重大突破！氫有望“坐油罐車(chē)”出門(mén)了

氫素有“終極清潔能源”之稱(chēng)，但儲(chǔ)運(yùn)困難牢牢卡住了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“脖子。”

3月24日，華東理工大學(xué)聯(lián)合能源企業(yè)研發(fā)的“甲苯-甲基環(huán)己烷有機(jī)液體儲(chǔ)氫體系關(guān)鍵脫氫技術(shù)”完成科技成果評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵脫氫技術(shù)的突破。該成果還建成了國(guó)內(nèi)首套200千克氫氣/天的甲基環(huán)己烷脫氫中試裝置，為綠氫大規(guī)模、安全儲(chǔ)運(yùn)找到了可行路徑。

“解鎖”氫的關(guān)鍵一步

氫氣是地球上最輕的氣體，常溫下體積大、易泄漏，易燃易爆，堪稱(chēng)好用但難管的“氣老虎”。

“傳統(tǒng)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式，要么加壓到700個(gè)大氣壓，要么冷凍至零下253℃液化，不僅能耗高、成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)也不小。”4月1日，南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授候其東接受科普時(shí)報(bào)記者采訪時(shí)介紹，有機(jī)液體儲(chǔ)氫（LOHC），被公認(rèn)為是長(zhǎng)距離、大規(guī)模運(yùn)氫的最優(yōu)方案。

LOHC原理很簡(jiǎn)單——在制氫端，甲苯像一塊海綿把氫氣“吸”進(jìn)分子里，變成穩(wěn)定的甲基環(huán)己烷液體，相當(dāng)于把氫氣安全“鎖”起來(lái)，這就是“加氫”。

穩(wěn)定的甲基環(huán)己烷液體可以直接用油罐車(chē)、管道、油輪運(yùn)輸，和運(yùn)汽油差不多，不用高壓、不用低溫，安全方便還省錢(qián)。

到達(dá)用氫端后，就需要脫氫技術(shù)登場(chǎng)了——脫氫其實(shí)就是加氫的逆過(guò)程，通過(guò)加熱和特殊催化劑，把甲基環(huán)己烷中的氫氣“放”出來(lái)供生活或工業(yè)氫燃料設(shè)備使用。甲苯還可以循環(huán)復(fù)用，全程綠色閉環(huán)。

不過(guò)，候其東說(shuō)，這一看似簡(jiǎn)單完美的循環(huán)，很容易卡在脫氫環(huán)節(jié)。

催化劑比拼的“賽場(chǎng)”

脫氫屬于強(qiáng)吸熱反應(yīng)，對(duì)催化劑的要求極高。可以說(shuō)，脫氫技術(shù)的核心其實(shí)也是催化劑的比拼。

在這方面，全球主要有兩條路：一是鉑、鈀等貴金屬催化劑，活性好但價(jià)格貴；二是鎳基等非貴金屬催化劑，便宜但活性和穩(wěn)定性不足。

國(guó)際上，脫氫研究方面領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)主要集中在德國(guó)、日本。

此次，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的脫氫成果通過(guò)鑒定，評(píng)價(jià)委員會(huì)給出的結(jié)論是“新型催化劑性能優(yōu)異，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”——不僅做出了高性能新型催化劑，更關(guān)鍵的是建成了國(guó)內(nèi)首套中試裝置，完成了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的關(guān)鍵一跳。

中試，可以說(shuō)是脫氫技術(shù)從“論文”走向“工廠”的必經(jīng)之路。200千克氫氣/天的處理規(guī)模，則意味著這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)具備了可復(fù)制、可放大的基礎(chǔ)，未來(lái)可以快速放大至每天5噸甚至更大規(guī)模的氫氣處理能力。

打通氫儲(chǔ)運(yùn)“腸梗阻”

脫氫技術(shù)的突破，最大的意義就是打通了氫能儲(chǔ)運(yùn)的“腸梗阻”。

我國(guó)綠氫資源大多在西部，風(fēng)光電充足，而用氫大戶(hù)卻集中在東部沿海。

以前，要么靠長(zhǎng)管拖車(chē)長(zhǎng)途運(yùn)氫，成本高效率低；要么東部就地制氫，電價(jià)一高成本就扛不住。

當(dāng)LOHC有了更先進(jìn)的脫氫技術(shù)加持，西部用便宜的風(fēng)光電制氫，“鎖”進(jìn)甲苯液體里順著現(xiàn)有油罐物流體系運(yùn)往東部，到地方后再脫氫使用——“西氫東送”算是有了扎實(shí)的技術(shù)支撐。

當(dāng)然，任何新技術(shù)都不可能一蹴而就。目前，LOHC仍面臨脫氫能耗較高、催化劑壽命有待進(jìn)一步驗(yàn)證等挑戰(zhàn)。

“此外，脫氫技術(shù)在完成中試后，接下來(lái)就應(yīng)該開(kāi)展經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析和生命周期評(píng)價(jià)，以確定在成本和碳排放上是否劃算。”候其東說(shuō)，可以確定的是，這一技術(shù)突破有望為我國(guó)LOHC技術(shù)路線工業(yè)化鋪平道路。

氫儲(chǔ)運(yùn)還有這些招兒

氫能儲(chǔ)運(yùn)，除了目前被公認(rèn)為長(zhǎng)距離、大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)最優(yōu)解的有機(jī)液體儲(chǔ)氫（LOHC）外，其實(shí)還有幾種讓氫氣“乖乖聽(tīng)話”的儲(chǔ)運(yùn)方式——

高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，是目前最成熟、應(yīng)用最廣的方式——?dú)錃獗粔嚎s進(jìn)鋼瓶或碳纖維纏繞瓶，壓力高達(dá)350到700個(gè)大氣壓。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、充放速度快；缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度低、罐體笨重，且高壓存在安全隱患。

低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，是將氫氣冷卻到零下253℃液化，體積縮小到氣態(tài)的1/800。這種方式的儲(chǔ)氫密度很高，但代價(jià)也很大——液化過(guò)程要消耗大量能量，儲(chǔ)存容器需要極好的絕熱性能，否則氫氣會(huì)不斷蒸發(fā)逃逸。目前，該技術(shù)主要用于航空航天領(lǐng)域，比如火箭燃料。

固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，是科研前沿最活躍的方向之一。鈦鐵、鑭鎳等合金在特定條件下能夠像海綿吸水一樣，把氫分子“拆解”成氫原子，儲(chǔ)存在金屬晶格的空隙里，需要時(shí)再加熱釋放出來(lái)。這種方式是儲(chǔ)氫密度極高、安全性好，但缺點(diǎn)是重量大、吸放氫速度受溫度影響較大，且儲(chǔ)氫材料成本偏高。

如果說(shuō)高壓儲(chǔ)運(yùn)像“背著一個(gè)沉重的鋼瓶”，低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)像“提著一個(gè)不斷蒸發(fā)的保溫杯”，固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)像“抱著一塊沉重的金屬海綿”，只有LOHC像“坐上了油罐順風(fēng)車(chē)”。不過(guò)，在氫能產(chǎn)業(yè)的不同應(yīng)用場(chǎng)景中，它們都有著各自的用武之地。

（科普時(shí)報(bào)記者 陳杰）

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