氢能产业已初具规模,如何推动安全、经济、高效的氢能储运技术发展?


发布时间:

2023-12-21

氢能产业已初具规模,如何推动安全、经济、高效的氢能储运技术发展?

氢能具有清洁无碳、绿色高效、可再生、应用场景丰富等特点,积极有序发展氢能是推动中国能源转型升级的重要方向和实现双碳战略目标的重要途径。
 
欧美日等国家很早就开始布局氢能产业,中国在“十四·五”期间也密集颁布了多项氢能产业政策,尤其是科技部“十四·五”国家重点研发计划将“氢能技术”列为重点专项。
 
在政策和市场的双重驱动下,中国氢能产业迎来了发展的窗口期,很多中央能源企业和民营企业进军氢能产业并积极布局,初步取得了一批技术研发和示范应用成果,目前中国氢能产业已初具规模。
 
预计到2050年,氢能将在中国交通运输、储能、工业、建筑等领域广泛应用,在终端能源体系中占比达到10%,氢能产业的产值有望超过1013元。
 
氢能储运连接上游制氢和下游用氢,是氢能产业链中不可或缺的关键环节。根据目前的技术水平测算,氢能储运成本约占最终用氢成本的30%以上,成为制约氢能产业发展的瓶颈之一。加快推动安全、经济、高效的氢能储运技术研发和示范,对氢能产业的发展至关重要。
 
目前,氢能储存按氢的形态划分主要有气态储存、液态储存(液氢、有机液体氢化物)、固态储存3种主流方式。在此,分别从技术原理及特点、应用现状及关键设备、风险管理及规范标准、瓶颈问题及发展方向等方面对上述常见氢能储存技术的研究进展进行了论述,分析了目前氢能输送技术面临的主要问题,并展望了未来氢能储运技术的发展。
 
氢能储存技术
高压气态储氢技术
 
高压存储气态氢是最普通直接的储氢方式,高压容器内氢以气态储存,储存量与压力成正比。目前国内外采用压力为25~35MPa的碳纤维复合钢瓶储运。氢气在35MPa时密度约为23kg/m3,70MPa时约为38kg/m3,储氢瓶的质量储氢密度仅有5%(35MPa)。而且压缩氢气是耗能过程,若使用更高压力的储罐,如70MPa,则压缩过程需要大量的能量,增加了整体成本(压缩的能量消耗相当于液化的1/3)。未来除了要继续研究如何平衡存储压力和压缩能耗的关系外,还可进行储罐材料方面的研究以平衡储罐的重量和价格。
 
储氢设备
 
高压气态储氢设备分为固定式和移动式两种高压储氢容器。制氢厂、加氢站内的固定式高压储氢容器主要有高压无缝氢气钢瓶、全多层高压储氢容器及纤维全缠绕高压储氢容器。
 
美国FIBATechnologiesInc、日本制钢所等成功研制了80MPa级高压无缝氢气钢瓶。中国石家庄的安瑞科气体机械有限公司研制了45MPa高压无缝氢气钢瓶,目前正在研制87.5MPa钢内胆碳纤维全缠绕氢气钢瓶。浙江大学研制了钢带缠绕式大容积全多层钢制高压储氢容器,最高设计压力为98MPa,在一定程度上解决了大容量高压经济储存等关键问题。
 
移动式高压储氢容器分为长管拖车运氢用大气瓶和燃料电池交通工具用中小气瓶,前者压力一般为20~30MPa,后者公称压力等级主要有35MPa和70MPa,还有公称压力15MPa、容积不大于40L的小氢气瓶,常用于灵活提供氢源。
 
中国已有较成熟的长管拖车、管束式集装箱的设计制造及使用经验,单车运氢量不超过500kg。美国HexagonLincoln公司研制的纤维全缠绕高压氢气瓶公称压力为25~54MPa,单车运氢量可达720~1350kg。近年来,金属气瓶研究主要集中在金属无缝加工、气瓶失效机制等领域。
 
Ⅲ、Ⅳ型氢燃料电池汽车车载高压储氢瓶是移动式高压储氢容器的研究热点。目前国外的Ⅳ型瓶在汽车领域已经成功商用,中国35MPa铝内胆碳纤维缠绕Ⅲ型瓶现已成熟并实现商用,但受限于碳纤维的材料性能和缠绕加工等技术,目前Ⅳ型瓶还未完全实现商业化。中国已有多家公司布局Ⅳ型瓶研发,例如中材科技、天海工业等。