氫的高壓與液化儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用前景
隨著**經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和全球人口的急劇增長(zhǎng), 人類(lèi)的能源需求與日俱增. 傳統(tǒng)化石燃料的使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問(wèn)題. 我國(guó)**為適應(yīng)新發(fā)展理念的需要和高質(zhì)量發(fā)展的要求, 提出了碳達(dá)峰、碳中和的能源發(fā)展目標(biāo). 目前各國(guó)都在著力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等可再生能源, 其中氫能優(yōu)勢(shì)顯著. 氫的來(lái)源形式廣泛, 對(duì)環(huán)境友好, 質(zhì)量能量密度高, 而且易與其他可再生能源匹配使用, 有潛力在未來(lái)取代化石燃料. 2020年9月8日, **發(fā)展改革委員會(huì)等四部門(mén)印發(fā)意見(jiàn), 指導(dǎo)加快新能源發(fā)展, 加快制氫加氫設(shè)施建設(shè). 在**的鼓勵(lì)和支持下, 一批氫儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)始規(guī)劃和建設(shè), 我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的快車(chē)道.
我國(guó)西部地區(qū)可開(kāi)發(fā)的綠氫資源超過(guò)3億噸, **能夠滿(mǎn)足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的能源需求, 將從根本上確保能源戰(zhàn)略**. 但我國(guó)能源負(fù)荷**位于中東部, 遠(yuǎn)離氫能儲(chǔ)存豐富的西部地區(qū), 因此需要遠(yuǎn)距離輸送. 在“產(chǎn)、儲(chǔ)、輸、分配、應(yīng)用”的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中, 儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)成本超過(guò)30%, 是*為關(guān)鍵的一環(huán), 也是我國(guó)氫能布局的瓶頸. 儲(chǔ)氫技術(shù)大類(lèi)上可以分為物理儲(chǔ)存和化學(xué)儲(chǔ)存兩類(lèi), 具體如圖1所示.
在物理儲(chǔ)存技術(shù)中, 氫氣可以通過(guò)高壓氣氫、液氫、低溫壓縮氫、漿氫以及物理吸附等形式儲(chǔ)存. 其中, 壓縮氫氣和金屬氫化物被認(rèn)為是中小型儲(chǔ)氫的有效方法, 低溫液氫是大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的有效方式. 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為1.0%~5.7%, 在常溫和20?MPa條件下的儲(chǔ)氫密度為17.9?kg/m3, 每千克僅需2?kW?h的耗電, 儲(chǔ)運(yùn)能效超過(guò)90%, 技術(shù)成熟, 能耗低, 成本低, 但存在體積密度低、長(zhǎng)途運(yùn)輸成本高的問(wèn)題. 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到70.6?kg/m3, 儲(chǔ)運(yùn)能效約為75%, 但制備1?kg液氫需要耗費(fèi)12~17?kW?h的電量, 還存在易揮發(fā)、成本高的缺點(diǎn).
化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫儲(chǔ)存在有較高儲(chǔ)氫能力的化合物中或使氫氣與能夠氫化的金屬/合金相化合, 以固體金屬氫化物的形式儲(chǔ)存起來(lái), 包括氫化物儲(chǔ)氫(金屬氫化物、復(fù)合氫化物、化學(xué)氫化物和間隙型氫化物)、**液態(tài)儲(chǔ)氫(liquid organic hydrogen carriers, LOHC)、**燃料重整氫和水解氫等. 其中, **液態(tài)儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)到5.0%~7.2%, 體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到60?kg/m3, 存儲(chǔ)運(yùn)輸方便, 儲(chǔ)運(yùn)能效約為85%, 可循環(huán)使用, 但成本高且*作條件苛刻, 2021年國(guó)內(nèi)僅有一家從事**液態(tài)儲(chǔ)氫的公司. 氫化物儲(chǔ)氫的體積儲(chǔ)氫密度可以達(dá)到50?kg/m3, 儲(chǔ)運(yùn)能效約為85%, 但單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度僅為1.0%~4.5%, 且對(duì)吸放氫溫度有要求, 目前仍處于研發(fā)階段. 未來(lái)10年, 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫依然是主要的儲(chǔ)氫方式.
氫主要通過(guò)管道、長(zhǎng)管拖車(chē)和槽車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸. 管道輸送是*經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式, 儲(chǔ)運(yùn)能效高達(dá)95%, 維護(hù)成本較低, 運(yùn)輸距離為100?km時(shí)每千克僅需1元, 但需要較高的初始成本, 目前氫氣長(zhǎng)輸管道的造價(jià)達(dá)到每公里63萬(wàn)美元. 可以采用已有天然氣管道實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫運(yùn)輸, 但由于氫脆問(wèn)題, 需對(duì)天然氣管道進(jìn)行一定的改造. 長(zhǎng)管拖車(chē)單次運(yùn)氫量?jī)H為200~300?kg, 只占長(zhǎng)管拖車(chē)總重量的1%~2%, 運(yùn)輸距離為100?km時(shí)的成本高達(dá)1.1美元/kg. 與壓縮氫相比, 低溫液氫運(yùn)輸可以輸送更高密度的燃料, 但由于需要絕緣和冷卻系統(tǒng), 成本較高. 液氫的管道運(yùn)輸目前僅運(yùn)用于航天發(fā)射場(chǎng), 槽車(chē)運(yùn)輸100?km的成本更是高達(dá)11元/kg. 為了促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)尤其是氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的發(fā)展, 本文在總結(jié)分析高壓氣態(tài)和液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、裝備特點(diǎn)及應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上, 對(duì)氫儲(chǔ)運(yùn)的前景進(jìn)行了展望并提出了發(fā)展建議.
