簡述四種氫儲運技術(shù)現(xiàn)狀
時間：2021-07-29 00:00:00 瀏覽：1424次 來源： 旺材氫燃料電池(wc_cndc) 作者：科技與信息化管理部
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在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用中，氫能的高密度儲運是氫能發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，同時也是我國氫能布局的瓶頸。以國內(nèi)某地為例，若該地全部氫能車輛正常運營，氫氣日需求量為15 t 左右，目前采用的高壓長管拖車輸氫量僅為200-300 kg，且氫能輸運成本較高，導(dǎo)致氫能的應(yīng)用環(huán)節(jié)難以大規(guī)模發(fā)展。
氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包含制氫、氫儲運和氫能利用三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其全產(chǎn)業(yè)鏈示意圖如下： 制氫、儲運與利用全產(chǎn)業(yè)鏈示意圖 ▼ 在氫能源發(fā)展方面，我國面臨的最主要挑戰(zhàn)即在于氫能的儲運。找到安全、經(jīng)濟、高效、可行的儲運模式，是氫能全生命周期應(yīng)用的關(guān)鍵。氫能儲運包括氫氣的儲存以及氫能源的運輸。
對儲氫技術(shù)要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前，儲氫方法主要分為低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固體材料儲氫及有機液體儲氫 4 種。4 種主要儲氫方式對比如下表： 4 種主要儲氫方式的優(yōu)缺點以及目前的主要應(yīng)用 ▼ 通過對比 4 種儲氫技術(shù)來看，高壓儲氫目前最為成熟，應(yīng)用也最廣，但是儲氫密度和安全性方面存在瓶頸；固體材料儲氫則有著巨大潛力，但是目前處于研究階段；低溫液態(tài)儲氫技術(shù)具有單位質(zhì)量和單位體積儲氫密度大的絕對優(yōu)勢，但目前儲存成本過高，主要體現(xiàn)在液化過程耗能大，以及對儲氫容器的絕熱性能要求極高兩個方面；有機液態(tài)儲氫由于成本和技術(shù)問題還未能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。 高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟，是目前我國最常用的儲氫技術(shù)。高壓氣態(tài)儲氫即通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器中，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲存，氫氣的儲量與儲罐內(nèi)的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器,簡便易行,其優(yōu)點是存儲能耗低、成本低 (壓力不太高時), 且可通過減壓閥調(diào)控氫氣的釋放, 因此，高壓氣態(tài)儲氫已成為較為成熟的儲氫方案。更多高壓氣態(tài)儲氫內(nèi)容，請點擊查看：《深度解析：氫氣的高壓儲存》 目前國內(nèi)主要采用 35 MPa 碳纖維復(fù)合瓶儲運，日本等國家主要使用 70 MPa 儲氫瓶。35 MPa氫氣密度約為 23 kg/m3，70 MPa 儲氫罐中氫氣密度約為 38 kg/m3，日本豐田于 2017 年發(fā)表的一項新型專利提出了全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲罐設(shè)計方法，儲氫壓力即可以達到 70 MPa，氫氣質(zhì)量密度約為 5.7%。但是儲氫罐加壓過程成本較大，且隨著壓力的增大，儲氫的安全性也會大大降低，存有泄漏、爆炸的安全隱患，因此安全性能有待提升。未來，高壓氣態(tài)儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展，會探索新型儲氫罐材料以匹配更高壓力下的儲氫需求，提高儲氫安全性和經(jīng)濟性。
1）低溫液態(tài)儲氫是先將氫氣液化，然后儲存在低溫絕熱真空容器中。該方式的優(yōu)點是氫的體積能量很高，由于液氫密度為 70.78 ，是標況下氫氣密度的近 850 倍，即使將氫氣壓縮，氣態(tài)氫單位體積的儲存量也不及液態(tài)儲存。但液氫的沸點極低 (−252.78 ℃)，與環(huán)境溫差極大,對儲氫容器的絕熱要求很高 。目前最大的液化儲氫罐是位于美國肯尼迪航天中心的儲氫罐，儲氫容積達 12000 L。
2）有機液態(tài)儲氫是通過加氫反應(yīng)將氫氣與甲烷 (TOL) 等芳香族有機化合物固定，形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷（MCH）等飽和環(huán)狀化合物，從而可在常溫和常壓下，以液態(tài)形式進行儲存和運輸，并在使用地點在催化劑作用下通過脫氫反應(yīng)提取出所需量的氫氣,整體流程如下圖： 液態(tài)有機物儲氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運，儲運過程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問題，液態(tài)有機物儲氫將成為氫能儲運領(lǐng)域最有希望取得大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)之一。 對于大規(guī)模、遠距離的氫能儲運，低溫液態(tài)儲氫才有較大優(yōu)勢，當運輸 500 km 時，液氫配送成本每 kg 僅增加約 USA$0.3，而高壓氣態(tài)運輸成本將上升 5 倍以上。目前低溫液氫主要作為低溫推進劑用于航天中，也有學(xué)者開始研究將液氫作為車載燃料動力，但到目前為止還沒有實質(zhì)性的進展。液態(tài)儲氫技術(shù)目前只有日本川崎重工的液化儲氫和千代田公司的有機化學(xué)氫化物儲氫技術(shù)得到了示范應(yīng)用。在有機液態(tài)儲氫領(lǐng)域，美國化學(xué)家研制出一種 B-N 基液態(tài)儲氫材料，可在室溫下安全工作，該項技術(shù)的突破為氫能儲運難題提供了解決方案。今后一段時間我國應(yīng)加大對低溫、有機液態(tài)儲氫技術(shù)的攻關(guān)，開發(fā)低成本低功耗的脫氫催化劑和低熔點儲氫介質(zhì)等，這對國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義，亦是未來氫能儲運大規(guī)模發(fā)展的重要方向。
根據(jù)固態(tài)材料儲氫機制的差異，主要可將儲氫材料分為物理吸附型儲氫材料和金屬氫化物基儲氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲氫方式。固體儲氫材料分類如下圖： 金屬氫化物儲氫即利用金屬氫化物儲氫材料來儲存和釋放氫氣。在一定溫度下加壓，過渡金屬或合金與氫反應(yīng)，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫。如LaNi5H6 、MgH2 和NaAlH4 。 金屬氫化物儲氫罐供氫方式具有以下特點:儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全性好、可逆循環(huán)好等,但是質(zhì)量效率低，如果質(zhì)量效率能夠有效提高的話，這種儲氫方式非常適合在燃料電池汽車上使用。對比綜合儲氫技術(shù)，將不同儲氫技術(shù)的各方面特點進行總結(jié)如下圖： 由圖 4 可以看出，我國低溫液態(tài)儲氫技術(shù)應(yīng)用較少，且該技術(shù)的成本高，長期來看，在國內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用前景不如另外 3 種儲氫技術(shù)；高壓氣態(tài)儲氫是我國最為成熟的儲氫技術(shù)，低溫液態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫綜合性能好，但亟待相關(guān)技術(shù)攻關(guān)以降低其成本。目前加氫站采用的是高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)。長期來看，高壓氣態(tài)儲氫還是國內(nèi)發(fā)展的主流。但由于該技術(shù)存有安全隱患和體積容量比低的問題，在氫燃料汽車上應(yīng)用并不完美，因此該技術(shù)應(yīng)用未來可能有下降的趨勢。固態(tài)儲氫材料儲氫性能卓越，是 4 種方式中最為理想的儲氫方式，也是儲氫科研領(lǐng)域的前沿方向之一。但是現(xiàn)在尚處于技術(shù)攻關(guān)階段，因此我國可以以此技術(shù)為突破口，打破氫能儲存技術(shù)壁壘，加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
氫氣的運輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運輸量的不同而不同，主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送 3 種方式。 氣態(tài)輸運分為長管拖車和管道輸運 2 種，長管拖車運輸壓力一般為，我國長管拖車運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長距離大容量輸送時，成本較高，整體落后于國際先進水平；而管道運輸是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸送的重要方式。管道運輸時，管道運輸壓力一般為，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式。黃明，王瑋等人對天然氣摻氫運輸可行性做了研究。中國工程院院士也對天然氣管網(wǎng)輸送氫氣非常看好。
液態(tài)輸運適合遠距離、大容量輸送，可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運輸。采用液氫輸運可以提高加氫站單站供應(yīng)能力,日本、美國已經(jīng)將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一。日本千代田公司于 2009 年成功研發(fā)出LOHC(液態(tài)有機氫載體) 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，全球首條氫供應(yīng)鏈示范項目采用了千代田公司的 SPERA技術(shù)探索液態(tài)有機氫載體的商業(yè)化示范，在 2020年實現(xiàn)了 210 t/年的氫氣輸運能力。
通過金屬氫化物存儲的氫能可以采取更加豐富的運輸手段，駁船、大型槽車等運輸工具均可以用以運輸固態(tài)氫。 可以看出，300 km 以上的運輸距離，運輸成本排序為 LOHC 對于氫能制、儲、運過程中的安全性問題，有學(xué)者提出“液態(tài)陽光”的思路，即用 CO2 和氫氣反應(yīng)生成甲醇，將有效解決氫存儲問題。甲醇是非常好的液體儲氫、運氫載體，甲醇儲氫的安全性和便捷性都是極佳的，這也將成為解決可再生資源間歇性問題的新方案，也將為邊遠地區(qū)難以上網(wǎng)的可再生能源棄風、棄光、棄水提供消納渠道，還將成為除特高壓輸電之外，另一種規(guī)模化輸送能源的途徑。 “液態(tài)陽光”的思路也拓展了碳捕獲封存技術(shù)，可以把捕獲再循環(huán)利用，形成完整的生態(tài)碳循環(huán)，有助于我國碳中和進程的推進。因此為了助力綠色能源發(fā)展，解決棄風棄光棄水問題，2020 年 10 月份，全球首個千噸級“液態(tài)陽光加氫站”示范工程項目示范成功。液態(tài)加氫站的建成為我國氫能儲運技術(shù)的進一步發(fā)展開拓了一條新的道路。 -END-
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