我国氢储运技术现状及发展趋势

氢能是能源转型升级的重要载体,是实现碳达峰碳中和的重要解决方案。氢气储运是连接氢气生产端和需求端的关键桥梁,低成本高效的氢气储运技术是实现氢气大规模应用的必要保障。

 

一、氢气储存技术

 

根据氢气的存储状态可将氢气储存方式分为常温高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢等。目前,常温高压气态储氢是当前我国最成熟的储氢技术,占绝对主导地位。低温液态储氢尚处起步阶段,是未来大规模用氢的良好解决方案。有机液态储氢处于技术研发阶段,是未来有发展潜力的氢气低价储运技术之一。固态储氢尚处示范阶段,具有实用化前景的是金属氢化物基储氢合金。

 

  • 常温高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中,通过增压来提高氢气的容量,满足日常使用。这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式,具有成本低、能耗低、充放速度快的特点。缺点是储氢密度低,安全性较差,只能适用于小规模、短距离的运输场景。
  • 低温液态储氢属于物理储存,是一种深冷氢气存储技术。氢气经过压缩后,深冷到21K(约-253°C)以下,使之变为液氢,然后储存在专用的低温绝热液氢罐中,密度可达70.78kg/cm3,是标准情况下氢气密度的850倍左右,体积比容量大,适用于大规模、远距离的氢能储运。缺点是对储氢容器的绝热要求很高,液化和运输过程中能耗大。
  • 有机液态储氢属于化学储存,利用有机液体(环己烷、甲基环己烷等)与氢气进行可逆加氢和脱氢反应,能够实现常温常压下氢气储运。这种储氢方式的优势在于储氢密度比较高、安全性高。缺点是需要配备相应的加氢脱氢装置,流程繁琐,效率较低,增加储氢成本,影响氢气纯度。
  • 固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体,通过化学吸附和物理吸附的方式实现储氢,具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势。缺点是成本高,放氢需要较高温度下进行。

 

 

二、氢气输送技术

 

根据储氢状态氢气输送分为气态输送、液态输送和固态输送,气态和液态为目前的主流方式。根据运输工具,氢气输送主要有长管气态拖车、液氢槽罐车和管道(纯氢管道、天然气管道混输)输氢。

 

  • 气态长管拖车输氢是当前较为成熟的运氢方式。国际上已有厂商采用45-55MPa的氢气瓶组进行氢气运输。国内目前只有20MPa钢制高压长管拖车和瓶组,储氢密度低,未来将以30MPa及以上的高压力等级为主。
  • 全球氢气液化装置50余座,总产能超过470吨/天,在北美应用较多。我国有4座氢液化装置投入使用,均在航天领域,总产能约5吨/天,占全球约1%。液氢在美欧的生产、储运、加注及应用等各项技术均已相对成熟。我国液氢产业各环节都比较薄弱,尤其是储运。我国液氢储运技术发展起步较晚且关键设备进口受限,制约着液氢的规模化应用。世界首条液氢运输船2020年在日本下水,从事澳大利亚到日本的液氢输远。随着液氢进出口贸易的增加,未来船舶运液氢有望成为主要运氢方式之一。
  • 输氢管道在全球已建成约5000km,其中约85%分布在美国和欧洲,工作压力在4MPa-8MPa。我国输氢管道总长约400km,分布在环渤海湾、长三角、中原等地。我国输氢管道较短、设计压力较低,未来需要发展高压的长输管道,以实现大规模输氢。

我国氢储运技术现状及发展趋势

 

三、氢气储运经济性

 

目前,技术上成熟、经济上可行的储运方式主要是气态氢储运。EVTank的研究结果显示,气氢拖车在300km以内运输具有成本优势,液氢罐车在中远距离运输具备优势,尤其在400km后液氢的成本优势大于管道运输(利用率20%)。管道输氢前期投资建设成本较高,其运输成本受运能利用率影响,运能利用率越高越经济。随着氢能产业规模的发展扩大,未来长距离、大规模的氢气运输中管道输氢有望成为最优运输方式。

 

国际可再生能源署发布的《实现1.5℃气候目标的全球氢能贸易:氢能载体技术回顾》报告,通过对比压缩气态氢气与氨(远洋或沿海长距离的氨运输一般采用冷冻型氨运输船)、液氢和液态有机氢载体等不同的氢能运输方式对成本产生的影响,对未来氢能运输的技术路线作出预判。运氨船可以运输更远的距离,且适合各种规模大小的项目;管道运输受距离限制较大,只适合1-2000公里的运输;液氢储罐能量密度更占优势,在相对较短的距离和大流量上具有吸引力;LOHC对较小规模的项目有吸引力。

图2 2050年最具成本效益的氢运输途径作为项目规模和运输距离的函数

 

 

四、氢储运未来发展趋势

 

《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》指出,以安全可控为前提,积极推进技术材料工艺创新,支持开展多种储运方式的探索和实践。提高高压气态储运效率,加快降低储运成本,有效提升高压气态储运商业化水平。推动低温液氢储运产业化应用,探索固态、深冷高压、有机液体等储运方式应用。开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范。逐步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。

我国氢储运技术现状及发展趋势

 

来   源:IHFCA 

原文始发于微信公众号(艾邦氢科技网):我国氢储运技术现状及发展趋势

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作者 li, meiyong