西安交大科研團隊攻克氫能儲存運輸多項難題

                              隨著“雙碳”目標的確立,氫能的開發與利用被寄予厚望。


                              西安交通大學成永紅、張錦英教授帶領團隊在新型儲氫技術及應用研究領域取得多項突破,有效解決了氫能儲存、運輸中的一系列難題,使氫能的大規模應用成為可能。


                              氫能為何備受關注?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新港西安交大新型儲能與能量轉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。氫元素排列在化學元素周期表的第一位,是浩瀚宇宙中分布最廣泛的物質之一。氫燃燒熱值高,是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氫燃燒的產物是水,被認為是世界上最干凈的能源。


                              區別于煤、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,根據其制取過程的碳排放強度,氫被分為灰氫、藍氫和綠氫?;覛涫侵竿ㄟ^化石原料制取的氫氣,在生產過程中會排放大量二氧化碳;藍氫是在灰氫的基礎上,應用碳捕集和封存技術,實現中和碳制氫;綠氫是通過太陽能、風力等可再生能源發電進行電解水制氫,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,隨著可再生能源發電成本持續降低,綠氫占比將逐年上升。


                              氫能在諸多領域均有廣闊的應用前景。作為一種綠色能源,氫可通過氫燃料電池或氫內燃機轉化為電能和熱能,覆蓋生產生活的方方面面。作為一種工業原料,氫能可廣泛應用于石油、化工、冶金、電子、醫療等領域。


                              “氫能來源豐富、應用廣泛。世界各國紛紛將氫能上升為國家戰略,搶占產業發展先機和制高點。氫的制取、儲存、運輸、應用技術也成為世界科技前沿的熱點?!背捎兰t介紹,“從整個氫能產業鏈看,不管是供給側的制氫環節,還是需求側的綜合應用,都有多種技術可供選擇,而中間環節的存儲與運輸是難點?!?/p>


                              氫氣具有易燃易爆、密度小、易擴散等特點,儲存和運輸非常難?,F有的儲氫方式主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫等。其中,高壓氣態儲氫是在高壓下將氫氣壓縮,以高密度氣態形式儲存;低溫液態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;有機液態儲氫是將烯烴、炔烴或芳香烴與氫氣反應實現儲氫;固態儲氫是利用物理吸附和化學氫化物的方式,實現氫的存儲和運輸。


                              “一種能源,如果無法安全、高效、低成本運輸,就無法使供給側和需求側有效銜接,也就難以實現大規模應用。要讓氫能真正發揮價值,成為未來能源,一定要一攬子布局,突破產業鏈各個環節的關鍵技術,尤其是存儲與運輸環節的技術?!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換納米材料研究中心,記者見到了一種高密度固態儲氫材料——石墨烯界面納米閥固態儲氫材料。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,可將氫制成固態,不僅提升了儲氫釋氫密度,還克服了低溫釋氫的行業難題,降低了運輸成本,實現了儲氫材料的安全、可控。


                              這是該團隊瞄準氫能的儲存和運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,一個標準大氣壓力下,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。


                              “低溫液態儲氫的能耗和成本都特別大,高壓氣態儲氫不利于長距離運輸,而且易燃易爆。同時制氫和用氫往往不在一個區域,這兩種方式都存在儲運成本太大的問題?;诠虘B儲氫材料的固態儲氫,有望提供一個遠期的解決方案?!背捎兰t介紹。


                              固態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釋放氫氣。2012年開始,成永紅、張錦英團隊瞄準了更為綠色、可持續的氫化物水解儲氫的方向開展科研攻關。


                              “通俗地說,水解氫化物儲氫就是利用一定的材料和技術手段,先把氫封存在固體氫化物中儲存、運輸,使用的時候,打開封裝的閥門,讓氫化物和水進行反應,釋放出氫氣?!背捎兰t介紹,“不同的氫化物和水發生反應的速度不一樣,有的是特別緩慢的低速反應,有的是瞬間爆炸式的快速反應。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的過程,讓氫氣穩定充分地釋放出來?!?/p>


                              “通過這種方式,我們運輸100公斤的材料,到目的地后加水反應,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攝氏度范圍內穩定工作。此外,氫氣釋放完的金屬材料,仍然可以回收利用。


                              據了解,目前該團隊正在進行該儲氫材料的中試驗證,并進行基于此新型儲氫技術的便攜式氫能電源、無人機、氫能源電動車等產品的設計和開發,推動科技成果落地應用。


                              ■ 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,它通過電解水產生的氫氣不僅可以轉化成電能,還可以燃燒轉化成熱能。這樣只要有水,每家每戶日常的用電、用火就都不成問題了。這是對現有能源使用方式的完全顛覆。


                              這并非天方夜譚。該團隊已經在實驗室做出了樣機,從理論上證明了它的可行性?!皬睦碚摽尚械浆F實可行還有很長的一段路要走,這有賴于研究的繼續深入和整體科學水平的進步??茖W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儲氫技術關鍵難題的同時,該團隊在氫網與電網融合、氫能的產業應用等領域不斷探索研究,取得了一系列自主知識產權。


                              與發達國家相比,我國氫能產業仍處于發展的初級階段。近年來,我國對氫能產業的發展越來越重視。2019年3月,《政府工作報告》提出推動充電、加氫等設施建設,這是氫能首次被寫入《政府工作報告》;2021年10月,中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,提出統籌推進氫能“制—儲—輸—用”全鏈條發展;今年3月,國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃(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綠色低碳轉型的重要載體,氫能產業被確定為戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。


                              陜西具有良好的制氫基礎與大規模的應用市場,發展氫能的優勢明顯。2021年,陜西印發《加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系若干措施的通知》,指出要加快編制《陜西省氫能產業發展規劃》,推動氫能產業發展,支持榆林、渭南、銅川、韓城等地建設規?;碑a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奈濉眲撔买寗影l展規劃》也提出要推進氫能、儲能關鍵技術研發和應用,加快構建以新能源為主體的新型電力系統。


                              “加快氫能產業發展是助力我國實現碳達峰碳中和目標的重要路徑。氫能的開發與利用正在引發一場深刻的能源革命,成為破解能源危機,構建清潔低碳、安全高效現代能源體系的新密碼。作為能源大省,陜西應找準能源轉型升級的定位,作出氫能產業的發展規劃,瞄準產業鏈布局創新鏈,攻克產業發展的關鍵核心技術,讓創新鏈和產業鏈實現融合。同時,面對氫能產業發展熱潮,陜西要結合產業特點和優勢,實現與其他省份地區的差異化發展?!背捎兰t建議。


                            標簽: 氫能儲存運輸

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