中國儲能網(wǎng)訊：
1 前言
氫能作為一種綠色環(huán)保、來源豐富、應(yīng)用廣泛的新興能源，成為用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的有力手段。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，氫能產(chǎn)業(yè)對實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命具有深遠(yuǎn)意義。據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，到本世紀(jì)中葉，全球18%的能源終端需求將由氫能承擔(dān)。
當(dāng)前全球正加快氫能產(chǎn)業(yè)布局，最早開始發(fā)展氫能的國家是日本，該國在1973年就成立了氫能協(xié)會，并于2017年發(fā)布全球首個氫能國家戰(zhàn)略———《氫能基本戰(zhàn)略》。美國于2014年發(fā)布《全面能源戰(zhàn)略》，此前已明確國家氫能發(fā)展4個階段路線圖，預(yù)計(jì)到2050年氫能將占美國終端能源需求的14%。除此之外，俄羅斯、德國、歐盟、韓國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都曾出臺相應(yīng)政策促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
目前，在氫能的“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈中，儲運(yùn)緩解的成本約占總成本的30%～40%，是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸。充分梳理氫能儲運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀，分析未來發(fā)展趨勢，對氫能大規(guī)模應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。
2 氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
2.1全球氫能應(yīng)用現(xiàn)狀與未來發(fā)展預(yù)測
全球主要發(fā)達(dá)國家都高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。全球氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)趨于成熟，氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯提速。
美國、日本、德國等重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)國家，相繼出臺了有關(guān)氫能發(fā)展鼓勵政策。美國《氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》提出，2025年美國氫燃料電池汽車運(yùn)營數(shù)量將達(dá)到20萬輛，2030年將達(dá)到530萬輛。歐盟《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》提出，2030年歐盟氫燃料電池乘用車將達(dá)到370萬輛。日本《氫能基本戰(zhàn)略》提出，2025年日本氫燃料電池乘用車年產(chǎn)量應(yīng)達(dá)到20萬輛，2030年應(yīng)達(dá)到80萬輛。
從國內(nèi)來看，我國作為世界上最大的制氫國，年制氫量約3300萬t，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值到2025年將達(dá)到1萬億元；2030年需求量將達(dá)到3500萬t，在我國終端能源體系中占比5%以上；2050年需求量接近6000萬t，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7億t，在終端能源體系中占比10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元。
2023年4月10日，中國石化宣布擬建設(shè)全長超過400km的“西氫東送”輸氫管道示范工程，并將其納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，標(biāo)志著國內(nèi)首個長距離純氫輸送管道項(xiàng)目的啟動。管道全長400km以上，一期運(yùn)力10萬t/a，遠(yuǎn)期可達(dá)到50萬t/a。建成后，將用于替代京津冀地區(qū)現(xiàn)有化石能源制氫及交通用氫，大力緩解我國綠氫供需錯配問題。同年4月16日，中國石油用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣在技術(shù)層面獲得重要突破，能夠有效支撐未來我國大規(guī)模、低成本、遠(yuǎn)距離的氫能運(yùn)輸。中國石油在寧夏寧東天然氣摻氫管道示范項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場測試，這條全長397km的管道天然氣摻氫比例已逐步達(dá)到24%，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)100天安全穩(wěn)定運(yùn)行。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國已規(guī)劃的輸氫管道(包括已建)總長度超過1800km，依照氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2030年，氫氣長輸管道總里程將達(dá)到3000km。
2.2中國氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
中國氫能開發(fā)和建設(shè)相比于發(fā)達(dá)國家起步較晚，相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚需完善。我國于2023年出臺《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》，這是首個國家層面的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南。氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系以基礎(chǔ)與安全標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，支撐氫制備、儲存和輸運(yùn)、加注、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)與安全標(biāo)準(zhǔn)位于氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)頂層，是氫能供應(yīng)與氫能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)支撐。氫制備標(biāo)準(zhǔn)、氫儲存和輸運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、氫加注標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了氫能供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，是氫能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)保障。氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系框架由基礎(chǔ)與安全、氫制備、氫儲存和輸運(yùn)、氫加注、氫能應(yīng)用5個部分組成，如圖2所示。
3 氫能儲存技術(shù)
儲氫技術(shù)是氫能應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是制約氫氣大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。在氫能應(yīng)用過程中，提供一個穩(wěn)定安全的氫能儲存方案，是滿足當(dāng)前和未來氫能大規(guī)模應(yīng)用的首要保障。按照氫氣的物理特性，目前學(xué)者將主流的儲氫方式分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫四類，各類儲氫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。
3.1氣態(tài)儲氫
由于氫的相對分子質(zhì)量很小，密度很低，常溫氣態(tài)無法進(jìn)行高質(zhì)量儲存，因此氣態(tài)儲氫主要為高壓氣態(tài)儲氫。高壓條件下將氣態(tài)氫分子壓縮至高密度，然后將高密度氣存儲在耐高壓容器中，是目前氫能儲存中應(yīng)用最廣泛的方法，已成為當(dāng)下較為具有競爭優(yōu)勢的車載儲氫手段。儲存高壓氫氣的容器壓力范圍在15.2～70.9MPa，技術(shù)均相對較為成熟。表2展示了目前已開發(fā)的高壓氣態(tài)儲氫壓力容器類型。Ⅰ型和Ⅱ型容器的儲氫密度低，且氫脆問題嚴(yán)重。Ⅲ型和Ⅳ型容器儲氫密度相對較高，常用于車載儲氫領(lǐng)域。目前國內(nèi)加氫站主流的儲氫方式大多采用高壓氣態(tài)儲氫。
3.2液態(tài)儲氫
當(dāng)氫以液態(tài)形式儲存時，常用的方法可分為低溫液態(tài)儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫兩類。
3.2.1低溫液態(tài)儲氫
將氣態(tài)的氫氣經(jīng)過壓縮后深冷至-253℃以下變?yōu)橐簯B(tài)，存放于絕熱真空儲存容器中的方式稱為低溫液態(tài)儲氫，是一種物理存儲方式。液氫具有高儲氫密度，在大氣壓下可達(dá)70.9kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)狀況氫氣密度的856倍，體積比容量大，在大規(guī)模、遠(yuǎn)距離氫能儲運(yùn)時具有顯著優(yōu)勢。但是氫氣的液化過程耗能較大，據(jù)估算，液化1kg的氫氣就要消耗4～10kW·h的電量。而且由于氫氣的沸點(diǎn)很低，在存儲過程中吸熱容易揮發(fā)，所以液態(tài)氫存儲過程中需要耐超低溫、保持超低溫、耐壓、密封性強(qiáng)的特殊容器，制造難度大，成本高昂，這也是制約低溫液態(tài)儲氫的主要問題。
液氫作為大型火箭的主要燃料，目前常用于航空航天事業(yè)。由于我國在該領(lǐng)域的研究尚未成熟，應(yīng)用成本高，目前鮮少在民用領(lǐng)域應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，2021年以來國家相繼出臺GB/T40045—2021《氫能汽車用燃料液氫》、GB/T40060—2021《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》、GB/T40061—2021《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》三項(xiàng)與液氫相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了我國液氫產(chǎn)業(yè)民用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)“零”的突破，為液氫產(chǎn)業(yè)市場化提供了有力支撐。
3.2.2有機(jī)液態(tài)儲氫
有機(jī)液態(tài)儲氫設(shè)想的提出，最早可追溯到1975年。有機(jī)液態(tài)儲氫是采用能與氫反應(yīng)生成性質(zhì)穩(wěn)定的氫能載體的有機(jī)儲氫液體(LOHC)進(jìn)行存儲的方法。該方式利用液體不飽和類有機(jī)物加氫和脫氫的可逆過程，實(shí)現(xiàn)氫的儲存和釋放，參考流程如圖3所示。
有機(jī)液態(tài)儲氫的質(zhì)量儲氫密度約為5%～10%，儲氫量較大，且存儲介質(zhì)為液態(tài)有機(jī)物，存儲的同時也可以進(jìn)行常溫常壓輸送，相對氣態(tài)存儲更為安全。研究較多的液態(tài)儲氫介質(zhì)有苯、甲苯、萘等烴類和乙基咔唑等有機(jī)液體儲氫材料，相關(guān)信息及性質(zhì)見表3。相關(guān)技術(shù)在我國仍處于研究階段，尚未大規(guī)模普及。
3.3固態(tài)儲氫
“高儲氫密度、快速吸/放氫性能和長周期循環(huán)穩(wěn)定性”是理想儲氫材料的基本要求。與其他幾種儲氫方式相比，固態(tài)儲氫的儲氫密度相對較大，而且安全性較高，具有滿足國際能源署(IEA)目標(biāo)的巨大潛力。根據(jù)吸附劑和吸附質(zhì)之間作用力的不同，固態(tài)儲氫材料可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。其中，物理吸附材料包括傳統(tǒng)的碳基多孔材料、介孔材料、金屬有機(jī)框架(MOFs)、共價(jià)有機(jī)框架(COFs)等。物理吸附主要通過相對較弱的范德華力實(shí)現(xiàn)儲氫，吸附壓強(qiáng)較高且只能在較低溫度(77K)下實(shí)現(xiàn)儲氫。碳基儲氫材料主要包括活性炭、活性碳纖維、碳納米纖維、碳納米管和碳?xì)饽z等，表4列出了4種碳基材料的儲氫性能。
由表4可以看出，在室溫條件下，石墨碳納米纖維的質(zhì)量儲氫密度相較于其他三種材料最高，可超過10%，這是由其特殊的結(jié)構(gòu)所致。但是，碳基材料對氫吸附過程要求的環(huán)境相對較為苛刻，在工業(yè)上使用具有很大的局限性，尚未大規(guī)模普及。
化學(xué)吸附是通過金屬鍵、共價(jià)鍵、配位鍵等生成氫化物的方式實(shí)現(xiàn)氫氣的存儲?；瘜W(xué)吸附材料有金屬氫化物、配位氫化物、氫水化合物等，其中金屬氫化物有鎂系合金、稀土系合金、鈦合金等。常用壓力-成分-溫度曲線(PCT曲線)來表征金屬氫化物的吸放氫熱力學(xué)性能，如圖4所示，圖中的橫坐標(biāo)表示氫原子與金屬原子之比，縱坐標(biāo)為氫壓力。圖中AB段表示有效儲氫容量，在一定的溫度條件下平衡氫壓近似恒定，隨著溫度的升高，AB段逐漸變短，因此溫度過高不利于吸氫反應(yīng)的發(fā)生。PCT曲線是衡量儲氫性能的重要指標(biāo)，能夠直接反映儲氫材料的可逆儲氫容量、平衡氫壓、平臺斜率和滯后效應(yīng)。
與金屬氫化物不同，配位氫化物是一種鹽，氫原子通過共價(jià)鍵連接到復(fù)合陰離子的中心原子上，形成絡(luò)合物陰離子，后者再與金屬離子以離子鍵形式結(jié)合成氫化物。氫化物一般以化學(xué)式AxMeyHz表示，通常A是元素周期表第一或第二主族元素，Me通常為B、A1、N，儲氫質(zhì)量密度理論上為5.5%～21%。配位氫化物的放氫一般有水解或者熱解兩種方式。
4 氫能管道運(yùn)輸技術(shù)
氫能作為未來新能源發(fā)展的重點(diǎn)方向，儲運(yùn)的安全、效率、成本是制約其規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸問題，也是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題。考慮到管道運(yùn)輸長期以來均被視為大規(guī)模輸運(yùn)介質(zhì)的低成本方式，因此，僅針對氫能可能的幾種管道運(yùn)輸方式進(jìn)行分析。
4.1高壓氫氣管道輸送
氫氣和甲烷具有相似的性質(zhì)，高壓氫氣管輸可參考天然氣管道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但與天然氣環(huán)境相比，氫環(huán)境會造成管道鋼力學(xué)性能的劣化。許多研究和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中都發(fā)現(xiàn)，氫原子在金屬晶格中的溶解和擴(kuò)散會引起金屬材料性能的退化、脫碳，甚至鼓泡或開裂等損傷。與天然氣管輸行業(yè)相比，常溫高壓臨氫管道還沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和選材標(biāo)準(zhǔn)。但隨著時代的發(fā)展，近年來全球各國正逐步開始布局氫能儲運(yùn)技術(shù)，提出了10MPa以上的純氫和摻氫長距離輸送管道設(shè)計(jì)方案。
為保證高壓氫氣管輸?shù)陌踩?，需采取抗氫脆措施，選用氫脆敏感性低的低強(qiáng)度管道鋼或降低輸氫壓力。這也導(dǎo)致了氫氣管道系統(tǒng)相比天然氣管道系統(tǒng)建設(shè)成本更高，經(jīng)濟(jì)效益更低。有文獻(xiàn)指出，輸氫管道的建造成本約為62萬美元/km，而天然氣管道的建造成本僅為19萬美元/km，氫氣管道的造價(jià)為天然氣管道造價(jià)的3倍左右。同時，由于氫氣制備成本高、能量密度低，相比傳統(tǒng)化石能源暫時缺乏競爭力。目前，我國在運(yùn)加氫站的氫氣售價(jià)普遍在60～80元/kg，相較于汽油、柴油和純電動競爭優(yōu)勢不明顯，短期內(nèi)只能依靠補(bǔ)貼的模式，長遠(yuǎn)看不能解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本問題。預(yù)計(jì)只有當(dāng)加氫站的氫氣售價(jià)低于40元/kg時，才能真正使氫能走向“市場驅(qū)動”。
雖然存在上述問題，但高壓氫氣管輸技術(shù)門檻低且最為成熟，因此仍是新建長距離輸氫管道時優(yōu)先考慮的氫能管輸方式。從全球范圍來看，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前輸氫管道的建設(shè)規(guī)模接近4700km，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5。美國已經(jīng)建設(shè)了2720km的輸氫管道，而歐洲則已有1500km以上的輸氫管道。
4.2天然氣管道摻氫輸送
在天然氣輸送管道中摻入一定比例的氫氣，被認(rèn)為是目前可發(fā)展的氫氣大規(guī)模輸送方式之一。有學(xué)者認(rèn)為，參考目前的幾類氫能輸運(yùn)方式，長距離管道純氫與天然氣摻氫輸送是實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化輸送最有潛力的技術(shù)，特別是針對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)進(jìn)行少量改造實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫輸送，可節(jié)約大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用。中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中期(2020～2030年)任務(wù)之一是示范應(yīng)用摻氫天然氣管道輸送技術(shù)，為邁入非碳的“氫能時代”奠定基礎(chǔ)。表6統(tǒng)計(jì)了部分國內(nèi)外天然氣管網(wǎng)摻氫輸送典型項(xiàng)目。
天然氣摻氫管輸可以利用現(xiàn)役天然氣管道設(shè)施，降低氫氣管道的前期建設(shè)成本，有望彌補(bǔ)氣態(tài)氫體積能量低所帶來的劣勢，并能在摻氫輸送的實(shí)際應(yīng)用中探索氣態(tài)氫管輸?shù)钠渌麊栴}。目前已有學(xué)者對天然氣摻氫管輸?shù)目尚行宰隽搜芯?，中國工程院衣寶廉院士也對天然氣摻氫管輸非?？春谩５?，天然氣管道摻氫輸送在解決用戶適用性的基礎(chǔ)上，還需要研究摻氫比例對管內(nèi)流體流動狀態(tài)的影響及其工藝配套技術(shù)，探究管道材料和設(shè)施性能對摻氫輸送的適應(yīng)性，提高天然氣管道摻氫輸送的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。
4.3液氫管道輸送
液氫輸送，顧名思義就是將常溫常壓下氣態(tài)的氫氣通過降溫加壓的方式進(jìn)行高密度輸送。液氫管道在管材選擇上，為保證管道絕熱效果以及管材低溫性能，主要采用不銹鋼、鋁合金、鈦合金以及復(fù)合材料等具有優(yōu)異的抗氫脆性能、良好的低溫性能、可焊性及耐腐蝕性的材料。目前300系列奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于液氫儲運(yùn)容器中，海南航天發(fā)射場的300m3液氫運(yùn)輸罐車就是采用321不銹鋼作為容器材料。相較于不銹鋼，鋁合金在質(zhì)量、成形性、焊接性能、耐腐蝕性等方面更具優(yōu)勢，也已在國內(nèi)外火箭液氫儲罐中得到了應(yīng)用。
受限于液態(tài)輸氫管道建設(shè)成本以及技術(shù)落后等問題，液氫幾乎無法實(shí)現(xiàn)長距離、大規(guī)模的管道輸送。目前液氫的長距離輸送只能通過將液氫置于高度低溫絕熱儲氫罐、液氫運(yùn)輸槽罐等特種儲存裝置內(nèi)，依賴于槽車、火車、駁船等運(yùn)輸，尚沒有長距離液氫管輸實(shí)例。如何降低液氫輸送管道的建設(shè)成本以及實(shí)現(xiàn)長距離液氫管道的快速預(yù)冷，是目前低溫液氫管輸?shù)闹饕獑栴}。低溫液氫管輸未來可期，但目前看來更適合在航空航天等限定液氫作為高能量燃料的場景中，作為短距離定點(diǎn)輸送的管輸方式，尚不能作為氫能大規(guī)模管輸?shù)暮侠磉x擇。
5 結(jié)語
氫能的發(fā)展是全球能源革命的重要方向，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要手段，是國家能源供應(yīng)清潔化的戰(zhàn)略選擇。世界各國都在推動氫能的快速發(fā)展，加大氫能產(chǎn)業(yè)布局已成為共識。從國內(nèi)外氫能應(yīng)用發(fā)展對比可以看出，我國氫能產(chǎn)業(yè)起步較晚，相關(guān)核心技術(shù)相較于國外存在一定的差距。我國針對氫能在全國范圍的發(fā)展布局有待完善，需盡快構(gòu)建全國氫能市場體系。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是氫能的儲運(yùn)，儲氫技術(shù)是限制氫能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要瓶頸，氫能輸運(yùn)技術(shù)是打通氫資源到氫市場的重要手段，是降低氫使用成本的主要環(huán)節(jié)。
