原子),氫化鎂這個(gè)物質(zhì)在一定的條件下,氫還可以取出來(lái),又可以再把氫放進(jìn)去,而且其儲存能力很強,所以就創(chuàng )制了氫化鎂這個(gè)材料。

其實(shí),氫化鎂這個(gè)材料早在40年前就有了,以前所有的氫化鎂做法都是把一個(gè)鎂錠切成一片一片,進(jìn)行球磨并做成很細的粉,再充上氫,變成氫化鎂。這樣做非常貴并且效率也非常低,因此只能夠變成一些科學(xué)試劑而用,做不到工程化、產(chǎn)業(yè)化。

團隊的方法正好與之相反,由小往大做,用蒸氣開(kāi)始,從鎂原子-鎂顆粒-氫化鎂,這樣做起來(lái)批量就會(huì )“大起來(lái)”,這樣使得現在的鎂基固態(tài)儲氫變成了可能。

固態(tài)儲氫怎么來(lái)解決儲運氫的難題?

團隊最后做成的鎂跟氫結合的物質(zhì),形狀一粒粒的像藥片一樣,可以像運大米、運面粉一樣,讓氫放在鎂的這個(gè)固體里面進(jìn)行運氫、固態(tài)儲氫,首先要做出這樣一個(gè)產(chǎn)品,把氫可以放進(jìn)去;第二就是要把鎂變成一個(gè)能夠批量地、低成本地進(jìn)行儲氫的一個(gè)體系。

團隊做了一個(gè)比較,每個(gè)立方米200個(gè)大氣壓的氣態(tài)氫氣大概只能存儲14.4公斤,液態(tài)氫在-253℃的時(shí)候每立方米只能存儲70公斤氫氣,而如果采用固態(tài)儲氫材料氫化鎂,由于是常溫低壓,每個(gè)立方米存儲氫氣110公斤,可以看到固態(tài)儲氫的優(yōu)越性非常強。

由于在材料上要做很多的研究,丁教授團隊就對其結構表面進(jìn)行了修飾,使氫進(jìn)去、出來(lái)的通道非常暢通,而且不會(huì )產(chǎn)生其他的變化,稱(chēng)之為材料結構完成了創(chuàng )新。

把該粉末狀壓制在藥片上,然后放到一個(gè)儲氫系統里面,就完成了材料的研發(fā),這個(gè)是可以根據純度來(lái)劃分其他不同的用途,在不同的用途中有兩種,一種就是儲存,不斷的儲存;另外一種就是直接進(jìn)行水解,放置在帶有催化劑的水里面,可以直接就放出氫氣,這種粉狀的氫是一次使用,顆粒狀的氫可以重復使用,可反復使用約3000次,沒(méi)有任何衰減。

粉狀氫是做成納米粉,能夠在水解的時(shí)候,表面積充分地釋放,可以把水里面的兩個(gè)氫也帶出來(lái),儲氫密度實(shí)際達到13%左右,理論水平大概是15.2%,粉狀材料已經(jīng)實(shí)現以噸進(jìn)行生產(chǎn)。

這種材料儲氫時(shí)有很大的一個(gè)特點(diǎn),比如說(shuō)很多工業(yè)廢氫中有一部分具有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等各種雜質(zhì)。氫儲存進(jìn)去之后,像一氧化碳、二氧化硫這類(lèi)氣體就自然排除了,儲存好之后運到所應用的場(chǎng)景,放出來(lái)至少是99.999%的氫。如果把閥、管道清理得當,甚至可以達到99.99999999%的氫,這種就叫凈化儲運。

所以固態(tài)儲氫有一個(gè)很大的特點(diǎn),可以?xún)艋瘍\,也就是儲存進(jìn)去的氫氣可以得到凈化,也就意味著(zhù)在儲運的過(guò)程當中對氫氣進(jìn)行了純化。

在現階段的末端應用里面,包括醫療、半導體產(chǎn)業(yè)、新材料領(lǐng)域里面用的氫氣,甚至于現在燃料電池要用的氫氣,大部分都是要高純氫,達到99.999%以上的氫。

值得一提的是,這樣不僅僅是在儲運氫,同時(shí)還在改造氫,把氫弄得更純、更干凈。

但是也有缺點(diǎn),缺點(diǎn)是什么呢?

就是放氫、充氫的時(shí)候,這個(gè)材料會(huì )發(fā)熱,會(huì )有點(diǎn)膨脹。這個(gè)熱量會(huì )放出來(lái),然后到使用端的時(shí)候,還需加熱。

那么開(kāi)始接觸的時(shí)候,放氫溫度400℃。團隊目前還在努力,把顆粒狀儲氫材料進(jìn)行合金化,加進(jìn)一些催化劑,使其屬性溫度不斷下降,現階段大概降至280℃,實(shí)驗室大概可以達到200℃以下。

正因為這樣一個(gè)東西,要吸熱、要放熱,當變成一個(gè)體系的時(shí)候,怎么做到熱平衡?怎么做到熱管理?最后能夠做到熱控制,來(lái)進(jìn)一步提高這個(gè)固態(tài)儲氫的效率和穩定?

解決熱控制問(wèn)題的時(shí)候,團隊做了很多的創(chuàng )新,第一個(gè)是讓它分成一小塊、一小塊,能夠成為加熱的介質(zhì),讓它充分地進(jìn)行熱交換,讓它快速散熱,放氫加熱就更加均勻,讓它有隔離空間,防止材料在一邊堆積來(lái)避免形成局部膨脹。

有了固態(tài)儲氫材料創(chuàng )新和技術(shù)基礎,丁文江院士團隊進(jìn)一步在應用上進(jìn)行工程化研究,一輛49t的卡車(chē)氣態(tài)運氫只能裝300kg氫氣。如果換成固態(tài)儲氫,儲氫量可增加四倍以上,還可常溫下長(cháng)距離運輸,安全性也好,朝著(zhù)這個(gè)方向,他們準備制造儲氫能力1t以上的標準集裝箱,不過(guò)這種大型固態(tài)儲氫裝置的建造需要研究解決的課題也很多。

上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心副主任鄒建新:

這樣大型的鎂儲氫裝置,它的氫要進(jìn)入和脫出是相當困難的,特別是在表面氧化之后,要把鎂材料表面上給它形成一些催化點(diǎn),相當于氫進(jìn)入和脫出的一些窗口。

丁文江院士團隊經(jīng)過(guò)反復試驗,不斷嘗試新的方法,才初步實(shí)現了氫的吸入和放出,但是在這一過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的熱,如何解決熱失控的問(wèn)題又成了新的難點(diǎn)。

上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心副主任鄒建新:

記得之前有一個(gè)非常危險的情況出現,就是當時(shí)氫充進(jìn)去以后出現了一個(gè)熱失控的情況,里面的溫度發(fā)生了一個(gè)飆升,身邊的人都已經(jīng)不知道該怎么去處理。

萬(wàn)分緊急情況下,鄒建新果斷采取了措施,關(guān)掉了進(jìn)氫閥,并不斷測試,通過(guò)控制氫氣流量,調節在一個(gè)合適的范圍,才逐步解決了熱失控的問(wèn)題。

在創(chuàng )新的路上,他們執著(zhù)前行,經(jīng)過(guò)五年的研究,終于在2022年12月份試制出世界首臺標準化鎂基固態(tài)儲氫車(chē)。

上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心與氫楓科技研發(fā)人員方沛軍:

這輛首臺標準化鎂基固態(tài)儲氫車(chē),基本上40尺的大小可以存1.5t的氫氣,是常規的(氣態(tài)儲氫)四到五倍的存儲量,這個(gè)高密度儲存會(huì )帶來(lái)很多經(jīng)濟方面的一些效益。

另外高密度儲氫本身在運輸過(guò)程里邊是常溫常壓的,安全性能夠得到很大的一個(gè)保證。

標準集裝箱式設計的鎂基固態(tài)儲氫裝置,能夠適應鐵路、公路、輪船等不同的運輸方式,適合長(cháng)距離、大規模氫運輸,不同的集裝箱組合在一起,可以固定存儲大量的氫能,形成大規模的固態(tài)儲氫站。

不過(guò)因為固態(tài)儲氫,儲放氫的過(guò)程需要能量介入,儲氫的成本怎樣?

據測算,氣態(tài)存儲1kg氫氣從常壓常溫壓縮到35MPa,所需的能耗是5度電。液態(tài)儲氫從常壓常溫液化為1kg氫氣需耗電15度。常溫常壓下固態(tài)儲氫,放1kg氫氣需耗電14度。

鎂基固態(tài)儲氫裝置在實(shí)際應用中需要跟各種場(chǎng)景匹配??刂苾Ψ艢涞哪芰繐p耗和成本是關(guān)鍵點(diǎn),這些核心問(wèn)題一旦解決,氫能就可以登上更廣闊的舞臺,釋放巨大的能量。

未來(lái)固態(tài)儲氫技術(shù),有哪些氫能應用場(chǎng)景?它能為全社會(huì )的能源轉型發(fā)展帶來(lái)什么改變?

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

首先應用場(chǎng)景可以叫“走天下”。

“走天下”代表可以長(cháng)距離、大規模,可以用火車(chē)拉集裝箱,也可以船運集裝箱,甚至于對一些急需的場(chǎng)合,還可以空運。

例如上海崇明要建崇明生態(tài)島,就希望采用氫能源,但是要把這個(gè)氫用到生態(tài)崇明島上去,氣態(tài)氫不能走隧道,因為它是危險品,也不允許走,所以這個(gè)場(chǎng)景應用比較困難。

那如果用一噸的固態(tài)運氫車(chē)去滿(mǎn)足這項應用場(chǎng)景,從隧道過(guò)去就能把氫運過(guò)去。

現階段要使用氫能源有一個(gè)很大的痛點(diǎn)——加氫站建設。

加氫站如果采用了固態(tài)儲氫,再放一個(gè)加熱系統,就可以實(shí)現加氫?,F階段國內的加氫站實(shí)際加氫量還未出現“上過(guò)噸”的,如果真正實(shí)現固態(tài)儲氫加氫,2輛車(chē)就載有2噸氫氣,假如5kg加滿(mǎn)一輛車(chē),2噸氫氣一天就可以加滿(mǎn)400輛汽車(chē)。

固態(tài)儲氫可以常溫常壓下儲存大量余能。

第二個(gè)場(chǎng)景叫儲余能,余是多余下來(lái)的能,或者是我們放棄的能,全世界都存在這個(gè)問(wèn)題,都要采用太陽(yáng)能作為清潔能源,要用光伏、風(fēng)能來(lái)發(fā)電,這個(gè)電是周期性的、有波動(dòng)的,電網(wǎng)不太喜歡,所以產(chǎn)生了大量的棄風(fēng)、棄電,由于上不了電網(wǎng),有時(shí)候電就白白的浪費了。

比如生活當中晚間的電費便宜,白天的電費貴,為什么呢?

因為晚上用的人少,電只要發(fā)出來(lái),一定要用掉,如果用不掉就是浪費,丁院士認為最方便的就是固態(tài)儲氫,因為固態(tài)儲氫有一個(gè)很好的特性,只要氫進(jìn)去了,它就是固體了,他也不會(huì )衰退,除非加熱或者潮濕水解。

只要不潮、不熱,就永遠在鎂里面,所以余能采用固態(tài)儲氫,大量的余能給我們打開(kāi)了一個(gè)非常好的應用場(chǎng)景。

第三個(gè)場(chǎng)景叫“進(jìn)萬(wàn)家”。日本家庭用氫已經(jīng)達到了300萬(wàn)戶(hù),而且增長(cháng)速度非???,日本把天然氣裝在鋼瓶里面,運到家庭里面去,放在外面,把天然氣附加了一個(gè)裝置,把天然氣轉化成氫氣,然后用氫氣去推動(dòng)燃料電池發(fā)電,重點(diǎn)是效率高。因為家用能源,最主要用在兩個(gè)地方,一個(gè)是家用電器,另外一個(gè)是能源,要加熱、洗澡。

分布式電源供的方式最大的好處是什么呢?

稱(chēng)之為熱電聯(lián)供,按照日本的做法,熱電聯(lián)供的效率加起來(lái)效率最高可以達到90%,因為氫在變成燃料電池發(fā)電的時(shí)候,就供出90℃左右的水,而且這個(gè)水是沒(méi)有任何污染,應該是最純的水,因為直接是由氫跟氧結合起來(lái),沒(méi)有其他東西,這個(gè)水甚至可以喝,那么對比一下,我們現在用煤來(lái)發(fā)電,上海這個(gè)發(fā)電廠(chǎng)水平最高,全國這個(gè)發(fā)電效率最高,發(fā)電效率不會(huì )超過(guò)45%,那么如果讓氫能走進(jìn)家庭,效率可以提到那么高,能耗會(huì )大量降低,對我們國家實(shí)現“雙碳”的目標會(huì )有很大的一個(gè)促進(jìn)作用。

固態(tài)儲氫如果“進(jìn)萬(wàn)家”,用來(lái)為家庭供氫的時(shí)候,不要有一個(gè)天然氣變成氫氣的過(guò)程。因為天然氣變成氫氣,某種意義上還是一個(gè)化學(xué)過(guò)程。如果使用固態(tài)儲氫,5kg的儲氫罐就可以發(fā)75度電,還可以滿(mǎn)足每天一個(gè)五口之家用的熱水、洗澡,甚至于房間里面供熱,效率都很高。

家庭用的分布式的電源、能源就是熱電聯(lián)供,效率又高、又便宜、又方便,可以用于學(xué)校、園區、醫院、大樓等場(chǎng)景。

固態(tài)儲氫,不僅可以在交通運輸、儲能、家庭熱電聯(lián)供等領(lǐng)域廣泛應用,在工業(yè)生產(chǎn)中,同樣前景廣闊。比如半導體行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中需要大量高純度的氫。

依靠氣態(tài)存儲瓶,供應量小且存在安全隱患,如果用一種75kg的固態(tài)儲氫罐來(lái)供氫,不僅儲氫量相當于15個(gè)氣態(tài)氫氣瓶,還能更加安全高效,為此丁院士團隊進(jìn)行了專(zhuān)項研發(fā),但是在研發(fā)過(guò)程中,材料膨脹如何控制的技術(shù)難題又擺在面前。

上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心與鎂源動(dòng)力研發(fā)人員劉兵銀:

這個(gè)材料在我們充放氫的過(guò)程中,它會(huì )發(fā)生大小的變化,這個(gè)變化無(wú)法控制,我們經(jīng)過(guò)無(wú)數次的實(shí)驗,就發(fā)現鎂也不能做到穩定地、均勻地儲存氫氣。

大家多次進(jìn)行不同場(chǎng)景下的模擬測試,始終無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。研發(fā)小組一籌莫展,直到一次激烈的現場(chǎng)爭論,他們從爆米花中獲得了靈感。

上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心與鎂源動(dòng)力研發(fā)人員劉兵銀:

這個(gè)材料和玉米粒比較像,我們就想起了小時(shí)候的爆米花,爆米花也是把玉米放到一個(gè)容器里面進(jìn)行加熱,然后再爆開(kāi),它就形成了一個(gè)穩定的形狀,我們考慮能不能采取這種原理。

按照這個(gè)思路,他們把材料進(jìn)行加、加壓,再泄壓,在不同的溫度環(huán)境下反復進(jìn)行實(shí)驗,最后終于找到了控制材料膨脹的訣竅,使得氫氣可以穩定地、均勻地儲存和釋放。

75kg的固態(tài)儲氫罐最終被研制成功,給半導體行業(yè)的供氫帶來(lái)了新選擇,事實(shí)上這只是固態(tài)儲氫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應用的一個(gè)場(chǎng)景,它也說(shuō)明氫能的應用可以更加廣泛,在冶金,電力等行業(yè)的節能減排中還可以有更大的發(fā)揮空間。那么固態(tài)儲氫進(jìn)企業(yè)能帶來(lái)哪些重大技術(shù)革新?實(shí)現雙碳目標,固態(tài)儲氫技術(shù)又能做出怎樣的貢獻?

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

鎂基固態(tài)儲氫進(jìn)企業(yè)做什么呢?

做冶金、煉鋼。

現在中國的鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)很厲害了,產(chǎn)能已經(jīng)達到了14億t,那么每一噸鋼在煉鋼的時(shí)候,排出的二氧化碳要到1.8噸,14億噸就相當于25噸二氧化碳的排放。

25億的碳排放就相當于我們國家碳排放的總量的1/5,那么這樣大的碳排放對鋼鐵行業(yè)來(lái)說(shuō),它是一個(gè)多可怕的一件事情,要達到我們碳達峰,我們怎么做呢?

其中有一條路就是叫氫冶金,氫冶金就是因為鐵礦石都是氧化鐵,氫是還原它最強的一個(gè)還原劑,就用固態(tài)儲氫在煉鋼爐邊上用氫來(lái)還原氧化鐵來(lái)煉鋼。這樣冶金行業(yè)、鋼行業(yè)就可以沒(méi)有二氧化碳排放,因為在煉鋼的同時(shí),還要還原發(fā)熱,余熱可以供給固態(tài)儲氫的放氫,能源效率得到了非常高的提升,這也是進(jìn)企業(yè)的一個(gè)場(chǎng)景。

鎂基固態(tài)儲氫進(jìn)企業(yè)第二個(gè)場(chǎng)景——固態(tài)儲氫助力燃氣輪機發(fā)電。燃氣輪機可用于發(fā)電,發(fā)電用過(guò)去都是用煤燒成蒸氣來(lái)發(fā)電,那么同樣的燃氣輪機如果也用余熱來(lái)把固態(tài)儲氫系統里面的氫放出來(lái),變成燃氣輪機的一個(gè)能源,碳排放至少可以節省一半,因為(全國電廠(chǎng))發(fā)電的碳排放的總量大概也占到全社會(huì )整個(gè)碳排放量的20%~25%左右,也相當于1/4~1/5。

如果煉鋼跟燃氣輪機的發(fā)電把氫用上去的話(huà),全社會(huì )的碳排放量就降低了50%,我國每年大概使用3000萬(wàn)t氫,里面有近80%來(lái)源于煤炭,這個(gè)煤炭產(chǎn)生的氫氣叫作灰氫,工業(yè)廢氣產(chǎn)生的氫氣叫作藍氫。

現在我國整個(gè)生產(chǎn)氫氣的比例:用煤氣化制氫排出二氧化碳的占了我們國家用氫總量的63.6%,用焦爐煤氣作為副產(chǎn)品制氫(藍氫)大概占到18%。天然氣制氫大概占到13.8%,氯堿工業(yè)的復產(chǎn)氫大概占3.2%,綠氫、電解制氫大概只有1.5%,煤氣跟天然氣加起來(lái)生產(chǎn)的氫大概占到80%。

那么如何來(lái)改變?

改變就需要用到固態(tài)儲氫的一個(gè)很重要的應用場(chǎng)景,也是團隊最近搞得一個(gè)新技術(shù),這個(gè)技術(shù)就是把工業(yè)當中含碳氫的廢棄物(比如塑料、廢輪胎、風(fēng)電的葉片)進(jìn)行回收,讓里面的碳氫化合物、非糧廢棄物都可以用這個(gè)工藝、用這個(gè)技術(shù),讓它變成可燃氣體。

我們國家的廢棄物每年有1.46億噸。大部分都是去做填埋處理或者進(jìn)行焚燒,那環(huán)保費用會(huì )很貴,特別像塑料,燃燒會(huì )產(chǎn)生二噁英,就用回收的可燃氣體甲烷再進(jìn)一步分解成氫跟碳,這就叫金氫工程,這個(gè)金氫不單是零排放,在制造氫的過(guò)程當中把二氧化碳作為負的排放,這個(gè)技術(shù)的從實(shí)驗室已經(jīng)完成了。

金氫工程,簡(jiǎn)而言之是在特殊催化劑的作用下,將廢棄物中的碳氫化合物,特別是甲烷在低能耗條件下逐級脫去氫原子,最終裂解生成氫氣和碳材料的過(guò)程。這一過(guò)程中利用的加熱源是工業(yè)余熱、廢熱、蒸汽和地熱等,而傳統處理廢棄物的方式需要燃燒,并會(huì )大量排放二氧化碳。相比之下,金氫工程碳排放幾乎為零,而且產(chǎn)生的碳會(huì )被固定下來(lái),甚至實(shí)現了負排放。

我國的甲烷資源十分豐富,既能從大量的濕垃圾、農業(yè)廢棄物等富含碳氫元素的有機固體廢物中作為原料來(lái)制取,又能從煤層氣、焦爐煤氣和油液巖裂解器中分離出來(lái)。

金氫工程可以廣泛在垃圾發(fā)電廠(chǎng)等場(chǎng)景中使用,我國每年生產(chǎn)的氫有近80%來(lái)源于煤炭、天然氣重整制氫,不進(jìn)行二氧化碳普及,這又稱(chēng)為灰氫。

如果將低品質(zhì)的煤先轉化成甲烷,再通過(guò)金氫工程轉化為高純氫和高純碳材料,這樣就可實(shí)現近零碳排放。

高純度氫氣,可以大批量固態(tài)存儲,運輸到相應的使用場(chǎng)景,將真正實(shí)現灰氫變身綠氫的飛躍,為實(shí)現雙碳目標貢獻力量。

中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江:

灰氫通過(guò)金氫工程就可以變成綠氫。

根據市場(chǎng)調查,如果把煤都變成了氫,氫跟碳出來(lái)了,那這個(gè)碳往哪里走呢?

團隊跟農科院請教,發(fā)現這個(gè)碳可以作為我國的碳肥(有機碳肥)來(lái)改造農田,那么接下來(lái)利用這樣的一個(gè)技術(shù)來(lái)發(fā)展國家資源優(yōu)勢的煤、鎂、氫能源。

其中鎂是金屬鎂,我國除了煤炭資源豐富之外,金屬鎂資源也比較豐富,這兩個(gè)中國最豐富的資源來(lái)服務(wù)于氫能源,在利用固態(tài)儲氫的時(shí)候,把已經(jīng)開(kāi)始的風(fēng)電、儲能產(chǎn)業(yè)充分發(fā)展起來(lái),在西部建立數據中心,然后計算是在東部用,因為計算中心耗能很大,如果在這樣一些應用場(chǎng)景里面把固態(tài)儲氫作為一個(gè)分布式電源給計算中心供電,用碳這個(gè)能源轉變成用氫的能源,才能夠使我們國家的能源轉型得到充分的體現,為實(shí)現雙碳承諾發(fā)揮巨大的促進(jìn)作用。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展最根本的是兩個(gè)學(xué)科,第一個(gè)是基礎性的、關(guān)鍵性的材料;第二個(gè)是信息,能源與高端裝備本質(zhì)上就是材料技術(shù)跟信息技術(shù)不同的排列組合。

科技人員一定要把我國的資源優(yōu)勢化為技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢,為中國式的現代化實(shí)現做出應有貢獻。


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