專訪丨鎂基固態儲氫的優勢和應用前景 ——訪中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江
來源：中國電力報 時間：2024-03-25 10:58
中國能源新聞網記者 曲藝 通訊員 盧常佳
“鎂基固態儲氫的優越性非常突出。”近日，在由中國氫能聯盟主辦的世界氫能青年科學家論壇上，中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江表示。何為鎂基固態儲氫？相較其他儲氫方式，鎂基固態儲氫擁有怎樣的優勢和應用前景？對此，丁文江詳細闡述了氫能源之“鎂”。
中能傳媒：您長期致力于先進鎂合金材料及其加工方面的研究，請您簡要介紹下鎂的特性。
丁文江：鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，只要有海水就有鎂。我國是鎂資源最豐富的國家，截至2022年，我國鎂產量在全世界的占比為90%。
鎂的內稟功能有5個：第一是比重輕；第二是阻尼性能優，能夠降噪減震；第三是儲氫量大；第四是電化學容量高；第五是生物可降解。歸納來看，我們把前面2個視作“輕量化之鎂”；后面3個視作“氫科學之鎂”，具體分為能源之鎂、醫學之鎂、農業之鎂。
中能傳媒：您提到鎂的儲氫量大，具體是如何實現的？
丁文江：15年前，我們開始對鎂材料進行功能性研究。鎂極其活潑，當磨到很細的時候非常容易發生爆炸。為此，我們嘗試使用氮氣、氬氣、二氧化碳、六氟化硫等多種氣體來進行安全性保護，均以失敗告終。直到讓氫直接跟鎂“見面”，二者接觸以后，鎂就變成鎂氫素。鎂氫素沒有爆炸，非常安全。
沿著這個思路，我們想辦法讓氫“走”到固體里，制成原子數比例為1:2（1個鎂原子帶2個氫原子）的氫化鎂。在一定條件下，氫化鎂中的氫可以取出來，也可以再放進去，而且儲存能力很強。
我們將目光瞄準能夠量產的材料，通過各種工藝創新和材料結構創新，從蒸氣開始，到鎂原子—鎂顆粒—氫化鎂，成功研發出低成本、批量化材料的生產技術，做出形狀如藥片的產品，可以像運大米、面粉一樣把氫放在鎂的固體里進行儲運。儲氫的質量密度達到6.2%，循環的次數達到3000次，且儲放的密度沒有明顯的衰減，如此高密度的儲存會帶來很多經濟效益。
在此過程中，我們達到了以噸級工程化能力來制備鎂氫的水平，同時也研發了不同場景下應用材料可控的技術和制備材料的工業化生產裝備。
當然，針對大型的鎂儲氫裝置，氫的進入和脫出是相當困難的，在表面氧化之后就需要在鎂材料上準備一些催化點，相當于氫進入和脫出的窗口。我們經過反復實驗，不斷嘗試新的方法，才初步實現了氫的吸入和放出。
中能傳媒：固態儲氫技術有哪些應用場景？
丁文江：主要有三大場景。第一個應用場景是“走天下”。鎂基固態儲氫是在常溫常壓下進行的，其特點就是可以大規模、遠距離、高安全、低成本運輸。可以用火車拉，也可以用船運，甚至于在一些急需的場合還可以空運。
另外，我們研制的世界首臺標準化鎂基固態儲氫車，每輛最多可以儲存1.5噸氫氣，是常規氣態儲氫的4~5倍。若將2輛儲氫車拉到加氫站，以總共2噸氫氣，以及加滿一輛車需要5千克氫氣來計算，可以加滿400輛車。這種加氫站占地面積小、經濟成本低、加氫能力大、安全性能高。
第二個應用場景是“儲余能”。余能是多余下來的能，或者是我們不得已“放棄”的能，比如棄風、棄光等。可以利用這些電能制備綠氫，然后再用鎂基固態儲氫技術將其儲存起來。
第三個場景是“進萬家”，這是非常重要的一個領域。以日本為例，日本的家庭用氫并不罕見，已經達到300萬戶，而且增長速度很快。日本采用的是一種家用熱電聯供系統，該系統是在裝置現場利用天然氣制取氫氣，然后進入燃料電池中發電，再用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水。據了解，此方法熱電聯供的發電效率最高可達90%，相比之下，我國燃煤電廠的發電效率不超過45%。可以預見，若氫能可以走進尋常百姓家，能耗將大量降低，對我們實現“雙碳”目標會有很大的促進作用。
當然，天然氣制取氫氣是一個化學過程，為家庭供氫多有不便。我們建議使用固態儲氫，5千克的儲氫罐可以發電75千瓦時，在滿足1個五口之家用電需求的同時，還能供熱。
“進萬家”也包括進企業，氫能在冶金、電力等行業的節能減排中也有很大的發揮空間。如今，我國的鋼鐵產能已經達到14億噸/年，按照每噸鋼鐵排放二氧化碳1.8噸測算，14億噸鋼鐵相當于排放25億噸二氧化碳，約為我國碳排放總量的五分之一。
鎂基固態儲氫進企業，還可以助力燃氣輪機發電。燃氣輪機可用余熱將固態儲氫系統里的氫釋放出來，并取代煤炭成為新的動力源。
數據顯示，全國電廠發電的碳排放總量約占全社會碳排放量的20%~25%。如果鋼鐵行業跟燃氣輪機發電都能用上氫能，全社會的碳排放量又可大幅降低。
中能傳媒：對于氫能的發展，您還有哪些建議？
丁文江：我國每年大概使用3000萬噸氫能，近80%來源于煤炭重整制氫，不進行二氧化碳捕集，這稱為“灰氫”。針對這種現狀，我們正在打造“金氫工程”。
“金氫工程”是我命名的。簡言之，就是在特殊催化劑的作用下，將廢棄物中的碳氫化合物，尤其是甲烷，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程。該過程利用的加熱源是工業余熱、廢熱蒸汽、地熱能等。我國每年產生約1.46億噸廢棄物，大部分都是進行填埋或者焚燒處理，環保費用很高，特別像塑料，燃燒還會產生二噁英。相比之下，“金氫工程”碳排放幾乎為零，而且產生的碳會被固定下來，甚至實現了負排放。
我國甲烷資源十分豐富，既能從大量的濕垃圾、農業廢棄物等富含碳氫元素的有機固體廢物中制取，又能從煤層氣、焦爐煤氣及其油頁巖裂解氣中分離出來，“金氫工程”可以廣泛在垃圾發電廠等場景中使用。如果將低品質的煤先轉化成甲烷，再通過“金氫工程”轉化為高純氫和高純碳材料，就可實現近零碳排放。
高純度氫氣可以大批量固態存儲，并運輸到相應的使用場景，將真正實現“灰氫”變身“綠氫”的飛躍。煤和鎂，是我國最為豐富的兩種資源，通過“金氫工程”最終共同服務于氫能的發展。
責任編輯：楊苗苗
