• 氫能來源、儲存、運輸的發展現狀
    分類:科學普及 來源:科研管理部 發布時間:2023-11-08 瀏覽次數:15083

    氫能作為一種可再生的、清潔高效的二次能源,具有資源豐富、來源廣泛、燃燒熱值高、清潔無污染、利用形式多樣、可作為儲能介質等諸多優點,是實現能源轉型與碳中和的重要能源。

    一、氫的來源

    我國是世界第一產氫大國,生產主要在西北和華北地區,但大部分用作工業原料而非能源。氫能根據來源不同可分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。其中“灰氫”是指利用煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫,制氫成本較低但碳排放量大;“藍氫”是指使用化石燃料制氫的同時,配合碳捕捉和碳封存技術,碳排放強度相對較低但捕集成本較高;“綠氫”是利用風電、水電、太陽能、核電等可再生能源電解制氫,制氫過程完全沒有碳排放,但成本較高。目前,我國氫氣主要來自灰氫。

    二、氫的儲存

    目前儲氫方法主要分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和儲氫材料儲氫三種。

    1、氣態儲氫

    (1)高壓氣態儲氫瓶儲氫

    氣態儲氫是將氫氣壓縮后以高密度氣態形式在高壓下儲存的技術,該技術設備結構相對簡單,壓縮氫氣制備能耗低,溫度適應范圍廣,成本低,是目前發展最成熟的儲氫技術。儲氫瓶包括四類,其中I型、II型技術較為成熟,主要用于常溫常壓下的氫氣儲存,III型和IV型儲氫瓶主要用于高壓儲氫,適用于氫燃料汽車、加氫站等,還有無內膽的V型儲氫瓶處于研發階段。表1總結了四種類型儲氫瓶的對比情況。

    表1. 四種類型儲氫瓶的對比

    圖片1.png

    (2)鹽穴儲氫

    鹽巖因其極低的滲透特性、損傷恢復特性和良好的蠕變性能,是國際上公認的能源儲存理想介質,又因其不與氫氣發生反應,被認為是大規模地下儲氫的極佳選擇。截至2021年,全球共有4座運營中的鹽穴儲氫庫,其相關技術參數如表2所示。但地下儲氫有可能誘發儲氫微生物生長、應力場變化等技術挑戰,目前仍在研究探索中。

    表2. 部分運營中的鹽穴儲氫庫相關技術參數

    圖片2.png

    2、液態儲氫

    液態儲氫主要有物理層面上的低溫液態儲氫和化學層面上的液態氫載體儲氫。低溫液態儲氫技術是當前常見的氫儲運方式之一,國外已廣泛用于液氫加氫站日常運營,我國液氫行業相對落后,主要應用在航空航天領域。

    (1)低溫液態儲氫

    液態儲氫是將氫氣在一定條件下壓縮冷卻(-240℃,0.1 MPa)至液化后再保存(-253℃,0.1 MPa)在絕熱真空容器中的一種儲氫方式。與氣態儲氫相比,液態儲氫具有體積密度大、安全性好、氫氣純度高、加注時間短等優點。

    在液氫制造方面,氫氣液化系統主要有預冷型Linde-Hampson系統、預冷型Claude 系統和氦制冷氫液化系統3種類型。在液氫儲存方面,主要依靠專用的液氫高壓絕熱容器,國外比較成熟的液氫儲瓶內膽為球形結構,采用多層真空隔熱技術,自帶制冷機主動地進行絕熱過程,可以實現高絕熱和低耗損。

    (2)有機液態儲氫

    “氫油”在氫能供應鏈上逐漸興起,其本質是有機液態儲氫,原理是通過催化加氫反應將貧氫有機物轉化成富氫有機物,從而將氫氣儲存起來,然后通過脫氫過程實現氫釋放。由于在儲存期間,氫與相應的液態有機氫載體(Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHC)共價結合,LOHC在常溫下為液體,并顯示出與原油等相似的特性,因此可以使用現有基于原油的基礎設施實現處理、運輸和儲存。常用液態有機液態氫載體有環己烷、甲基環己烷等。

    (3)液態氨儲氫

    氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的零碳化合物,是潛在的儲氫載體。同時氨在常壓下的液化溫度僅為-33℃,而且氨的壓縮和儲運體系已經成熟并且規?;瘧?,通過加氫反應合成氨,以液氨狀態運送后再釋放氫的運氫方式具有相當的成本效應,故“氨?氫”能源結合成為推動氫能發展的關鍵動力之一,其技術路線圖1所示。

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    圖1 “氨?氫”能源循環路線

    (4)液態甲醇儲氫

    甲醇儲氫與氨儲氫類似,通過CO2的加氫反應合成綠色甲醇后以液態甲醇形式儲運,到達目的地后通過甲醇裂解等方式釋放氫。液態甲醇相比液態氫具有更低的生產成本、輸運成本和更高的化學穩定性,同時與其技術相關的配套設施相對完善,是理想的液態儲氫材料之一。利用液態甲醇原位重整制氫技術有望用于下游加氫站供給或直接加注于分布式燃料電池系統,在未來,“甲醇?氫”能源體系可能是我國新能源戰略的關鍵之一。

    3、固態儲氫

    固態儲氫是通過吸附作用將氫氣加注到固體材料中保存起來的儲氫技術,其體積儲氫密度大、安全性好,吸放氫速度穩定,運輸不需要管道,具有廣闊的應用前景。

    (1)物理吸附材料儲氫

    物理吸附性儲氫材料主要有金屬有機骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)和碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)。MOFs由于其高表面積、可調節的孔徑、孔體積和孔幾何形狀的特點,是物理吸附性儲氫材料代表之一,但遇水不穩定?,F有研究大多聚焦在MOFs結構對儲氫性能的影響,例如改性MOFs材料、經過特殊設計的超多孔MOFs材料和三維結構MOFs材料均可以顯著提高氫吸附能力,關于MOFs結構與儲氫的關系仍處于初步探索階段。

    (2)合金材料儲氫

    間隙氫化物合金能用作高壓復合儲氫罐中的高壓儲氫材料,如ZrFe2、TiCr2合金等已被廣泛用于高壓復合儲氫罐中,也能單獨作為合金儲氫材料使用,是理想的合金儲氫材料之一。常見合金類型有AB5、AB、AB2等,例如已經產業化的LaNi5儲氫合金、TiFe儲氫合金、TiMn2合金。

    (3)氫化物材料儲氫

    金屬氫化物儲氫材料中,鎂基合金氫化物由于質量輕、密度小、儲氫量大、資源豐富、價格低廉、無污染,被認為是最有應用前景的金屬氫化物儲氫材料之一,缺點是吸放氫動力學性能不足,目前還處于研究優化階段,研究主要集中在通過改變鍛造條件優化微觀結構,通過改性復合材料提高綜合性能,或者聚焦于材料內部效應等。

    三、氫的運輸

    目前根據氫氣狀態主要有氣氫運輸和液氫運輸兩種運氫方式,固氫運輸還需要儲氫合金的性能進一步優化??梢灶A見,高壓氣態運氫、液態運氫和管道運氫將是運氫三大主流方向,三種運氫方式并行發展是構建安全、高效氫能儲運網絡的關鍵。

    (1)高壓氣氫運氫

    氣態氫的運輸目前有兩種方案,分別是集裝管束箱或長管氫氣拖車運輸和管道運輸,集裝管束箱和長管氫氣拖車由于技術要求中等和技術成熟度較高,是目前最常用的高壓氣態運氫方式。國外常采用45 MPa纖維全纏繞高壓儲氫瓶長管拖車運氫,單車運氫量可達約700 kg,目前國外最先進的長管拖車可達52 MPa超高壓,且配備自動控制閥門,能夠與加氫站系統對接直接進入加氫機進行加氫。

    (2)液氫運氫

    液態氫儲運的兩種常用載體是液氫槽車和專用液氫駁船。液氫槽車常用于中短距離城市間運氫,在運輸距離大于400 km時具有可觀的經濟效應,目前國外最先進車載液氫儲瓶容量最大可達360 m3,我國也具備了制造300 m3的可移動式液氫槽車的實力。

    (3)管道運氫

    管道運氫可實現大規模、常態化、低成本的氫氣長途運輸,是未來氫氣儲運體系的重要組成部分,科技部將針對城鎮地區用氫需求,開展中低壓純氫與摻氫(5%~20%)天然氣管道輸送及其應用關鍵技術研究的“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”列入《十四五國家重點研發計劃氫能專項》中。

    (4)固態運氫

    雖然固態儲氫技術整體上處于實驗研究階段,但Mg基儲氫材料發展相對成熟,如上海氫楓能源技術公司基于鎂基材料研發的固態儲氫車,具有高密度儲氫容量和常溫常壓儲運的優勢,是固態儲氫技術商用的重要突破。

    四、總結

    我國氫儲運行業發展總體落后于國外,包括復合儲氫技術、液氫技術等新興技術以及相關產業鏈等,但近年來不斷打破國外封鎖,部分領域達到世界一流水平。氫儲運是氫能產業鏈的關鍵環節,打破技術瓶頸、完善氫儲運體系將助力我國氫能產業高質量快速發展。

    (文/圖 舒軍政)

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