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干貨 | 簡述四種氫儲運技術現狀

發布于:08-14 文章來源:sohu.com

在氫能全產業鏈應用中,氫能的高密度儲運是氫能發展的重要環節,同時也是我國氫能布局的瓶頸。以國內某地為例,若該地全部氫能車輛正常運營,氫氣日需求量為15t左右,目前采用的高壓長管拖車輸氫量僅為200-300kg,且氫能輸運成本較高,導致氫能的應用環節難以大規模發展。


氫能全產業鏈包含制氫、氫儲運和氫能利用三個關鍵環節,其全產業鏈示意圖如下:


制氫、儲運與利用全產業鏈示意圖 ▼
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在氫能源發展方面,我國面臨的最主要挑戰即在于氫能的儲運。找到安全、經濟、高效、可行的儲運模式,是氫能全生命周期應用的關鍵。氫能儲運包括氫氣的儲存以及氫能源的運輸。


氫能儲存



對儲氫技術要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前,儲氫方法主要分為低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、固體材料儲氫及有機液體儲氫4種。4種主要儲氫方式對比如下表:



4種主要儲氫方式的優缺點以及目前的主要應用 ▼
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通過對比4種儲氫技術來看,高壓儲氫目前最為成熟,應用也最廣,但是儲氫密度和安全性方面存在瓶頸;固體材料儲氫則有著巨大潛力,但是目前處于研究階段;低溫液態儲氫技術具有單位質量和單位體積儲氫密度大的絕對優勢,但目前儲存成本過高,主要體現在液化過程耗能大,以及對儲氫容器的絕熱性能要求極高兩個方面;有機液態儲氫由于成本和技術問題還未能大規模商業化應用。


高壓氣態儲氫


高壓氣態儲氫技術比較成熟,是目前我國最常用的儲氫技術。高壓氣態儲氫即通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器中,高壓容器內氫以氣態儲存,氫氣的儲量與儲罐內的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器,簡便易行,其優點是存儲能耗低、成本低(壓力不太高時), 且可通過減壓閥調控氫氣的釋放, 因此,高壓氣態儲氫已成為較為成熟的儲氫方案。


目前國內主要采用35MPa碳纖維復合瓶儲運,日本等國家主要使用70MPa儲氫瓶。35MPa氫氣密度約為23kg/m3,70MPa 儲氫罐中氫氣密度約為38kg/m3,日本豐田于2017年發表的一項新型專利提出了全復合輕質纖維纏繞儲罐設計方法,儲氫壓力即可以達到70MPa,氫氣質量密度約為5.7%。但是儲氫罐加壓過程成本較大,且隨著壓力的增大,儲氫的安全性也會大大降低,存有泄漏、爆炸的安全隱患,因此安全性能有待提升。未來,高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展,會探索新型儲氫罐材料以匹配更高壓力下的儲氫需求,提高儲氫安全性和經濟性。


低溫/有機液態儲氫



1)低溫液態儲氫是先將氫氣液化,然后儲存在低溫絕熱真空容器中。該方式的優點是氫的體積能量很高,由于液氫密度為70.78,是標況下氫氣密度的近850倍,即使將氫氣壓縮,氣態氫單位體積的儲存量也不及液態儲存。但液氫的沸點極低(?252.78 ℃),與環境溫差極大,對儲氫容器的絕熱要求很高 。目前最大的液化儲氫罐是位于美國肯尼迪航天中心的儲氫罐,儲氫容積達12000L。


2)有機液態儲氫是通過加氫反應將氫氣與甲烷(TOL)等芳香族有機化合物固定,形成分子內結合有氫的甲基環己烷(MCH)等飽和環狀化合物,從而可在常溫和常壓下,以液態形式進行儲存和運輸,并在使用地點在催化劑作用下通過脫氫反應提取出所需量的氫氣,整體流程如下圖:


氫氣有機液態儲運過程示意圖 ▼
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液態有機物儲氫使得氫可在常溫常壓下以液態輸運,儲運過程安全、高效,但還存在脫氫技術復雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術亟待突破等技術瓶頸。若能解決上述問題,液態有機物儲氫將成為氫能儲運領域最有希望取得大規模應用的技術之一。


對于大規模、遠距離的氫能儲運,低溫液態儲氫才有較大優勢,當運輸500km時,液氫配送成本每kg僅增加約USA$0.3,而高壓氣態運輸成本將上升5倍以上。目前低溫液氫主要作為低溫推進劑用于航天中,也有學者開始研究將液氫作為車載燃料動力,但到目前為止還沒有實質性的進展。液態儲氫技術目前只有日本川崎重工的液化儲氫和千代田公司的有機化學氫化物儲氫技術得到了示范應用。在有機液態儲氫領域,美國化學家研制出一種B-N基液態儲氫材料,可在室溫下安全工作,該項技術的突破為氫能儲運難題提供了解決方案。今后一段時間我國應加大對低溫、有機液態儲氫技術的攻關,開發低成本低功耗的脫氫催化劑和低熔點儲氫介質等,這對國內氫能產業布局具有重要意義,亦是未來氫能儲運大規模發展的重要方向。


固體材料儲氫


根據固態材料儲氫機制的差異,主要可將儲氫材料分為物理吸附型儲氫材料和金屬氫化物基儲氫合金兩類,其中,金屬氫化物儲氫是目前最有希望且發展較快的固態儲氫方式。固體儲氫材料分類如下圖:


不同儲氫方式所用固體材料 ▼
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金屬氫化物儲氫即利用金屬氫化物儲氫材料來儲存和釋放氫氣。在一定溫度下加壓,過渡金屬或合金與氫反應,以金屬氫化物形式吸附氫,然后加熱氫化物釋放氫。如LaNi5H6、MgH2 和NaAlH4。 金屬氫化物儲氫罐供氫方式具有以下特點:儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全性好、可逆循環好等,但是質量效率低,如果質量效率能夠有效提高的話,這種儲氫方式非常適合在燃料電池汽車上使用。對比綜合儲氫技術,將不同儲氫技術的各方面特點進行總結如下圖: 


4種儲氫技術各指標對比雷達圖 ▼
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由圖可以看出,我國低溫液態儲氫技術應用較少,且該技術的成本高,長期來看,在國內商業化應用前景不如另外3種儲氫技術;高壓氣態儲氫是我國最為成熟的儲氫技術,低溫液態儲氫和有機液態儲氫綜合性能好,但亟待相關技術攻關以降低其成本。目前加氫站采用的是高壓氣態儲氫技術。長期來看,高壓氣態儲氫還是國內發展的主流。但由于該技術存有安全隱患和體積容量比低的問題,在氫燃料汽車上應用并不完美,因此該技術應用未來可能有下降的趨勢。固態儲氫材料儲氫性能卓越,是4種方式中最為理想的儲氫方式,也是儲氫科研領域的前沿方向之一。但是現在尚處于技術攻關階段,因此我國可以以此技術為突破口,打破氫能儲存技術壁壘,加速氫能產業發展。


氫能運輸


氫氣的運輸通常根據儲氫狀態的不同和運輸量的不同而不同,主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送 3 種方式。


氫能運輸結構圖 ▼
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氣氫輸送


氣態輸運分為長管拖車和管道輸運2種,長管拖車運輸壓力一般為,我國長管拖車運輸設備產業較為成熟,但在長距離大容量輸送時,成本較高,整體落后于國際先進水平;而管道運輸是實現氫氣大規模、長距離輸送的重要方式。管道運輸時,管道運輸壓力一般為,輸氫量大、能耗低,但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運發展初期,可以積極探索摻氫天然氣方式。黃明,王瑋等人對天然氣摻氫運輸可行性做了研究。中國工程院院士也對天然氣管網輸送氫氣非??春?。


液氫輸送


液態輸運適合遠距離、大容量輸送,可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運輸。采用液氫輸運可以提高加氫站單站供應能力,日本、美國已經將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研發出LOHC(液態有機氫載體)系統關鍵技術,全球首條氫供應鏈示范項目采用了千代田公司的SPERA技術探索液態有機氫載體的商業化示范,在 2020年實現了210t/年的氫氣輸運能力。


固氫輸送


通過金屬氫化物存儲的氫能可以采取更加豐富的運輸手段,駁船、大型槽車等運輸工具均可以用以運輸固態氫。 


4 種氫氣運輸方式的成本對比 ▼
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可以看出,300km以上的運輸距離,運輸成本排序為LOHC<LH2(液氫槽車)<氫氣管道<管束車,50km以內氫氣管道運輸成本較低,因此適合小規模運輸,比如化工廠區氫氣管道以及孤島微電網內氫氣運輸等場合。隨著輸送距離的增加,有機液態輸氫和低溫液態輸氫成本極具優勢,因此液態輸運更適合長距離、大規模輸氫,比如跨省運輸,將制氫中心的氫運輸至消費中心。 


對于氫能制、儲、運過程中的安全性問題,有學者提出“液態陽光”的思路,即用CO2和氫氣反應生成甲醇,將有效解決氫存儲問題。甲醇是非常好的液體儲氫、運氫載體,甲醇儲氫的安全性和便捷性都是極佳的,這也將成為解決可再生資源間歇性問題的新方案,也將為邊遠地區難以上網的可再生能源棄風、棄光、棄水提供消納渠道,還將成為除特高壓輸電之外,另一種規?;斔湍茉吹耐緩?。


“液態陽光”的思路也拓展了碳捕獲封存技術,可以把捕獲再循環利用,形成完整的生態碳循環,有助于我國碳中和進程的推進。因此為了助力綠色能源發展,解決棄風棄光棄水問題,2020年10月份,全球首個千噸級“液態陽光加氫站”示范工程項目示范成功。液態加氫站的建成為我國氫能儲運技術的進一步發展開拓了一條新的道路。


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