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從儲運(yùn)角度出發(fā):氫能產(chǎn)業(yè)離商業(yè)化應(yīng)用有多遠(yuǎn)?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1129次  |  2020年02月21日  

前言:現(xiàn)階段氫能發(fā)展的根本問題在于儲運(yùn)環(huán)節(jié)發(fā)展滯后。氫氣體積能量密度極低,且極易燃爆,如何將分散在各地的氫氣高效配送到加氫站,提高儲運(yùn)效率和氫氣品質(zhì)是氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展的重大瓶頸,安全、高效、廉價(jià)的儲運(yùn)氫技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。


今年,我國第一次將氫能相關(guān)內(nèi)容納入《政府工作報(bào)告》,氫能產(chǎn)業(yè)形成了以北上廣為中心的京津冀、長三角、珠三角等重要產(chǎn)業(yè)集群。目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)規(guī)模示范階段,未來將探索商業(yè)化運(yùn)行。


現(xiàn)階段氫能發(fā)展的根本問題在于儲運(yùn)環(huán)節(jié)發(fā)展滯后。氫氣體積能量密度極低,且極易燃爆,如何將分散在各地的氫氣高效配送到加氫站,提高儲運(yùn)效率和氫氣品質(zhì)是氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展的重大瓶頸,安全、高效、廉價(jià)的儲運(yùn)氫技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。


氫的儲存和運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán),高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)??傮w看來,目前高壓氣態(tài)儲(運(yùn))氫技術(shù)相對成熟,但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離儲運(yùn)技術(shù)的商用化要解決氫脆問題、攻克液態(tài)儲氫和化學(xué)固體儲氫技術(shù)。


當(dāng)前,全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期。作為最為環(huán)保的終極能源,氫能將在發(fā)電、供熱和交通方面逐步廣泛應(yīng)用,在我國終端能源體系中的占比將達(dá)到10%。氫的儲存和運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán),高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)。未來,發(fā)展安全、高效、廉價(jià)的儲運(yùn)氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。


不同的儲氫方式,其儲氫密度差別很大。氫能的存儲方式重要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫等,不同的儲氫方式具有不同的儲氫密度,其中氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度最小,金屬氫化物儲氫方式的儲氫密度最大,液態(tài)儲氫將是未來重要的儲氫方式。


氫氣運(yùn)輸方法及適應(yīng)范圍


幾種儲氫方式優(yōu)劣性比較


高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟,但容量偏小。高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用并且比較成熟的儲氫方式,其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的鋰離子電池容器里。目前最常用的高壓氣態(tài)儲氫容器是鋼瓶,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快;缺點(diǎn)是存在泄漏爆炸隱患、安全性能較差及體積比容量低。長管氣瓶組及長管拖車也在我國成功制造,已經(jīng)在一些制氫工廠、用氫的公司、加氫站安裝并運(yùn)行。目前國內(nèi)已建和在建加氫站,一般都采用該儲氫設(shè)備。


低溫液態(tài)儲氫成本高。工業(yè)氫氣的規(guī)?;畠r(jià)生產(chǎn)和儲運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化利用的基礎(chǔ)。液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍,氫氣液化的費(fèi)用昂貴,耗能較高(4~10千瓦時(shí)/千克),約占液氫制取成本的1/3。此外,液態(tài)氫的儲存容器要極好的絕熱裝置來隔熱,避免沸騰汽化。假如氫能以液態(tài)形式儲運(yùn),且價(jià)格低廉,其替換傳統(tǒng)能源將指日可待。當(dāng)前,液態(tài)氫重要作為航天火箭推進(jìn)器燃料,其儲罐和拖車已在我國航天等領(lǐng)域應(yīng)用。針對人類太空研究計(jì)劃的要,液態(tài)氫的儲存容器趨于大型化。目前已能建造儲存量超過1000立方米容積的大型液態(tài)氫絕熱儲槽。


固態(tài)儲氫密度大,技術(shù)尚未成熟。固態(tài)儲氫方式能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲氫方式的不足,且儲氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等,特別適合對體積要求較嚴(yán)格的場合,如在燃料電池汽車上的使用,是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲氫方式。固態(tài)儲氫材料種類非常多,重要可分為物理吸附儲氫和化學(xué)氫化物儲氫。其中化學(xué)氫化物儲氫中的金屬氫化物是未來儲氫技術(shù)發(fā)展方向金屬氫化物儲氫工藝簡單,與壓縮氣體和低溫液化形成鮮明的比較,只要選擇一種適合的金屬氫化物,就能使氫在室溫和不太高的壓力下儲存于金屬氫化物中。用金屬氫化物儲氫的突出優(yōu)點(diǎn)在于安全,氫是處于低壓下與另一種物質(zhì)(儲氫合金)結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)而存在,不要高壓和低溫。


金屬氫化物儲氫具有儲氫密度高、純度高(從氫化物中加熱釋放出的氫具有極高的純度,通??梢赃_(dá)到99.999%以上)的特點(diǎn)。但目前真正將金屬氫化物儲氫用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的少見,重要有四個(gè)方面的原因:一是儲氫合金價(jià)格昂貴。二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由于儲氫過程中有大量熱量釋放出來,儲存器內(nèi)必須新增換熱設(shè)備。三是氫化物自身很不穩(wěn)定,易受有害雜質(zhì)組分的毒害,多次使用之后,性能明顯下降。四是儲氫密度雖高,但儲氫質(zhì)量比太低,即以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì),僅能儲存2%~4%的氫氣。金屬氫化物儲氫還處于試驗(yàn)研究階段,尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。


有機(jī)液體儲氫備受關(guān)注。通過加氫,有機(jī)液體可以加載氫氣,然后通過加熱或催化作用脫氫。這使得氫在大氣溫度和壓力,以超過6%的重量密度進(jìn)行儲運(yùn),脫氫后的有機(jī)液體可重復(fù)使用。這種儲氫方法具有高質(zhì)量、高體積儲氫密度,安全、易于長距離運(yùn)輸,可長期儲存等優(yōu)點(diǎn)。


有機(jī)液體儲氫也存在很多不足,例如:技術(shù)操作條件較為苛刻,要求催化加氫和脫氫的裝置配置較高,導(dǎo)致費(fèi)用較高;脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下,受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的鉅大鋰電限制,脫氫反應(yīng)效率較低,且容易發(fā)生副反應(yīng),使得釋放的氫氣不純,而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致結(jié)焦失活。


大規(guī)模季節(jié)性儲氫,地下儲氫是最好的選項(xiàng)。目前最為成熟的技術(shù)是鹽穴儲氫,全球已經(jīng)建成3座地下鹽穴儲氫庫,其中有2座位于美國得克薩斯州克萊門茨鹽丘。借鑒天然氣地下儲存的經(jīng)驗(yàn),氫也有可以被壓縮并注入枯竭的氣田。與鹽穴相比,枯竭氣田體積更大,分布更廣,在未來可能供應(yīng)更合適的長期儲氣方案。目前對這種儲存形式的挑戰(zhàn)重要是氫氣的擴(kuò)散性、氫脆以及氫氣對巖石屬性的影響等。


氫能的規(guī)模應(yīng)用取決于長距離運(yùn)送。氫氣可通過卡車、輪船、鐵路和管道運(yùn)輸。未來,工業(yè)氫氣輸送方式將以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主,長輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎(chǔ)研究,并創(chuàng)新管道運(yùn)營管理方式,以實(shí)現(xiàn)長距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設(shè)。


目前管道輸氫處于起步階段,通過管道運(yùn)輸氫氣有兩種可能情況:一是管道摻氫,即向現(xiàn)有天然氣管道中注入氫氣至指定濃度,通常體積濃度低于20%,天然氣與氫氣同屬可燃?xì)怏w,二是純氫管道,即使用現(xiàn)存或新管道運(yùn)輸濃度為100%的純氫。


管道輸氫還可以在已建管道中添加氫氣進(jìn)行混合輸是未來發(fā)展的趨勢,能在天然氣供需趨緊的情況下滿足季節(jié)調(diào)峰需求。管網(wǎng)摻氫的關(guān)鍵在于,在不對設(shè)施進(jìn)行材料升級的要求下實(shí)現(xiàn)輸氫。濃度體積為20%的氫氣是可以被接受的,限制氫氣濃度的關(guān)鍵在于終端用戶是否可以接納更高濃度的氫氣。使用天然氣管道混輸氫氣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在全球數(shù)地開展。


邊遠(yuǎn)地區(qū)豐富的光電、風(fēng)電電解水產(chǎn)生的氫氣,煤制氣、地下煤氣化產(chǎn)生的氫氣等,都可以通過天然氣管網(wǎng)輸送到用戶附近。很多國家正在積極進(jìn)行管道摻氫輸氫的實(shí)驗(yàn)研究,英國、比利時(shí)、瑞典等研究了體積濃度1%以下的管道輸氫,德國、荷蘭研究的管道輸氫體積濃度可高達(dá)10-12%。目前國外的研究表明,摻氫低于20%時(shí),不會對現(xiàn)有管網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響;摻氫小于10%時(shí),可直接輸送;英國HyDeploy項(xiàng)目目標(biāo)是建立氫氣與常規(guī)天然氣的混合輸運(yùn)系統(tǒng),其中氫氣摻混比例最高為20%。天然氣管道摻氫目前仍面對如下鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)問題:不同摻氫比例對現(xiàn)有管道的影響不清楚;摻氫比例不確定,尚無公認(rèn)的結(jié)論;氫脆對管道使用壽命的影響不清楚;輸氫管網(wǎng)與分布式能源管理模式仍處于探索中,無重大先例可循。


總體看來,目前高壓氣態(tài)儲(運(yùn))氫技術(shù)相對成熟,但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離儲運(yùn)技術(shù)的商用化要攻克幾大關(guān)鍵技術(shù)。一是解決氫脆問題的技術(shù)。氫氣本身活躍性較高,容易和鋼材、巖鋰離子電池廠家石發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當(dāng)涉及管道摻氫和地下地質(zhì)儲氫時(shí)。應(yīng)做好不同摻氫比例對現(xiàn)有管道影響的研究,測試氫氣與管材相容性,確定安全摻氫比例范圍。二是液態(tài)儲氫技術(shù)。液態(tài)儲氫重要是液體有機(jī)化學(xué)儲氫,重要問題是加載氫和卸載氫反應(yīng)溫度較高,應(yīng)研究發(fā)展以液態(tài)有機(jī)化合物為儲氫介質(zhì)的長距離、大規(guī)模氫的儲運(yùn)技術(shù)。三是化學(xué)固體儲氫技術(shù),重要包括儲氫合金(LaNi5),輕質(zhì)金屬氫化物(MgH2),配位氫化物(NaAIH4),非金屬氫化物(NH3BH3)等催化劑材料的研究。


(作者為我國石油勘探開發(fā)研究院新能源研究所副所長)


東莞市鉅大電子有限公司成立于2002年,總部位于我國廣東省東莞市南城區(qū)高盛科技園,是一家為全球用戶在移動電源、儲能電源、動力電源和備用電源的個(gè)性化需求,供應(yīng)特種鋰電系統(tǒng)定制化方案和產(chǎn)品的國家級高新技術(shù)公司。

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