燃料电池之氢储运篇

氢的储运是氢能产业发展中的关键环节

    长期以来,氢的高密度储运是氢能产业发展的重要环节,同时也是我国氢能布局的瓶颈。

    氢能源能够有效改善我国能源结构现状,在清洁低碳、安全高效的现代能源体系转型上极具战略意义,主要的实现路径是通过氢与多种能源形式耦合来大幅提升可再生能源在—次能源消费中的占比。但是,我国可再生能源资源中心与负荷中心呈逆向分布,国内缺乏低成本的高密度储运技术,继而限制了我国丰富的可再生能源制氢的潜力。另外,氢的储存和运输高度依赖技术进步和基础设施建设,是产业发展的难点。氢的储运技术为氢能发挥战略意义提供重要支撑。

    氢气储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机氢化物储氢和固体储氢。氢气输送方式主要有气氢拖车、液氢槽罐车以及管道运输氢气。

国内以高压气态储氢为主

    我国目前储存氢能的方式有高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。

    高压气态储存是最常见的储氢方式。氢气的密度小,一般需用到1.5MPa以上的高压才可用特制的钢瓶贮存。当前国际上已经有可承受压力达80MPa的轻质材料储气瓶。而对于固定地点的贮氢,在合适的地质、地理条件和良好的封口技术条件下可采用地下贮存,这种方式不需要专用的贮氢容器,可以大大的降低贮氢的费用。

    低温液态储氢是指在标准大气压下,将氢气冷冻至零下252.72摄氏度以变为液体,然后保存在特制的高度真空的绝热容器中,常见的同时也是最理想的是杜瓦瓶,但是杜瓦瓶造价较高,所以无法得到广泛使用。目前液态氢主要用作火箭燃料。

    目前中国高压气态储运氢技术相对成熟,依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中,储氢瓶压力多为30MPa,然后用集装格和长管拖车等工具进行运输,长管拖车运输设备产业较为成熟,但在大规模、长距离储运技术上,成本和技术仍有待进一步改善,整体发展落后于国际先进水平。

    国内生产高压储氢瓶的企业有京城股份、中材科技、中集安瑞科等。

    而国内在低温液态储氢方面表现得较为弱势,在液氢储运技术、液氢工厂、相关产业化上还有多重难关待突破。少许的液氢主要被用于航天及军事领域;金属氢化物储氢和有机氢化物储氢均处于实验室阶段。

国外高压气态储氢和液态储氢均优于国内现状

    国外主流的储氢方式主要是高压气氢和低温液氢,与我国不同的是,国外的高压气氢的压力达到了70MPa,液氢储运也较为成熟。

    全球有三分之一的加氢站采用液氢技术,其中美国和日本主推液氢储运技术路线。

    在美国,石油化工电子行业的液氢利用量占总液氢量的33.5%,航空航天占比18.6%,燃料电池车辆的加氢站约10%。日本和澳大利亚的氢能供应链项目也采用了液氢运输船远距离输送氢气。

低温液态储氢有望进一步渗透

    相较于低温液态储氢,高压气态储氢在长距离运输上十分不具有优势,其运输成本对距离的敏感性高,需要进一步提高储运效率。液氢储运体积密度是高压气态储运的5倍,在中长距离氢气储运中经济性较高,是未来氢储运的重要方向。据国际能源署的数据,运输成本为500公里时,液氢配送成本每千克仅增加约0.3美元,而高压气态运输配送成本将上升5倍以上,接近每千克2美元。

    从技术层面上说,液态氢的密度是气态氢的八百多倍,相较于氢气高压储运,单位容器能储存的低温液态储氢更多,大大提高运输效率,降低储运成本,氢气纯度也可以在液化过程中大大提高,从而保证了的寿命和性能。随着汽车的普及,大规模储运氢的方向之一就是液氢储运。

    另外,日本千代公司研发的SPERA氢气,可以让氢气在常温常压的条件下保持液态,这一技术足够引起外界的重视。SPERA氢气是在甲基环己烷液体中,通过有机化学氢化物法让汽油及轻油等燃料中含有的甲苯和氢气发生反应而制成的。在常温常压条件下,可以用已有的油轮和油罐车来运输,还可以在港口及工厂的油罐中长期储存。这对于需要高压压缩氢气体积或者超低温保存氢气的方法更为方便,而且还省去了专用的容器和设施。

国内液氢技术和装备的突破极具发展意义

    目前,国内的液氢产能十分低,满足不了日益增长的氢能需求。全球氢液化设备主要由美国AP、普莱克斯、德国林德等厂商提供。国内液氢技术和装备能力发展落后,应用范围十分窄,特别是民用领域的液态氢几乎处于空白地段。目前国内涉及氢液化开发研究的有航天101所、国富氢能等单位。资料显示,我国当前最大氢液化规模为每天生产2吨,液化设备依赖进口,与国外技术差距明显。

    从当前液氢技术和装备发展现状和趋势看,未来在降低氢气液化能耗和氢气液化成本上存在一定空间。相关数据显示,当液氢工厂的生产规模小于5吨每天时,氢液化的能耗超过10千瓦时每千克,当规模达到50吨每天和150吨每天时,氢液化能耗可降至约7千瓦时每千克和6千瓦时每千克。氢液化工厂规模由5吨每天提高到50吨每天时,氢液化总成本可降低50%。

    根据美国商业管制清单,限制了我国进口日均生产10吨以上的氢液化技术及装备,以及DN50以上液氢阀门、膨胀机、液氢泵等关键设备。在进口遏制的情况下,国产民用液氢技术和装备的突破具有重大意义。据了解,国内液氢技术和装备正得到不断进步。航天101所国内首套自主开发的1m3/h氢液化系统落地,并对基于氢膨胀的大型氢液化系统进入研发,有意形成系列产品。

    液氢技术和装备的突破对氢能产业的可持续发展具有深远影响,民用领域的发力将推进国产化进程,对国内氢能产业布局具有重要意义。军民融合、相关企业协同攻关将是取得突破的必由之路。

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