氢的高压与液化储运应用前景

随着**经济的快速发展和全球人口的急剧增长, 人类的能源需求与日俱增. 传统化石燃料的使用导致了严重的环境污染和温室效应问题. 我国**为适应新发展理念的需要和高质量发展的要求, 提出了碳达峰、碳中和的能源发展目标. 目前各国都在着力发展太阳能、风能、氢能等可再生能源, 其中氢能优势显著. 氢的来源形式广泛, 对环境友好, 质量能量密度高, 而且易与其他可再生能源匹配使用, 有潜力在未来取代化石燃料. 2020年9月8日, **发展改革委员会等四部门印发意见, 指导加快新能源发展, 加快制氢加氢设施建设. 在**的鼓励和支持下, 一批氢储运及应用项目开始规划和建设, 我国氢能产业已进入产业化的快车道.

我国西部地区可开发的绿氢资源超过3亿吨, **能够满足我国可持续发展的能源需求, 将从根本上确保能源战略**. 但我国能源负荷**位于中东部, 远离氢能储存丰富的西部地区, 因此需要远距离输送. 在“产、储、输、分配、应用”的氢能全产业链中, 储运环节成本超过30%, 是*为关键的一环, 也是我国氢能布局的瓶颈. 储氢技术大类上可以分为物理储存和化学储存两类, 具体如图1所示.

在物理储存技术中, 氢气可以通过高压气氢、液氢、低温压缩氢、浆氢以及物理吸附等形式储存. 其中, 压缩氢气和金属氢化物被认为是中小型储氢的有效方法, 低温液氢是大规模储运的有效方式. 高压气态储氢的单位质量储氢密度为1.0%~5.7%, 在常温和20 MPa条件下的储氢密度为17.9 kg/m3, 每千克仅需2 kW h的耗电, 储运能效超过90%, 技术成熟, 能耗低, 成本低, 但存在体积密度低、长途运输成本高的问题. 低温液态储氢的体积储氢密度达到70.6 kg/m3, 储运能效约为75%, 但制备1 kg液氢需要耗费12~17 kW h的电量, 还存在易挥发、成本高的缺点.

化学储氢技术是将氢储存在有较高储氢能力的化合物中或使氢气与能够氢化的金属/合金相化合, 以固体金属氢化物的形式储存起来, 包括氢化物储氢(金属氢化物、复合氢化物、化学氢化物和间隙型氢化物)、**液态储氢(liquid organic hydrogen carriers, LOHC)、**燃料重整氢和水解氢等. 其中, **液态储氢的单位质量储氢密度达到5.0%~7.2%, 体积储氢密度达到60 kg/m3, 存储运输方便, 储运能效约为85%, 可循环使用, 但成本高且*作条件苛刻, 2021年国内仅有一家从事**液态储氢的公司. 氢化物储氢的体积储氢密度可以达到50 kg/m3, 储运能效约为85%, 但单位质量储氢密度仅为1.0%~4.5%, 且对吸放氢温度有要求, 目前仍处于研发阶段. 未来10年, 高压气态储氢和液态储氢依然是主要的储氢方式.

氢主要通过管道、长管拖车和槽车进行运输. 管道输送是*经济的运输方式, 储运能效高达95%, 维护成本较低, 运输距离为100 km时每千克仅需1元, 但需要较高的初始成本, 目前氢气长输管道的造价达到每公里63万美元. 可以采用已有天然气管道实现天然气掺氢运输, 但由于氢脆问题, 需对天然气管道进行一定的改造. 长管拖车单次运氢量仅为200~300 kg, 只占长管拖车总重量的1%~2%, 运输距离为100 km时的成本高达1.1美元/kg. 与压缩氢相比, 低温液氢运输可以输送更高密度的燃料, 但由于需要绝缘和冷却系统, 成本较高. 液氢的管道运输目前仅运用于航天发射场, 槽车运输100 km的成本更是高达11元/kg. 为了促进我国氢能产业尤其是氢储运环节的发展, 本文在总结分析高压气态和液态氢储运技术、装备特点及应用情况的基础上, 对氢储运的前景进行了展望并提出了发展建议.