氢能储输方式有哪些?

最佳答案 匿名用户编辑于2024/06/06 16:06

氢储输以 高压气态方式为主,技术相对成熟,在成本方面具备优势,受技术和成本端的制 约,低温液态、固态等其他储输技术仅有少量应用;氨和甲醇储输以液态为主。

1.气态储输

氢气储输方面,高压气态储输氢操作简单、成本较低、技术成熟,是目前应 用最多的氢储输方式,我国在固定式高压储氢技术方面处于国际先进水平。高压 气态氢储输的关键设备为压缩机和储氢瓶:氢气压缩机主要作用为通过提高氢气 储存密度和压力将氢气压缩成高压氢气,储氢瓶是氢储输的重要容器。在氢气压 缩机方面,2023 年国产 90MPa 氢气压缩机已实现商业应用落地,羿弓氢能全球 首创“液驱+隔膜”技术方案,具备传统隔膜压缩机的保证气体绝对洁净、密封性 好、单级压缩比高、散热性能好等优势,同时也兼备液驱活塞式压缩机的适应频 繁启停、带载启停、变工况运行、可维修性好(模块化)、可实现灵活串/并联提 升排气压力或排量等优势。

液驱隔膜式压缩机可适应加氢站的变工况、频繁启停 等需求,同时整机模块化设计、占地面积小等方面使其具备较高的经济性,目前 已在“嘉定氢能港”加氢站投入使用。丰电金凯威(苏州)压缩机有限公司发布了 国内首台 250MPa 超高压隔膜氢气压缩机,意味着我国在关键领域,特别是氢气 超高压设备领域摆脱卡脖子实现国产替代的突破。在储氢瓶方面,中集安瑞科在 氢气储输方面取得了较大的技术突破,以制造储输设备为主,其储氢领域布局涵 盖气氢和液氢储氢设备制造,2023 年成功下线国内首台 30MPa 碳纤维缠绕管束 式氢气集装箱并可实现批量生产,该集装箱刷新了国内高压氢气运输装备运载量 的纪录,将会极大提高高压氢气单车的运载能力和卸气量,有望大幅降低运氢成 本。

大容积流量、高排气压力隔膜压缩机产品是当前和未来压缩机厂商的重要研 制方向,同时就储氢瓶来说,需进一步提高储输高压气态储氢的压力和单车运氢 量。 长管拖车是最普遍的气态氢运输方式。由于氢气密度小,储氢容器自重大, 长管拖车实际运氢重量仅为总运输重量的 1~2%,因此长管拖车运氢适用于运输 距离短且输氢量较低的场景。目前我国以 20MPa 气态长管拖车运氢方式为主, 单车运氢量 350kg。储存压力是未来公路运输的攻克方向,预计到 2030 年,国 内长管拖车的工作压力可以达到 35MPa,单车运氢量可达到 700kg,到 2050 年, 国内长管拖车的工作压力可以达到 50MPa,单车运氢量可达到 1200kg。

管道输氢是实现氢气大规模、长距离、低成本运输的重要方式,可分为纯氢 管道和天然气掺氢管道。根据我院前期研究成果,我国输氢管道基础设施建设起步相对较晚,受资源市场规模制约,目前还未形成大规模的氢气管道输送网络, 已建纯氢管道输送压力均为 4MPa 以下、管径不大于 D508mm,2015 年建成的 济源-洛阳氢气管道年输量 10 万吨,是我国当前输量最高的氢气管道;目前已有 设计压力在 6.3MPa、管径 D610mm 的纯氢管道示范项目已处于工程建设阶段, 年输氢规模可达 50 万吨/年。设计压力在 6.3MPa、管径 D813mm 的纯氢管道处 于前期方案设计阶段,预计后续可能具备规模应用条件,我国石油化工相关企业 正在开展陆上与海上输氢管道规划设计工作,高压氢气管道输送相关技术和管材 仍处于研究阶段。据我院展望,全国氢管道相关企业,下一步将加快开展高压力、 大管径纯氢管道的技术研究工作,并有望在输氢管道材料上实现重大突破,解决 氢脆等重大问题,未来纯输氢管道有望压力达到 10MPa、管径达到 D1016mm。

天然气掺氢起步较晚,但是发展较快,目前正处于工程示范验证阶段。目前 在规划、设计、施工等方面均已有天然气掺氢示范项目,并已有项目处于运行阶 段。我国的天然气掺氢示范项目以城市燃气供给为主,随着管道技术的提升,2023 年中石油在天然气掺氢实验中实现突破,天然气最高掺氢比例已可达到 24%,研 究表明,利用华白数、燃烧势、AGA 指数判定,加以爆炸极限计算、扩散性安 全分析,掺混氢气的体积小于 24%时,掺混气与天然气基准气具有互换性。从国 内外示范工程及研究表明,掺氢比例在 10%至 20%之间是合理的。

天然气掺氢后,管道内高压富氢环境将引发管道本体及输送设备发生氢脆和 氢腐蚀。为保证掺氢管输的安全性,需开展高压富氢环境中掺氢天然气与管材的 相容性研究。目前国内外已开展相关研究,包括从微观角度采用分子动力学方法 或扫描电镜等仪器揭示发生氢脆和氢腐蚀的内在机理,以及从宏观角度测试和模 拟材料典型力学性能在高压富氢环境中的变化。尽管目前研究均表明天然气掺氢 后会给管道及相关设施带来诸多不利影响,但掺氢比与材料氢破坏、管道压力等 之间的定量关系仍不明晰,未来需开展进一步研究。在天然气中掺混氢气不仅会 影响输送管道,还可能导致沿线的关键设备及其部件产生氢脆、氢损伤,且随着 氢气掺入量的变化,掺输设备、计量设备的可靠性和准确性也会发生变化。因此, 以上涉氢设备在材料选择、设计制造、规范标准方面与天然气设备有较大不同。 相比于天然气泄漏,高压氢气泄漏的影响范围更广,但其在近地面的危险系数更 小。目前对掺氢天然气管道多组分气体泄漏在空气中的气体扩散机理尚不明晰, 管道事故失效特征、事故风险演化动态发展过程、灾害链式效应的蔓延及其控制方法尚不明确。长距离输氢管线完整性管理、事故应急决策及抢维修缺乏相关标 准规范。

2.液态储输

低温液态储氢是以低温将液化氢气储存到绝热真空容器中的一种新兴储氢 技术,相比于高压气态储氢,低温液态储氢质量密度更大,储存氢气纯度更高。 为了保证低温、高压条件,低温液态储氢需使用具有良好绝热性能的液氢储罐以 及配套严格的绝热方案与冷却设备。氢的液态储输以液氢槽车为主,当前液氢槽 车单车运氢量可达到 4000kg,相较于 20MPa 高压气氢拖车,可使单车储输量提 高约 9 倍,充卸载时间减少约 1 倍,并且在液化过程还能提高氢气纯度,一定程 度上节省了提纯成本。 随着氢能产业的发展,液氢储输是大规模长距离储输氢的重要方向之一。 2024 年初,中集安瑞科研制的国内首台商用液氢罐车正式下线,填补了我国在 商用液氢储输装备领域的空白,根据中集安瑞科公开信息,该液氢罐车在 100% 无损情况下,可运输 2000km 以上。未来在各方力量加持下,我国液氢产业有望 进一步实现经济性、技术性及国产化的重大突破,为推动氢能产业大规模发展奠 定基础。

目前低温液态储氢主要应用于军事航天等对氢气纯度要求较高的领域,液氢 储输各环节涉及的设备主要有氢液化装置、储罐、罐车和加注系统等,均已基本 具备自主国产化的技术和产品,但产业尚未进入高速发展阶段,在核心设备和部 件大型化、集成应用规模化等方面还有待创新。未来随着液化能耗的减少及保温 效率的提升,低温液态储氢商业化进展有望加快。 氨和甲醇的液态储存技术目前商业化已十分成熟,在此不再详细分析。目前 我国氨、醇尚未形成规模化输送效应,长距离输送氨、甲醇管道,国际上(美国、 俄罗斯等)已有实证,国内尚无实际运营案例。随着未来的规模化发展效应,我 国氨、甲醇输送管道有望实现 6.3MPa,管径 D356mm~D406mm;随后进一步突 破达到 6.3MPa,管径 D457mm~D559mm。

3.固态储输

固态储氢是基于氢气与储氢材料间的物理或化学变化,形成固溶体或者氢化 物,实现氢气的存储,具有储氢密度高、运行压力低、安全性好等优点。目前利 用金属氢化物储氢技术较为热门,单位体积的金属可以储存常温常压下近千倍体积的氢气,体积密度甚至优于液氢。但由于固态储氢的技术门槛较高,资金需求 巨大,我国仍处于研发示范的早期阶段,攻关技术主要集中在材料方向。近年国 内陆续有以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等问世,随 着氢能行业及企业对该领域的关注度加大,固态储氢有望在实际应用中不断实现 技术研发迭代。 目前,国内已有 LAVO(氢能科技公司)固态储氢示范项目,以“氢”为能源 载体,以“固态储氢”为核心技术,来验证固态储氢安全性优良、储氢体积密度大。 同时,LAVO 开放自身应用经验为该项目提供全球领先的金属合金储氢技术和系 统设计。未来我国将在吸附储氢和金属储氢的技术上进行更多的深入研究。