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燃料電池的儲氫和運輸

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氫氣的儲運是氫能產業發展的關鍵環節。

長期以來,氫氣的高密度儲運是氫能產業發展的重要環節,也是我國氫能布局的瓶頸。

氫能可以有效改善我國能源結構現狀,在向清潔低碳、安全高效的現代能源體系轉型中具有重要的戰略意義。主要實現路徑是通過氫與各種能源形式的耦合,大幅提高可再生能源在壹次能源和二次能源消費中的比重。而我國可再生能源資源中心與負荷中心呈逆向分布,國內缺乏低成本、高密度的儲運技術,進壹步限制了我國可再生能源制氫的潛力。此外,氫氣的儲存和運輸高度依賴技術進步和基礎設施建設,這是產業發展的難點。氫氣的儲運技術為氫能的戰略意義提供了重要支撐。

儲氫方法主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機氫化物儲氫和固態儲氫。氫氣的運輸方式主要有氣氫拖車、液氫罐車和管道運輸氫氣。

高壓氣態氫儲存是我國主要的儲存方式。

目前我國儲存氫能的方式有三種:高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態儲氫。

高壓氣體儲存是儲存氫氣最常見的方式。氫氣密度低,通常需要1.5MPa以上的高壓才能儲存在特制的鋼瓶中。目前,世界上已有耐壓可達80MPa的輕質材料氣瓶。對於固定場所的儲氫,在適宜的地質地理條件和良好的密封技術下,可以采用地下儲存。這種方法不需要專門的儲氫容器,可以大大降低儲氫成本。

低溫液氫儲存是指氫氣在標準大氣壓下凍結到零下252.72攝氏度成為液體,然後儲存在壹個具有高真空的特殊隔熱容器中。杜瓦瓶比較常見,也是最理想的,但是杜瓦瓶價格昂貴,所以不能廣泛使用。目前,液氫主要用作火箭燃料。

目前,我國高壓氣態氫儲運技術相對成熟。氫氣由壓縮機壓縮成儲氫瓶,儲氫瓶壓力多為30MPa,再用集裝箱和長管拖車運輸。長管拖車運輸裝備產業相對成熟,但大規模、長距離儲運的成本和技術仍需進壹步提高,整體發展落後於國際先進水平。

國內生產高壓儲氫瓶的企業有精誠股份、中材科技、CIMC安瑞科等。

而國內低溫液態儲氫相對薄弱,在液氫儲運技術、液氫工廠及相關產業化方面還有很多難點有待突破。少量液氫主要用於航空航天和軍事領域;金屬氫化物儲氫和有機氫化物儲氫都處於實驗室階段。

國外高壓氣態儲氫和液態儲氫優於國內現狀。

國外主流的儲氫方式主要是高壓氣態氫和低溫液態氫。與我國不同的是,國外的高壓氣氫壓力已經達到70MPa,液氫的儲存和運輸也比較成熟。

世界上有三分之壹的加氫站采用液氫技術,其中美國和日本主推液氫儲運技術路線。在美國,石化電子行業的液氫利用量占液氫總量的33.5%,航空航天占18.6%,燃料電池汽車加氫站約占10%。日本和澳大利亞的氫能供應鏈項目也使用液氫載體遠距離運輸氫氣。

低溫液氫儲存有望進壹步滲透。

與低溫液氫儲存相比,高壓氣態氫儲存在長途運輸中沒有優勢,其運輸成本對距離高度敏感,需要進壹步提高儲運效率。液氫儲運的堆密度是高壓氣體儲運的5倍,在中長距離的氫氣儲運中更加經濟,是未來氫氣儲運的壹個重要方向。根據國際能源署的數據,運輸成本500公裏時,液氫的配送成本每公斤只會增加0.3美元左右,而高壓氣態運輸的配送成本會增加5倍以上,逼近每公斤2美元。

從技術上講,液氫的密度是氣態氫的800多倍。與氫氣的高壓儲運相比,單位容器可以儲存更多的低溫液氫,大大提高了運輸效率,降低了儲運成本,大大提高了液化時氫氣的純度,從而保證了使用壽命和性能。隨著汽車的普及,大規模氫氣儲運的方向之壹是液氫儲運。

此外,日本千代洋公司研發的SPERA氫氣可以在常溫常壓下保持氫氣液態,足以引起外界關註。SPERA氫是由甲苯與汽油和輕油中的氫氣在甲基環己烷液體中用有機化學氫化物法反應制得的。常溫常壓下,可用現有的油輪、油輪運輸,也可長期儲存在港口、工廠的油罐中。這對於需要在高壓下壓縮氫氣體積或者在超低溫下儲存氫氣的方法來說更加方便,同時也省去了專門的容器和設施。

國產液氫技術和裝備的突破具有重大發展意義。

目前,國內液氫產能很低,不能滿足日益增長的氫能需求。全球氫氣液化設備主要由美國AP、普萊克斯、林德、德國等廠商提供。國內液氫技術和設備能力發展落後,應用範圍很窄,尤其是在民用領域。目前,中國有101航天院和郭芙氫能院參與氫氣液化的開發和研究。資料顯示,國內最大的氫氣液化規模為2噸/日,液化設備依賴進口,與國外技術差距明顯。

從目前液氫技術和設備的發展現狀和趨勢來看,未來降低氫液化的能耗和成本有壹定的空間。相關數據顯示,當液氫裝置生產規模小於5噸/日時,氫液化能耗超過10千瓦時/千克,當規模達到50噸/日和150噸/日時,氫液化能耗可降至約7千瓦時/千克和6千瓦時/千克。當氫氣液化裝置的規模從每天5噸增加到50噸時,氫氣液化的總成本可以降低50%。

根據美國的商業管制清單,中國被限制進口日均產量超過10噸的氫氣液化技術和設備,以及DN50以上的液氫閥門、膨脹機、液氫泵等關鍵設備。在進口遏制的情況下,國產民用液氫技術和裝備的突破意義重大。據了解,國內液氫技術和設備正在不斷完善。航天101,國內首臺自主研發的1m3/h氫氣液化系統,進入基於氫氣膨脹的大型氫氣液化系統研發,並有意形成系列產品。

液氫技術和裝備的突破對氫能產業的可持續發展影響深遠,在民用領域的努力將推動國產化進程,對國內氫能產業布局意義重大。國防和民用技術的整合以及相關企業將共同努力解決關鍵問題,這是取得突破的唯壹途徑。

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