中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：文/殷卓成 馬青 郝軍 楊高 雷宇奇，中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，遼寧化工
能源的有效利用與人類(lèi)的生存發(fā)展和社會(huì)繁榮穩(wěn)定密不可分，是全人類(lèi)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、幸福生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，全球范圍內(nèi)的能源利用以石油、煤炭、天然氣等化石能源為主體，隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源消耗的速度和需求與日俱增。但可開(kāi)發(fā)利用的化石能源儲(chǔ)量有限并且正在被迅速消耗，這導(dǎo)致全球能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻，并且化石燃料的大量使用所產(chǎn)生的 SO2、CO、CO2 等氣體的排放將直接導(dǎo)致環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)的加劇，針對(duì)以上困境，全球能源利用結(jié)構(gòu)正逐步實(shí)現(xiàn)從化石燃料向低碳、無(wú)碳的新型能源時(shí)代的過(guò)渡和轉(zhuǎn)變。其中，氫能作為來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、利用高效、可循環(huán)利用的低碳二次能源被廣泛認(rèn)為是“最理想的新型能源”。
氫能的開(kāi)發(fā)與利用包含制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中，氫能的儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。然而，氫氣在常溫常壓下為氣態(tài)，易擴(kuò)散，單位體積儲(chǔ)能密度低，燃燒溫度范圍廣，易對(duì)金屬材料造成氫脆，導(dǎo)致氫氣的高效安全輸送和儲(chǔ)存難度較大。
在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，氫能的儲(chǔ)存、運(yùn)輸系統(tǒng)要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷，并且根據(jù)終端用戶(hù)的需求及輸送距離的不同存在較大差異，因此，氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)一直是制約氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展、應(yīng)用的重要瓶頸之一。目前，根據(jù)氫能儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中運(yùn)用的工藝原理不同，可被分為化學(xué)儲(chǔ)氫和物理儲(chǔ)氫，工業(yè)應(yīng)用中通常根據(jù)氫能的不同形態(tài)將氫能的儲(chǔ)運(yùn)分為：氣氫儲(chǔ)運(yùn)、液氫儲(chǔ)運(yùn)以及固氫儲(chǔ)運(yùn)，其分別具有各自特點(diǎn)、成本差異以及適用場(chǎng)合。通過(guò)介紹各類(lèi)氫能儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)裝備設(shè)施，對(duì)比分析其技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對(duì)各類(lèi)氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用前景以及發(fā)展方向進(jìn)行闡述，提出相關(guān)建議。
1 氣氫儲(chǔ)運(yùn)
氫能處于氣體狀態(tài)時(shí)通常被稱(chēng)為“氣氫”，常溫常壓狀態(tài)下其密度僅為 0.089 g·L-1。該特性決定了自然狀態(tài)下氣氫的活性和擴(kuò)散性極強(qiáng)，儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中易引發(fā)泄漏。盡管單位質(zhì)量下氣氫的能量密度很高，但單位體積下氣氫的能量密度卻非常低，因此，為保證能夠儲(chǔ)存、運(yùn)輸足夠能量的氫氣并且降低運(yùn)輸成本，通常采取提高儲(chǔ)存、運(yùn)輸氫氣的容器或管道壓力的方式，增加單位體積下氫氣的能量密度、減小儲(chǔ)氫容器的體積、提高氫氣的儲(chǔ)運(yùn)效率。
因此，氣氫通常采取壓縮氣體體積、增加單位氣體壓力的方式進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸，并且以高壓氣體的狀態(tài)儲(chǔ)存于特定容器中，儲(chǔ)氫容器通常為耐高壓的鋼制氣瓶，同時(shí)氣氫也可經(jīng)過(guò)加壓后通過(guò)特制運(yùn)輸管道進(jìn)行輸送。根據(jù)氫氣儲(chǔ)存壓力的不同，氣氫儲(chǔ)存又可分為低壓儲(chǔ)存（ ≤ 35 MPa ）和高壓儲(chǔ)存（≥35 MPa）。
以高壓氣氫的狀態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸是目前應(yīng)用最為普遍的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式，其通過(guò)氫氣壓縮裝置對(duì)氣源壓縮后注入特制高壓儲(chǔ)氣罐或鋼制管網(wǎng)進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸，需要使用時(shí)則可利用減壓閥加以調(diào)節(jié)后，即可直接完成氫氣的釋放。利用氣氫加壓儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)姆绞骄哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)：承壓儲(chǔ)存容器制造難度較低；氫氣壓縮技術(shù)與設(shè)備可借鑒現(xiàn)有的空壓機(jī)及相關(guān)技術(shù)；氣氫輸送管道與配套工藝設(shè)備也可借鑒現(xiàn)有的天然氣或煤氣輸送管網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及設(shè)備；相關(guān)設(shè)備加工成本較低等。同時(shí)，氣氫加壓儲(chǔ)運(yùn)的方式也存在突出的缺點(diǎn)：氫氣壓縮過(guò)程中需消耗大量外部能量；氫氣儲(chǔ)存的容器需采用特制鋼瓶或碳釬維等儲(chǔ)氣瓶對(duì)材料及其承壓強(qiáng)度、密封性要求較高，因此其重量和尺寸普遍較大，高壓儲(chǔ)氫鋼瓶中儲(chǔ)存的氫氣重量約只占容器重量 1％～2％左右，儲(chǔ)氫量較小、運(yùn)輸成本較高；氣氫運(yùn)輸管道需進(jìn)行特殊防腐、抗氫脆等工藝處理；高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)對(duì)設(shè)備及工藝的安全性要求很高。
因此，綜合考慮氫氣的物理和化學(xué)性質(zhì)以及氣氫儲(chǔ)運(yùn)的各方面優(yōu)勢(shì)和不足，需根據(jù)氣氫運(yùn)輸距離、用戶(hù)的需求與分布特點(diǎn)的不同選擇儲(chǔ)氫鋼瓶運(yùn)輸或鋪設(shè)輸氫管道。儲(chǔ)氫鋼瓶運(yùn)輸方式適用于距離短、用量不大、用戶(hù)分布較分散的場(chǎng)合，氣氫運(yùn)輸管道的輸氫方式則適用于距離短、用量較大、使用穩(wěn)定且連續(xù)、用戶(hù)分布較為集中的場(chǎng)合。目前，全球范圍內(nèi)用于輸送氣氫的管道總長(zhǎng)已超過(guò) 1000 km，國(guó)內(nèi)通常使用的長(zhǎng)拖車(chē)運(yùn)輸儲(chǔ)氫鋼瓶，如下圖 1 所示。
2 液氫儲(chǔ)運(yùn)
氫氣被加壓、降溫冷卻至液化溫度以下處于液體狀態(tài)時(shí)通常被稱(chēng)為“液氫”，即以液態(tài)氫形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（約 0.1 MPa）下時(shí)氫氣的液化溫度為-253 ℃。當(dāng)氫氣冷卻至液氫狀態(tài)時(shí)，其密度則約為氣態(tài)氫的 865 倍（約 76.98 g·L-1）。該特性決定了液氫的能量密度很高，與輸送相同能量值的氣氫進(jìn)行比較，液氫儲(chǔ)運(yùn)的容器體積小、運(yùn)輸總距離短（1輛運(yùn)載液氫的長(zhǎng)管拖車(chē)輸送的氫能相當(dāng)于 20 輛運(yùn)輸高壓氣氫的長(zhǎng)管拖車(chē)）。因此，相對(duì)于高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于其運(yùn)輸?shù)臍淠苊芏雀?、運(yùn)輸周期短，如果僅從單位質(zhì)量和體積能量密度考慮，液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)則為一種極為理想和有效的儲(chǔ)存、運(yùn)輸方式。但同時(shí)，利用低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)的方式也存在一些明顯的不足：氫氣液化過(guò)程將消耗大量的外部能量，所消耗能量值約為所儲(chǔ)存氫能的30％左右；儲(chǔ)存液氫的容器為特制液氫罐，其外壁需采用雙層真空絕熱壁面結(jié)構(gòu)，并且需加裝相關(guān)控制與安全保護(hù)裝置起到抗沖擊及減振作用，這增加了液氫儲(chǔ)運(yùn)容器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與加工成本；此外，液氫的沸點(diǎn)僅為-252 ℃左右，外界熱量稍微滲入容器也會(huì)使其迅速氣化從而造成損失，因此，液氫氣化、泄漏也是必須面臨的重要問(wèn)題之一。
因此，綜合考慮液態(tài)氫的物理、化學(xué)特性以及液氫儲(chǔ)運(yùn)的各方面優(yōu)勢(shì)和不足，液氫儲(chǔ)運(yùn)適用于輸送距離遠(yuǎn)、使用連續(xù)的場(chǎng)合。目前，常用的液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是采用特制的低溫、絕熱容器儲(chǔ)存液氫，并使用拖車(chē)或火車(chē)運(yùn)輸，但正在設(shè)想未來(lái)利用絕熱性能良好的液氫輸送管道進(jìn)行運(yùn)輸。液氫的自身特性決定了其不適用于間歇性使用的場(chǎng)合，例如各類(lèi)交通汽車(chē)，但在航空運(yùn)載火箭上作為燃料已得到了普遍使用。
3 固氫儲(chǔ)運(yùn)
采用固體儲(chǔ)氫材料對(duì)氫氣進(jìn)行物理吸附或與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等方式，儲(chǔ)存、釋放氫能的方法通常被稱(chēng)為“固氫”儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。其中，儲(chǔ)氫材料是實(shí)現(xiàn)固氫儲(chǔ)運(yùn)的核心部分，能夠使氫氣進(jìn)行有效的吸附與釋放或者能夠與氫氣發(fā)生高效、可逆的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫能的儲(chǔ)存與釋放，常用的固體儲(chǔ)氫材料包括金屬儲(chǔ)氫合金、碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料等。利用特制的固體材料儲(chǔ)氫容器進(jìn)行氫能儲(chǔ)存能夠得到與液氫一樣甚至更高的儲(chǔ)氫密度，并且運(yùn)輸過(guò)程經(jīng)濟(jì)、安全。
固氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的特性決定了其相較于氣氫儲(chǔ)運(yùn)和液氫輸運(yùn)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：儲(chǔ)能密度很高、運(yùn)輸設(shè)備經(jīng)濟(jì)高效、儲(chǔ)氫容器體積相對(duì)較小、儲(chǔ)氫性能穩(wěn)定、運(yùn)輸成本低、周期短、輸送能力大、運(yùn)輸過(guò)程中安全性高。但同時(shí)，利用固體儲(chǔ)氫材料進(jìn)行氫能儲(chǔ)運(yùn)的方式也存在一些不足：利用固體儲(chǔ)氫材料進(jìn)行儲(chǔ)存及釋放氫氣工藝過(guò)程中，需滿(mǎn)足特定外部條件；若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、商用化氫能儲(chǔ)運(yùn)，固氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)對(duì)固體儲(chǔ)氫材料性能要求較高，需滿(mǎn)足材料儲(chǔ)氫量大、吸/放氫反應(yīng)速率快、來(lái)源廣泛、成本低、壽命長(zhǎng)、可循環(huán)利用、加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等條件，現(xiàn)有固體儲(chǔ)氫材料的相關(guān)性能無(wú)法完全滿(mǎn)足商業(yè)化需求，仍需對(duì)新型固體儲(chǔ)氫材料進(jìn)行研發(fā)。
因此，綜合考慮固氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的各方面優(yōu)勢(shì)和不足，固氫儲(chǔ)運(yùn)適用于輸送距離較遠(yuǎn)、需求量大、使用連續(xù)的場(chǎng)合。目前，常用的固氫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備可分為移動(dòng)式與固定式，移動(dòng)式固氫設(shè)備可長(zhǎng)期儲(chǔ)存或移動(dòng)運(yùn)輸，容器通常體積較小、質(zhì)量輕；固定式固氫設(shè)備則用于長(zhǎng)期儲(chǔ)存氫能，容器通常體積大、儲(chǔ)氫量足。固氫的自身特性決定了其既可適用于間歇性也可適用于連續(xù)性使用的場(chǎng)合，例如各類(lèi)交通工具，目前已在部分燃料電池汽車(chē)上得到應(yīng)用。
4 結(jié)論與展望
人類(lèi)的生存發(fā)展、社會(huì)的繁榮富強(qiáng)都始終建立在能源保障的物質(zhì)基礎(chǔ)之上，目前，全球能源消耗形式仍以石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源為主體，但作為不可再生的一次能源，化石能源的儲(chǔ)量已逐漸枯竭，對(duì)可再生新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。氫能作為清潔、可循環(huán)再生的低碳二次能源被廣泛認(rèn)為是“最理想的新型能源” ，全世界各國(guó)對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)與利用均開(kāi)展了積極的研究。氫能的開(kāi)發(fā)包含制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)則是其中重要環(huán)節(jié)之一。
目前，按照氫能所存在的狀態(tài)氫能儲(chǔ)運(yùn)被分為：氣氫儲(chǔ)運(yùn)、液氫儲(chǔ)運(yùn)和固氫儲(chǔ)運(yùn)。其中，氣氫儲(chǔ)運(yùn)由于工藝及設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單被應(yīng)用的最為廣泛，但儲(chǔ)能密度低、不經(jīng)濟(jì)，適用于短距離運(yùn)輸，因此采用輸氫管道輸送氫氣對(duì)于分布集中的用戶(hù)非常合適。
液氫儲(chǔ)運(yùn)由于其儲(chǔ)能密度較氣氫高得多，因此適用于對(duì)儲(chǔ)能量要求很高的航空火箭等場(chǎng)合，但其對(duì)設(shè)備的絕熱、密封性等要求高。固氫儲(chǔ)運(yùn)兼具能量密度高、運(yùn)輸安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)、交通工具等多種場(chǎng)合，但其對(duì)固體儲(chǔ)氫材料性能要求較高，對(duì)新型儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā)提出了新要求。綜合分析，液氫和固氫儲(chǔ)運(yùn)將是未來(lái)氫能開(kāi)發(fā)的主要發(fā)展方向，建議將相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究作為重點(diǎn)。
