氫的高壓與液化儲運應(yīng)用前景
隨著**經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球人口的急劇增長, 人類的能源需求與日俱增. 傳統(tǒng)化石燃料的使用導致了嚴重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題. 我國**為適應(yīng)新發(fā)展理念的需要和高質(zhì)量發(fā)展的要求, 提出了碳達峰、碳中和的能源發(fā)展目標. 目前各國都在著力發(fā)展太陽能、風能、氫能等可再生能源, 其中氫能優(yōu)勢顯著. 氫的來源形式廣泛, 對環(huán)境友好, 質(zhì)量能量密度高, 而且易與其他可再生能源匹配使用, 有潛力在未來取代化石燃料. 2020年9月8日, **發(fā)展改革委員會等四部門印發(fā)意見, 指導加快新能源發(fā)展, 加快制氫加氫設(shè)施建設(shè). 在**的鼓勵和支持下, 一批氫儲運及應(yīng)用項目開始規(guī)劃和建設(shè), 我國氫能產(chǎn)業(yè)已進入產(chǎn)業(yè)化的快車道.
我國西部地區(qū)可開發(fā)的綠氫資源超過3億噸, **能夠滿足我國可持續(xù)發(fā)展的能源需求, 將從根本上確保能源戰(zhàn)略**. 但我國能源負荷**位于中東部, 遠離氫能儲存豐富的西部地區(qū), 因此需要遠距離輸送. 在“產(chǎn)、儲、輸、分配、應(yīng)用”的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中, 儲運環(huán)節(jié)成本超過30%, 是*為關(guān)鍵的一環(huán), 也是我國氫能布局的瓶頸. 儲氫技術(shù)大類上可以分為物理儲存和化學儲存兩類, 具體如圖1所示.
在物理儲存技術(shù)中, 氫氣可以通過高壓氣氫、液氫、低溫壓縮氫、漿氫以及物理吸附等形式儲存. 其中, 壓縮氫氣和金屬氫化物被認為是中小型儲氫的有效方法, 低溫液氫是大規(guī)模儲運的有效方式. 高壓氣態(tài)儲氫的單位質(zhì)量儲氫密度為1.0%~5.7%, 在常溫和20?MPa條件下的儲氫密度為17.9?kg/m3, 每千克僅需2?kW?h的耗電, 儲運能效超過90%, 技術(shù)成熟, 能耗低, 成本低, 但存在體積密度低、長途運輸成本高的問題. 低溫液態(tài)儲氫的體積儲氫密度達到70.6?kg/m3, 儲運能效約為75%, 但制備1?kg液氫需要耗費12~17?kW?h的電量, 還存在易揮發(fā)、成本高的缺點.
化學儲氫技術(shù)是將氫儲存在有較高儲氫能力的化合物中或使氫氣與能夠氫化的金屬/合金相化合, 以固體金屬氫化物的形式儲存起來, 包括氫化物儲氫(金屬氫化物、復合氫化物、化學氫化物和間隙型氫化物)、**液態(tài)儲氫(liquid organic hydrogen carriers, LOHC)、**燃料重整氫和水解氫等. 其中, **液態(tài)儲氫的單位質(zhì)量儲氫密度達到5.0%~7.2%, 體積儲氫密度達到60?kg/m3, 存儲運輸方便, 儲運能效約為85%, 可循環(huán)使用, 但成本高且*作條件苛刻, 2021年國內(nèi)僅有一家從事**液態(tài)儲氫的公司. 氫化物儲氫的體積儲氫密度可以達到50?kg/m3, 儲運能效約為85%, 但單位質(zhì)量儲氫密度僅為1.0%~4.5%, 且對吸放氫溫度有要求, 目前仍處于研發(fā)階段. 未來10年, 高壓氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫依然是主要的儲氫方式.
氫主要通過管道、長管拖車和槽車進行運輸. 管道輸送是*經(jīng)濟的運輸方式, 儲運能效高達95%, 維護成本較低, 運輸距離為100?km時每千克僅需1元, 但需要較高的初始成本, 目前氫氣長輸管道的造價達到每公里63萬美元. 可以采用已有天然氣管道實現(xiàn)天然氣摻氫運輸, 但由于氫脆問題, 需對天然氣管道進行一定的改造. 長管拖車單次運氫量僅為200~300?kg, 只占長管拖車總重量的1%~2%, 運輸距離為100?km時的成本高達1.1美元/kg. 與壓縮氫相比, 低溫液氫運輸可以輸送更高密度的燃料, 但由于需要絕緣和冷卻系統(tǒng), 成本較高. 液氫的管道運輸目前僅運用于航天發(fā)射場, 槽車運輸100?km的成本更是高達11元/kg. 為了促進我國氫能產(chǎn)業(yè)尤其是氫儲運環(huán)節(jié)的發(fā)展, 本文在總結(jié)分析高壓氣態(tài)和液態(tài)氫儲運技術(shù)、裝備特點及應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上, 對氫儲運的前景進行了展望并提出了發(fā)展建議.
