氫能是“十五五”規(guī)劃綱要提出的未來發(fā)展重點領(lǐng)域之一。氫既是重要的工業(yè)原料，也是具備大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)儲能能力重要介質(zhì)，還可以在電能、熱能和化學(xué)能之間靈活轉(zhuǎn)換，是連接可再生能源與工業(yè)、交通、建筑等終端用能領(lǐng)域的重要載體。本期“院士講科普”，邀請中國科學(xué)院院士馬丁、中國工程院院士丁文江、中國工程院院士謝和平，深入解讀氫氣制備、儲運和應(yīng)用的全過程，解讀氫能在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型和未來產(chǎn)業(yè)培育中的重要意義。

——編 者

綠色制氫，夯實氫能產(chǎn)業(yè)地基

馬 丁

制氫處于氫能產(chǎn)業(yè)鏈源頭。加快綠色制氫科技創(chuàng)新，是培育氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性工作。發(fā)展綠氫，可以為可再生能源跨區(qū)域、跨周期利用開辟新的路徑，使氫能在能源體系中發(fā)揮“緩沖器”作用，也有助于把國內(nèi)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定、便于調(diào)配的能源和工業(yè)原料，增強能源供應(yīng)體系韌性。

要實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要解決氫氣的綠色來源問題。我國是氫氣生產(chǎn)和消費大國，已經(jīng)形成較完整的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但現(xiàn)有氫源仍以煤炭、天然氣等化石資源制氫為主，碳排放壓力較大。近年來，可再生能源制氫項目加快布局，電解水制氫裝備制造能力不斷提升，但綠氫在整體供給中的比重仍然有限，部分項目還面臨資源地與消費地相距較遠(yuǎn)、利用水平不高、下游需求不足等難點。

制氫技術(shù)路線多元，需要根據(jù)資源條件和應(yīng)用場景科學(xué)選擇。煤制氫、天然氣制氫技術(shù)成熟，現(xiàn)階段仍承擔(dān)主要供給任務(wù)，應(yīng)持續(xù)提高能源利用效率、降低過程排放，具備條件的可探索與碳捕集利用和封存技術(shù)協(xié)同。可再生能源電解水制氫是綠色制氫的重點方向。我國堿性電解裝備已具備較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，下一步需要提高在風(fēng)光電力波動工況下的運行效率和穩(wěn)定性。質(zhì)子交換膜電解水制氫動態(tài)響應(yīng)較快，在與風(fēng)光電力耦合方面具有優(yōu)勢，但對貴金屬和關(guān)鍵材料的依賴性較強。太陽能直接制氫、熱化學(xué)循環(huán)和生物制氫等前沿路線，仍面臨轉(zhuǎn)化效率、材料穩(wěn)定性和規(guī)模制造等方面的問題，需要保持穩(wěn)定投入和戰(zhàn)略耐心。沿海地區(qū)還可依托海上風(fēng)電，穩(wěn)妥探索海上制氫、制氨、制醇等一體化利用。

綠色制氫走向規(guī)模應(yīng)用，離不開基礎(chǔ)研究突破。近年來，我們從金屬—載體催化界面調(diào)控入手，探索解決制氫催化劑活性與穩(wěn)定性難以兼顧的問題。在甲醇—水重整制氫中，通過納米覆蓋層保護(hù)關(guān)鍵界面，實現(xiàn)低貴金屬用量下的長期穩(wěn)定運行;在生物乙醇制氫中，通過調(diào)控催化界面改變反應(yīng)路徑，在制取氫氣的同時聯(lián)產(chǎn)乙酸，使原料中的碳更多轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品。這些研究說明，綠色制氫不能只關(guān)注單項性能，還要統(tǒng)籌長期穩(wěn)定性、資源利用效率和全過程減排，從反應(yīng)源頭探索更加高效、低碳的技術(shù)路徑。

未來5至10年，是綠色制氫由示范驗證向規(guī)模應(yīng)用邁進(jìn)的關(guān)鍵時期。首先要提高制氫系統(tǒng)在波動工況下的效率、壽命和安全性，加強基礎(chǔ)研究、中試驗證和工程示范的銜接，使新技術(shù)經(jīng)受真實工況和長期運行檢驗。還應(yīng)以煉化、合成氨、甲醇等現(xiàn)有需求為牽引，穩(wěn)步拓展氫冶金等應(yīng)用，推動綠電、綠氫與下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同布局。

綠色制氫是一項需要長期積累的系統(tǒng)工程，只有堅持科學(xué)論證、因地制宜、穩(wěn)妥推進(jìn)，才能把科技創(chuàng)新優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢。綠色制氫的中國方案，應(yīng)立足我國資源稟賦和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，貫通原始創(chuàng)新、裝備制造與應(yīng)用需求。要發(fā)揮可再生能源和制造體系優(yōu)勢，補齊關(guān)鍵材料、核心部件和系統(tǒng)集成短板，推動成熟技術(shù)持續(xù)降本增效，同時為基礎(chǔ)研究和前沿探索保持穩(wěn)定投入。

(作者為中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授，本報記者吳丹整理)

固態(tài)儲氫，把氫氣“鎖”進(jìn)鎂合金

丁文江

氫氣燒完只“留下”水，從環(huán)保角度講是絕佳的清潔能源。但它有致命弱點——氫氣在常溫下密度很低，同等能量體積是汽油的2700多倍;遇明火容易發(fā)生爆炸，防爆要求格外嚴(yán)格。

如何儲運氫氣、用好氫氣?目前有兩條主流路徑：用200—300個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓把氫氣“壓進(jìn)”鋼瓶里，一輛49噸長管拖車滿載才能運輸250—300公斤氫氣，效率低且有泄漏、燃爆風(fēng)險;低溫液態(tài)儲氫須降至零下253攝氏度，能耗高、絕熱密封難。儲運環(huán)節(jié)往往吃掉氫能產(chǎn)業(yè)鏈總成本的30%—50%，是氫氣大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

近年來，我們從鎂合金上找到了固態(tài)儲氫這條路。鎂基固態(tài)儲氫材料儲氫，像海綿吸水。把氫氣“吃”進(jìn)鎂合金內(nèi)部的晶格間隙，變成穩(wěn)定的氫化鎂，把氫氣“鎖”在里面，常溫常壓就能安安穩(wěn)穩(wěn)待著，不用高壓和低溫。需要時稍微加熱，鎂合金再把氫氣慢慢“吐”出來，這個過程可以反復(fù)循環(huán)。我們研發(fā)的鎂基儲氫材料，實測吸氫量超過6.8%，循環(huán)壽命突破3000次;更重要的是，這種固態(tài)儲氫方式安全有保證，罐體即便磕碰破損，氫氣只會緩慢逸出，不會像高壓氣瓶那樣瞬間噴射爆炸。

我國發(fā)展鎂基固態(tài)儲氫具有得天獨厚的優(yōu)勢。鎂主要來自鎂礦冶煉，我國鎂礦、鹽湖鎂等綜合儲量占全球70%以上，原鎂產(chǎn)量占全球90%左右，在鎂材料的制備上，資源完全自主可控。但是鎂材料是有“性格”的，它活潑易氧化，吸放氫氣時伴隨著體積膨脹，曾被認(rèn)為無法工程化。我們團(tuán)隊通過多元合金化降反應(yīng)溫度、設(shè)計多孔塊體緩沖脹縮、建立氫—熱耦合模型優(yōu)化能源效率等路徑，一步步將鎂基儲氫從實驗室推向工程應(yīng)用。鎂基固態(tài)儲運氫技術(shù)，我國已處于國際領(lǐng)先水平。

當(dāng)然，氫氣固態(tài)儲運尚未達(dá)到隨意鋪開的程度。鎂—氫鍵較強，理想放氫溫區(qū)仍在300攝氏度上下，雖然經(jīng)合金化已大幅降低操作溫區(qū)，但隨車快速啟停場景下緊湊高效供熱撤熱、系統(tǒng)輕量化仍有待突破。現(xiàn)階段更適合固定儲能、遠(yuǎn)距運氫、加氫站緩存，直接裝車有待進(jìn)一步減重。此外，產(chǎn)業(yè)鏈上游需配套風(fēng)光電解水制“綠氫”才能實現(xiàn)真正的零碳，加氫站、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全認(rèn)證也要同步跟上。

“雙碳”目標(biāo)下，綠氫制取、固態(tài)儲運、多元應(yīng)用是能源轉(zhuǎn)型的重要抓手。我國鎂資源稟賦、材料積累和裝備制造三者疊加，有條件把鎂基固態(tài)儲氫做成有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。鎂基儲氫從想法到樣機花了20多年，從樣機到產(chǎn)業(yè)還要再走一程。把最輕的氫氣“鎖進(jìn)”鎂金屬里，把清潔能源高效安全送達(dá)千家萬戶，是我們的夢想。

(作者為中國工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任，本報記者黃曉慧采訪整理)

海里“挖”氫，豐富全鏈條應(yīng)用場景

謝和平

工業(yè)領(lǐng)域是綠氫率先實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的主陣地。在鋼鐵工業(yè)中，氫可替代焦炭作為還原劑，推動冶煉工藝低碳化。在交通領(lǐng)域，氫燃料電池在長續(xù)航、高載重和快速補能場景中具有獨特優(yōu)勢，可重點用于重型貨車、城市公交、物流配送，并逐步拓展到船舶和航空器。低空經(jīng)濟(jì)也為氫能開辟了新空間，氫動力無人機續(xù)航時間長、補能快，可廣泛應(yīng)用于海洋巡檢、電網(wǎng)巡線、應(yīng)急救援等任務(wù)。在能源系統(tǒng)中，氫能可以與風(fēng)電、光伏協(xié)同運行，實現(xiàn)大規(guī)模、長周期乃至跨季節(jié)儲能，增強新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。在微電網(wǎng)中，氫燃料電池還可提供熱電聯(lián)供，作為數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等重要場所的備用電源。

大規(guī)模發(fā)展綠氫，需要同時解決綠色電力和淡水資源問題。我國部分風(fēng)能、太陽能資源富集地區(qū)淡水資源相對緊張，而海洋擁有地球約97%的水資源，也匯聚了豐富的海上風(fēng)能、太陽能等可再生能源。可以說，海洋是全球最大的“氫礦”，海水直接制氫有望把取之不盡的海水資源轉(zhuǎn)化為綠色能源。然而，海水直接制氫并不容易。海水成分非常復(fù)雜，直接電解面臨析氯副反應(yīng)、催化劑失活、電解槽腐蝕等難點。現(xiàn)有的海水制氫方法，很難從根本上“抵抗”海水復(fù)雜成分導(dǎo)致的毒性和腐蝕性，更無法支撐真實海洋環(huán)境下的長時間穩(wěn)定運行。

我們團(tuán)隊另辟蹊徑，將分子擴散、界面相平衡等物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，創(chuàng)新提出了相變遷移驅(qū)動的海水無淡化原位直接電解制氫原理技術(shù)——通過選擇性相分離界面，僅允許水分子通過，鹽離子和雜質(zhì)被徹底阻隔，實現(xiàn)了無須淡化、無須額外能耗地將海水當(dāng)純凈水一樣直接電解制氫。這一原創(chuàng)技術(shù)在真實海水中實現(xiàn)了超過3200小時穩(wěn)定運行，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》，并在福建興化灣成功實現(xiàn)了全球首個海上風(fēng)電海水無淡化原位直接電解制氫海試。現(xiàn)在正進(jìn)一步將真實海洋環(huán)境多因素耦合作用納入海水直接電解制氫的工程技術(shù)示范體系。

隨著海水原位直接電解制氫技術(shù)的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)在大海“就地發(fā)電、就地取水、就地制氫”的一體化模式。在深遠(yuǎn)海，海上風(fēng)電、光伏和海水直接制氫可以構(gòu)成多能互補系統(tǒng)。制取的氫氣既可通過管道或船舶輸送到陸地，也可原位轉(zhuǎn)化為氨、甲醇等更便于儲運的產(chǎn)品，還可直接為海上平臺、遠(yuǎn)洋船舶、郵輪與海島供能。由此形成的“海上新能源—海水制氫—氫基燃料”全鏈條體系，不僅能夠減少遠(yuǎn)距離輸電壓力，還可能催生從海上新能源開發(fā)、海水制氫到氫基燃料生產(chǎn)和運輸?shù)耐暾a(chǎn)業(yè)鏈，拓展海洋能源開發(fā)空間。

隨著海洋開發(fā)不斷向深遠(yuǎn)海延伸，海基氫動力無人機還可依托風(fēng)電平臺和海上制氫設(shè)施形成網(wǎng)絡(luò)化作業(yè)節(jié)點，開展高頻次、自動化的設(shè)備巡檢、海事監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測和搜救任務(wù)。這種能源供給與低空裝備協(xié)同發(fā)展的模式，有望降低傳統(tǒng)船舶長距離往返的時間和成本，提升深遠(yuǎn)海基礎(chǔ)設(shè)施運行維護(hù)與突發(fā)事件響應(yīng)能力。

相信通過基礎(chǔ)研究、裝備制造和應(yīng)用場景協(xié)同創(chuàng)新，我國將不斷完善從海水直接制氫到氫基燃料利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈，為保障國家能源安全、推動綠色低碳轉(zhuǎn)型和構(gòu)建新型能源體系提供有力戰(zhàn)略支撐。

(作者為中國工程院院士、四川大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任，本報記者宋豪新采訪整理)