氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。

在中國，采用天然氣制氫占比48%、煤氣化制氫占比30%、電解制氫占比4%。逐步減少化石能源比例是實現(xiàn)2030年二氧化碳碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)的必由之路。

據(jù)統(tǒng)計，全球99%的氫氣源于化石燃料，現(xiàn)有的制氫工藝產(chǎn)生的二氧化碳占全球二氧化碳總排放量的2.8%。

在中國，采用天然氣制氫占比48%、煤氣化制氫占比30%、電解制氫占比4%。四川省作為天然氣資源大省，占全國總產(chǎn)量的25%，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)具有巨大的市場前景。

當(dāng)前，成都市氫能已形成“制備—存儲—運輸—加注—應(yīng)用”完整產(chǎn)業(yè)鏈條，集聚知名企業(yè)和科研機構(gòu)60余家，產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過100億元。但制氫、儲氫、運氫等方面都面臨著成本過高問題。

優(yōu)化制氫產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)、突破技術(shù)領(lǐng)域瓶頸難點、率先算好氫能產(chǎn)業(yè)鏈的“經(jīng)濟(jì)賬”和“生態(tài)賬”，與自然互惠雙贏。近日，記者從四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所了解到，國內(nèi)首套零排放的液態(tài)金屬天然氣制氫設(shè)備已研制成功，該設(shè)備以液態(tài)金屬為媒介，助力甲烷裂解，實現(xiàn)零排放、低成本、高效制氫。

天然氣轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%

制氫過程實現(xiàn)二氧化碳零排放

“要改變中國未來30年的能源結(jié)構(gòu)，氫能經(jīng)濟(jì)是關(guān)鍵。”在今年3月舉行的中國發(fā)展高層論壇上，麥肯錫公司董事長、全球總裁施南德在會上這樣說。

應(yīng)對氣候變化，發(fā)展綠色能源，將決定全球下一輪經(jīng)濟(jì)能否實現(xiàn)高質(zhì)量和可持續(xù)的發(fā)展。減少碳排放、發(fā)展清潔能源是是未來發(fā)展的必經(jīng)之路，氫能作為清潔、高效、可存儲的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用的理想能源。

現(xiàn)階段，國內(nèi)主要采用的制氫方式是化石能源重整制氫和水電解制氫，然而化石能源重整制氫會排放大量二氧化碳，而水電解制氫則成本太高。魚和熊掌如何兼得？

四川大學(xué)芶富均教授帶領(lǐng)的液態(tài)金屬團(tuán)隊在國內(nèi)首次研發(fā)出液態(tài)金屬熱裂解裝置，以液態(tài)金屬為媒介，助力甲烷裂解，實現(xiàn)零排放、低成本、高效制氫。

“利用液態(tài)金屬產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)熱解溫度場，結(jié)合液態(tài)金屬本身的催化特性，誘導(dǎo)甲烷分子裂解形成氫氣和固態(tài)碳?！逼a富均教授說，由于氫氣和固態(tài)碳密度遠(yuǎn)低于液態(tài)金屬，裂解后的固態(tài)碳漂浮在其表面，如同油脂浮在水面，能輕易實現(xiàn)碳、氫氣和液態(tài)金屬分離，使制氫反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。

“液態(tài)金屬熱裂解技術(shù)的實現(xiàn)，是通過液態(tài)金屬甲烷制氫設(shè)備完成的?！逼a富均教授指向身后的設(shè)備，這個三米高的“方盒子”頭接氫氣輸出管，尾接甲烷輸入管，而液態(tài)金屬就在“方盒子”內(nèi)里燃燒形成高溫環(huán)境?！凹淄閺奈捕溯斎耄?jīng)過‘方盒子’裂解，氫氣就從頂部輸出了?！逼a富均教授說，液態(tài)金屬熱裂解技術(shù)使甲烷轉(zhuǎn)化率能達(dá)到90%以上，只產(chǎn)生單一的氫氣，完全不含二氧化碳。

一旦運行，便不輕易停止?！胺胶凶印钡倪\行原理與電飯煲類似，當(dāng)溫度進(jìn)入恒定后，耗能速度減緩。為減少錫液態(tài)金屬從固態(tài)到液態(tài)過程的能耗，設(shè)備啟動后，便一直處于運行狀態(tài)。

芶富均教授還表示，雖然目前液態(tài)金屬原料一次性投入成本較高，但整個制備過程中無損耗，總體成本仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解水制氫；此外研究團(tuán)隊正積極探索太陽能、風(fēng)能等新能源在制備過程中的應(yīng)用。

算好“經(jīng)濟(jì)賬”“生態(tài)賬”

增加制氫附加值

液態(tài)金屬天然氣制氫過程中，如何保障轉(zhuǎn)化效能最大化的同時降低制氫成本？

“現(xiàn)在廣泛運用的制氫方式有三種，其中電解水制氫最貴?！逼a富均教授說，天然氣水蒸汽重整制氫，1公斤氫氣耗電約11度，而電解水制氫要耗電約48度；雖然化石能源重整制氫耗能小，但同時會排放約10公斤二氧化碳。

算好“經(jīng)濟(jì)賬”，才能讓氫能利用效益達(dá)到最大。目前，液態(tài)金屬天然氣制氫設(shè)備產(chǎn)生1公斤氫氣耗電約16度，如果將產(chǎn)生的高溫氫氣和固態(tài)石墨的余熱再循環(huán)利用，電力成本將與傳統(tǒng)制氫成本持平。此外，該設(shè)備在固態(tài)碳和氫氣分離、固態(tài)碳與液態(tài)金屬分離、副產(chǎn)品碳黑附加值、溫室氣體排放等方面優(yōu)勢明顯，液態(tài)金屬綜合制氫成本將低于傳統(tǒng)工藝。

在生產(chǎn)附加值方面，“在缺氧、高溫環(huán)境下，產(chǎn)生高純度的固態(tài)碳。如果進(jìn)一步優(yōu)化工藝，直接產(chǎn)生碳納米管、碳纖維等形態(tài)的納米先進(jìn)材料，提高副產(chǎn)物價值，可以極大降低制氫成本。”芶富均教授表示，團(tuán)隊將持續(xù)研究精細(xì)化制氫末端工藝，“一步到位”固體碳生成狀態(tài)。

在減少廢氣處理方面，根據(jù)《成都市加氫站建設(shè)運營管理辦法（試行）》增設(shè)加氫站，通過分布式布局液態(tài)金屬天然氣制氫點位，取代傳統(tǒng)制氫手段，消解傳統(tǒng)制氫過程中生產(chǎn)二氧化碳干冰的步驟。

算好“經(jīng)濟(jì)賬”的同時，“生態(tài)賬”也不容忽視。推廣氫能是實現(xiàn)2030年二氧化碳碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)的必由之路。如何讓甲烷轉(zhuǎn)化達(dá)到碳達(dá)峰、碳中和要求？

“液態(tài)金屬天然氣制成的氫氣，是‘綠氫’中的‘純綠氫’。”芶富均教授介紹，這種“純綠氫”比一般意義上的綠氫更環(huán)保，由于它在產(chǎn)生過程中對資源消耗少，且全程“零排放”，對環(huán)境無污染。

清潔能源“超速度”發(fā)展

氫能產(chǎn)業(yè)從全國“并跑”到“領(lǐng)跑”

自2019年正式啟動“綠色氫都”以來，成都市圍繞氫能產(chǎn)業(yè)招大引強、集群培育、技術(shù)創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施保障、產(chǎn)業(yè)生態(tài)營造等，不斷完善頂層設(shè)計、加大扶持力度、破除發(fā)展制約，制定實施細(xì)則等支持政策，成都發(fā)展為全國氫能第四城，實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)從全國“并跑”到“領(lǐng)跑”的質(zhì)變。

四川大學(xué)這支研究出國內(nèi)首套零排放的液態(tài)金屬天然氣制氫設(shè)備隊伍很年輕。奔波在科研一線的十余名成員平均年齡只有40余歲。從2013年至今，成員們便一直致力于實驗中“馴服”液態(tài)金屬和天然氣裂解，為完善氫能產(chǎn)業(yè)制備鏈注入新動能。

“目前，四川省天然氣及頁巖氣資源儲量十分豐富，這是發(fā)展氫氣能源的良機?！逼a富均教授說，發(fā)展低成本、無二氧化碳排放、高效的天然氣綠色氫能技術(shù)，有利于改善四川省能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)天然氣就地綠色轉(zhuǎn)換。

就成都而言，能在哪些方面挖掘氫能潛力？芶富均教授與團(tuán)隊成員們也有所預(yù)設(shè)，他們對氫能“超速度”發(fā)展充滿期待。

傳統(tǒng)的綠色出行方式是指公共交通、自行車出行，在芶富均教授看來，氫燃料電池的出現(xiàn)會重新界定綠色出行的方式，“相較于鋰電池續(xù)航時間短、充電時間長來說，氫燃料電池使用更方便。”

燃料電池汽車示范應(yīng)用已初具規(guī)模。截至2020年底，成都市推廣燃料電池汽車220輛，累計安全運營超730萬公里、單車最高運行里程超13萬公里，是全國第四個實現(xiàn)百臺以上規(guī)模燃料電池公交車商業(yè)運營的城市，也是西南地區(qū)首個開展燃料電池物流車示范的城市。

“無論哪種使用方式，都需要注意安全問題?！逼a富均教授提到，氫氣具有擴散系數(shù)大，爆炸極限寬，點火溫度低等特點，一旦發(fā)生泄漏，極易引起爆炸與火災(zāi)。“工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，攻關(guān)工業(yè)化使用關(guān)鍵節(jié)點技術(shù)是保障氫氣安全的重要前提。”

據(jù)介紹，在保障安全的前提下，這套制氫設(shè)備可以在全國各地投入使用，對制氫環(huán)境和當(dāng)?shù)刭Y源儲備情況并無硬性要求。發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、力爭實現(xiàn)“氫能中國”、實現(xiàn)國家“能源自主”、推動能源消費和供給革命的現(xiàn)實選擇。

成都日報·錦觀新聞 記者 曹凘源 實習(xí)記者 李菲菲 楊靜耕 攝影 楊靜耕 視頻 李菲菲 編輯 藺虹豆 校對 宋和霄