“握住”氫，開啟未來能源之路

隨著“雙碳”目標(biāo)的確立，氫能的開發(fā)與利用被寄予厚望。

　　西安交通大學(xué)成永紅、張錦英教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在新型儲(chǔ)氫技術(shù)及應(yīng)用研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)突破，有效解決了氫能儲(chǔ)存、運(yùn)輸中的一系列難題，使氫能的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

　　氫能為何備受關(guān)注？如何能“握住”氫，開啟未來能源之路？日前，記者在中國西部科技創(chuàng)新港西安交大新型儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換納米材料研究中心采訪了成永紅。

　　■ 綠色低碳的未來能源

　　提起氫，大家都不陌生。氫元素排列在化學(xué)元素周期表的第一位，是浩瀚宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)之一。氫燃燒熱值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，被認(rèn)為是世界上最干凈的能源。

　　區(qū)別于煤、石油、天然氣等可以直接開采的一次能源，氫能是一種二次能源，需要通過一定的方法利用化合物制取。成永紅介紹，根據(jù)其制取過程的碳排放強(qiáng)度，氫被分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。灰氫是指通過化石原料制取的氫氣，在生產(chǎn)過程中會(huì)排放大量二氧化碳；藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳捕集和封存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中和碳制氫；綠氫是通過太陽能、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，在制氫過程中沒有碳排放。目前，我國氫氣制取以灰氫為主，約占95%。未來，隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，綠氫占比將逐年上升。

　　氫能在諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。作為一種綠色能源，氫可通過氫燃料電池或氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為電能和熱能，覆蓋生產(chǎn)生活的方方面面。作為一種工業(yè)原料，氫能可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　“氫能來源豐富、應(yīng)用廣泛。世界各國紛紛將氫能上升為國家戰(zhàn)略，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)和制高點(diǎn)。氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用技術(shù)也成為世界科技前沿的熱點(diǎn)。”成永紅介紹，“從整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈看，不管是供給側(cè)的制氫環(huán)節(jié)，還是需求側(cè)的綜合應(yīng)用，都有多種技術(shù)可供選擇，而中間環(huán)節(jié)的存儲(chǔ)與運(yùn)輸是難點(diǎn)。”

　　氫氣具有易燃易爆、密度小、易擴(kuò)散等特點(diǎn)，儲(chǔ)存和運(yùn)輸非常難。現(xiàn)有的儲(chǔ)氫方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫等。其中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是在高壓下將氫氣壓縮，以高密度氣態(tài)形式儲(chǔ)存；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣壓縮后冷卻至零下252.65攝氏度以下，在絕熱真空儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是將烯烴、炔烴或芳香烴與氫氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫；固態(tài)儲(chǔ)氫是利用物理吸附和化學(xué)氫化物的方式，實(shí)現(xiàn)氫的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

　　“一種能源，如果無法安全、高效、低成本運(yùn)輸，就無法使供給側(cè)和需求側(cè)有效銜接，也就難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。要讓氫能真正發(fā)揮價(jià)值，成為未來能源，一定要一攬子布局，突破產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是存儲(chǔ)與運(yùn)輸環(huán)節(jié)的技術(shù)。”成永紅表示。

　　■ 把氫氣“握在手里”

　　在西安交大新型儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換納米材料研究中心，記者見到了一種高密度固態(tài)儲(chǔ)氫材料——石墨烯界面納米閥固態(tài)儲(chǔ)氫材料。這種黑色的儲(chǔ)氫材料和玻璃彈球一般大小，可以握在手里。

　　這種儲(chǔ)氫材料由張錦英研發(fā)，可將氫制成固態(tài)，不僅提升了儲(chǔ)氫釋氫密度，還克服了低溫釋氫的行業(yè)難題，降低了運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氫材料的安全、可控。

　　這是該團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)氫能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸難題取得的重要成果。

　　氫是目前人類所知道的最輕的氣體，其重量僅為空氣的十四分之一，在0攝氏度時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，其濃度為0.0899克每升。如果在常溫常壓的情況下運(yùn)輸，100升的儲(chǔ)氣罐只能儲(chǔ)存約幾克氫氣，成本非常高。

　　“低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的能耗和成本都特別大，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫不利于長距離運(yùn)輸，而且易燃易爆。同時(shí)制氫和用氫往往不在一個(gè)區(qū)域，這兩種方式都存在儲(chǔ)運(yùn)成本太大的問題。基于固態(tài)儲(chǔ)氫材料的固態(tài)儲(chǔ)氫，有望提供一個(gè)遠(yuǎn)期的解決方案。”成永紅介紹。

　　固態(tài)儲(chǔ)氫分為熱解和分解兩種釋氫方式，即通過加熱釋放氫氣或通過與水反應(yīng)釋放氫氣。2012年開始，成永紅、張錦英團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了更為綠色、可持續(xù)的氫化物水解儲(chǔ)氫的方向開展科研攻關(guān)。

　　“通俗地說，水解氫化物儲(chǔ)氫就是利用一定的材料和技術(shù)手段，先把氫封存在固體氫化物中儲(chǔ)存、運(yùn)輸，使用的時(shí)候，打開封裝的閥門，讓氫化物和水進(jìn)行反應(yīng)，釋放出氫氣。”成永紅介紹，“不同的氫化物和水發(fā)生反應(yīng)的速度不一樣，有的是特別緩慢的低速反應(yīng)，有的是瞬間爆炸式的快速反應(yīng)。我們選取了活性特別高的金屬氫化物，它們一碰到水，就會(huì)瞬間爆炸式地把氫氣釋放出來。我們再利用石墨烯材料把這種氫化物封裝起來，通過控制石墨烯的包覆來控制氫氣的釋放速度，就好比給氫化物和水之間，安裝了一個(gè)閥門從而控制反應(yīng)的過程，讓氫氣穩(wěn)定充分地釋放出來。”

　　“通過這種方式，我們運(yùn)輸100公斤的材料，到目的地后加水反應(yīng)，最高可以釋放25公斤的氫氣，這樣成本就大大降低了。”成永紅介紹，這樣的儲(chǔ)氫方式還可以突破溫度的局限性，在零下40攝氏度到80攝氏度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。此外，氫氣釋放完的金屬材料，仍然可以回收利用。

　　據(jù)了解，目前該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該儲(chǔ)氫材料的中試驗(yàn)證，并進(jìn)行基于此新型儲(chǔ)氫技術(shù)的便攜式氫能電源、無人機(jī)、氫能源電動(dòng)車等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)，推動(dòng)科技成果落地應(yīng)用。

　　■ 推動(dòng)氫能“兩鏈”融合

　　未來能源將給我們普通人帶來哪些改變？

　　如果每家每戶都能安裝一臺(tái)類似熱水器那樣的裝置，它通過電解水產(chǎn)生的氫氣不僅可以轉(zhuǎn)化成電能，還可以燃燒轉(zhuǎn)化成熱能。這樣只要有水，每家每戶日常的用電、用火就都不成問題了。這是對(duì)現(xiàn)有能源使用方式的完全顛覆。

　　這并非天方夜譚。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室做出了樣機(jī)，從理論上證明了它的可行性。“從理論可行到現(xiàn)實(shí)可行還有很長的一段路要走，這有賴于研究的繼續(xù)深入和整體科學(xué)水平的進(jìn)步。科學(xué)研究就是要不斷探索無限種可能。”成永紅說。

　　面向未來，在不斷攻克新型固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)關(guān)鍵難題的同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)在氫網(wǎng)與電網(wǎng)融合、氫能的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域不斷探索研究，取得了一系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　與發(fā)達(dá)國家相比，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展的初級(jí)階段。近年來，我國對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越重視。2019年3月，《政府工作報(bào)告》提出推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)，這是氫能首次被寫入《政府工作報(bào)告》；2021年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，提出統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制—儲(chǔ)—輸—用”全鏈條發(fā)展；今年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，氫能被確定為未來國家能源體系的重要組成部分和用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)被確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

　　陜西具有良好的制氫基礎(chǔ)與大規(guī)模的應(yīng)用市場，發(fā)展氫能的優(yōu)勢明顯。2021年，陜西印發(fā)《加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系若干措施的通知》，指出要加快編制《陜西省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持榆林、渭南、銅川、韓城等地建設(shè)規(guī)模化副產(chǎn)氫純化項(xiàng)目，形成2個(gè)到3個(gè)千噸級(jí)燃料電池級(jí)氫氣工廠。《陜西省“十四五”創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展規(guī)劃》也提出要推進(jìn)氫能、儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

　　“加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是助力我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要路徑。氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命，成為破解能源危機(jī)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的新密碼。作為能源大省，陜西應(yīng)找準(zhǔn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的定位，作出氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)鏈布局創(chuàng)新鏈，攻克產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，讓創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)融合。同時(shí)，面對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱潮，陜西要結(jié)合產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)與其他省份地區(qū)的差異化發(fā)展。”成永紅建議。

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