新能源 氢能储运关键技术前景

按照氢能所存在的状态,氢能储运被分为气氢储运、液氢储运和固氢储运,不同的储运方式因其各自特点、成本差异区别,适用场合也有所不同。

能源的有效利用与人类的生存发展和社会繁荣稳定密不可分,是全人类实现高效生产、幸福生活的重要物质基础。目前,全球范围内的能源利用以石油、煤炭、天然气等化石能源为主体,随着社会的高速发展,人类对能源消耗的速度和需求与日俱增。但可开发利用的化石能源储量有限并且正在被迅速消耗,这导致全球能源危机日趋严峻,并且化石燃料的大量使用所产生的 SO2、CO、CO2 等气体的排放将直接导致环境污染以及温室效应的加剧,针对以上困境,全球能源利用结构正逐步实现从化石燃料向低碳、无碳的新型能源时代的过渡和转变。其中,氢能作为来源广泛、环境友好、利用高效、可循环利用的低碳二次能源被广泛认为是“最理想的新型能源”。

氢能的开发与利用包含制备、储存、运输等关键环节,其中,氢能的储存、运输技术是实现氢能产业大规模发展的重要环节之一。然而,氢气在常温常压下为气态,易扩散,单位体积储能密度低,燃烧温度范围广,易对金属材料造成氢脆,导致氢气的高效安全输送和储存难度较大。

在实际工业应用中,氢能的储存、运输系统要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷,并且根据终端用户的需求及输送距离的不同存在较大差异,因此,氢能的储运技术一直是制约氢能产业大规模发展、应用的重要瓶颈之一。目前,根据氢能储运过程中运用的工艺原理不同,可被分为化学储氢和物理储氢,工业应用中通常根据氢能的不同形态将氢能的储运分为:气氢储运、液氢储运以及固氢储运,其分别具有各自特点、成本差异以及适用场合。通过介绍各类氢能储存、运输的关键技术和相关装备设施,对比分析其技术特点与应用现状,最后对各类氢能储运技术的应用前景以及发展方向进行阐述,提出相关建议。

氢能处于气体状态时通常被称为“气氢”,常温常压状态下其密度仅为 0.089 g·L-1。该特性决定了自然状态下气氢的活性和扩散性极强,储存运输过程中易引发泄漏。尽管单位质量下气氢的能量密度很高,但单位体积下气氢的能量密度却非常低,因此,为保证能够储存、运输足够能量的氢气并且降低运输成本,通常采取提高储存、运输氢气的容器或管道压力的方式,增加单位体积下氢气的能量密度、减小储氢容器的体积、提高氢气的储运效率。

因此,气氢通常采取压缩气体体积、增加单位气体压力的方式进行储存、运输,并且以高压气体的状态储存于特定容器中,储氢容器通常为耐高压的钢制气瓶,同时气氢也可经过加压后通过特制运输管道进行输送。根据氢气储存压力的不同,气氢储存又可分为低压储存( ≤ 35 MPa )和高压储存(≥35 MPa)。

以高压气氢的状态进行储存和运输是目前应用最为普遍的氢能储运方式,其通过氢气压缩装置对气源压缩后注入特制高压储气罐或钢制管网进行储存、运输,需要使用时则可利用减压阀加以调节后,即可直接完成氢气的释放。利用气氢加压储存、运输的方式具有明显的优势:承压储存容器制造难度较低;氢气压缩技术与设备可借鉴现有的空压机及相关技术;气氢输送管道与配套工艺设备也可借鉴现有的天然气或煤气输送管网相关技术及设备;相关设备加工成本较低等。

同时,气氢加压储运的方式也存在突出的缺点:氢气压缩过程中需消耗大量外部能量;氢气储存的容器需采用特制钢瓶或碳钎维等储气瓶对材料及其承压强度、密封性要求较高,因此其重量和尺寸普遍较大,高压储氢钢瓶中储存的氢气重量约只占容器重量 1%~2%左右,储氢量较小、运输成本较高;气氢运输管道需进行特殊防腐、抗氢脆等工艺处理;高压气氢储运对设备及工艺的安全性要求很高。

因此,综合考虑氢气的物理和化学性质以及气氢储运的各方面优势和不足,需根据气氢运输距离、用户的需求与分布特点的不同选择储氢钢瓶运输或铺设输氢管道。储氢钢瓶运输方式适用于距离短、用量不大、用户分布较分散的场合,气氢运输管道的输氢方式则适用于距离短、用量较大、使用稳定且连续、用户分布较为集中的场合。目前,全球范围内用于输送气氢的管道总长已超过 1000 km,国内通常使用的长拖车运输储氢钢瓶。

氢气被加压、降温冷却至液化温度以下处于液体状态时通常被称为“液氢”,即以液态氢形式进行储存和运输,处于一个标准大气压(约 0.1 MPa)下时氢气的液化温度为-253 ℃。当氢气冷却至液氢状态时,其密度则约为气态氢的 865 倍(约 76.98 g·L-1)。该特性决定了液氢的能量密度很高,与输送相同能量值的气氢进行比较,液氢储运的容器体积小、运输总距离短(1辆运载液氢的长管拖车输送的氢能相当于 20 辆运输高压气氢的长管拖车)。

因此,相对于高压气氢储运技术,低温液氢储运技术的最大优势在于其运输的氢能密度高、运输周期短,如果仅从单位质量和体积能量密度考虑,液氢储运技术则为一种极为理想和有效的储存、运输方式。但同时,利用低温液氢储运的方式也存在一些明显的不足:氢气液化过程将消耗大量的外部能量,所消耗能量值约为所储存氢能的30%左右;储存液氢的容器为特制液氢罐,其外壁需采用双层真空绝热壁面结构,并且需加装相关控制与安全保护装置起到抗冲击及减振作用,这增加了液氢储运容器的结构复杂性与加工成本;此外,液氢的沸点仅为-252 ℃左右,外界热量稍微渗入容器也会使其迅速气化从而造成损失,因此液氢气化、泄漏也是必须面临的重要问题之一。

综合考虑液态氢的物理、化学特性以及液氢储运的各方面优势和不足,液氢储运适用于输送距离远、使用连续的场合。目前,常用的液氢储运技术是采用特制的低温、绝热容器储存液氢,并使用拖车或火车运输,但正在设想未来利用绝热性能良好的液氢输送管道进行运输。液氢的自身特性决定了其不适用于间歇性使用的场合,例如各类交通汽车,但在航空运载火箭上作为燃料已得到了普遍使用。

采用固体储氢材料对氢气进行物理吸附或与氢气发生化学反应等方式,储存、释放氢能的方法通常被称为“固氢”储运技术。其中,储氢材料是实现固氢储运的核心部分,能够使氢气进行有效的吸附与释放或者能够与氢气发生高效、可逆的化学反应,实现氢能的储存与释放,常用的固体储氢材料包括金属储氢合金、碳质储氢材料等。利用特制的固体材料储氢容器进行氢能储存能够得到与液氢一样甚至更高的储氢密度,并且运输过程经济、安全。

固氢储运技术的特性决定了其相较于气氢储运和液氢输运的优势主要体现为:储能密度很高、运输设备经济高效、储氢容器体积相对较小、储氢性能稳定、运输成本低、周期短、输送能力大、运输过程中安全性高。但同时,利用固体储氢材料进行氢能储运的方式也存在一些不足:利用固体储氢材料进行储存及释放氢气工艺过程中,需满足特定外部条件;若要实现大规模、商用化氢能储运,固氢储运技术对固体储氢材料性能要求较高,需满足材料储氢量大、吸/放氢反应速率快、来源广泛、成本低、寿命长、可循环利用、加工工艺相对简单等条件,现有固体储氢材料的相关性能无法完全满足商业化需求,仍需对新型固体储氢材料进行研发。

因此,综合考虑固氢储运技术的各方面优势和不足,固氢储运适用于输送距离较远、需求量大、使用连续的场合。目前,常用的固氢储运设备可分为移动式与固定式,移动式固氢设备可长期储存或移动运输,容器通常体积较小、质量轻;固定式固氢设备则用于长期储存氢能,容器通常体积大、储氢量足。固氢的自身特性决定了其既可适用于间歇性也可适用于连续性使用的场合,例如各类交通工具,目前已在部分燃料电池汽车上得到应用。

人类的生存发展、社会的繁荣富强都始终建立在能源保障的物质基础之上,目前,全球能源消耗形式仍以石油、煤炭、天然气等传统化石能源为主体,但作为不可再生的一次能源,化石能源的储量已逐渐枯竭,对可再生新能源的开发迫在眉睫。氢能作为清洁、可循环再生的低碳二次能源被广泛认为是“最理想的新型能源” ,全世界各国对氢能的开发与利用均开展了积极的研究。氢能的开发包含制备、储存、运输等关键环节,氢能的储运技术则是其中重要环节之一。

目前,按照氢能所存在的状态氢能储运被分为:气氢储运、液氢储运和固氢储运。

其中,气氢储运由于工艺及设备相对简单被应用的最为广泛,但储能密度低、不经济,适用于短距离运输,因此采用输氢管道输送氢气对于分布集中的用户非常合适。液氢储运由于其储能密度较气氢高得多,因此适用于对储能量要求很高的航空火箭等场合,但其对设备的绝热、密封性等要求高。固氢储运兼具能量密度高、运输安全、经济等优点,适用于工业、交通工具等多种场合,但其对固体储氢材料性能要求较高,对新型储氢材料的开发提出了新要求。

综合分析,液氢和固氢储运将是未来氢能开发的主要发展方向,建议将相关技术与设备的开发研究作为重点。

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