作為一種理想的綠色清潔能源，氫能具有可再生、無污染、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，已被全球各國認(rèn)定為能源轉(zhuǎn)型的一條可行技術(shù)路線并寄予厚望。包括美國、歐盟、日本在內(nèi)，全球已經(jīng)有超過20個(gè)國家及聯(lián)盟發(fā)布或制定了《國家氫能戰(zhàn)略》，我國也將氫能正式納入國家能源戰(zhàn)略體系，并明確了政策鼓勵(lì)的應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域。
在氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)中，高效安全的儲(chǔ)運(yùn)已成為剛性瓶頸。2021年全球氫氣總產(chǎn)量達(dá)到9423萬噸，當(dāng)電解水等制氫技術(shù)不斷成熟的同時(shí)，如何將氫以便利于機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)使用的方式儲(chǔ)存已成為氫能利用的最大難題。目前全球氫能市場(chǎng)規(guī)模已擴(kuò)張至1000多億美元，而儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)則占據(jù)了總成本的30%~40%。
在國內(nèi)科研人員的不懈攻堅(jiān)下，氫能存儲(chǔ)這一關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)在近期取得重大突破——作為國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)，率先在廣州、昆明同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這是我國首次將光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能應(yīng)用于電力系統(tǒng)，意味著國內(nèi)的氫能技術(shù)已經(jīng)具備了商業(yè)化運(yùn)營的條件。
固態(tài)儲(chǔ)氫密度飆升
固態(tài)儲(chǔ)氫是在常溫下通過氫氣與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，讓氫原子進(jìn)入金屬的空隙中儲(chǔ)存，儲(chǔ)氫壓力是2-3兆帕，升高合金的環(huán)境溫度就可以釋放氫氣。
用于制備上述合金的鎂基材料是金屬固態(tài)儲(chǔ)氫材料中儲(chǔ)氫密度最高的材料之一，能夠很好地解決氫能儲(chǔ)運(yùn)難、鋰電池價(jià)格昂貴、不環(huán)保、不安全等難題。
與現(xiàn)有的氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相比，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫大大提高了儲(chǔ)氫密度：研究數(shù)據(jù)顯示，在20兆帕大氣壓下，每立方米可存儲(chǔ)氫氣14.4公斤;在零下253攝氏度低溫下，每立方米可存儲(chǔ)液態(tài)氫70公斤;而在常溫低壓鎂基固態(tài)條件下，每立方米可存儲(chǔ)氫氣110公斤。
除了儲(chǔ)運(yùn)氫量非常大，鎂合金材料還有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即可以對(duì)氫進(jìn)行凈化，特別是工業(yè)廢氫中的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等各種雜質(zhì)。據(jù)了解，鎂合金吸氫后再釋放的氫氣純度可達(dá)99.999%，這類高純氫完全適用于醫(yī)療、半導(dǎo)體、新材料乃至新型燃料電池的需求。
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(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的用蒸氣法來制造含鎂氫的合金新材料，初步具備量產(chǎn)的可能，給低成本固體儲(chǔ)氫的應(yīng)用帶來了希望。這種合金材料可根據(jù)純度劃分為吸氫和放氫等不同用途：其中顆粒狀鎂氫結(jié)合物可反復(fù)使用約3000次，無任何衰減，而粉狀鎂氫結(jié)合物可通過催化劑水解，儲(chǔ)氫密度達(dá)到13%，已實(shí)現(xiàn)按噸生產(chǎn)。
隨著氫能市場(chǎng)化最重要的一塊拼圖被補(bǔ)齊，這種讓氫進(jìn)出自由的固態(tài)材料將從根本上改變傳統(tǒng)儲(chǔ)能模式效率低、成本高、安全性差的現(xiàn)狀，氫氣這種新能源已具備規(guī)模化應(yīng)用的條件。
在此基礎(chǔ)上，固態(tài)儲(chǔ)氫可實(shí)現(xiàn)氫氣的(海運(yùn)、空運(yùn)集裝箱等)長(zhǎng)途大規(guī)模運(yùn)輸;高密度存儲(chǔ)因電力供需不平衡而無法并入電網(wǎng)的“棄風(fēng)”、“棄光”;更高效、更低成本的家用能源供給;加氫站建設(shè)乃至服務(wù)于冶金、煉鋼等工業(yè)生產(chǎn)以及助力燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，降低碳排放。
開啟下一個(gè)儲(chǔ)能風(fēng)口
在當(dāng)前主流發(fā)電技術(shù)中，水力發(fā)電技術(shù)成熟，可24小時(shí)持續(xù)供電、火力發(fā)電的速度可以動(dòng)態(tài)調(diào)整、而光伏發(fā)電量呈現(xiàn)明顯的周期性、風(fēng)力發(fā)電也存在不穩(wěn)定性。因此，儲(chǔ)能承擔(dān)著靈活調(diào)節(jié)新能源發(fā)電量的使命。國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2023年全國非化石能源發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到25.7億千瓦，屆時(shí)發(fā)電量占比將達(dá)到52.5%。在此背景下，儲(chǔ)能建設(shè)還存在較大缺口。
但儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的發(fā)展仍然只能用“叫好不叫座”來形容：一方面，儲(chǔ)能行業(yè)熱度高漲，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為儲(chǔ)能已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)機(jī)遇期，是一片市場(chǎng)空間巨大的藍(lán)海。近年來，發(fā)電側(cè)尤其是新能源儲(chǔ)能備受資本青睞。2022年，全球儲(chǔ)能廠商融資規(guī)模達(dá)到260億美元以上，與前一年的170億美元相比增長(zhǎng)55%。另一方面，當(dāng)配套產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善、上游原材料碳酸鋰成本有所降低，安全性以及技術(shù)瓶頸等因素仍制約著儲(chǔ)能行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。
預(yù)計(jì)到2050年，可再生能源裝機(jī)容量比2020年增加10倍，需要大量的能源儲(chǔ)存，按照目前的儲(chǔ)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)遇到了嚴(yán)重的瓶頸。
而剛剛?cè)〉眉夹g(shù)突破的固態(tài)儲(chǔ)氫發(fā)電則有望帶領(lǐng)儲(chǔ)能行業(yè)實(shí)現(xiàn)突圍。固態(tài)氫能發(fā)電是利用氫氣在高溫高壓下與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種新型能源技術(shù)，其核心是利用固態(tài)氫質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)，通過固態(tài)氧氣電極和固態(tài)氫電極反應(yīng)產(chǎn)生電能。
相比于帶有安全隱患和污染問題的鋰離子電池，鎂電池的成本更低、安全性更高。作為負(fù)極，其能量密度是商用鋰電池負(fù)極的6倍。鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)的發(fā)展，將為未來中國能源體系變革、交通運(yùn)輸方式低碳化轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。
目前，云海金屬、氫楓能源、雄韜股份、寶武清潔能源等企業(yè)均在鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域有所布局。其中，氫楓能源參與的氫能儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目通過驗(yàn)收工作，安泰創(chuàng)明自研的固態(tài)儲(chǔ)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)已應(yīng)用于氫能兩輪車。
中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，2025年，我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1萬億元;2050年，氫能在我國終端能源體系中占比超過10%，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元，這將對(duì)鎂基儲(chǔ)氫材料提出大量市場(chǎng)需求。
中國工程院院士王成山表示，未來，氫能在終端能源體系中的占比將持續(xù)擴(kuò)大，綠氫(通過使用再生能源制造的氫氣，其生產(chǎn)過程中碳排放為0)的比重也將持續(xù)提升，電氫融合是支撐電力系統(tǒng)向高級(jí)形態(tài)演化的重大變革性技術(shù)之一。
民用化征途漫漫
當(dāng)前，歐美日韓已將氫能發(fā)展提升至國家或地區(qū)戰(zhàn)略層面，并通過多年的政策引導(dǎo)由大型企業(yè)引領(lǐng)建立了較成熟的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，在制氫、儲(chǔ)運(yùn)加氫和用氫方面積累了先進(jìn)的核心技術(shù)。
其中，日本是最早開始?xì)淠苎邪l(fā)的經(jīng)濟(jì)體之一，也是目前全球氫能開發(fā)和應(yīng)用最全面的國家。日本的整體能源戰(zhàn)略目標(biāo)更傾向于創(chuàng)造“氫能社會(huì)”，并計(jì)劃到2030年將氫能在能源結(jié)構(gòu)中的占比提升至11%，尤其要強(qiáng)化氫能在汽車、家庭、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
日前，日本政府正考慮制定新戰(zhàn)略，計(jì)劃在未來15年內(nèi)吸引約15萬億日元(約合1130億美元)公共和私人投資，加快氫能發(fā)電商業(yè)化進(jìn)程。
相比之下，中國的氫能源建設(shè)起步稍晚，但此次固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著中國已經(jīng)在氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)反超。預(yù)計(jì)2025年，全國將建成加氫站1002座，推廣氫燃料車54800輛。在更長(zhǎng)遠(yuǎn)的設(shè)想中，鎂基儲(chǔ)氫還將推動(dòng)民用氫能源車的發(fā)展，顛覆當(dāng)前新能源車的競(jìng)爭(zhēng)格局。
但當(dāng)前，鎂基儲(chǔ)氫技術(shù)在控制儲(chǔ)放氫的能量損耗和成本方面還存在難點(diǎn)。固態(tài)氫能發(fā)電方面，固態(tài)氫電極的制備工藝還需要進(jìn)一步完善，固態(tài)氫質(zhì)子導(dǎo)體的性能也需要不斷提升。具體到氫能車方面，小型化也是一個(gè)需要時(shí)間解決的問題。相信在后續(xù)密集的商業(yè)化試煉中，氫能有望登上更廣闊的舞臺(tái)。（動(dòng)點(diǎn)科技）
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