中國儲能網(wǎng)訊：氫儲運是破解氫能供需錯配的關鍵環(huán)節(jié)，安全高效輸送和存儲導致的高成本約占氫能全產(chǎn)業(yè)鏈成本的50%[1]。因此，加快推動安全、經(jīng)濟、高效的氫能儲運技術研發(fā)和示范，對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關重要[2]。2023年底，英國發(fā)布《氫生產(chǎn)交付路線圖》[3]和《氫輸運和存儲網(wǎng)絡發(fā)展路徑》[4]，通過多舉措支持氫儲運基礎設施網(wǎng)絡建設。本文梳理了近期全球氫儲運項目的最新進展，并從影響氫儲運項目部署的政策和技術角度出發(fā)分析了主要經(jīng)濟體相關的戰(zhàn)略舉措以及氫儲運關鍵技術的研發(fā)動向。
一、全球氫儲運項目部署概況
由于應用場景的多樣性，尚無一種儲運氫技術可以滿足所有場景的應用需求，所有技術均具有其細分市場。各項技術的成熟度水平、成本和適用場景均存在差異。氫儲運可根據(jù)資源稟賦、應用模式與形式靈活調整，整體構建出現(xiàn)場制氫、區(qū)域內短途氫運輸和長距離氫運輸網(wǎng)絡等三種氫供應鏈。多形式儲運筑成靈活高效的全球氫供應網(wǎng)絡。氫可以通過三種運輸載體（管道、輪船或卡車）以多種形態(tài)在全球范圍內儲運（氫氣、液氫、有機液態(tài)氫（LOHC）、氨、甲醇、去程運載液化天然氣和回程運載液態(tài)CO2的兩用船以及固態(tài)儲氫）。全球各地氫儲運方式需要綜合運輸距離、地理位置和終端應用等因素來決策最佳的儲運解決方案。
根據(jù)IEA統(tǒng)計，截止到2023年10月，全球氫儲運示范相關項目共252項[5]，包括純氫管道（104項）、天然氣管道摻氫（31項）、地下儲氫（40項）和港口氫基設施（77項）。其中，2020以來典型的氫儲運示范項目共15項，以有機液態(tài)氫載體儲氫和天然氣管道摻氫基礎設施建設為主。
日本和歐洲為有機液態(tài)氫載體儲氫的代表性國家和地區(qū)。MCH（甲基環(huán)己烷）是最有潛力的有機氫載體。2020年日本和文萊建立的基于MCH的示范項目正式投入運營。氫氣在文萊的加氫廠通過化學反應將氫和甲苯轉化為MCH。MCH通過海上運輸送到日本，在川崎的脫氫工廠，再次轉換成氫和甲苯。2022年日本首次利用現(xiàn)有煉油設施開展MCH脫氫示范項目。由于煉油廠臨近發(fā)電廠、鋼鐵廠和石化廠等大型消費區(qū)，且不需要大規(guī)模投資，使其具有國內外氫供應的巨大潛力。由于MCH能量損失大，可達到35%—40%，日本和沙特合作開展以氨為載體的液氫儲運。2020年，沙特阿美和沙特基礎工業(yè)公司合作，向日本輸送了世界首批低碳氨，并于2022年獲得了世界首個低碳氨的產(chǎn)品認證。2021年，全球最大的工業(yè)級有機液態(tài)氫載體綠氫工廠在德國CHEMPARK Dormagen落成，并于2023年開始運營[6]，該工廠使用苯甲苯作為LOHC載體介質，通過將LOHC加氫過程中產(chǎn)生的熱能回收至蒸汽管網(wǎng)，有效整合到現(xiàn)場的能源系統(tǒng)中，從而大幅提升LOHC循環(huán)的整體能效。2023年7月，中國化學建投公司聯(lián)合氫陽公司打造的全球首套常溫常壓有機液體儲氫加注全球首套常溫常壓有機液體儲氫加注一體化示范項目全流程貫通。
當氫氣通過管道運輸達到規(guī)模經(jīng)濟時，將成為最經(jīng)濟的氫氣運輸選擇，尤其是在2000至2500千米的長距離情況下。據(jù)估計，50%的跨境氫運輸通過管道進行[7]。但其建設更具挑戰(zhàn)性，尤其是當跨越不同的司法管轄區(qū)時。歐洲為氫氣管道運輸?shù)牡湫痛淼貐^(qū)。北歐地區(qū)由于豐富的風能資源，適合風電制氫；而北非、中東地區(qū)有豐富的日照資源，適合光伏制氫。據(jù)統(tǒng)計，目前全球純氫管道總長度約5000千米。歐洲計劃2025—2031年建成31060千米的氫氣管道，實現(xiàn)到2040年，氫管道達到53000千米，其中40%是新建氫氣管道，60%依靠原本天然氣管道的改造。目前，中國輸氫管道建設仍處于起步階段。中國氫氣管道里程約400公里，在用管道僅有1/4左右，已建成氫氣管道多是用于短距離的工業(yè)用氫傳輸。2023年，我國首條“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入國家規(guī)劃。全長400多公里，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫輸送管道。管道一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力。同時，將在沿線多地預留端口，便于接入潛在氫源。管道建成后有望替代京津冀地區(qū)現(xiàn)有的化石能源制氫，大力緩解我國綠氫供需錯配的問題。
在氫能管道發(fā)展初期、基礎設施尚不完善的情況下，各國積極探索了天然氣管道摻氫輸送。歐盟的NaturallHy、荷蘭的VG2、法國的GRHYD、英國的HyDeploy等項目相繼開展了不同摻氫比的天然氣管道摻氫試驗。近期，中國已啟動多個摻氫天然氣管道示范項目，包括張家口和廣東的海底摻氫管道項目。2023年，中國石油在寧夏銀川寧東地區(qū)的天然氣摻氫管道示范項目中，成功實現(xiàn)了最高24%的氫氣摻入比例，并且該系統(tǒng)在100天內安全且穩(wěn)定地運行。
二、主要經(jīng)濟體發(fā)展氫儲運基礎設施的戰(zhàn)略舉措
近年來，主要國家通過更新或發(fā)布氫戰(zhàn)略，在氫儲運體系構建方面提出了明確規(guī)劃，并調整和優(yōu)化氫儲運相關法律和監(jiān)管框架，促進氫儲運體系發(fā)展。
美國政府通過2021年底制定的《基礎設施投資和就業(yè)法案》，大力支持氫能源基礎設施的建設，包括加氫站的建設和氫氣生產(chǎn)設施的擴張，以降低生產(chǎn)成本，增強氫能技術的溢出效應。歐盟在2022年修訂的跨歐洲能源網(wǎng)絡（TEN-E）條例擴展了對氫氣基礎設施的支持，旨在加強歐盟國家之間的能源基礎設施連接。根據(jù)此條例，設定了三個氫氣優(yōu)先走廊：西歐氫氣互聯(lián)、中東歐和東南歐氫氣互聯(lián)，以及波羅的海能源市場的氫氣互聯(lián)計劃，進一步促進了氫氣傳輸和供應網(wǎng)絡的發(fā)展。2023年3月，歐盟能源部長們就一系列氫能法律措施達成共識，并同意在與歐洲議會協(xié)商一致后正式采納這些措施。這些法律包括推動競爭性氫氣市場的發(fā)展，解除氫氣傳輸限制，并通過激勵措施促進天然氣基礎設施改造及跨境基礎設施投資，以支持歐盟能源轉型和清潔能源技術發(fā)展。日本在2023年新《氫能基本戰(zhàn)略》提出未來10年建設3個大型氫中心、5個中型氫中心，在港口地區(qū)發(fā)展氫能樞紐，通過推動國際氫貿易以建立國際氫供應鏈。德國在2023年新《國家氫能戰(zhàn)略》中提出，將構建本國-歐盟-歐盟外國家3層氫網(wǎng)絡，確保氫能長距離規(guī)?；斔汀Ｖ袊氖讞l跨區(qū)域氫氣管道已被納入其2023年發(fā)布的《全國油氣管網(wǎng)建設實施計劃》。
三、氫儲運關鍵技術研發(fā)進展
從低壓到高壓、氣態(tài)到多相態(tài)是氫儲運技術的未來發(fā)展方向。突破50MPa氣態(tài)運輸用氫氣瓶的技術限制，研究長壽命高效的有機液體儲運氫技術，以及高密度輕質固態(tài)氫儲運是氫儲運技術的重點。本文重點分析近期以來上述氫儲運技術研究取得的重要進展。
高壓氣態(tài)儲氫技術的發(fā)展主要取決于壓力容器的技術水平和生產(chǎn)工藝。特別是在高壓臨氫環(huán)境中使用的抗氫脆新材料和低溶氫、高穩(wěn)定性材料研發(fā)。2024年2月，德國馬克斯普朗克智能研究所等團隊[8]開發(fā)出一種硼氫化鎂框架，該框架具有小孔隙和部分帶負電荷的非平坦內部，用于吸收氫和氮。研究表明，在環(huán)境壓力下，密集堆積的氫可以穩(wěn)定在小孔隙材料中。5月，東南大學研究團隊[9]通過將氫以納米級有序氫化物的形式均勻分散在穩(wěn)定的玻璃殼中，實現(xiàn)了金屬氫系統(tǒng)的顯著性能提升，實現(xiàn)屈服強度提升了44%以及塑性應變從接近零增加到超過70%。
液態(tài)有機氫載體是液氫技術的核心。受置于儲氫性能、脫氫反應溫度及能耗偏高、脫氫催化劑研發(fā)難度大的制約。2023年6月，德國萊布尼茨催化研究所和中國哈爾濱工業(yè)大學的研究團隊[10]共同提出了一種部分可逆且碳中和的氫儲存和釋放系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于甲酰胺的雙重功能作用，以小分子鐵鉗復合物為催化劑，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復性，且具有高效的生產(chǎn)能力。在10 次充放電循環(huán)周期內，實現(xiàn)了超過70%的氫釋放效率和超過99%的氫選擇性。
固態(tài)儲氫依賴于儲氫材料的開發(fā)和利用。儲氫密度高、成本低、使用條件溫和循環(huán)壽命長的固態(tài)儲氫材料。提升儲氫材料的吸放氫速率。2024年1月，西安工業(yè)大學和新南威爾士大學研究人員[11]將一系列雜原子摻雜石墨烯負載的Ca單原子碳納米材料設計為高效的非解離固態(tài)儲氫材料，建立了廣義設計原則。并本征描述符具有篩選出最佳雙摻雜石墨烯負載Ca單原子儲氫材料的預測能力。研究發(fā)現(xiàn)雙摻雜材料的儲氫能力遠高于單摻雜材料，超過了目前最好的碳基儲氫材料。4月，中國復旦大學研究人員[12]開發(fā)了一種穩(wěn)定的太陽能驅動的氫化鎂可逆儲氫系統(tǒng)。通過對單相Mg2Ni（Cu）合金進行原子重構，成功整合了光熱和催化效應，從而在3.5 W/cm?2的光照強度下，實現(xiàn)6.1 wt.%的氫可逆容量和95%的容量保持率。
此外，在地下儲氫方面，澳大利亞國立大學研究團隊[13]采用在耗盡的碳氫化合物儲藏庫中注入含氫的天然氣的技術，探索氫氣存儲技術的可行性和地質甲烷化過程。通過285天的現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了84.3%的氫氣回收率，表明該儲存方式在技術上是可行的。研究還發(fā)現(xiàn)，在微生物的作用下，氫氣和二氧化碳被轉化為甲烷，且生產(chǎn)速率達到了0.26毫摩每升每小時。
