镁基固态储氢的优势和应用前景

本文转自：中国电力报

镁基固态储氢的优势和应用前景

——访中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江

本报记者 曲艺 通讯员 卢常佳

“镁基固态储氢的优越性非常突出。”近日，在由中国氢能联盟主办的世界氢能青年科学家论坛上，中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江表示。何为镁基固态储氢？相较其他储氢方式，镁基固态储氢拥有怎样的优势和应用前景？对此，丁文江详细阐述了氢能源之“镁”。

中能传媒：您长期致力于先进镁合金材料及其加工方面的研究，请您简要介绍下镁的特性。

丁文江：镁是地球上储量最丰富的元素之一，只要有海水就有镁。我国是镁资源最丰富的国家，截至2022年，我国镁产量在全世界的占比为90%。

镁的内禀功能有5个：第一是比重轻；第二是阻尼性能优，能够降噪减震；第三是储氢量大；第四是电化学容量高；第五是生物可降解。归纳来看，我们把前面2个视作“轻量化之镁”；后面3个视作“氢科学之镁”，具体分为能源之镁、医学之镁、农业之镁。

中能传媒：您提到镁的储氢量大，具体是如何实现的？

丁文江：15年前，我们开始对镁材料进行功能性研究。镁极其活泼，当磨到很细的时候非常容易发生爆炸。为此，我们尝试使用氮气、氩气、二氧化碳、六氟化硫等多种气体来进行安全性保护，均以失败告终。直到让氢直接跟镁“见面”，二者接触以后，镁就变成镁氢素。镁氢素没有爆炸，非常安全。

沿着这个思路，我们想办法让氢“走”到固体里，制成原子数比例为1:2（1个镁原子带2个氢原子）的氢化镁。在一定条件下，氢化镁中的氢可以取出来，也可以再放进去，而且储存能力很强。

我们将目光瞄准能够量产的材料，通过各种工艺创新和材料结构创新，从蒸气开始，到镁原子—镁颗粒—氢化镁，成功研发出低成本、批量化材料的生产技术，做出形状如药片的产品，可以像运大米、面粉一样把氢放在镁的固体里进行储运。储氢的质量密度达到6.2%，循环的次数达到3000次，且储放的密度没有明显的衰减，如此高密度的储存会带来很多经济效益。

在此过程中，我们达到了以吨级工程化能力来制备镁氢的水平，同时也研发了不同场景下应用材料可控的技术和制备材料的工业化生产装备。

当然，针对大型的镁储氢装置，氢的进入和脱出是相当困难的，在表面氧化之后就需要在镁材料上准备一些催化点，相当于氢进入和脱出的窗口。我们经过反复实验，不断尝试新的方法，才初步实现了氢的吸入和放出。

中能传媒：固态储氢技术有哪些应用场景？

丁文江：主要有三大场景。第一个应用场景是“走天下”。镁基固态储氢是在常温常压下进行的，其特点就是可以大规模、远距离、高安全、低成本运输。可以用火车拉，也可以用船运，甚至于在一些急需的场合还可以空运。

另外，我们研制的世界首台标准化镁基固态储氢车，每辆最多可以储存1.5吨氢气，是常规气态储氢的4~5倍。若将2辆储氢车拉到加氢站，以总共2吨氢气，以及加满一辆车需要5千克氢气来计算，可以加满400辆车。这种加氢站占地面积小、经济成本低、加氢能力大、安全性能高。

第二个应用场景是“储余能”。余能是多余下来的能，或者是我们不得已“放弃”的能，比如弃风、弃光等。可以利用这些电能制备绿氢，然后再用镁基固态储氢技术将其储存起来。

第三个场景是“进万家”，这是非常重要的一个领域。以日本为例，日本的家庭用氢并不罕见，已经达到300万户，而且增长速度很快。日本采用的是一种家用热电联供系统，该系统是在装置现场利用天然气制取氢气，然后进入燃料电池中发电，再用发电时产生的热能来供应暖气和热水。据了解，此方法热电联供的发电效率最高可达90%，相比之下，我国燃煤电厂的发电效率不超过45%。可以预见，若氢能可以走进寻常百姓家，能耗将大量降低，对我们实现“双碳”目标会有很大的促进作用。

当然，天然气制取氢气是一个化学过程，为家庭供氢多有不便。我们建议使用固态储氢，5千克的储氢罐可以发电75千瓦时，在满足1个五口之家用电需求的同时，还能供热。

“进万家”也包括进企业，氢能在冶金、电力等行业的节能减排中也有很大的发挥空间。如今，我国的钢铁产能已经达到14亿吨/年，按照每吨钢铁排放二氧化碳1.8吨测算，14亿吨钢铁相当于排放25亿吨二氧化碳，约为我国碳排放总量的五分之一。

镁基固态储氢进企业，还可以助力燃气轮机发电。燃气轮机可用余热将固态储氢系统里的氢释放出来，并取代煤炭成为新的动力源。

数据显示，全国电厂发电的碳排放总量约占全社会碳排放量的20%~25%。如果钢铁行业跟燃气轮机发电都能用上氢能，全社会的碳排放量又可大幅降低。

中能传媒：对于氢能的发展，您还有哪些建议？

丁文江：我国每年大概使用3000万吨氢能，近80%来源于煤炭重整制氢，不进行二氧化碳捕集，这称为“灰氢”。针对这种现状，我们正在打造“金氢工程”。

“金氢工程”是我命名的。简言之，就是在特殊催化剂的作用下，将废弃物中的碳氢化合物，尤其是甲烷，在低能耗条件下逐级脱去氢原子，最终裂解生成氢气和碳材料的过程。该过程利用的加热源是工业余热、废热蒸汽、地热能等。我国每年产生约1.46亿吨废弃物，大部分都是进行填埋或者焚烧处理，环保费用很高，特别像塑料，燃烧还会产生二噁英。相比之下，“金氢工程”碳排放几乎为零，而且产生的碳会被固定下来，甚至实现了负排放。

我国甲烷资源十分丰富，既能从大量的湿垃圾、农业废弃物等富含碳氢元素的有机固体废物中制取，又能从煤层气、焦炉煤气及其油页岩裂解气中分离出来，“金氢工程”可以广泛在垃圾发电厂等场景中使用。如果将低品质的煤先转化成甲烷，再通过“金氢工程”转化为高纯氢和高纯碳材料，就可实现近零碳排放。

高纯度氢气可以大批量固态存储，并运输到相应的使用场景，将真正实现“灰氢”变身“绿氢”的飞跃。煤和镁，是我国最为丰富的两种资源，通过“金氢工程”最终共同服务于氢能的发展。