中國儲能網(wǎng)訊：今年，我國第一次將氫能相關(guān)內(nèi)容納入《政府工作報告》，氫能產(chǎn)業(yè)形成了以北上廣為中心的京津冀、長三角、珠三角等主要產(chǎn)業(yè)集群。目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)規(guī)模示范階段，未來將探索商業(yè)化運(yùn)行。
現(xiàn)階段氫能發(fā)展的根本問題在于儲運(yùn)環(huán)節(jié)發(fā)展滯后。氫氣體積能量密度極低，且極易燃爆，如何將分散在各地的氫氣高效配送到加氫站，提高儲運(yùn)效率和氫氣品質(zhì)是氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重大瓶頸，安全、高效、廉價的儲運(yùn)氫技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
5日，全球最大的燃料電池車全場景應(yīng)用加氫站——上?；^(qū)加氫站正式落成。圖片來源：文匯網(wǎng)
作者丨張福東
氫的儲存和運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)?？傮w看來，目前高壓氣態(tài)儲(運(yùn))氫技術(shù)相對成熟，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離儲運(yùn)技術(shù)的商用化需要解決氫脆問題、攻克液態(tài)儲氫和化學(xué)固體儲氫技術(shù)。
當(dāng)前，全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期。作為最為環(huán)保的“終極能源”，氫能將在發(fā)電、供熱和交通方面逐步廣泛應(yīng)用，在我國終端能源體系中的占比將達(dá)到10%。氫的儲存和運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)。未來，發(fā)展安全、高效、廉價的儲運(yùn)氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
不同的儲氫方式，其儲氫密度差別很大。氫能的存儲方式主要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫等，不同的儲氫方式具有不同的儲氫密度，其中氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度最小，金屬氫化物儲氫方式的儲氫密度最大，液態(tài)儲氫將是未來主要的儲氫方式。
幾種儲氫方式優(yōu)劣性對比
資料來源于網(wǎng)絡(luò)
高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟，但容量偏小。高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用并且比較成熟的儲氫方式，其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。目前最常用的高壓氣態(tài)儲氫容器是鋼瓶，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快；缺點(diǎn)是存在泄漏爆炸隱患、安全性能較差及體積比容量低。長管氣瓶組及長管拖車也在中國成功制造，已經(jīng)在一些制氫工廠、用氫的企業(yè)、加氫站安裝并運(yùn)行。目前國內(nèi)已建和在建加氫站，一般都采用該儲氫設(shè)備。
低溫液態(tài)儲氫成本高。工業(yè)氫氣的規(guī)?；畠r生產(chǎn)和儲運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化利用的基礎(chǔ)。液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍，氫氣液化的費(fèi)用昂貴，耗能較高(4～10千瓦時/千克)，約占液氫制取成本的1/3。此外，液態(tài)氫的儲存容器需要極好的絕熱裝置來隔熱，避免沸騰汽化。如果氫能以液態(tài)形式儲運(yùn)，且價格低廉，其替換傳統(tǒng)能源將指日可待。當(dāng)前，液態(tài)氫主要作為航天火箭推進(jìn)器燃料，其儲罐和拖車已在我國航天等領(lǐng)域應(yīng)用。針對人類太空研究計(jì)劃的需要，液態(tài)氫的儲存容器趨于大型化。目前已能建造儲存量超過1000立方米容積的大型液態(tài)氫絕熱儲槽。
固態(tài)儲氫密度大，技術(shù)尚未成熟。固態(tài)儲氫方式能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲氫方式的不足，且儲氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等，特別適合對體積要求較嚴(yán)格的場合，如在燃料電池汽車上的使用，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲氫方式。固態(tài)儲氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲氫和化學(xué)氫化物儲氫。其中化學(xué)氫化物儲氫中的金屬氫化物是未來儲氫技術(shù)發(fā)展方向金屬氫化物儲氫工藝簡單，與壓縮氣體和低溫液化形成鮮明的對比，只要選擇一種適合的金屬氫化物，就能使氫在室溫和不太高的壓力下儲存于金屬氫化物中。用金屬氫化物儲氫的突出優(yōu)點(diǎn)在于安全，氫是處于低壓下與另一種物質(zhì)(儲氫合金)結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)而存在，不需要高壓和低溫。
金屬氫化物儲氫具有儲氫密度高、純度高(從氫化物中加熱釋放出的氫具有極高的純度，通?？梢赃_(dá)到99.999%以上)的特點(diǎn)。但目前真正將金屬氫化物儲氫用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的少見，主要有四個方面的原因：一是儲氫合金價格昂貴。二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于儲氫過程中有大量熱量釋放出來，儲存器內(nèi)必須增加換熱設(shè)備。三是氫化物自身很不穩(wěn)定，易受有害雜質(zhì)組分的毒害，多次使用之后，性能明顯下降。四是儲氫密度雖高，但儲氫質(zhì)量比太低，即以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，僅能儲存2%～4%的氫氣。金屬氫化物儲氫還處于試驗(yàn)研究階段，尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。
有機(jī)液體儲氫備受關(guān)注。通過加氫，有機(jī)液體可以加載氫氣，然后通過加熱或催化作用脫氫。這使得氫在大氣溫度和壓力，以超過6%的重量密度進(jìn)行儲運(yùn)，脫氫后的有機(jī)液體可重復(fù)使用。這種儲氫方法具有高質(zhì)量、高體積儲氫密度，安全、易于長距離運(yùn)輸，可長期儲存等優(yōu)點(diǎn)。
有機(jī)液體儲氫也存在很多不足，例如：技術(shù)操作條件較為苛刻，要求催化加氫和脫氫的裝置配置較高，導(dǎo)致費(fèi)用較高；脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低，且容易發(fā)生副反應(yīng)，使得釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)焦失活。
大規(guī)模季節(jié)性儲氫，地下儲氫是最好的選項(xiàng)。目前最為成熟的技術(shù)是鹽穴儲氫，全球已經(jīng)建成3座地下鹽穴儲氫庫，其中有2座位于美國得克薩斯州克萊門茨鹽丘。借鑒天然氣地下儲存的經(jīng)驗(yàn)，氫也有可以被壓縮并注入枯竭的氣田。與鹽穴相比，枯竭氣田體積更大，分布更廣，在未來可能提供更合適的長期儲氣方案。目前對這種儲存形式的挑戰(zhàn)主要是氫氣的擴(kuò)散性、氫脆以及氫氣對巖石屬性的影響等。
氫氣運(yùn)輸方法及適應(yīng)范圍
數(shù)據(jù)來源：中國石油勘探開發(fā)研究院
氫能的規(guī)模應(yīng)用取決于長距離運(yùn)送。氫氣可通過卡車、輪船、鐵路和管道運(yùn)輸。未來，工業(yè)氫氣輸送方式將以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主，長輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎(chǔ)研究，并創(chuàng)新管道運(yùn)營管理方式，以實(shí)現(xiàn)長距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設(shè)。
目前管道輸氫處于起步階段，通過管道運(yùn)輸氫氣有兩種可能情況：一是管道摻氫，即向現(xiàn)有天然氣管道中注入氫氣至指定濃度，通常體積濃度低于20%，天然氣與氫氣同屬可燃?xì)怏w，二是純氫管道，即使用現(xiàn)存或新管道運(yùn)輸濃度為100%的純氫。
管道輸氫還可以在已建管道中添加氫氣進(jìn)行混合輸是未來發(fā)展的趨勢，能在天然氣供需趨緊的情況下滿足季節(jié)調(diào)峰需求。管網(wǎng)摻氫的關(guān)鍵在于，在不對設(shè)施進(jìn)行材料升級的要求下實(shí)現(xiàn)輸氫。濃度體積為20%的氫氣是可以被接受的，限制氫氣濃度的關(guān)鍵在于終端用戶是否可以接納更高濃度的氫氣。使用天然氣管道混輸氫氣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在全球數(shù)地開展。
邊遠(yuǎn)地區(qū)豐富的光電、風(fēng)電電解水產(chǎn)生的氫氣，煤制氣、地下煤氣化產(chǎn)生的氫氣等，都可以通過天然氣管網(wǎng)輸送到用戶附近。很多國家正在積極進(jìn)行管道摻氫輸氫的實(shí)驗(yàn)研究，英國、比利時、瑞典等研究了體積濃度1%以下的管道輸氫，德國、荷蘭研究的管道輸氫體積濃度可高達(dá)10-12%。目前國外的研究表明，摻氫低于20%時，不會對現(xiàn)有管網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響；摻氫小于10%時，可直接輸送；英國HyDeploy項(xiàng)目目標(biāo)是建立氫氣與常規(guī)天然氣的混合輸運(yùn)系統(tǒng)，其中氫氣摻混比例最高為20%。天然氣管道摻氫目前仍面臨如下關(guān)鍵技術(shù)問題：不同摻氫比例對現(xiàn)有管道的影響不清楚；摻氫比例不確定，尚無公認(rèn)的結(jié)論；氫脆對管道使用壽命的影響不清楚；輸氫管網(wǎng)與分布式能源管理模式仍處于探索中，無重大先例可循。
總體看來，目前高壓氣態(tài)儲(運(yùn))氫技術(shù)相對成熟，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離儲運(yùn)技術(shù)的商用化需要攻克幾大關(guān)鍵技術(shù)。一是解決氫脆問題的技術(shù)。氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材、巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)涉及管道摻氫和地下地質(zhì)儲氫時。應(yīng)做好不同摻氫比例對現(xiàn)有管道影響的研究，測試氫氣與管材相容性，確定安全摻氫比例范圍。二是液態(tài)儲氫技術(shù)。液態(tài)儲氫主要是液體有機(jī)化學(xué)儲氫，主要問題是加載氫和卸載氫反應(yīng)溫度較高，應(yīng)研究發(fā)展以液態(tài)有機(jī)化合物為儲氫介質(zhì)的長距離、大規(guī)模氫的儲運(yùn)技術(shù)。三是化學(xué)固體儲氫技術(shù)，主要包括儲氫合金(LaNi5)，輕質(zhì)金屬氫化物(MgH2)，配位氫化物(NaAIH4)，非金屬氫化物(NH3·BH3)等催化劑材料的研究。(作者張福東為中國石油勘探開發(fā)研究院新能源研究所副所長)
觀點(diǎn)丨氫能儲運(yùn)，哪種方式將成為主流？
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院研究員伍香洲：固態(tài)儲氫有望成為主流方式
目前，儲氫方法主要分為低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫三種，并以氣態(tài)儲氫為主。高壓氣態(tài)儲氫成為市場主流主要是因其簡便易行、充放氣速度快、在常溫下就可進(jìn)行，同時成本較低決定的，但是氣態(tài)儲氫普遍存在安全隱患。同時，低溫液態(tài)儲氫因技術(shù)難度大，氫氣液化成本高，能量損失大，需要極好的絕熱裝置來隔熱等因素，在短期內(nèi)也難以實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展。而固態(tài)儲氫材料儲氫性能卓越，是三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。未來隨著儲氫合金使用便利性提升和成本降低，其有望成為未來主流的儲氫方式。
中國科學(xué)院院士周遠(yuǎn)：液氫儲運(yùn)技術(shù)應(yīng)成為探索方向
液氫的儲存和運(yùn)輸，最關(guān)鍵的是高性能液氫儲罐設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。我國已基本擁有了300立方米以下的液氫儲罐(固定和移動)產(chǎn)品和制造技術(shù)，基本可以滿足我國目前需要。應(yīng)積極開展高效氫液化和儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究，探索大規(guī)模液化儲氫裝備和液氫的無損儲運(yùn)，對我國未來10年氫能大規(guī)模應(yīng)用具有重要戰(zhàn)略支撐意義。
中國地質(zhì)大學(xué)特聘教授、氫陽能源創(chuàng)始人程寒松：“儲油”儲氫安全高效
國內(nèi)目前廣泛采用高壓密封儲運(yùn)氫氣，安全成本較高。使用“儲油”儲氫最大優(yōu)勢是安全和高效。氫氣溶于有機(jī)溶液，常溫常壓下不可燃、不揮發(fā)，即使點(diǎn)燃火柴扔進(jìn)去，也不會燒著。此外，同樣體積下，“儲油”儲氫密度比高壓氫要高，運(yùn)輸成本降低70%以上，“儲油”還可重復(fù)使用。理論上，每升有機(jī)溶液中可以儲氫60克，氫燃料電池卡車加一箱135升溶入氫氣的儲油，可以跑400公里。
張家港氫云新能源研究院院長魏蔚：氫能儲運(yùn)方式可借鑒LNG
比照LNG的全球化發(fā)展模式，遵循低溫儲運(yùn)、高壓應(yīng)用的氫能儲運(yùn)技術(shù)路線，氫能的大規(guī)模運(yùn)用、甚至出口都并不遙遠(yuǎn)。氫氣和天然氣都是能源氣體。它們的狀態(tài)、使用場景和對車輛發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的影響，都有極高的相似度，具體包括燃料的儲存方式、運(yùn)輸、品質(zhì)保證和規(guī)?；瘧?yīng)用之后如何降本等方面，氫能都可以借鑒LNG。
北京中科富海低溫科技公司總經(jīng)理高金林：氫運(yùn)輸管理辦法亟待出臺
液氫不比天然氣危險，但我國能源法里只有天然氣的管理辦法，沒有氫的管理辦法，導(dǎo)致氫運(yùn)輸、特別是液氫運(yùn)輸無法進(jìn)行審批。還有一個更關(guān)鍵的問題是，液氫不在危險貨物的編號之列，沒法申請上路運(yùn)輸，也沒有相關(guān)部門接受申請。但在一些發(fā)達(dá)國家，液氫和汽油一樣，作為燃料在公路上進(jìn)行運(yùn)輸。
氫能如何結(jié)合城市燃?xì)鈶?yīng)用？
氫能作為一種特殊的二次能源，是聯(lián)系天然氣和其他能源形式的重要紐帶，對實(shí)現(xiàn)電力、熱能、冷能、可再生能源等能源與天然氣的耦合具有重要意義。
燃料電池是氫能最主要的技術(shù)載體。氫能提供了一種大規(guī)模、長周期、高安全的能源儲能途徑，具有作為可再生能源載體的獨(dú)特優(yōu)勢。未來，氫能與儲能電池將形成一個互補(bǔ)共存的狀態(tài)，共同構(gòu)建以分布式為主、以零排放為特征的能源供應(yīng)體系，將廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、家庭生活、工業(yè)生產(chǎn)等各個方面。
在氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃?xì)獾膽?yīng)用中，主要是將燃?xì)馔ㄟ^水蒸氣重整反應(yīng)或其他方式，轉(zhuǎn)化為高純度的氫氣作為燃料電池的燃料，并將燃料電池應(yīng)用于汽車、民用發(fā)電、燃料電池?zé)犭娐?lián)供等。
在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，燃料電池建筑供能系統(tǒng)已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。日本已有超過20萬套家用燃料電池供能系統(tǒng)在運(yùn)行，是世界上燃料電池應(yīng)用最廣泛的國家。日本家用燃料電池供能系統(tǒng)以城市燃?xì)鉃槿剂?，主要由燃料電池和儲熱水箱組成，燃料電池用于發(fā)電，水箱用于回收余熱。
