氫能儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)及前景分析

殷卓成，馬青，郝軍，楊高，雷宇奇

氫能儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)及前景分析

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，湖北 武漢 430000）

可開發(fā)利用的化石能源儲量有限并且正在被迅速消耗，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，對此，全球能源利用結(jié)構(gòu)正逐步從化石燃料向無碳的新型能源時代的過渡。其中，氫能作為環(huán)保、高效、清潔的低碳二次能源被稱為“最理想的新型能源”。介紹了各類氫能儲存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的工藝方法，對比分析了其各自工藝特點及工業(yè)應(yīng)用情況，最后，歸納分析各類氫能儲存、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)的應(yīng)用前景及其發(fā)展方向。

氫能；儲運(yùn)；設(shè)備；前景分析

能源的有效利用與人類的生存發(fā)展和社會繁榮穩(wěn)定密不可分，是全人類實現(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[1-2]，隨著社會的高速發(fā)展，人類對能源消耗的速度和需求與日俱增。但可開發(fā)利用的化石能源儲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，針對以上困境，全球能源利用結(jié)構(gòu)正逐步實現(xiàn)從化石燃料向低碳、無碳的新型能源時代的過渡和轉(zhuǎn)變。其中，氫能作為來源廣泛、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”。

氫能的開發(fā)與利用包含制備、儲存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中，氫能的儲存、運(yùn)輸技術(shù)是實現(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，單位體積儲能密度低，燃燒溫度范圍廣，易對金屬材料造成氫脆，導(dǎo)致氫氣的高效安全輸送和儲存難度較大。在實際工業(yè)應(yīng)用中，氫能的儲存、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)終端用戶的需求及輸送距離的不同存在較大差異，因此，氫能的儲運(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)氫能儲運(yùn)過程中運(yùn)用的工藝原理不同，可被分為化學(xué)儲氫和物理儲氫，工業(yè)應(yīng)用中通常根據(jù)氫能的不同形態(tài)將氫能的儲運(yùn)分為：氣氫儲運(yùn)、液氫儲運(yùn)以及固氫儲運(yùn)，其分別具有各自特點、成本差異以及適用場合。通過介紹各類氫能儲存、運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)裝備設(shè)施，對比分析其技術(shù)特點與應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對各類氫能儲運(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 氣氫儲運(yùn)

氫能處于氣體狀態(tài)時通常被稱為“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)，儲存運(yùn)輸過程中易引發(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、減小儲氫容器的體積、提高氫氣的儲運(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)行儲存、運(yùn)輸，并且以高壓氣體的狀態(tài)儲存于特定容器中，儲氫容器通常為耐高壓的鋼制氣瓶，同時氣氫也可經(jīng)過加壓后通過特制運(yùn)輸管道進(jìn)行輸送。根據(jù)氫氣儲存壓力的不同，氣氫儲存又可分為低壓儲存（≤35 MPa）和高壓儲存 （≥35 MPa）[3-6]。

以高壓氣氫的狀態(tài)進(jìn)行儲存和運(yùn)輸是目前應(yīng)用最為普遍的氫能儲運(yùn)方式，其通過氫氣壓縮裝置對氣源壓縮后注入特制高壓儲氣罐或鋼制管網(wǎng)進(jìn)行儲存、運(yùn)輸，需要使用時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。利用氣氫加壓儲存、運(yùn)輸?shù)姆绞骄哂忻黠@的優(yōu)勢：承壓儲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，氣氫加壓儲運(yùn)的方式也存在突出的缺點：氫氣壓縮過程中需消耗大量外部能量；氫氣儲存的容器需采用特制鋼瓶或碳釬維等儲氣瓶對材料及其承壓強(qiáng)度、密封性要求較高，因此其重量和尺寸普遍較大，高壓儲氫鋼瓶中儲存的氫氣重量約只占容器重量1％～2％左右，儲氫量較小、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；高壓氣氫儲運(yùn)對設(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)以及氣氫儲運(yùn)的各方面優(yōu)勢和不足，需根據(jù)氣氫運(yùn)輸距離、用戶的需求與分布特點的不同選擇儲氫鋼瓶運(yùn)輸或鋪設(shè)輸氫管道。儲氫鋼瓶運(yùn)輸方式適用于距離短、用量不大、用戶分布較分散的場合，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)、用戶分布較為集中的場合。目前，全球范圍內(nèi)用于輸送氣氫的管道總長已超過1 000 km，國內(nèi)通常使用的長拖車運(yùn)輸儲氫鋼瓶，如下圖1所示。

圖1 儲氫長管拖車

2 液氫儲運(yùn)

氫氣被加壓、降溫冷卻至液化溫度以下處于液體狀態(tài)時通常被稱為“液氫”，即以液態(tài)氫形式進(jìn)行儲存和運(yùn)輸，處于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（約0.1 MPa）下時氫氣的液化溫度為-253 ℃。當(dāng)氫氣冷卻至液氫狀態(tài)時，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，液氫儲運(yùn)的容器體積小、運(yùn)輸總距離短（1輛運(yùn)載液氫的長管拖車輸送的氫能相當(dāng)于20輛運(yùn)輸高壓氣氫的長管拖車）[7-11]。因此，相對于高壓氣氫儲運(yùn)技術(shù)，低溫液氫儲運(yùn)技術(shù)的最大優(yōu)勢在于其運(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，液氫儲運(yùn)技術(shù)則為一種極為理想和有效的儲存、運(yùn)輸方式。但同時，利用低溫液氫儲運(yùn)的方式也存在一些明顯的不足：氫氣液化過程將消耗大量的外部能量，所消耗能量值約為所儲存氫能的30％左右；儲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，液氫的沸點僅為-252 ℃左右，外界熱量稍微滲入容器也會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)特性以及液氫儲運(yùn)的各方面優(yōu)勢和不足，液氫儲運(yùn)適用于輸送距離遠(yuǎn)、使用連續(xù)的場合。目前，常用的液氫儲運(yùn)技術(shù)是采用特制的低溫、絕熱容器儲存液氫，并使用拖車或火車運(yùn)輸，但正在設(shè)想未來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合，例如各類交通汽車，但在航空運(yùn)載火箭上作為燃料已得到了普遍使用。

圖2 液氫儲運(yùn)槽車

3 固氫儲運(yùn)

采用固體儲氫材料對氫氣進(jìn)行物理吸附或與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等方式，儲存、釋放氫能的方法通常被稱為“固氫”儲運(yùn)技術(shù)。其中，儲氫材料是實現(xiàn)固氫儲運(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)，實現(xiàn)氫能的儲存與釋放，常用的固體儲氫材料包括金屬儲氫合金、碳質(zhì)儲氫材料等。利用特制的固體材料儲氫容器進(jìn)行氫能儲存能夠得到與液氫一樣甚至更高的儲氫密度，并且運(yùn)輸過程經(jīng)濟(jì)、安全。

固氫儲運(yùn)技術(shù)的特性決定了其相較于氣氫儲運(yùn)和液氫輸運(yùn)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：儲能密度很高、運(yùn)輸設(shè)備經(jīng)濟(jì)高效、儲氫容器體積相對較小、儲氫性能穩(wěn)定、運(yùn)輸成本低、周期短、輸送能力大、運(yùn)輸過程中安全性高。但同時，利用固體儲氫材料進(jìn)行氫能儲運(yùn)的方式也存在一些不足：利用固體儲氫材料進(jìn)行儲存及釋放氫氣工藝過程中，需滿足特定外部條件；若要實現(xiàn)大規(guī)模、商用化氫能儲運(yùn)，固氫儲運(yùn)技術(shù)對固體儲氫材料性能要求較高，需滿足材料儲氫量大、吸/放氫反應(yīng)速率快、來源廣泛、成本低、壽命長、可循環(huán)利用、加工工藝相對簡單等條件，現(xiàn)有固體儲氫材料的相關(guān)性能無法完全滿足商業(yè)化需求，仍需對新型固體儲氫材料進(jìn)行研發(fā)。

因此，綜合考慮固氫儲運(yùn)技術(shù)的各方面優(yōu)勢和不足，固氫儲運(yùn)適用于輸送距離較遠(yuǎn)、需求量大、使用連續(xù)的場合[12-13]。目前，常用的固氫儲運(yùn)設(shè)備可分為移動式與固定式，移動式固氫設(shè)備可長期儲存或移動運(yùn)輸，容器通常體積較小、質(zhì)量輕；固定式固氫設(shè)備則用于長期儲存氫能，容器通常體積大、儲氫量足。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)性使用的場合，例如各類交通工具，目前已在部分燃料電池汽車上得到應(yīng)用[14-17]。

4 結(jié)論與展望

人類的生存發(fā)展、社會的繁榮富強(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，化石能源的儲量已逐漸枯竭，對可再生新能源的開發(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”[18-23]，全世界各國對氫能的開發(fā)與利用均開展了積極的研究。氫能的開發(fā)包含制備、儲存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫能的儲運(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)氫能儲運(yùn)被分為：氣氫儲運(yùn)、液氫儲運(yùn)和固氫儲運(yùn)。其中，氣氫儲運(yùn)由于工藝及設(shè)備相對簡單被應(yīng)用的最為廣泛，但儲能密度低、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于分布集中的用戶非常合適。液氫儲運(yùn)由于其儲能密度較氣氫高得多，因此適用于對儲能量要求很高的航空火箭等場合，但其對設(shè)備的絕熱、密封性等要求高。固氫儲運(yùn)兼具能量密度高、運(yùn)輸安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，適用于工業(yè)、交通工具等多種場合，但其對固體儲氫材料性能要求較高，對新型儲氫材料的開發(fā)提出了新要求。綜合分析，液氫和固氫儲運(yùn)將是未來氫能開發(fā)的主要發(fā)展方向，建議將相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)研究作為重點。

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Key Technologies and Prospect Analysis of Hydrogen Energy Storage and Transportation

（Jianghan Machinery Research Institute Limited Company, CNPC, Wuhan Hubei 430000, China）

The fossil energy reserves that can be developed and utilized are limited and are rapidly being consumed, leading to an increasingly severe global energy crisis, and the emission of SO2, CO and other gases generated by the large-scale use of fossil fuels will directly lead to environmental pollution and aggravation of the greenhouse effect. The global energy utilization structure is gradually transitioning from fossil fuels to a new carbon-free energy era. Among them, hydrogen energy, as an environmentally friendly, efficientand clean low-carbon secondary energy source, is called "the most ideal new energy source". The process methods of various key technologies such as hydrogen energy storage and transportation were introduced, and their respective process characteristics and industrial applications were compared and analyzed. Finally, the application prospects and development directions of various hydrogen energy storage and transportation technologies were summarized and analyzed.

Hydrogen energy; Storage and transportation；Equipment; Prospect analysis

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司青年課題基金項目，氫能開發(fā)與關(guān)鍵裝備技術(shù)調(diào)研與前期研究（項目編號：CPETQ202005）。

2021-03-03

殷卓成（1994-），男，湖北省武漢市人，工程師，碩士， 2019年畢業(yè)于長江大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，研究方向：氫能開發(fā)與關(guān)鍵裝備技術(shù)。

TQ116.2

A

1004-0935（2021）10-1480-04