中國儲能網(wǎng)訊：
1 前言
氫能作為一種綠色環(huán)保、來源豐富、應用廣泛的新興能源，成為用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉型的有力手段。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，氫能產(chǎn)業(yè)對實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，推動能源生產(chǎn)和消費革命具有深遠意義。據(jù)國際氫能委員會預測，到本世紀中葉，全球18%的能源終端需求將由氫能承擔。
當前全球正加快氫能產(chǎn)業(yè)布局，最早開始發(fā)展氫能的國家是日本，該國在1973年就成立了氫能協(xié)會，并于2017年發(fā)布全球首個氫能國家戰(zhàn)略———《氫能基本戰(zhàn)略》。美國于2014年發(fā)布《全面能源戰(zhàn)略》，此前已明確國家氫能發(fā)展4個階段路線圖，預計到2050年氫能將占美國終端能源需求的14%。除此之外，俄羅斯、德國、歐盟、韓國等發(fā)達國家和地區(qū)都曾出臺相應政策促進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
目前，在氫能的“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈中，儲運緩解的成本約占總成本的30%～40%，是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸。充分梳理氫能儲運技術現(xiàn)狀，分析未來發(fā)展趨勢，對氫能大規(guī)模應用具有深遠意義。
2 氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
2.1全球氫能應用現(xiàn)狀與未來發(fā)展預測
全球主要發(fā)達國家都高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。全球氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關鍵核心技術趨于成熟，氫能基礎設施建設明顯提速。
美國、日本、德國等重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)達國家，相繼出臺了有關氫能發(fā)展鼓勵政策。美國《氫能經(jīng)濟路線圖》提出，2025年美國氫燃料電池汽車運營數(shù)量將達到20萬輛，2030年將達到530萬輛。歐盟《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續(xù)發(fā)展路徑》提出，2030年歐盟氫燃料電池乘用車將達到370萬輛。日本《氫能基本戰(zhàn)略》提出，2025年日本氫燃料電池乘用車年產(chǎn)量應達到20萬輛，2030年應達到80萬輛。
從國內來看，我國作為世界上最大的制氫國，年制氫量約3300萬t，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值到2025年將達到1萬億元；2030年需求量將達到3500萬t，在我國終端能源體系中占比5%以上；2050年需求量接近6000萬t，實現(xiàn)二氧化碳減排約7億t，在終端能源體系中占比10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達到12萬億元。
2023年4月10日，中國石化宣布擬建設全長超過400km的“西氫東送”輸氫管道示范工程，并將其納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設實施方案》，標志著國內首個長距離純氫輸送管道項目的啟動。管道全長400km以上，一期運力10萬t/a，遠期可達到50萬t/a。建成后，將用于替代京津冀地區(qū)現(xiàn)有化石能源制氫及交通用氫，大力緩解我國綠氫供需錯配問題。同年4月16日，中國石油用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣在技術層面獲得重要突破，能夠有效支撐未來我國大規(guī)模、低成本、遠距離的氫能運輸。中國石油在寧夏寧東天然氣摻氫管道示范項目進行現(xiàn)場測試，這條全長397km的管道天然氣摻氫比例已逐步達到24%，實現(xiàn)了連續(xù)100天安全穩(wěn)定運行。
據(jù)統(tǒng)計，中國已規(guī)劃的輸氫管道(包括已建)總長度超過1800km，依照氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2030年，氫氣長輸管道總里程將達到3000km。
2.2中國氫能產(chǎn)業(yè)標準體系
中國氫能開發(fā)和建設相比于發(fā)達國家起步較晚，相關規(guī)范標準尚需完善。我國于2023年出臺《氫能產(chǎn)業(yè)標準體系建設指南(2023版)》，這是首個國家層面的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈標準體系建設指南。氫能產(chǎn)業(yè)標準體系以基礎與安全標準為基礎，支撐氫制備、儲存和輸運、加注、應用全產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術標準。基礎與安全標準位于氫能產(chǎn)業(yè)標準體系結構頂層，是氫能供應與氫能應用標準的基礎支撐。氫制備標準、氫儲存和輸運標準、氫加注標準構成了氫能供應標準，是氫能應用標準的基礎保障。氫能產(chǎn)業(yè)標準體系結構如圖1所示。
氫能產(chǎn)業(yè)標準體系框架由基礎與安全、氫制備、氫儲存和輸運、氫加注、氫能應用5個部分組成，如圖2所示。
3 氫能儲存技術
儲氫技術是氫能應用系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，也是制約氫氣大規(guī)模應用的關鍵因素之一。在氫能應用過程中，提供一個穩(wěn)定安全的氫能儲存方案，是滿足當前和未來氫能大規(guī)模應用的首要保障。按照氫氣的物理特性，目前學者將主流的儲氫方式分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫四類，各類儲氫技術的優(yōu)缺點見表1。
3.1氣態(tài)儲氫
由于氫的相對分子質量很小，密度很低，常溫氣態(tài)無法進行高質量儲存，因此氣態(tài)儲氫主要為高壓氣態(tài)儲氫。高壓條件下將氣態(tài)氫分子壓縮至高密度，然后將高密度氣存儲在耐高壓容器中，是目前氫能儲存中應用最廣泛的方法，已成為當下較為具有競爭優(yōu)勢的車載儲氫手段。儲存高壓氫氣的容器壓力范圍在15.2～70.9MPa，技術均相對較為成熟。表2展示了目前已開發(fā)的高壓氣態(tài)儲氫壓力容器類型。Ⅰ型和Ⅱ型容器的儲氫密度低，且氫脆問題嚴重。Ⅲ型和Ⅳ型容器儲氫密度相對較高，常用于車載儲氫領域。目前國內加氫站主流的儲氫方式大多采用高壓氣態(tài)儲氫。
3.2液態(tài)儲氫
當氫以液態(tài)形式儲存時，常用的方法可分為低溫液態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫兩類。
3.2.1低溫液態(tài)儲氫
將氣態(tài)的氫氣經(jīng)過壓縮后深冷至-253℃以下變?yōu)橐簯B(tài)，存放于絕熱真空儲存容器中的方式稱為低溫液態(tài)儲氫，是一種物理存儲方式。液氫具有高儲氫密度，在大氣壓下可達70.9kg/m3，是標準狀況氫氣密度的856倍，體積比容量大，在大規(guī)模、遠距離氫能儲運時具有顯著優(yōu)勢。但是氫氣的液化過程耗能較大，據(jù)估算，液化1kg的氫氣就要消耗4～10kW·h的電量。而且由于氫氣的沸點很低，在存儲過程中吸熱容易揮發(fā)，所以液態(tài)氫存儲過程中需要耐超低溫、保持超低溫、耐壓、密封性強的特殊容器，制造難度大，成本高昂，這也是制約低溫液態(tài)儲氫的主要問題。
液氫作為大型火箭的主要燃料，目前常用于航空航天事業(yè)。由于我國在該領域的研究尚未成熟，應用成本高，目前鮮少在民用領域應用。隨著技術的發(fā)展，2021年以來國家相繼出臺GB/T40045—2021《氫能汽車用燃料液氫》、GB/T40060—2021《液氫貯存和運輸技術要求》、GB/T40061—2021《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術規(guī)范》三項與液氫相關的國家標準，實現(xiàn)了我國液氫產(chǎn)業(yè)民用領域標準“零”的突破，為液氫產(chǎn)業(yè)市場化提供了有力支撐。
3.2.2有機液態(tài)儲氫
有機液態(tài)儲氫設想的提出，最早可追溯到1975年。有機液態(tài)儲氫是采用能與氫反應生成性質穩(wěn)定的氫能載體的有機儲氫液體(LOHC)進行存儲的方法。該方式利用液體不飽和類有機物加氫和脫氫的可逆過程，實現(xiàn)氫的儲存和釋放，參考流程如圖3所示。
有機液態(tài)儲氫的質量儲氫密度約為5%～10%，儲氫量較大，且存儲介質為液態(tài)有機物，存儲的同時也可以進行常溫常壓輸送，相對氣態(tài)存儲更為安全。研究較多的液態(tài)儲氫介質有苯、甲苯、萘等烴類和乙基咔唑等有機液體儲氫材料，相關信息及性質見表3。相關技術在我國仍處于研究階段，尚未大規(guī)模普及。
3.3固態(tài)儲氫
“高儲氫密度、快速吸/放氫性能和長周期循環(huán)穩(wěn)定性”是理想儲氫材料的基本要求。與其他幾種儲氫方式相比，固態(tài)儲氫的儲氫密度相對較大，而且安全性較高，具有滿足國際能源署(IEA)目標的巨大潛力。根據(jù)吸附劑和吸附質之間作用力的不同，固態(tài)儲氫材料可以分為物理吸附和化學吸附兩大類。其中，物理吸附材料包括傳統(tǒng)的碳基多孔材料、介孔材料、金屬有機框架(MOFs)、共價有機框架(COFs)等。物理吸附主要通過相對較弱的范德華力實現(xiàn)儲氫，吸附壓強較高且只能在較低溫度(77K)下實現(xiàn)儲氫。碳基儲氫材料主要包括活性炭、活性碳纖維、碳納米纖維、碳納米管和碳氣凝膠等，表4列出了4種碳基材料的儲氫性能。
由表4可以看出，在室溫條件下，石墨碳納米纖維的質量儲氫密度相較于其他三種材料最高，可超過10%，這是由其特殊的結構所致。但是，碳基材料對氫吸附過程要求的環(huán)境相對較為苛刻，在工業(yè)上使用具有很大的局限性，尚未大規(guī)模普及。
化學吸附是通過金屬鍵、共價鍵、配位鍵等生成氫化物的方式實現(xiàn)氫氣的存儲。化學吸附材料有金屬氫化物、配位氫化物、氫水化合物等，其中金屬氫化物有鎂系合金、稀土系合金、鈦合金等。常用壓力-成分-溫度曲線(PCT曲線)來表征金屬氫化物的吸放氫熱力學性能，如圖4所示，圖中的橫坐標表示氫原子與金屬原子之比，縱坐標為氫壓力。圖中AB段表示有效儲氫容量，在一定的溫度條件下平衡氫壓近似恒定，隨著溫度的升高，AB段逐漸變短，因此溫度過高不利于吸氫反應的發(fā)生。PCT曲線是衡量儲氫性能的重要指標，能夠直接反映儲氫材料的可逆儲氫容量、平衡氫壓、平臺斜率和滯后效應。
與金屬氫化物不同，配位氫化物是一種鹽，氫原子通過共價鍵連接到復合陰離子的中心原子上，形成絡合物陰離子，后者再與金屬離子以離子鍵形式結合成氫化物。氫化物一般以化學式AxMeyHz表示，通常A是元素周期表第一或第二主族元素，Me通常為B、A1、N，儲氫質量密度理論上為5.5%～21%。配位氫化物的放氫一般有水解或者熱解兩種方式。
4 氫能管道運輸技術
氫能作為未來新能源發(fā)展的重點方向，儲運的安全、效率、成本是制約其規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸問題，也是國內外研究的熱點和重點問題?？紤]到管道運輸長期以來均被視為大規(guī)模輸運介質的低成本方式，因此，僅針對氫能可能的幾種管道運輸方式進行分析。
4.1高壓氫氣管道輸送
氫氣和甲烷具有相似的性質，高壓氫氣管輸可參考天然氣管道建設經(jīng)驗，但與天然氣環(huán)境相比，氫環(huán)境會造成管道鋼力學性能的劣化。許多研究和實驗項目中都發(fā)現(xiàn)，氫原子在金屬晶格中的溶解和擴散會引起金屬材料性能的退化、脫碳，甚至鼓泡或開裂等損傷。與天然氣管輸行業(yè)相比，常溫高壓臨氫管道還沒有形成統(tǒng)一的設計和選材標準。但隨著時代的發(fā)展，近年來全球各國正逐步開始布局氫能儲運技術，提出了10MPa以上的純氫和摻氫長距離輸送管道設計方案。
為保證高壓氫氣管輸?shù)陌踩璨扇】箽浯啻胧?，選用氫脆敏感性低的低強度管道鋼或降低輸氫壓力。這也導致了氫氣管道系統(tǒng)相比天然氣管道系統(tǒng)建設成本更高，經(jīng)濟效益更低。有文獻指出，輸氫管道的建造成本約為62萬美元/km，而天然氣管道的建造成本僅為19萬美元/km，氫氣管道的造價為天然氣管道造價的3倍左右。同時，由于氫氣制備成本高、能量密度低，相比傳統(tǒng)化石能源暫時缺乏競爭力。目前，我國在運加氫站的氫氣售價普遍在60～80元/kg，相較于汽油、柴油和純電動競爭優(yōu)勢不明顯，短期內只能依靠補貼的模式，長遠看不能解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本問題。預計只有當加氫站的氫氣售價低于40元/kg時，才能真正使氫能走向“市場驅動”。
雖然存在上述問題，但高壓氫氣管輸技術門檻低且最為成熟，因此仍是新建長距離輸氫管道時優(yōu)先考慮的氫能管輸方式。從全球范圍來看，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前輸氫管道的建設規(guī)模接近4700km，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。美國已經(jīng)建設了2720km的輸氫管道，而歐洲則已有1500km以上的輸氫管道。
4.2天然氣管道摻氫輸送
在天然氣輸送管道中摻入一定比例的氫氣，被認為是目前可發(fā)展的氫氣大規(guī)模輸送方式之一。有學者認為，參考目前的幾類氫能輸運方式，長距離管道純氫與天然氣摻氫輸送是實現(xiàn)氫能大規(guī)模、網(wǎng)絡化輸送最有潛力的技術，特別是針對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)進行少量改造實現(xiàn)天然氣摻氫輸送，可節(jié)約大量基礎設施建設費用。中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中期(2020～2030年)任務之一是示范應用摻氫天然氣管道輸送技術，為邁入非碳的“氫能時代”奠定基礎。表6統(tǒng)計了部分國內外天然氣管網(wǎng)摻氫輸送典型項目。
天然氣摻氫管輸可以利用現(xiàn)役天然氣管道設施，降低氫氣管道的前期建設成本，有望彌補氣態(tài)氫體積能量低所帶來的劣勢，并能在摻氫輸送的實際應用中探索氣態(tài)氫管輸?shù)钠渌麊栴}。目前已有學者對天然氣摻氫管輸?shù)目尚行宰隽搜芯?，中國工程院衣寶廉院士也對天然氣摻氫管輸非?？春?。但是，天然氣管道摻氫輸送在解決用戶適用性的基礎上，還需要研究摻氫比例對管內流體流動狀態(tài)的影響及其工藝配套技術，探究管道材料和設施性能對摻氫輸送的適應性，提高天然氣管道摻氫輸送的安全性和經(jīng)濟效益。
4.3液氫管道輸送
液氫輸送，顧名思義就是將常溫常壓下氣態(tài)的氫氣通過降溫加壓的方式進行高密度輸送。液氫管道在管材選擇上，為保證管道絕熱效果以及管材低溫性能，主要采用不銹鋼、鋁合金、鈦合金以及復合材料等具有優(yōu)異的抗氫脆性能、良好的低溫性能、可焊性及耐腐蝕性的材料。目前300系列奧氏體不銹鋼被廣泛應用于液氫儲運容器中，海南航天發(fā)射場的300m3液氫運輸罐車就是采用321不銹鋼作為容器材料。相較于不銹鋼，鋁合金在質量、成形性、焊接性能、耐腐蝕性等方面更具優(yōu)勢，也已在國內外火箭液氫儲罐中得到了應用。
受限于液態(tài)輸氫管道建設成本以及技術落后等問題，液氫幾乎無法實現(xiàn)長距離、大規(guī)模的管道輸送。目前液氫的長距離輸送只能通過將液氫置于高度低溫絕熱儲氫罐、液氫運輸槽罐等特種儲存裝置內，依賴于槽車、火車、駁船等運輸，尚沒有長距離液氫管輸實例。如何降低液氫輸送管道的建設成本以及實現(xiàn)長距離液氫管道的快速預冷，是目前低溫液氫管輸?shù)闹饕獑栴}。低溫液氫管輸未來可期，但目前看來更適合在航空航天等限定液氫作為高能量燃料的場景中，作為短距離定點輸送的管輸方式，尚不能作為氫能大規(guī)模管輸?shù)暮侠磉x擇。
5 結語
氫能的發(fā)展是全球能源革命的重要方向，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要手段，是國家能源供應清潔化的戰(zhàn)略選擇。世界各國都在推動氫能的快速發(fā)展，加大氫能產(chǎn)業(yè)布局已成為共識。從國內外氫能應用發(fā)展對比可以看出，我國氫能產(chǎn)業(yè)起步較晚，相關核心技術相較于國外存在一定的差距。我國針對氫能在全國范圍的發(fā)展布局有待完善，需盡快構建全國氫能市場體系。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)之一是氫能的儲運，儲氫技術是限制氫能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要瓶頸，氫能輸運技術是打通氫資源到氫市場的重要手段，是降低氫使用成本的主要環(huán)節(jié)。
