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，已被全球各國認定為能源轉型的一條可行技術路線并寄予厚望。包括美國、歐盟、日本在內，全球已經(jīng)有超過20個國家及聯(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，并明確了政策鼓勵的應用場景和領域。
在氫氣制備、儲運和應用三個環(huán)節(jié)中，高效安全的儲運已成為剛性瓶頸。2021年全球氫氣總產(chǎn)量達到9423萬噸，當電解水等制氫技術不斷成熟的同時，如何將氫以便利于機械動力系統(tǒng)使用的方式儲存已成為氫能利用的最大難題。目前全球氫能市場規(guī)模已擴張至1000多億美元，而儲運環(huán)節(jié)則占據(jù)了總成本的30%~40%。
在國內科研人員的不懈攻堅下，氫能存儲這一關鍵點已經(jīng)在近期取得重大突破——作為國家重點研發(fā)項目的固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)，率先在廣州、昆明同時實現(xiàn)。這是我國首次將光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能應用于電力系統(tǒng)，意味著國內的氫能技術已經(jīng)具備了商業(yè)化運營的條件。
固態(tài)儲氫密度飆升
固態(tài)儲氫是在常溫下通過氫氣與合金發(fā)生化學反應，讓氫原子進入金屬的空隙中儲存，儲氫壓力是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)儲氫材料中儲氫密度最高的材料之一，能夠很好地解決氫能儲運難、鋰電池價格昂貴、不環(huán)保、不安全等難題。
與現(xiàn)有的氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫技術相比，鎂基固態(tài)儲氫大大提高了儲氫密度：研究數(shù)據(jù)顯示，在20兆帕大氣壓下，每立方米可存儲氫氣14.4公斤;在零下253攝氏度低溫下，每立方米可存儲液態(tài)氫70公斤;而在常溫低壓鎂基固態(tài)條件下，每立方米可存儲氫氣110公斤。
除了儲運氫量非常大，鎂合金材料還有一個顯著特點，即可以對氫進行凈化，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。據(jù)了解，鎂合金吸氫后再釋放的氫氣純度可達99.999%，這類高純氫完全適用于醫(yī)療、半導體、新材料乃至新型燃料電池的需求。
中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江團隊首創(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，給低成本固體儲氫的應用帶來了希望。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：其中顆粒狀鎂氫結合物可反復使用約3000次，無任何衰減，而粉狀鎂氫結合物可通過催化劑水解，儲氫密度達到13%，已實現(xiàn)按噸生產(chǎn)。
隨著氫能市場化最重要的一塊拼圖被補齊，這種讓氫進出自由的固態(tài)材料將從根本上改變傳統(tǒng)儲能模式效率低、成本高、安全性差的現(xiàn)狀，氫氣這種新能源已具備規(guī)模化應用的條件。
在此基礎上，固態(tài)儲氫可實現(xiàn)氫氣的(海運、空運集裝箱等)長途大規(guī)模運輸;高密度存儲因電力供需不平衡而無法并入電網(wǎng)的“棄風”、“棄光”;更高效、更低成本的家用能源供給;加氫站建設乃至服務于冶金、煉鋼等工業(yè)生產(chǎn)以及助力燃氣輪機發(fā)電，降低碳排放。
開啟下一個儲能風口
在當前主流發(fā)電技術中，水力發(fā)電技術成熟，可24小時持續(xù)供電、火力發(fā)電的速度可以動態(tài)調整、而光伏發(fā)電量呈現(xiàn)明顯的周期性、風力發(fā)電也存在不穩(wěn)定性。因此，儲能承擔著靈活調節(jié)新能源發(fā)電量的使命。國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，預計到2023年全國非化石能源發(fā)電裝機將達到25.7億千瓦，屆時發(fā)電量占比將達到52.5%。在此背景下，儲能建設還存在較大缺口。
但儲能產(chǎn)業(yè)當前的發(fā)展仍然只能用“叫好不叫座”來形容：一方面，儲能行業(yè)熱度高漲，業(yè)內普遍認為儲能已進入產(chǎn)業(yè)機遇期，是一片市場空間巨大的藍海。近年來，發(fā)電側尤其是新能源儲能備受資本青睞。2022年，全球儲能廠商融資規(guī)模達到260億美元以上，與前一年的170億美元相比增長55%。另一方面，當配套產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善、上游原材料碳酸鋰成本有所降低，安全性以及技術瓶頸等因素仍制約著儲能行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。
預計到2050年，可再生能源裝機容量比2020年增加10倍，需要大量的能源儲存，按照目前的儲能量遠遠不夠，現(xiàn)有儲能技術遇到了嚴重的瓶頸。
而剛剛取得技術突破的固態(tài)儲氫發(fā)電則有望帶領儲能行業(yè)實現(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產(chǎn)生電能的一種新型能源技術，其核心是利用固態(tài)氫質子導體作為電解質，通過固態(tài)氧氣電極和固態(tài)氫電極反應產(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。作為負極，其能量密度是商用鋰電池負極的6倍。鎂基固態(tài)儲運氫技術的發(fā)展，將為未來中國能源體系變革、交通運輸方式低碳化轉變奠定基礎。
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)儲氫領域有所布局。其中，氫楓能源參與的氫能儲運及應用技術平臺建設項目通過驗收工作，安泰創(chuàng)明自研的固態(tài)儲氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)已應用于氫能兩輪車。
中國氫能聯(lián)盟預計，2025年，我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到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)值達到12萬億元，這將對鎂基儲氫材料提出大量市場需求。
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)向高級形態(tài)演化的重大變革性技術之一。
民用化征途漫漫
當前，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由大型企業(yè)引領建立了較成熟的氫能相關產(chǎn)業(yè)鏈，在制氫、儲運加氫和用氫方面積累了先進的核心技術。
其中，日本是最早開始氫能研發(fā)的經(jīng)濟體之一，也是目前全球氫能開發(fā)和應用最全面的國家。日本的整體能源戰(zhàn)略目標更傾向于創(chuàng)造“氫能社會”，并計劃到2030年將氫能在能源結構中的占比提升至11%，尤其要強化氫能在汽車、家庭、工業(yè)等領域的應用。
日前，日本政府正考慮制定新戰(zhàn)略，計劃在未來15年內吸引約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)化進程。
相比之下，中國的氫能源建設起步稍晚，但此次固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)的實現(xiàn)標志著中國已經(jīng)在氫能利用的關鍵技術方面實現(xiàn)反超。預計2025年，全國將建成加氫站1002座，推廣氫燃料車54800輛。在更長遠的設想中，鎂基儲氫還將推動民用氫能源車的發(fā)展，顛覆當前新能源車的競爭格局。
但當前，鎂基儲氫技術在控制儲放氫的能量損耗和成本方面還存在難點。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一步完善，固態(tài)氫質子導體的性能也需要不斷提升。具體到氫能車方面，小型化也是一個需要時間解決的問題。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。（動點科技）
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