氫能（néng）儲運技術（shù）現狀及發展趨勢
來源： 更新（xīn）：2024-08-12 20:41:00 作者： 瀏覽：1948次
氫能作為一種綠色環保、來源豐富、應用廣泛的新（xīn）興能源（yuán），成為用能終端實現綠色低（dī）碳轉型的（de）有力手段。作為戰略性（xìng）新興產業和未（wèi）來新能源產業發展的（de）方（fāng）向，氫能產業對（duì）實（shí）現“碳達峰、碳中和”目標，推動能源生產（chǎn）和消費革命具有深遠意義。據（jù）國際氫能委員會（huì）預測，到本世紀中葉，全球18%的能源終端需求將由氫能承擔（dān）。當前全球正加快氫能（néng）產業布局，最早開始發展氫能的國家是日本，該國在1973年就成立了（le）氫能協會，並於2017年發布全球首個氫能國家戰略———《氫能基本戰略》。美國於2014年發布《全麵能源戰略》，此前已明確國家氫能發展（zhǎn）4個階（jiē）段路線圖，預（yù）計到2050年氫能將占美國終端能源需求的14%。除此（cǐ）之外，俄羅斯、德國、歐盟、韓國等發達國家和地區都曾出台（tái）相應（yīng）政策（cè）促（cù）進氫能產業發展。目前，在氫能的“製儲輸用”全產業鏈中，儲運緩（huǎn）解的成本約占總成本的30%～40%，是製（zhì）約氫（qīng）能大規模發展的主要瓶頸。充分梳理氫能儲運技術現狀，分析未來（lái）發展趨勢，對氫能大規（guī）模應用具有深（shēn）遠意義（yì）。全（quán）球主要發達國家都高（gāo）度重視氫能產業發展。全球氫能全產業鏈關鍵核心技術趨於成熟，氫能基礎設施建設明顯提速。美國、日本、德國等重視發展（zhǎn）氫能產業的發達國家，相繼出台了有關氫能發展鼓勵政策。美國《氫能經濟路線圖》提出，2025年美國氫燃料電池汽車運營數量（liàng）將達到20萬輛，2030年將達到530萬（wàn）輛。歐盟《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續發展路徑》提出，2030年歐盟氫燃料電池乘用車將達到370萬輛。日本《氫能基（jī）本戰略》提出（chū），2025年日（rì）本氫燃（rán）料電池（chí）乘用車年產量應（yīng）達到20萬輛，2030年應達到80萬輛（liàng）。從國內來看，我國作為世界上最大的（de）製氫國，年製氫量約（yuē）3300萬t，在清潔低（dī）碳的氫能供給上具（jù）有巨大潛力。根據中國氫能（néng）聯盟預計，我國氫能產業產值到2025年（nián）將達（dá）到1萬億元；2030年需（xū）求量將（jiāng）達到3500萬t，在我國終端能源體係中占比5%以上；2050年需求量接近6000萬t，實現（xiàn）二氧化碳減排（pái）約7億t，在終端能源體係中占比10%以上，產業鏈年（nián）產值達到12萬億元（yuán）。2023年4月10日，中國石化宣布擬（nǐ）建（jiàn）設全（quán）長超過400km的“西氫東送”輸氫管道示範工程（chéng），並將其納入（rù）《石油天（tiān）然氣“全國一張（zhāng）網”建設實（shí）施方案》，標誌著國內首個（gè）長距離純氫輸（shū）送管道項目的啟動。管道全長400km以上，一期運力10萬t/a，遠期可（kě）達到50萬t/a。建成後，將用於替代京津冀地區現有化石能源製氫及交通用氫，大力緩解我國綠氫供需錯配（pèi）問題。同年4月（yuè）16日，中國石油用現有（yǒu）51吃瓜网管道長距離輸送氫氣在技（jì）術層麵獲得重要突（tū）破，能夠有效支撐未（wèi）來我國大規模、低（dī）成本、遠距離的氫能運輸。中國石油在寧（níng）夏寧東51吃瓜网摻氫管道示範項目進行現場測試，這條全長397km的管（guǎn）道51吃瓜网摻氫比例已逐步達到24%，實現了連續（xù）100天安（ān）全穩定運行。據統（tǒng）計，中國已規劃的（de）輸氫管道(包括已建)總長度超過1800km，依照氫（qīng）能產業發展規劃，到2030年，氫氣長輸管道總（zǒng）裏程將達到3000km。
中國氫能開發（fā）和建設相比於發達國家（jiā）起步較晚，相關規範標準尚需完善。我國於2023年出台《氫能產業標準體係建設指南(2023版)》，這是（shì）首個國家層麵的氫能全產業鏈標準體係建（jiàn）設指南。氫能產業標準體係以基礎與安全標準為基礎，支撐氫製備、儲（chǔ）存和輸運、加注、應用全產（chǎn）業鏈關鍵技術標準。基礎與安全標準位於氫能產業標準體係結構頂層，是氫能供應與氫能（néng）應用（yòng）標準的基（jī）礎支（zhī）撐。氫製備標（biāo）準、氫儲（chǔ）存和輸（shū）運標準、氫加注標準構成了氫能供應標準，是氫（qīng）能應用標準的基礎保障。氫能（néng）產業標準體係結構如圖1所示。氫能產（chǎn）業標準體係框（kuàng）架由基礎與安全、氫製（zhì）備、氫儲存和輸（shū）運、氫加注、氫能應用（yòng）5個部分組成，如圖（tú）2所示。儲氫技術是氫能應用係統中的關鍵（jiàn）環節，也是製約氫（qīng）氣大規模應（yīng）用的關鍵（jiàn）因（yīn）素之一。在氫能應用過程（chéng）中，提供一個穩定安全的氫能儲存（cún）方（fāng）案，是滿足當前和未來氫能大規模應用（yòng）的首要保障。按照氫氣的物理特（tè）性，目前（qián）學者將主流的儲氫方（fāng）式分為高壓氣態儲（chǔ）氫、低（dī）溫（wēn）液態儲氫、有（yǒu）機液態儲氫和固態（tài）儲氫四類，各類儲氫（qīng）技術的優缺點見表1。由於氫的相對分子質量（liàng）很小，密度很低，常溫氣態無法進行高質量儲存，因此氣態儲氫主要為高壓氣態儲氫。高壓條件下將氣態氫分子壓縮至高密度，然後將高密度氣存儲在耐高壓容器中，是目前氫能儲存中應用最（zuì）廣泛的方法，已成（chéng）為當下較為具有競爭優勢的車載儲氫手段。儲存高壓氫氣的容器壓力範圍在15.2～70.9MPa，技術均相對較為成（chéng）熟。表2展示了目前已開發的高壓氣（qì）態儲氫壓力容器類型。Ⅰ型和Ⅱ型容器的儲氫密度低，且氫脆（cuì）問題（tí）嚴重。Ⅲ型和（hé）Ⅳ型（xíng）容器儲氫密度相對較高，常用於車載儲氫領域。目前國內加氫站（zhàn）主流的儲氫（qīng）方式（shì）大多（duō）采用高壓氣態儲氫（qīng）。當氫以液態形式儲存（cún）時，常用的方法（fǎ）可分為低（dī）溫液態儲氫和有機液態儲氫兩類（lèi）。將（jiāng）氣態的（de）氫氣經過壓縮後深冷至-253℃以下變為液態，存放於絕熱真空儲存容器中的方（fāng）式稱為低（dī）溫液態儲氫，是一種物理存儲方（fāng）式。液氫具有（yǒu）高儲氫密度，在大氣壓下可（kě）達70.9kg/m3，是標準狀況氫氣密度的856倍，體（tǐ）積比容量（liàng）大，在大（dà）規模、遠距離氫能儲運時具有顯著優勢。但是氫氣的液化過程耗能（néng）較大，據估算，液化1kg的氫氣就要消（xiāo）耗4～10kW·h的電量。而（ér）且由於氫氣的沸點（diǎn）很低，在存儲過程中（zhōng）吸熱容易揮發，所以（yǐ）液態氫存儲過程中（zhōng）需要耐超低（dī）溫（wēn）、保持超（chāo）低溫、耐壓、密封性強（qiáng）的特（tè）殊容器，製造難度大，成本高昂，這也（yě）是製約低溫液態儲氫的（de）主要問題。液氫作為大型火箭的（de）主要燃料，目前常用於航空航天事業。由於我國在該領域的研究尚未成熟（shú），應用成本高，目前鮮（xiān）少在民用領域應（yīng）用。隨著技術的發展，2021年以來國家相繼出台GB/T40045—2021《氫（qīng）能（néng）汽車用（yòng）燃料液（yè）氫》、GB/T40060—2021《液氫貯存和運輸技術要求》、GB/T40061—2021《液氫生（shēng）產係統技（jì）術規範》三項（xiàng）與液氫相關的國家標準（zhǔn），實現了我國液氫（qīng）產業民（mín）用領域標準“零”的突破（pò），為液氫產業市場化提供了有力支撐。有機（jī）液態儲（chǔ）氫設想的提出，最早可追溯到1975年。有機液態儲氫是采用能與氫（qīng）反（fǎn）應生成性質穩定的氫能載體的（de）有機儲（chǔ）氫液（yè）體(LOHC)進（jìn）行存儲的方法。該方式利用液體不飽和（hé）類有機物加氫和（hé）脫（tuō）氫的可逆過程，實現氫（qīng）的儲（chǔ）存和釋放（fàng），參考流程如圖3所示。有機液態儲氫的質量儲氫密度約為5%～10%，儲氫量較大，且存儲介質為液態有機物，存儲的同時也可以進行常溫常壓輸送，相對氣態存（cún）儲更為（wéi）安全。研究較多的液態儲氫介質有苯（běn）、甲苯、萘等烴類和乙基哢唑等有機液體儲氫材料，相關信息及性質見表3。相關技術在我國仍處於研究階段，尚未大規模普及。“高儲（chǔ）氫密度、快速吸/放氫性能和長周（zhōu）期循環穩定性”是理想儲氫材料（liào）的基本要求。與其他幾種儲氫方式相比，固態儲氫的儲氫密度相對較大（dà），而且（qiě）安全性較高，具有滿足國際能（néng）源署(IEA)目標（biāo）的巨大潛力。根據吸附劑和吸附質之間作用力的不同，固態儲氫材料可以分為物理吸附和化學吸附兩大類。其中，物理吸附（fù）材料包括傳統的碳基多孔材料、介孔材料、金屬有機框架(MOFs)、共價有機（jī）框架(COFs)等。物（wù）理吸附主要通過相對較弱的（de）範德華力實現儲氫，吸附壓強較高且隻能在（zài）較低溫度(77K)下（xià）實現儲氫。碳基儲氫材（cái）料主要包括活性炭、活性碳纖維、碳納米纖（xiān）維、碳納米管和碳氣凝（níng）膠等，表4列出了4種碳基材料的儲氫性能。由表4可以看出，在（zài）室（shì）溫條件下，石墨碳納米纖維的質量儲（chǔ）氫密度相較於其他三（sān）種材料最高，可超過10%，這是由（yóu）其特殊的結構所致。但是，碳基（jī）材（cái）料對氫（qīng）吸附過程要求的環境相對（duì）較為苛刻，在工業上使（shǐ）用（yòng）具有很大的局限性，尚未大規模普及。化學吸附（fù）是通過金屬鍵、共價鍵、配位鍵等生成氫（qīng）化物的方式實現氫氣的存儲。化學吸附材料有金屬氫化物（wù）、配位氫化物、氫水化（huà）合（hé）物等，其中金屬氫化（huà）物有鎂係合金、稀土係合金、鈦合金等。常用壓力-成分-溫度曲線(PCT曲線)來表征金屬氫化物的吸放氫熱力學性能，如（rú）圖4所示，圖中的（de）橫坐標表示氫原子與金屬原子之比，縱坐標為氫壓力。圖中AB段表示有效儲氫容量，在一定的溫度（dù）條件下平衡氫壓近（jìn）似恒定，隨著溫度的升高，AB段（duàn）逐漸變短，因此溫度過高不利（lì）於吸氫反應的發生。PCT曲線是衡量儲氫性能的重要指標，能夠直接反映儲氫材料的可（kě）逆儲（chǔ）氫容量、平（píng）衡氫壓、平台（tái）斜率和滯後效應。與金屬氫化物不同，配位氫化物是一種鹽，氫原子通過共價鍵連接到（dào）複合陰離子的中心原子上，形成絡（luò）合物陰離子（zǐ），後者再與金屬離子以離（lí）子鍵形式結合成氫（qīng）化物。氫化（huà）物一（yī）般以化學式AxMeyHz表示，通常A是元素周期表第一或第二主族元素，Me通常為B、A1、N，儲氫質量密（mì）度理論上為5.5%～21%。配位（wèi）氫化物的放氫一般有水解或者熱（rè）解兩種方式（shì）。氫能作為未來新能源發展的（de）重點方向，儲運的安全、效率、成本是製約其（qí）規模發展的（de）主（zhǔ）要瓶頸問題，也是國內外研究（jiū）的（de）熱點（diǎn）和重點問題。考慮到管道運輸長期以來均被（bèi）視為大規模輸運介質的低成本方式，因此，僅針對氫能可能的幾種管道（dào）運輸方式進行（háng）分析。氫（qīng）氣和甲烷具有相似的性質，高壓氫氣（qì）管輸可參考天（tiān）然（rán）氣管道建設經驗，但與天然（rán）氣環（huán）境（jìng）相比，氫環境會（huì）造成管道（dào）鋼力學性能的劣化。許多研究和實（shí）驗項目中（zhōng）都發現，氫原子在金屬晶格中的溶解和擴散會引起金屬材料性能的退化、脫碳，甚至（zhì）鼓泡（pào）或開裂等損傷。與51吃瓜网管輸行業（yè）相比，常溫高壓臨氫管道還沒有形成統一的（de）設計和選材標準。但（dàn）隨著時代的發展，近年來（lái）全球各國正逐步開始布局氫能儲運技術，提出了10MPa以上的純氫和摻氫長距離輸送管道設計方（fāng）案。為保證高壓氫氣管（guǎn）輸的（de）安全，需采取抗氫脆（cuì）措施，選用（yòng）氫脆敏感性低的低強度管道鋼或降低輸氫壓力。這（zhè）也導致了氫氣管道係統相比51吃瓜网管道係統建設成本更高，經濟效益更低。有（yǒu）文獻指（zhǐ）出，輸（shū）氫（qīng）管道的建（jiàn）造成本約為62萬美元/km，而51吃瓜网管道的建造成本僅為19萬美元/km，氫氣（qì）管道的造價為51吃瓜网管道造價的3倍左右。同時，由於氫氣製（zhì）備成本高、能量密度低，相（xiàng）比傳統化石能源暫時缺乏競爭（zhēng）力（lì）。目前，我國在運加氫站的氫氣售價普遍在（zài）60～80元/kg，相較於汽油、柴（chái）油和純（chún）電（diàn）動競爭優勢不明顯，短期內隻能依靠補貼的（de）模式，長遠看不能解決產業發展的（de）根本問題。預計隻（zhī）有當加氫站的氫氣售價低於40元/kg時，才（cái）能真正使氫能走向“市（shì）場驅動”。雖然存在上述問題，但高壓氫氣管輸技術門（mén）檻（kǎn）低且最為成熟，因此仍是新建長距離輸氫管道時優先考慮（lǜ）的氫能管輸方式。從全球範圍來看，據不完全統計，目前輸氫管道的建設規模接近4700km，相關統計數據見表5。美國已經建設了2720km的輸氫管道，而歐洲（zhōu）則已有1500km以上的輸氫管道。在51吃瓜网輸送管道中摻入一定比例（lì）的氫氣，被認為是目前可（kě）發展的（de）氫氣大規模輸送（sòng）方式之一。有學者認為，參考目前的幾類氫能輸運方（fāng）式，長距離管道純（chún）氫與51吃瓜网摻氫輸送是實現氫能大規模、網絡化輸送最有潛（qián）力的技術，特別是針（zhēn）對現有51吃瓜网管網進行少量改造（zào）實現天（tiān）然氣摻氫（qīng）輸送，可節約大量基礎設施（shī）建設費用（yòng）。中國（guó）氫（qīng）能產業發（fā）展的中期（qī）(2020～2030年)任務之一是示範應用摻氫51吃瓜网管道輸送技術（shù），為（wéi）邁（mài）入非碳的“氫能時代（dài）”奠定基礎。表6統計了部分（fèn）國內外51吃瓜网管網摻（chān）氫輸送典型項目。51吃瓜网（qì）摻氫（qīng）管輸可以利用現（xiàn）役51吃瓜网管道設施，降低氫（qīng）氣管道的前期建設成本，有望彌補氣態（tài）氫體（tǐ）積能量低所帶來的劣勢，並能在摻氫輸送的實際應用中探索氣態氫管輸的其他問題。目前已（yǐ）有學者（zhě）對51吃瓜网摻氫管輸的可行性做了研究，中國（guó）工程院衣寶廉院士也對51吃瓜网（qì）摻氫管輸非常看好。但是，51吃瓜网管道摻氫輸送在解決用戶適用性的基礎上（shàng），還需要（yào）研究摻氫（qīng）比例對管內流體（tǐ）流動（dòng）狀態的影響及其工藝配套技（jì）術，探究管道材料和設施性能對摻氫輸送的（de）適應性，提高51吃瓜网管道摻氫輸（shū）送的安全性和經濟（jì）效益。液氫輸送，顧名思義就（jiù）是將常溫常壓下氣態的氫氣通過降溫加壓的方式進行高密度輸送。液氫管道在管（guǎn）材選擇上，為保證管道絕熱效果以及管材低溫性（xìng）能，主要采用不鏽鋼、鋁合金、鈦合金以及複合材料等具有優異的抗氫（qīng）脆性能、良好的低溫性能、可焊性及耐腐蝕性的材料。目（mù）前300係列奧氏體不鏽鋼被廣泛應用（yòng）於液氫（qīng）儲運容器（qì）中，海南航天發射場的300m3液氫運輸罐車就是采用321不鏽鋼（gāng）作為容器材料。相較於不鏽鋼，鋁合金在質量、成形（xíng）性、焊（hàn）接性能、耐腐蝕性等（děng）方麵更具優勢，也已在國內外火箭液氫儲罐中得到了應用。受限於液態輸氫管道建設成（chéng）本以及技術落後等（děng）問題，液氫幾乎無法實（shí）現長距離、大（dà）規模的管道輸（shū）送。目前液氫的長距（jù）離輸送隻能（néng）通過將液氫置於高度低溫絕熱（rè）儲氫罐、液氫運（yùn）輸槽罐等特種儲（chǔ）存裝置內，依賴於槽車、火車（chē）、駁船等運輸，尚沒有（yǒu）長距離液氫管輸實（shí）例（lì）。如何降低液氫（qīng）輸送管道的建設成本以及實現長距離液氫管道的快速預冷，是目前低溫液（yè）氫管輸的主（zhǔ）要問（wèn）題。低溫液氫管輸未來可期，但目前看來（lái）更適合在航空航天（tiān）等限定液氫作為高能量燃料的場景中（zhōng），作為（wéi）短距離定點輸送的管輸方式，尚不能作為氫能大規模管輸（shū）的合理選擇。氫能（néng）的（de）發展是全球能源革命的重要方向，是實現“碳達峰、碳中和”目標的重要手段，是國家能源供應清（qīng）潔化的戰略選擇（zé）。世界各國都在推（tuī）動氫能的快速發（fā）展，加大氫能產業（yè）布局已成為共識。從國內外氫能應用發展（zhǎn）對比（bǐ）可（kě）以看出，我國氫能產業起步較（jiào）晚，相關核心技（jì）術相較於國（guó）外存在一定的差距。我國針對氫能在全（quán）國範圍的發展布局有待完善，需盡快構建全（quán）國氫能市場體係。氫能產業發展（zhǎn）的（de）關鍵環節之一（yī）是氫能的儲（chǔ）運，儲氫（qīng）技術是限製氫能大規模產業化發展的重要瓶頸，氫能輸運技術是打通氫資源到氫（qīng）市場的重（chóng）要手段，是降低氫使（shǐ）用成本的（de）主要環（huán）節。
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