氫 能 的 輸 送 與 存 儲(chǔ)

王健 陳福 陳兆民

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，到2050年氫能可以滿足全球能源總需求的18%或全球一次能源總需求的12%，氫能及氫能技術(shù)相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模將超過2.5萬億美元。氫能利用可減排溫室氣體，為本世紀(jì)末地球升溫控制在1.5 ℃以內(nèi)做出重要貢獻(xiàn)?？茖W(xué)界和經(jīng)濟(jì)界一致認(rèn)為，氫能是邁向未來碳中和的理想能源載體，作為替代能源可保證不犧牲現(xiàn)有消費(fèi)端的靈活性、效率和性能。

未來5～10年仍以混氛為主，純氫利用主要取決于生產(chǎn)成本的變化。隨著2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，大規(guī)模制氫成本會(huì)大幅度降低。目前，一些大型企業(yè)已經(jīng)開始了使用氫的試點(diǎn)項(xiàng)目，為氫能的應(yīng)用推廣提供了示范。

1 氫的特性

1.1 基本性質(zhì)

①氫是元素周期表中第一個(gè)、最小和最輕的元素，原子序數(shù)為1；

②在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，氫氣是無色、無臭、無味的，密度約是天然氣的1/8；

③減壓時(shí)升溫（與天然氣相比∶膨脹時(shí)冷卻）；

④與大多數(shù)碳?xì)浠衔锵啾?，點(diǎn)燃?xì)錃獾哪芰渴翘烊粴獾?/15；

⑤爆炸極限范圍更廣∶天然氣為∶4%～16%；氫氣為∶4%～77%。

1.2 氫脆特性

與天然氣的主要成分CH4相比，氫氣在高溫下更易揮發(fā)，氫（H2）可以分解成2個(gè)原子（H），這些原子可以滲入鋼中并再次結(jié)合為H2，將導(dǎo)致鋼材料中的張力不均勻，應(yīng)力集中，超過鋼的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生氫脆。在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂，使鋼失去強(qiáng)度，降低其使用能力和范圍。

氫在常溫常壓下不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過300 ℃和壓力高于30 MPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。一般在氫含量≤30%且壓力較低時(shí)，輸送管道無需進(jìn)行特殊處理。

2 氫能的輸送

2.1 輸送要求

氫氣在常溫、常壓狀態(tài)下的密度很低，是自然界所有氣體中最低的，需要采用專門的技術(shù)儲(chǔ)存起來進(jìn)行運(yùn)輸、使用，因此，對(duì)現(xiàn)有氫氣輸送方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征進(jìn)行分析，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效的氫氣儲(chǔ)運(yùn)及配送基礎(chǔ)設(shè)施，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的重大問題。

2.2 運(yùn)輸手段

目前氫能主要運(yùn)輸手段有三種，即高壓氣氫、低溫液氫、管道輸氫，其中高壓氣氫運(yùn)輸是現(xiàn)下主流的運(yùn)輸方式。對(duì)于大規(guī)模氫氣輸送，一般采用長輸管道輸送。液氫運(yùn)輸方法一般是采用車船輸送，可作為管道輸氫的一種補(bǔ)充。有機(jī)液體儲(chǔ)氫和固體材料儲(chǔ)氫尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前沒有大規(guī)模、工業(yè)化應(yīng)用。

氫能運(yùn)輸成本與儲(chǔ)運(yùn)距離和儲(chǔ)運(yùn)量有密切關(guān)系。短距離低用量（城市內(nèi)）適合高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，但是需要高壓容器的投資建設(shè)；中距離低用量（城際間）適合液氫儲(chǔ)運(yùn)，但是仍需要技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)降本；長距離高用量（洲際間）適合管網(wǎng)運(yùn)輸，但是需要高額的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資。不同氫氣運(yùn)量、運(yùn)距下各類氫氣運(yùn)輸方式的最低儲(chǔ)運(yùn)成本(儲(chǔ)存＋轉(zhuǎn)換＋運(yùn)輸）見圖1。

圖1 不同氫氣運(yùn)量、運(yùn)距下各類氫氣運(yùn)輸方式的最低儲(chǔ)運(yùn)成本（儲(chǔ)存＋轉(zhuǎn)換＋運(yùn)輸）

氫氣液化過程消耗大量的能量，所消耗能量值為所儲(chǔ)存氫能的30%左右；儲(chǔ)存液氫的容器為特制液氫罐，采用雙層真空絕熱壁面結(jié)構(gòu)，并需加裝相關(guān)控制與安全保護(hù)裝置起到抗沖擊及減振作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與加工成本高；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題之一。

3 存儲(chǔ)

3.1 存儲(chǔ)要求

近年來，隨著對(duì)天然氣的需求量大大增加，在地表面開挖大的基坑或者槽，在基坑或槽的內(nèi)表面及地表面用無銹鋼板、絕熱層和混凝土共同作為的密封層來儲(chǔ)存天然氣，如圖2所示。

圖2 鋼板/混凝土組合地下LNG儲(chǔ)庫示意圖

氫氣儲(chǔ)存氣壓與LNG存儲(chǔ)類似，但由于氫氣具有易于擴(kuò)散的特性，氫氣的地下儲(chǔ)存對(duì)密閉性有著更為嚴(yán)格的要求。如重慶半山環(huán)道綜合加氫站，為國內(nèi)首座應(yīng)用儲(chǔ)氫井技術(shù)的加氫站，采用地下儲(chǔ)氫，每日供氫能力可達(dá)1 t。超高性能混凝土、超高韌性水泥基復(fù)合材料等高性能混凝土可滿足地下、半地下氫氣儲(chǔ)存庫建設(shè)的需求。

3.2 存儲(chǔ)方式

經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能利用走向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。目前已經(jīng)發(fā)展的氫能儲(chǔ)存技術(shù)根據(jù)原理分類主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、復(fù)合式儲(chǔ)氫。不同儲(chǔ)存方式具有不同的儲(chǔ)氫密度，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。目前的技術(shù)成熟度和實(shí)用性也不同，具有不同的應(yīng)用前景。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫目前應(yīng)用最廣泛，常用有35 MPa、70 MPa、80 MPa等壓力等級(jí)。儲(chǔ)氫方式及特點(diǎn)見表1。

表1 儲(chǔ)氫技術(shù)路線

3.2.1 液態(tài)存氫

將氫氣進(jìn)行液化后運(yùn)輸是一種高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，液氫可以采用低溫罐車進(jìn)行公路運(yùn)輸，也可采用罐式集裝箱進(jìn)行水路或采用鐵路罐車、罐式集裝箱進(jìn)行鐵路運(yùn)輸。

在應(yīng)用領(lǐng)域，我國液氫應(yīng)用目前多用于軍工及航天領(lǐng)域，未來有逐步引入民用的趨勢(shì)。國外液氫已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了民用化。

優(yōu)點(diǎn)：液化儲(chǔ)氫具有熱值高、體積能量密度高、占用空間體積較小等優(yōu)點(diǎn)。氫能以液態(tài)儲(chǔ)存能夠同時(shí)滿足質(zhì)量密度和體積密度的要求。

缺點(diǎn)：液氫的使用也存在一系列的難題，如液氫易揮發(fā)，不便長期保存且存在安全隱患，氫氣的液化過程能耗高，氫液化所需能量為液化氫燃燒產(chǎn)熱額的30%，對(duì)儲(chǔ)氫容器材料有較為苛刻的要求等。由于液化儲(chǔ)氫的成本較高，且其安全技術(shù)非常復(fù)雜，因此不適合廣泛使用，但其作為航空燃料已在航空領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。多級(jí)壓縮冷卻能耗巨大，低溫儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)制造及材料一直存在成本高昂的難題。

3.2.2 高壓存氫

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要通過儲(chǔ)氫瓶或儲(chǔ)氫罐存儲(chǔ)氣氫，是我國目前最為常見的儲(chǔ)氫方式，技術(shù)更為成熟，從原材料到儲(chǔ)氫瓶的發(fā)展上都呈現(xiàn)出日益完善的趨勢(shì)。

我國如碳纖維等高壓儲(chǔ)氫瓶的關(guān)鍵原材料的國產(chǎn)化程度在逐年提升。隨著國家對(duì)新能源、新材料的重視，未來碳纖維生產(chǎn)工藝的日臻完善、規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，碳纖維生產(chǎn)的單位成本逐年下降，其國產(chǎn)化還會(huì)進(jìn)一步提速，我國氣氫儲(chǔ)能也將進(jìn)一步發(fā)展，迸發(fā)出更加巨大的潛力。

目前國外主流氣氫存儲(chǔ)系統(tǒng)多為質(zhì)量更輕、工作壓力更大、能儲(chǔ)存更多氫氣的70 MPa塑料內(nèi)膽纖維，纏繞Ⅳ型瓶組。而我國則以30 MPa的Ⅲ型瓶為主。但近年來，隨著車載儲(chǔ)氫瓶的興起，我國儲(chǔ)氫罐逐漸向更輕質(zhì)化、儲(chǔ)存密度更高的70 MPa Ⅳ型瓶靠攏，已有相當(dāng)數(shù)量的國內(nèi)企業(yè)開始布局IV型瓶的技術(shù)研發(fā)與制造。

優(yōu)點(diǎn)：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，一定時(shí)間內(nèi)都將是國內(nèi)主推的儲(chǔ)氫技術(shù)。

缺點(diǎn)：國內(nèi)70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟、規(guī)?；a(chǎn)難度大，目前成本相對(duì)較高，抑制了IV型儲(chǔ)氫瓶的需求。

3.2.3 化合物存氫

金屬合金儲(chǔ)氫技術(shù)是在一定的溫度與壓力下，金屬合金與氫氣形成金屬氫化物進(jìn)行氫氣存儲(chǔ)。相比于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫與低壓液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，該技術(shù)不需要高壓設(shè)備及液化裝置，用氫時(shí)可通過加熱或減壓將氫釋放，操作簡(jiǎn)便，安全可逆，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可吸收自身體積1300倍的氫氣，體積儲(chǔ)氫密度高，儲(chǔ)氫壓力低、放氫溫度低、安全性高等優(yōu)勢(shì)（表2）。

表2 儲(chǔ)氫方式性能對(duì)比

此外，該技術(shù)儲(chǔ)氫時(shí)放熱，放氫時(shí)吸熱，在儲(chǔ)存氫的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)熱的儲(chǔ)存與傳遞。金屬合金儲(chǔ)氫技術(shù)可將氫氣變身為“固態(tài)油箱”，合金儲(chǔ)氫材料的循環(huán)性能大于5000次，適用于燃料電池汽車、重型卡車、叉車、輪船、氫能發(fā)電及工業(yè)和建筑供熱等。目前，國外金屬合金儲(chǔ)氫技術(shù)在分布式發(fā)電和燃料電池游艇中嘗試應(yīng)用，國內(nèi)的研發(fā)主要在汽車行業(yè)已經(jīng)形成了從原料開發(fā)、分離、合金制備的完整產(chǎn)業(yè)鏈，部分國產(chǎn)產(chǎn)品成功進(jìn)入到松下、三星、比亞迪等企業(yè)。此外，我國混合動(dòng)力汽車鎳氫電池、燃料電池用高功率型儲(chǔ)氫合金粉也取得了較大的研發(fā)進(jìn)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入一汽、二汽、長安、奇瑞等車企。豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車每輛汽車用儲(chǔ)氫合金8 kg，目前其銷量已超1000萬輛，其用量可觀。

優(yōu)點(diǎn)：固態(tài)儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì)，其體積儲(chǔ)氫密度高于液氫。

缺點(diǎn)：主流金屬儲(chǔ)氫材料質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率仍低于3.8%，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率大于7%的輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料還需解決吸放氫溫度偏高、循環(huán)性能較差等問題。

4 結(jié)語

氫能的輸送與存儲(chǔ)眾多技術(shù)并行，各有優(yōu)劣。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有成本低、充放氣速度快、使用溫度低等優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)量小、耗能大，需要耐壓容器壁，存在氫氣泄露與容器爆破等不安全因素的缺點(diǎn)。液態(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)量大，安全性更高，但所需溫度低，對(duì)儲(chǔ)存容器要求高。固態(tài)儲(chǔ)氫相對(duì)于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫，具有體積儲(chǔ)氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。未來高安全性、低成本、能實(shí)現(xiàn)長距離運(yùn)輸?shù)膬?chǔ)氫方式亟待開發(fā)，以引領(lǐng)氫能進(jìn)入全面產(chǎn)業(yè)化時(shí)代。