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)隊在新型儲氫技術(shù)及應(yīng)用研究領(lǐng)域取得多項突破,有效解決了氫能儲存、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?;覛涫侵竿ㄟ^化石原料制取的氫氣,在生產(chǎn)過程中會排放大量二氧化碳;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、儲存、運(yùn)輸、應(yīng)用技術(shù)也成為世界科技前沿的熱點(diǎn)?!背捎兰t介紹,“從整個氫能產(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)的存儲與運(yùn)輸是難點(diǎn)?!?/p>
氫氣具有易燃易爆、密度小、易擴(kuò)散等特點(diǎn),儲存和運(yùn)輸非常難?,F(xiàn)有的儲氫方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫等。其中,高壓氣態(tài)儲氫是在高壓下將氫氣壓縮,以高密度氣態(tài)形式儲存;低溫液態(tài)儲氫是將氫氣壓縮后冷卻至零下252.65攝氏度以下,在絕熱真空儲存器中儲存;有機(jī)液態(tài)儲氫是將烯烴、炔烴或芳香烴與氫氣反應(yīng)實現(xiàn)儲氫;固態(tài)儲氫是利用物理吸附和化學(xué)氫化物的方式,實現(xiàn)氫的存儲和運(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,也就難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。要讓氫能真正發(fā)揮價值,成為未來能源,一定要一攬子布局,突破產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù),尤其是存儲與運(yùn)輸環(huán)節(jié)的技術(shù)?!背捎兰t表示。
■ 把氫氣“握在手里”
在西安交大新型儲能與能量轉(zhuǎn)換納米材料研究中心,記者見到了一種高密度固態(tài)儲氫材料——石墨烯界面納米閥固態(tài)儲氫材料。這種黑色的儲氫材料和玻璃彈球一般大小,可以握在手里。
這種儲氫材料由張錦英研發(fā),可將氫制成固態(tài),不僅提升了儲氫釋氫密度,還克服了低溫釋氫的行業(yè)難題,降低了運(yùn)輸成本,實現(xiàn)了儲氫材料的安全、可控。
這是該團(tuán)隊瞄準(zhǔn)氫能的儲存和運(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,一個標(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升的儲氣罐只能儲存約幾克氫氣,成本非常高。
“低溫液態(tài)儲氫的能耗和成本都特別大,高壓氣態(tài)儲氫不利于長距離運(yùn)輸,而且易燃易爆。同時制氫和用氫往往不在一個區(qū)域,這兩種方式都存在儲運(yùn)成本太大的問題?;诠虘B(tài)儲氫材料的固態(tài)儲氫,有望提供一個遠(yuǎn)期的解決方案?!背捎兰t介紹。
固態(tài)儲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)隊瞄準(zhǔn)了更為綠色、可持續(xù)的氫化物水解儲氫的方向開展科研攻關(guān)。
“通俗地說,水解氫化物儲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存、運(yùn)輸,使用的時候,打開封裝的閥門,讓氫化物和水進(jìn)行反應(yīng),釋放出氫氣?!背捎兰t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?!背捎兰t介紹,這樣的儲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)隊正在進(jìn)行該儲氫材料的中試驗證,并進(jìn)行基于此新型儲氫技術(shù)的便攜式氫能電源、無人機(jī)、氫能源電動車等產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā),推動科技成果落地應(yīng)用。
■ 推動氫能“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)隊已經(jīng)在實驗室做出了樣機(jī),從理論上證明了它的可行性?!皬睦碚摽尚械浆F(xiàn)實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?!背捎兰t說。
面向未來,在不斷攻克新型固態(tài)儲氫技術(shù)關(guān)鍵難題的同時,該團(tuán)隊在氫網(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)展的初級階段。近年來,我國對氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越重視。2019年3月,《政府工作報告》提出推動充電、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—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)?;碑a(chǎn)氫純化項目,形成2個到3個千噸級燃料電池級氫氣工廠?!蛾兾魇 笆奈濉眲?chuàng)新驅(qū)動發(fā)展規(guī)劃》也提出要推進(jìn)氫能、儲能關(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)鏈實現(xiàn)融合。同時,面對氫能產(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,實現(xiàn)與其他省份地區(qū)的差異化發(fā)展?!背捎兰t建議。
數(shù)據(jù)顯示,2024年9月,我國7米以上大中型新能源客車共銷售4584輛,環(huán)比(3010輛)增長52.29%,同比(3493輛)增長31.93%;1-9月,累計銷售23695輛,同比(22688輛)增長4.44%,較1-8月累計(下降0.44%)增長近5個百分點(diǎn),累計增幅由負(fù)轉(zhuǎn)正。9月份我國新能源客車市場發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。 9月:遠(yuǎn)程/中車進(jìn)三甲 歐輝/金龍/中通晉級 七家企業(yè)銷量“雙增” 由上表可見,在7米以上新能源客車銷量排名上,今年9月,宇通客車(600066.SH)銷量為1102輛,拿下新能源客車市場銷冠,并成為唯一一家單月銷量破千的品牌;排名躍升第二的遠(yuǎn)程商用車,銷量為615輛,并于7月后再一次進(jìn)入銷量前十;排名第三的中車電動,銷量為599輛,較上月排名上升兩位。其余企業(yè)中,福田(600166.SH)歐輝、廈門金龍和中通客車(000957.SZ)排名較上月分別提升一位。 在7米以上新能源客車銷量表現(xiàn)上,今年9月,前十企業(yè)中有7家企業(yè)實現(xiàn)了環(huán)比與同比“雙增”,即宇通客車、遠(yuǎn)程商用車、中車電動、上海申沃、福田歐輝、廈門金龍和中通客車。其中,中車電動銷量同比增長470.48%,領(lǐng)漲行業(yè);福田歐輝和廈門金龍也實現(xiàn)銷量同比翻倍增長;宇通客車銷量同比增長也接近8成。而遠(yuǎn)程商用車、中車電動、福田歐輝、廈門金龍和中通客車等企業(yè)實現(xiàn)...