中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：1 氫氣的輸運(yùn)
氫氣的輸運(yùn)包括工業(yè)鋼瓶、集裝格、長(zhǎng)管拖車、氣體管道、液態(tài)氫氣、有機(jī)液體、儲(chǔ)氫合金等方法。單個(gè)工業(yè)氫氣鋼瓶的容積為40 L, 壓力為15 MPa, 儲(chǔ)氫為0.5 kg. 集裝格由9~20個(gè)氫氣鋼瓶組成, 儲(chǔ)氫3~10 kg, 主要是實(shí)驗(yàn)室 的氫氣輸運(yùn)。100 kg以上的氫氣輸運(yùn)方法主要是長(zhǎng)管拖車、氣體管道、液態(tài)氫氣。
在陸地上進(jìn)行大量氫氣輸送時(shí), 氣體管道輸送很有效。一般的氫氣集裝格和長(zhǎng)管拖車中都有連接鋼瓶的氣體管道, 在陸地上能夠鋪設(shè)大規(guī)模、長(zhǎng)距離而且高壓的氫氣管道進(jìn)行氫氣輸送。管道運(yùn)輸是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\(yùn)氫方式。低壓管道適合大規(guī)模、長(zhǎng)距離的運(yùn)氫。由于氫氣在低壓狀態(tài)(工作壓力1~4 MPa)下運(yùn)輸, 因此相比高壓鋼瓶輸氫能耗更低, 但管道建設(shè)的初始投資較大。
有機(jī)液體以及氨氣輸運(yùn)氫氣也是正在開發(fā)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法, 尤其是在長(zhǎng)距離、大規(guī)模的氫氣輸送方面具有一定優(yōu)勢(shì), 但是雜質(zhì)氣體含量高, 高純氫氣使用時(shí)需要重新純化。固態(tài)合金輸氫純度高、安全性好, 但是輸運(yùn)能耗高、成本高, 適合人口密集的區(qū)域以及短距離的氫氣輸運(yùn)。圖1是3種主要輸氫方式價(jià)格與距離的變化。長(zhǎng)管拖車輸運(yùn)氫氣成本隨距離的增加顯著, 適合300 km以內(nèi)的輸氫, 距離超過300 km時(shí), 液氫和管道輸氫更合適, 輸氫量越大, 這種趨勢(shì)越明顯。表1是不同輸氫方法所對(duì)應(yīng)的一些參數(shù)。
圖 1 3種主要輸氫方式價(jià)格與距離的變化
表 1 幾種常用氫氣輸運(yùn)方法的性能比較
目前我國(guó)氫氣的輸運(yùn)幾乎都依賴長(zhǎng)管拖車, 滿足不了大規(guī)模氫氣使用和氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 管道輸氫和液態(tài)輸氫技術(shù)亟待提高。
2 氫氣的管道輸運(yùn)
歐洲和美洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的地區(qū), 已有70年歷史, 在管道輸氫方面已經(jīng)有了很大規(guī)模, 如美國(guó)Praxair公司的分公司林德管道公司在得克薩斯州蒙特貝爾維尤至阿瑟港和奧蘭治之間鋪設(shè)了113 km的氫氣輸送管道, 耗資3000萬美金。林德管道公司每天能夠輸送283萬Nm3以上的氫氣, 氫氣純度為99.99%。管道埋設(shè)深度最淺處不小于1.22 m, 管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度和水壓試驗(yàn)強(qiáng)度分別為管道最大運(yùn)行壓力的2.5和1.9倍。美國(guó)加州托蘭斯(Torrance)的加氫站也在同區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)氫氣管道, 直接給用戶供氫。
法國(guó)Air Liquid公司在法國(guó)、比利時(shí)、荷蘭的國(guó)界附近鋪設(shè)了830 km的氫氣管道, 德國(guó)在北萊茵-威斯特法倫州鋪設(shè)了240 km的氫氣管道, 壓力為5 MPa, 給用戶供氫。這些氫氣管道主要為工業(yè)所用, 也有直接與加氫站相連的氫氣管道。德國(guó)Frankfurt加氫站與氯堿電解工廠的副產(chǎn)品氫氣源相鄰, 兩者之間鋪設(shè)了1.7 km的氫氣管道, 氫氣壓力為90 MPa, 可以免去壓縮機(jī)直接供氫。
根據(jù)美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL)在2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 全球共有4542 km的氫氣管道, 其中美國(guó)有2608 km的輸氫管道, 歐洲有1598 km的輸氫管道。表2是世界各地輸氫管道的情況。
表 2 世界各地輸氫管道的情況
我國(guó)氫氣管網(wǎng)發(fā)展不足, 輸氫管道主要分布在環(huán)渤海灣、長(zhǎng)江三角洲等地, 目前已知最長(zhǎng)的輸氫管道為巴陵-長(zhǎng)嶺輸氫管道, 全長(zhǎng)約42 km、壓力為4 MPa, 其次是濟(jì)源-洛陽輸氫管道(25 km), 兩者的技術(shù)參數(shù)如表3所示。目前全國(guó)累計(jì)僅有100 km輸氫管道, 氫氣管網(wǎng)布局有較大的提升空間。
隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展, 日益增加的氫氣需求量將推動(dòng)我國(guó)氫氣管網(wǎng)建設(shè)。國(guó)內(nèi)氫氣管網(wǎng)建設(shè)正在提速, 根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》所制定的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ) 設(shè)施發(fā)展路線, 到2030年, 我國(guó)燃料電池汽車將達(dá)200萬輛, 同時(shí)將建成3000 km以上的氫氣長(zhǎng)輸管道。該目標(biāo)將有效推進(jìn)我國(guó)氫氣管道建設(shè)。
表 3 國(guó)內(nèi)兩條氫氣管道的參數(shù)對(duì)比
利用現(xiàn)有成熟的天然氣管網(wǎng)、CNG(compressednatural gas)和LNG(liquefied natural gas)加氣站等設(shè)施, 可新建或在現(xiàn)有站址基礎(chǔ)上改擴(kuò)建制氫加氫一體化站。通過站內(nèi)制氫加氫, 減少了氫氣運(yùn)輸環(huán)節(jié), 降低了氫氣制儲(chǔ)運(yùn)的成本。該技術(shù)可將氫氣槍出口處的價(jià)格降低, 氫燃料汽車的用氫成本與汽柴油車的用車成本相當(dāng), 且更環(huán)保, 符合未來能源的趨勢(shì)。
3 液氫制造和儲(chǔ)運(yùn)
液態(tài)氫氣是一種深冷的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)。將氫氣經(jīng)過壓縮后, 深冷到21 K以下變?yōu)橐簹? 然后儲(chǔ)存到特制的絕熱真空容器中。常溫、常壓下, 液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍, 液氫的體積能量密度比壓縮貯存高好幾倍, 這樣, 同一體積的儲(chǔ)氫容器, 其儲(chǔ)氫質(zhì)量大幅度提高。但是, 由于氫具有質(zhì)輕的特點(diǎn), 在作為燃料使用時(shí), 相同體積的液氫與汽油相比, 含能量少。這意味著將來若以液氫完全替代汽油, 則在行駛相同里程時(shí), 液氫儲(chǔ)罐的體積要比現(xiàn)有油箱大得多(約3倍)。
理想狀態(tài)下, 氫氣液化耗能為3.92 kW h/kg。目前的氫氣液化主要是通過液氮冷卻和壓縮氫氣膨脹實(shí)現(xiàn), 耗能為13~15 kW h/kg, 幾乎是氫氣燃燒所產(chǎn)生低熱值 (產(chǎn)物為水蒸氣時(shí)的燃燒熱值, 33.3 kW h/kg)的一半(圖2), 而氮?dú)獾囊夯哪軆H為0.207 kW h/kg, 因此降低氫氣液化耗能至關(guān)重要。
圖 2 不同氫液化方法的能耗
一個(gè)有效的方法就是擴(kuò)大液氫的制備規(guī)模, 通過大規(guī)模設(shè)備, 可以將氫氣液化能耗降低到5~8 kW h/kg。調(diào)整工藝也是一個(gè)有效方法, 比如歐洲聯(lián)盟的IDEALHY項(xiàng)目使用He-Ne布雷頓法制備液氫, 能耗為6.4 kW h/kg。另外, 發(fā)達(dá)國(guó)家正通過創(chuàng)新氫液化流程和提高設(shè)備工藝及效率的方法, 提高氫液化裝置的效率和降低能耗。一些采用高性能換熱器、膨脹機(jī)和新型混合制冷劑的氫液化創(chuàng)新概念流程的能耗最低已至4.41 kW h/(kg LH2)。
因?yàn)橐夯瘻囟扰c室溫之間有200 K以上的溫差, 加之液態(tài)氫的蒸發(fā)潛熱比天然氣小, 所以不能忽略從容器表面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)來的滲入熱量引起的液態(tài)氫的汽化罐的表面積與半徑的2次方成正比, 而液態(tài)氫的體積則與半徑的3次方成正比, 所以由滲入熱量引起的大型罐的液態(tài)氫汽化比例要比小型罐的小。同樣條件下, 液氫容積越大, 液態(tài)氫氣蒸發(fā)越小。因此, 液態(tài)儲(chǔ)氫適用條件是儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、氫氣量大、電價(jià)低廉。
國(guó)際能源署提出儲(chǔ)氫標(biāo)準(zhǔn), 質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度大于5%、體積儲(chǔ)氫密度大于50kg/m3 (H2); 美國(guó)能源部提出, 質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不低于6.5%、體積儲(chǔ)氫密度不低于62kg/m3 (H2)。綜合考慮質(zhì)量、體積儲(chǔ)氫密度和溫度, 除液氫儲(chǔ)存外, 目前所采用和正在研究的儲(chǔ)氫技術(shù)尚不能滿足上述要求。因此, 如進(jìn)一步提高氫液化的效率, 液氫以其體積能量密度高的優(yōu)點(diǎn), 可望成為大規(guī)模運(yùn)輸?shù)闹饕问健?
為了大規(guī)模制備液氫, 需要在設(shè)備上加大投入。美洲是全球最大、最成熟的液氫生產(chǎn)和應(yīng)用地域, 美國(guó)本土已有15座以上的液氫工廠, 液氫產(chǎn)能占全球80% 以上, 達(dá)到375 t/d, 加拿大80 t/d的液氫產(chǎn)能也為美國(guó)所用。美國(guó)的液氫工廠全部是5 t/d以上的中大規(guī)模, 并以10~30 t/d以上占據(jù)主流。
近年, 美國(guó)普萊克斯公司、美國(guó)空氣化工產(chǎn)品有限公司、法國(guó)液化空氣集團(tuán)在美國(guó)相繼新建的液氫工廠規(guī)模都在30 t/d及以上, 預(yù)計(jì)2021年美國(guó)液氫產(chǎn)能將突破500 t/d。因此, 其生產(chǎn)液氫的能耗和成本都比較低。歐洲4座液氫工廠的液氫產(chǎn)能為24 t/d; 亞洲有16座液氫工廠, 總產(chǎn)能為38.3 t/d, 其中日本占了2/3。
中國(guó)起步較晚, 與國(guó)外存在較大的差距。中國(guó)液氫工廠有陜西興平、海南文昌、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院第101研究所和西昌衛(wèi)星發(fā)射中心等, 主要服務(wù)于航天發(fā)射, 總產(chǎn)能僅有4 t/d, 最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2 t/d。目前, 中國(guó)民用液氫市場(chǎng)基本空白。根據(jù)科技部2020年“可再生能源與氫能技 術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)指南, 中國(guó)亟須研制液化能力≥5 t/d且氫氣液化能耗≤13 kW h/(kg LH2)的單套裝備, 指標(biāo)與國(guó)外主流大型氫液化裝置性能基本一致, 以期盡快縮短我國(guó)產(chǎn)品成本、質(zhì)量和制造水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。
