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常見的三種氫能儲運技術(shù)比較

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氫地區(qū)不產(chǎn)氫,氫儲運成本居高不下。氫儲運是制約我國氫能發(fā)展的地方。
氫儲能(氫儲能)的本質(zhì)是儲氫,即以穩(wěn)定的形式儲存易燃易爆的氫氣。儲氫技術(shù)的發(fā)展重點是在保證安全的前提下,提高儲氫能力(效率),降低成本,提高易用性。儲氫技術(shù)可分為物理儲氫和化學(xué)儲氫兩類。物理儲氫主要包括高壓氣體儲氫、低溫液體儲氫、活性炭吸附儲氫、碳纖維和碳納米管儲氫、地下儲氫;化學(xué)儲氫主要包括金屬氫化物儲氫、液體有機氫載體儲氫、無機儲氫、液氨儲氫等。

1. 物理儲氫
【高壓氣態(tài)儲氫】
壓縮技術(shù)是氫氣生產(chǎn)和應(yīng)用中不可或缺的。高壓氫壓縮機是將氫壓注入儲氫系統(tǒng)的核心裝置,輸出壓力和氣體密封性是其重要的性能指標(biāo)。

常見的三種氫能儲運技術(shù)比較



高壓氣體儲氫的質(zhì)量儲氫密度范圍為4.0~5.7wt目前高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟,是目前最常用的儲氫技術(shù)。該技術(shù)利用高壓將氫壓縮到耐高壓容器中。金屬高壓儲氫容器由對氫氣有一定抗氫脆能力的金屬或者通過復(fù)合材料構(gòu)成,最常用的材質(zhì)是奧式不銹鋼。由于常溫附近對氫免疫,銅和鋁不會產(chǎn)生氫脆,常被選為高壓儲氫罐的材料。

高壓氣體儲氫成本相對較低,壓縮過程能耗低,釋放簡單快捷。它是目前最成熟的儲氫技術(shù),但存在體積儲氫密度極低的主要缺陷。此外,高壓氣體儲氫存在泄漏和爆炸的安全風(fēng)險,因此安全性能有待提高。未來,高壓氣體儲氫還需要朝著輕、高壓、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。

高壓氣體儲氫的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括運輸大型高壓儲氫容器、加氫站大型高壓儲氫容器、燃料電池車輛高壓儲氫罐、通信基站不間斷電源儲氫罐、無人機燃料電池儲氫罐等。例如,國內(nèi)儲氫企業(yè)為上海世博會提供了第一個45個加氫站MPa氫儲能器,第一臺35MPa移動加氫車為國內(nèi)加氫站提供50多套儲能器,為國外加氫站提供240多套儲能器。該公司后來開發(fā)了87.5MPa大連加氫站示范了鋼碳纖維纏繞大容積儲氫容器的應(yīng)用;35MPa橇裝加氫站,將應(yīng)用于2022年冬奧會;首創(chuàng)35MPa全集成橇裝移動加氫站,促進加氫站商業(yè)化運營。

【低溫液體儲氫】
低溫液體儲氫是將氫液化,然后儲存在低溫絕緣真空容器中。低溫保溫技術(shù)是低溫工程中的一項重要技術(shù),也是實現(xiàn)低溫液體儲存的核心技術(shù)手段。根據(jù)是否有外部主動能量提供,可分為被動保溫和主動保溫。被動絕緣技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種低溫設(shè)備中; 而主動絕熱技術(shù)由于需外界的能量輸入,雖能達到更好的絕熱效果,甚至做到零蒸發(fā)存儲( Zero boil-off,ZBO) ,但也必然會帶來一些問題,比如需要其他附加設(shè)備來增加整個設(shè)備的體積和重量,制冷機效率低,能耗大,成本高,經(jīng)濟性差。



液氫密度高,體積比大,體積比小,儲運簡單。但很難將氣態(tài)氫轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫,液化1kg氫氣消耗4-10千瓦時。而且,為了穩(wěn)定儲存液態(tài)氫,需要耐超低溫、保持超低溫的特殊容器。該容器需要抗凍、抗壓,必須嚴(yán)格保溫。[9]因此,除了制造難度大、成本高外,該容器在運行過程中還存在揮發(fā)性、安全隱患多等問題。

在全球范圍內(nèi),低溫液體儲氫技術(shù)已應(yīng)用于車載系統(tǒng),并廣泛應(yīng)用于全球加氫站。液氫加氫站在日本、美國及法國市場比較多。目前,世界上大約三分之一的加氫站是液氫加氫站。氫液化設(shè)備主要由美國制成AP、提供普萊克斯、德國林德等廠家。[10]我國液氫廠僅為航天火箭發(fā)射服務(wù),受法律法規(guī)和技術(shù)成本限制,不能應(yīng)用于民用領(lǐng)域,但相關(guān)企業(yè)已開始開發(fā)相應(yīng)的液氫儲罐、液氫罐車,如航天101、國富氫能、宏達工業(yè)、圣達因等公司正在開發(fā)國內(nèi)液氫儲運產(chǎn)品。有關(guān)部門正在研究制定液氫民用標(biāo)準(zhǔn),液氫運輸將成為我國氫能發(fā)展的主要動脈。2 化學(xué)儲氫
與物理儲氫不同,化學(xué)儲氫方案通常通過儲存介質(zhì)與氫結(jié)合作為穩(wěn)定化合物來儲存氫。使用氫時,化合物通過加熱或其他方式分解釋放氫,并回收儲存介質(zhì)。
化學(xué)儲氫技術(shù)主要包括金屬氫化物儲氫、液態(tài)有機氫載體儲氫、無機儲氫、液氨儲氫等。與高壓氣體儲氫和低溫液體儲氫相比,化學(xué)儲氫技術(shù)成熟度相對較低,主要在實驗室和示范項目中。

【金屬氫化物儲氫】
該技術(shù)將氫以金屬氫化物的形式儲存在儲氫合金材料中。儲氫合金在一定溫度壓力下與氫接觸,首先形成含氫固溶體(α相)然后固溶體繼續(xù)與氫反應(yīng)相變,形成金屬氫化物(β相)。金屬氫化物在加熱條件下放氫。早期發(fā)現(xiàn)的合金有LaNi5、Mg2Ni、TiFe等等,研究人員發(fā)現(xiàn)這種合金由一種吸氫元素A和另一種非吸氫元素B組成,分別控制儲氫量和吸氫可逆性。世界上已開發(fā)的儲氫合金大致可分為稀土蘭鎳、鈦鐵、鈦鋯、釩基固溶體、鎂等。

這種基于固體的儲氫技術(shù)往往具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)點。[18]目前,國內(nèi)外對儲氫金屬材料的研究成果不斷,已應(yīng)用于部分領(lǐng)域。國外固體儲氫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電池艦艇、分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲氫中;國內(nèi)固體儲氫已廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電中。

然而,成熟系統(tǒng)的金屬儲氫材料重量儲氫率較低,更高TiV可逆儲氫量為2.6 wt%。為了提高重量儲氫率,開發(fā)了配位氫化物、金屬氨硼烷等新材料,但這些材料仍在實驗室技術(shù)研發(fā)中,如吸放氫速度慢、可逆循環(huán)性能差等。此外,儲氫金屬材料的成本受有色金屬原料價格波動的影響,高成本是制約發(fā)展的另一個因素。

【液態(tài)有機氫載體儲氫】
液體有機氫載體(LOHC)儲氫技術(shù)基于催化劑作用下不飽和液體有機物的加氫反應(yīng)。常用的不飽和液體有機物有甲醇、環(huán)烷烴、N-乙基咔唑、甲苯、1、2-二氫-1、2-氮雜硼烷等。

該技術(shù)儲氫密度高,可在環(huán)境條件下儲氫,安全性高,運輸方便。缺點是氫的取放不如物理儲氫容易,需要配備額外的反應(yīng)設(shè)備,放氫過程往往需要加熱能耗,導(dǎo)致成本增加。

LOHC技術(shù)在日本和歐洲發(fā)展迅速,在中國仍處于示范階段??偛课挥诘聡鳨rlangen的Hydrogenious LOHC該公司一直在開發(fā)有機氫載體(LOHC)儲運技術(shù)。目前,Hydrogenious公司在德國Dormagen世界上更大的化學(xué)園建設(shè)LOHC儲氫廠計劃于2023年投產(chǎn)。該工廠使用二芐基甲苯為載體介質(zhì),據(jù)稱該介質(zhì)具有不易燃不易爆性。
今年10月,玉氫科技與中車Xi安有限公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,雙方將在現(xiàn)有鐵路運輸設(shè)備的基礎(chǔ)上,開發(fā)適合大規(guī)模有機液體儲氫介質(zhì)運輸?shù)男滦丸F路罐。

【液氨儲氫】
氫和氮在催化劑的作用下合成液氨,以液氨的形式儲存和運輸。液氨常壓約4000 ℃分解放氫。

與低溫液化溫度-253℃,氨在大氣壓下的液化溫度-33℃要高得多,氫-氨-氫的能耗、實現(xiàn)難度和運輸難度相對較低。同時,液氨儲氫的儲氫密度高于液氫.7倍,遠高于長管拖車氣態(tài)儲氫技術(shù)。該技術(shù)在長途氫儲運中具有一定的優(yōu)勢。然而,液氨儲氫也有許多缺點。液氨具有較強的腐蝕性和毒性,在儲存和運輸過程中對設(shè)備、人體和環(huán)境有潛在的危害風(fēng)險;我國合成氨工藝相對成熟,但在工藝轉(zhuǎn)換中存在一定比例的損失;合成氨和氨分解設(shè)備和終端工業(yè)設(shè)備仍需集成。

3. 地下儲氫
氫氣的長期儲存取決于一定的儲存空間,利用地下空間儲存氫氣已成為氫氣儲存的重要途徑。在許多不同的地下儲氫方案中,最有潛力的方法之一是在地下鹽層中挖出一個容器來儲氫。容器的制造需要先鉆到目標(biāo)鹽層,安裝套管(如石油鉆井);然后注入溶液溶解鹽層,溶解鹽水,然后在鹽層中創(chuàng)建所需的形狀和大小的容器;最后充氣排出鹽洞中的所有鹽水。不同的容器形狀是根據(jù)不同的鹽層結(jié)構(gòu)制成的。
氫地下儲能可充分利用地下空間,節(jié)約土地資源,有效降低氫儲存成本,提高氫的經(jīng)濟效益,應(yīng)用于風(fēng)景儲存一體化項目,解決新能源發(fā)電波動,確保能源供應(yīng)和能源安全。然而,氫地下儲存的建設(shè)面臨著許多挑戰(zhàn),主要包括:儲存層和蓋層的地質(zhì)完整性、氫地下化學(xué)反應(yīng)、井井完整性、氫生產(chǎn)純度和材料耐久性。
2021年8月23日,中21年8月23日,中石化重慶首個加氫站-半山環(huán)綜合加能站近日正式建成。該站是中國首個應(yīng)用儲氫井技術(shù)的加氫站,日供氫能力1000公斤,將為重慶首批氫能示范公交車和城市物流車輛提供加氫服務(wù),是氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的良好實踐和示范。



重慶融能機電設(shè)備股份有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、成套、銷售、安裝、維護等為一體的綜合性高新技術(shù)企業(yè),“專精特新企業(yè)”,重慶首批國家知識產(chǎn)權(quán)貫標(biāo)企業(yè)。主要提供CNG加氣站成套設(shè)備、 LNG加氣站成套設(shè)備、 高壓空壓站成套設(shè)備、 加氫站成套設(shè)備、 石油化工壓縮機成套設(shè)備、 PET吹瓶空壓站成套設(shè)備、 熱交換系統(tǒng)成套設(shè)備、 等服務(wù)。

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