氫能源能夠有效改善我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，在清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系轉(zhuǎn)型上極具戰(zhàn)略意義，主要的實現(xiàn)路徑是通過氫與多種能源形式耦合來大幅提升可再生能源在—次能源消費中的占比。但是，我國可再生能源資源中心與負(fù)荷中心呈逆向分布，國內(nèi)缺乏低成本的高密度儲運技術(shù)，繼而限制了我國豐富的可再生能源制氫的潛力。另外，氫的儲存和運輸高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點。氫的儲運技術(shù)為氫能發(fā)揮戰(zhàn)略意義提供重要支撐。

 

 

日本巖谷液氫槽車

 

氫氣儲存方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)氫化物儲氫和固體儲氫。氫氣輸送方式主要有氣氫拖車、液氫槽罐車以及管道運輸氫氣。

 

國內(nèi)以高壓氣態(tài)儲氫為主

 

我國目前儲存氫能的方式有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。

 

 

中科富海液氫槽車模型

 

高壓氣態(tài)儲存是最常見的儲氫方式。氫氣的密度小，一般需用到1.5MPa以上的高壓才可用特制的鋼瓶貯存。當(dāng)前國際上已經(jīng)有可承受壓力達(dá)80MPa的輕質(zhì)材料儲氣瓶。而對于固定地點的貯氫，在合適的地質(zhì)、地理條件和良好的封口技術(shù)條件下可采用地下貯存，這種方式不需要專用的貯氫容器，可以大大的降低貯氫的費用。

 

 

北京特種工程研究院45立方米液氫槽車

 

 

浦江特氣氣氫長管拖車

 

低溫液態(tài)儲氫是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將氫氣冷凍至零下252.72攝氏度以變?yōu)橐后w，然后保存在特制的高度真空的絕熱容器中，常見的同時也是最理想的是杜瓦瓶，但是杜瓦瓶造價較高，所以無法得到廣泛使用。目前液態(tài)氫主要用作火箭燃料。

 

 

京輝氣體氫氣長管拖車車隊

 

目前中國高壓氣態(tài)儲運氫技術(shù)相對成熟，依靠壓縮機(jī)將氫氣壓縮到儲氫瓶中，儲氫瓶壓力多為30MPa，然后用集裝格和長管拖車等工具進(jìn)行運輸，長管拖車運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在大規(guī)模、長距離儲運技術(shù)上，成本和技術(shù)仍有待進(jìn)一步改善，整體發(fā)展落后于國際先進(jìn)水平。

 

國內(nèi)生產(chǎn)高壓儲氫瓶的企業(yè)有京城股份、中材科技、中集安瑞科等。

 

而國內(nèi)在低溫液態(tài)儲氫方面表現(xiàn)得較為弱勢，在液氫儲運技術(shù)、液氫工廠、相關(guān)產(chǎn)業(yè)化上還有多重難關(guān)待突破。少許的液氫主要被用于航天及軍事領(lǐng)域；金屬氫化物儲氫和有機(jī)氫化物儲氫均處于實驗室階段。

 

國外高壓氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫均優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)狀

 

國外主流的儲氫方式主要是高壓氣氫和低溫液氫，與我國不同的是，國外的高壓氣氫的壓力達(dá)到了70MPa，液氫儲運也較為成熟。

 

 

空氣化工在歐洲推出的高壓氫管拖車

 

 

林德氫管拖車

 

全球有三分之一的加氫站采用液氫技術(shù)，其中美國和日本主推液氫儲運技術(shù)路線。

 

在美國，石油化工電子行業(yè)的液氫利用量占總液氫量的33.5%，航空航天占比18.6%，燃料電池車輛的加氫站約10%。日本和澳大利亞的氫能供應(yīng)鏈項目也采用了液氫運輸船遠(yuǎn)距離輸送氫氣。

 

低溫液態(tài)儲氫有望進(jìn)一步滲透

 

相較于低溫液態(tài)儲氫，高壓氣態(tài)儲氫在長距離運輸上十分不具有優(yōu)勢，其運輸成本對距離的敏感性高，需要進(jìn)一步提高儲運效率。液氫儲運體積密度是高壓氣態(tài)儲運的5倍，在中長距離氫氣儲運中經(jīng)濟(jì)性較高，是未來氫儲運的重要方向。據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，運輸成本為500公里時，液氫配送成本每千克僅增加約0.3美元，而高壓氣態(tài)運輸配送成本將上升5倍以上，接近每千克2美元。

 

 

從技術(shù)層面上說，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的八百多倍，相較于氫氣高壓儲運，單位容器能儲存的低溫液態(tài)儲氫更多，大大提高運輸效率，降低儲運成本，氫氣純度也可以在液化過程中大大提高，從而保證了的壽命和性能。隨著汽車的普及，大規(guī)模儲運氫的方向之一就是液氫儲運。

 

 

spera氫氣示意圖

 

另外，日本千代公司研發(fā)的SPERA氫氣，可以讓氫氣在常溫常壓的條件下保持液態(tài)，這一技術(shù)足夠引起外界的重視。SPERA氫氣是在甲基環(huán)己烷液體中，通過有機(jī)化學(xué)氫化物法讓汽油及輕油等燃料中含有的甲苯和氫氣發(fā)生反應(yīng)而制成的。在常溫常壓條件下，可以用已有的油輪和油罐車來運輸，還可以在港口及工廠的油罐中長期儲存。這對于需要高壓壓縮氫氣體積或者超低溫保存氫氣的方法更為方便，而且還省去了專用的容器和設(shè)施。

 

國內(nèi)液氫技術(shù)和裝備的突破極具發(fā)展意義

 

目前，國內(nèi)的液氫產(chǎn)能十分低，滿足不了日益增長的氫能需求。全球氫液化設(shè)備主要由美國AP、普萊克斯、德國林德等廠商提供。國內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力發(fā)展落后，應(yīng)用范圍十分窄，特別是民用領(lǐng)域的液態(tài)氫幾乎處于空白地段。目前國內(nèi)涉及氫液化開發(fā)研究的有航天101所、國富氫能、鴻達(dá)興業(yè)等單位。資料顯示，我國當(dāng)前最大氫液化規(guī)模為每天生產(chǎn)2噸，液化設(shè)備依賴進(jìn)口，與國外技術(shù)差距明顯。

 

從當(dāng)前液氫技術(shù)和裝備發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢看，未來在降低氫氣液化能耗和氫氣液化成本上存在一定空間。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)液氫工廠的生產(chǎn)規(guī)模小于5噸每天時，氫液化的能耗超過10千瓦時每千克，當(dāng)規(guī)模達(dá)到50噸每天和150噸每天時，氫液化能耗可降至約7千瓦時每千克和6千瓦時每千克。氫液化工廠規(guī)模由5噸每天提高到50噸每天時，氫液化總成本可降低50%。

 

根據(jù)美國商業(yè)管制清單，限制了我國進(jìn)口日均生產(chǎn)10噸以上的氫液化技術(shù)及裝備，以及DN50以上液氫閥門、膨脹機(jī)、液氫泵等關(guān)鍵設(shè)備。在進(jìn)口遏制的情況下，國產(chǎn)民用液氫技術(shù)和裝備的突破具有重大意義。據(jù)了解，國內(nèi)液氫技術(shù)和裝備正得到不斷進(jìn)步。航天101所國內(nèi)首套自主開發(fā)的1m3/h氫液化系統(tǒng)落地，并對基于氫膨脹的大型氫液化系統(tǒng)進(jìn)入研發(fā)，有意形成系列產(chǎn)品。

 

液氫技術(shù)和裝備的突破對氫能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響，民用領(lǐng)域的發(fā)力將推進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程，對國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。軍民融合、相關(guān)企業(yè)協(xié)同攻關(guān)將是取得突破的必由之路。