中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫儲(chǔ)運(yùn)是破解氫能供需錯(cuò)配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安全高效輸送和存儲(chǔ)導(dǎo)致的高成本約占?xì)淠苋a(chǎn)業(yè)鏈成本的50%[1]。因此，加快推動(dòng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研發(fā)和示范，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[2]。2023年底，英國(guó)發(fā)布《氫生產(chǎn)交付路線(xiàn)圖》[3]和《氫輸運(yùn)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑》[4]，通過(guò)多舉措支持氫儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文梳理了近期全球氫儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目的最新進(jìn)展，并從影響氫儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目部署的政策和技術(shù)角度出發(fā)分析了主要經(jīng)濟(jì)體相關(guān)的戰(zhàn)略舉措以及氫儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向。
一、全球氫儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目部署概況
由于應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，尚無(wú)一種儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)可以滿(mǎn)足所有場(chǎng)景的應(yīng)用需求，所有技術(shù)均具有其細(xì)分市場(chǎng)。各項(xiàng)技術(shù)的成熟度水平、成本和適用場(chǎng)景均存在差異。氫儲(chǔ)運(yùn)可根據(jù)資源稟賦、應(yīng)用模式與形式靈活調(diào)整，整體構(gòu)建出現(xiàn)場(chǎng)制氫、區(qū)域內(nèi)短途氫運(yùn)輸和長(zhǎng)距離氫運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)等三種氫供應(yīng)鏈。多形式儲(chǔ)運(yùn)筑成靈活高效的全球氫供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。氫可以通過(guò)三種運(yùn)輸載體（管道、輪船或卡車(chē)）以多種形態(tài)在全球范圍內(nèi)儲(chǔ)運(yùn)（氫氣、液氫、有機(jī)液態(tài)氫（LOHC）、氨、甲醇、去程運(yùn)載液化天然氣和回程運(yùn)載液態(tài)CO2的兩用船以及固態(tài)儲(chǔ)氫）。全球各地氫儲(chǔ)運(yùn)方式需要綜合運(yùn)輸距離、地理位置和終端應(yīng)用等因素來(lái)決策最佳的儲(chǔ)運(yùn)解決方案。
根據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，截止到2023年10月，全球氫儲(chǔ)運(yùn)示范相關(guān)項(xiàng)目共252項(xiàng)[5]，包括純氫管道（104項(xiàng)）、天然氣管道摻氫（31項(xiàng)）、地下儲(chǔ)氫（40項(xiàng)）和港口氫基設(shè)施（77項(xiàng)）。其中，2020以來(lái)典型的氫儲(chǔ)運(yùn)示范項(xiàng)目共15項(xiàng)，以有機(jī)液態(tài)氫載體儲(chǔ)氫和天然氣管道摻氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主。
日本和歐洲為有機(jī)液態(tài)氫載體儲(chǔ)氫的代表性國(guó)家和地區(qū)。MCH（甲基環(huán)己烷）是最有潛力的有機(jī)氫載體。2020年日本和文萊建立的基于MCH的示范項(xiàng)目正式投入運(yùn)營(yíng)。氫氣在文萊的加氫廠通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將氫和甲苯轉(zhuǎn)化為MCH。MCH通過(guò)海上運(yùn)輸送到日本，在川崎的脫氫工廠，再次轉(zhuǎn)換成氫和甲苯。2022年日本首次利用現(xiàn)有煉油設(shè)施開(kāi)展MCH脫氫示范項(xiàng)目。由于煉油廠臨近發(fā)電廠、鋼鐵廠和石化廠等大型消費(fèi)區(qū)，且不需要大規(guī)模投資，使其具有國(guó)內(nèi)外氫供應(yīng)的巨大潛力。由于MCH能量損失大，可達(dá)到35%—40%，日本和沙特合作開(kāi)展以氨為載體的液氫儲(chǔ)運(yùn)。2020年，沙特阿美和沙特基礎(chǔ)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(gè)低碳氨的產(chǎn)品認(rèn)證。2021年，全球最大的工業(yè)級(jí)有機(jī)液態(tài)氫載體綠氫工廠在德國(guó)CHEMPARK Dormagen落成，并于2023年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)[6]，該工廠使用苯甲苯作為L(zhǎng)OHC載體介質(zhì)，通過(guò)將LOHC加氫過(guò)程中產(chǎn)生的熱能回收至蒸汽管網(wǎng)，有效整合到現(xiàn)場(chǎng)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(guó)化學(xué)建投公司聯(lián)合氫陽(yáng)公司打造的全球首套常溫常壓有機(jī)液體儲(chǔ)氫加注全球首套常溫常壓有機(jī)液體儲(chǔ)氫加注一體化示范項(xiàng)目全流程貫通。
當(dāng)氫氣通過(guò)管道運(yùn)輸達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)時(shí)，將成為最經(jīng)濟(jì)的氫氣運(yùn)輸選擇，尤其是在2000至2500千米的長(zhǎng)距離情況下。據(jù)估計(jì)，50%的跨境氫運(yùn)輸通過(guò)管道進(jìn)行[7]。但其建設(shè)更具挑戰(zhàn)性，尤其是當(dāng)跨越不同的司法管轄區(qū)時(shí)。歐洲為氫氣管道運(yùn)輸?shù)牡湫痛淼貐^(qū)。北歐地區(qū)由于豐富的風(fēng)能資源，適合風(fēng)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(jì)，目前全球純氫管道總長(zhǎng)度約5000千米。歐洲計(jì)劃2025—2031年建成31060千米的氫氣管道，實(shí)現(xiàn)到2040年，氫管道達(dá)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(guó)輸氫管道建設(shè)仍處于起步階段。中國(guó)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(guó)首條“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入國(guó)家規(guī)劃。全長(zhǎng)400多公里，是我國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的純氫輸送管道。管道一期運(yùn)力10萬(wàn)噸/年，預(yù)留50萬(wàn)噸/年的遠(yuǎn)期提升潛力。同時(shí)，將在沿線(xiàn)多地預(yù)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(guó)綠氫供需錯(cuò)配的問(wèn)題。
在氫能管道發(fā)展初期、基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善的情況下，各國(guó)積極探索了天然氣管道摻氫輸送。歐盟的NaturallHy、荷蘭的VG2、法國(guó)的GRHYD、英國(guó)的HyDeploy等項(xiàng)目相繼開(kāi)展了不同摻氫比的天然氣管道摻氫試驗(yàn)。近期，中國(guó)已啟動(dòng)多個(gè)摻氫天然氣管道示范項(xiàng)目，包括張家口和廣東的海底摻氫管道項(xiàng)目。2023年，中國(guó)石油在寧夏銀川寧東地區(qū)的天然氣摻氫管道示范項(xiàng)目中，成功實(shí)現(xiàn)了最高24%的氫氣摻入比例，并且該系統(tǒng)在100天內(nèi)安全且穩(wěn)定地運(yùn)行。
二、主要經(jīng)濟(jì)體發(fā)展氫儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略舉措
近年來(lái)，主要國(guó)家通過(guò)更新或發(fā)布?xì)鋺?zhàn)略，在氫儲(chǔ)運(yùn)體系構(gòu)建方面提出了明確規(guī)劃，并調(diào)整和優(yōu)化氫儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)法律和監(jiān)管框架，促進(jìn)氫儲(chǔ)運(yùn)體系發(fā)展。
美國(guó)政府通過(guò)2021年底制定的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》，大力支持氫能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，包括加氫站的建設(shè)和氫氣生產(chǎn)設(shè)施的擴(kuò)張，以降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)氫能技術(shù)的溢出效應(yīng)。歐盟在2022年修訂的跨歐洲能源網(wǎng)絡(luò)（TEN-E）條例擴(kuò)展了對(duì)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的支持，旨在加強(qiáng)歐盟國(guó)家之間的能源基礎(chǔ)設(shè)施連接。根據(jù)此條例，設(shè)定了三個(gè)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(chǎng)的氫氣互聯(lián)計(jì)劃，進(jìn)一步促進(jìn)了氫氣傳輸和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。2023年3月，歐盟能源部長(zhǎng)們就一系列氫能法律措施達(dá)成共識(shí)，并同意在與歐洲議會(huì)協(xié)商一致后正式采納這些措施。這些法律包括推動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)性氫氣市場(chǎng)的發(fā)展，解除氫氣傳輸限制，并通過(guò)激勵(lì)措施促進(jìn)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施改造及跨境基礎(chǔ)設(shè)施投資，以支持歐盟能源轉(zhuǎn)型和清潔能源技術(shù)發(fā)展。日本在2023年新《氫能基本戰(zhàn)略》提出未來(lái)10年建設(shè)3個(gè)大型氫中心、5個(gè)中型氫中心，在港口地區(qū)發(fā)展氫能樞紐，通過(guò)推動(dòng)國(guó)際氫貿(mào)易以建立國(guó)際氫供應(yīng)鏈。德國(guó)在2023年新《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》中提出，將構(gòu)建本國(guó)-歐盟-歐盟外國(guó)家3層氫網(wǎng)絡(luò)，確保氫能長(zhǎng)距離規(guī)?；斔汀Ｖ袊?guó)的首條跨區(qū)域氫氣管道已被納入其2023年發(fā)布的《全國(guó)油氣管網(wǎng)建設(shè)實(shí)施計(jì)劃》。
三、氫儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
從低壓到高壓、氣態(tài)到多相態(tài)是氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。突破50MPa氣態(tài)運(yùn)輸用氫氣瓶的技術(shù)限制，研究長(zhǎng)壽命高效的有機(jī)液體儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)，以及高密度輕質(zhì)固態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)是氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析近期以來(lái)上述氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究取得的重要進(jìn)展。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展主要取決于壓力容器的技術(shù)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(guó)馬克斯普朗克智能研究所等團(tuán)隊(duì)[8]開(kāi)發(fā)出一種硼氫化鎂框架，該框架具有小孔隙和部分帶負(fù)電荷的非平坦內(nèi)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)[9]通過(guò)將氫以納米級(jí)有序氫化物的形式均勻分散在穩(wěn)定的玻璃殼中，實(shí)現(xiàn)了金屬氫系統(tǒng)的顯著性能提升，實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度提升了44%以及塑性應(yīng)變從接近零增加到超過(guò)70%。
液態(tài)有機(jī)氫載體是液氫技術(shù)的核心。受置于儲(chǔ)氫性能、脫氫反應(yīng)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(guó)萊布尼茨催化研究所和中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[10]共同提出了一種部分可逆且碳中和的氫儲(chǔ)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(fù)合物為催化劑，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，且具有高效的生產(chǎn)能力。在10 次充放電循環(huán)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)70%的氫釋放效率和超過(guò)99%的氫選擇性。
固態(tài)儲(chǔ)氫依賴(lài)于儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā)和利用。儲(chǔ)氫密度高、成本低、使用條件溫和循環(huán)壽命長(zhǎng)的固態(tài)儲(chǔ)氫材料。提升儲(chǔ)氫材料的吸放氫速率。2024年1月，西安工業(yè)大學(xué)和新南威爾士大學(xué)研究人員[11]將一系列雜原子摻雜石墨烯負(fù)載的Ca單原子碳納米材料設(shè)計(jì)為高效的非解離固態(tài)儲(chǔ)氫材料，建立了廣義設(shè)計(jì)原則。并本征描述符具有篩選出最佳雙摻雜石墨烯負(fù)載Ca單原子儲(chǔ)氫材料的預(yù)測(cè)能力。研究發(fā)現(xiàn)雙摻雜材料的儲(chǔ)氫能力遠(yuǎn)高于單摻雜材料，超過(guò)了目前最好的碳基儲(chǔ)氫材料。4月，中國(guó)復(fù)旦大學(xué)研究人員[12]開(kāi)發(fā)了一種穩(wěn)定的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的氫化鎂可逆儲(chǔ)氫系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)單相Mg2Ni（Cu）合金進(jìn)行原子重構(gòu)，成功整合了光熱和催化效應(yīng)，從而在3.5 W/cm?2的光照強(qiáng)度下，實(shí)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(chǔ)氫方面，澳大利亞國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[13]采用在耗盡的碳?xì)浠衔飪?chǔ)藏庫(kù)中注入含氫的天然氣的技術(shù)，探索氫氣存儲(chǔ)技術(shù)的可行性和地質(zhì)甲烷化過(guò)程。通過(guò)285天的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了84.3%的氫氣回收率，表明該儲(chǔ)存方式在技術(shù)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(zhuǎn)化為甲烷，且生產(chǎn)速率達(dá)到了0.26毫摩每升每小時(shí)。
