2019年,氢工业仍处于起步阶段。今天,整个行业的发展已经进入了爆炸式发展的早期阶段。
记者了解到,有业内专家预测,到2025年,全球将建成2800个氢燃料加气站,到2030年,全球至少将提供1000万至1500万块燃料电池,以及50万辆以氢为动力的燃料电池重型卡车电池卡车
到2050年,氢工业将创造3000万个就业机会,减少二氧化碳排放60亿吨,产值2.5万亿美元,占全球能源的18%。
氢气工业正以“巨兽”的姿态出现。作为一个有着超长产业链的行业,似乎每一寸关节都更重要,但是对于整个行业来说,最重要的关键环节是什么呢?
储运是氢能发展的关键
良好的氢能运输和氢能网络建设是氢能产业发展的必要条件。随着氢能产业的兴起,未来的“氢能社会”必须实现制氢、储氢、氢运输、氢氢化和氢利用的各个环节的循环与快速匹配,才能使其顺利发展壮大。
从氢能的上、中、下游发展情况来看,制氢、氢化、氢利用都比较容易实现规模化发展。整个氢能产业的短板在于氢能储运。
正如林德集团大中华区氢能总监王海周四在盐城举行的中国新能源发展论坛上所说,“在像加油站一样氢被大规模、分散使用的情况下,氢运输面临巨大挑战。”
氢的储存和运输就像人体的血管,将氢供应到氢端各个区域。一旦这一关键通道不建成,或无法满足氢能上下游需求,整个行业的发展就会像人体组织“缺血”一样“坏死”。
氢的性质使其难以储存和运输。一方面,氢具有很高的质量能量密度,大约是汽油的三倍。但是体积能很低,在室温和压力下比汽油低4个数量级。
另一方面,氢气还具有易燃易爆的特点,爆炸极限浓度为4.0%-75.6%(体积浓度),在高压下容易使金属材料发生氢脆反应。这些物理性质使得氢的运输和储存变得棘手。
气体,液体,固体这是最好的方法
氢气的储运方式主要有气态、液态和固态三种。
目前最常用的储氢运输技术是高压气储氢技术。储氢运输的工作压力一般达到120- 150atm,甚至高达200atm。
高压气相储氢的优点是应用灵活,充放电速度快,可在室温下操作。
这种方法的主要缺点是需要配备高强度耐压容器,压缩后才能存储,但压缩过程不可避免地消耗大量能量。此外,压力容器在储存氢气时容易被腐蚀,存在泄漏和爆炸的风险。
此外,高压储氢还对氢气传输距离敏感,可能导致成本激增。
11月15日,上海氢枫能源副总经理冯轩在盐城举行的中国新能源发展论坛上的演讲支持了这一观点。他说:“现在,储存和运输高压气体岩心在150公里内有其优势。”“超过150公里后,运输成本在氢气总成本中所占的比例越来越大。”
低温贮氢液态氢的最大优点是质量贮氢密度相对较高。根据目前的设备水平,低温液氢储运密度可超过5wt%。王说,液氢在这里运输的效率是压缩气体运输的10倍。
但是液氢容易蒸发损失,储存和运输需要低温设备,需要优良的绝缘来绝缘,成本高。另外,液态氢储存在大罐内容易发生热分层,可能导致罐内氢气爆炸破裂。
另一种储存氢的方法被称为“固态氢储存”。在一定的温度和压力下,氢原子被金属捕获,形成稳定的金属氢化物。然后氢从金属氢化物中释放出来,然后金属氢化物被热激发分解。
与上述气态和液态储氢合金相比,储氢合金具有更大的体积密度,可达50kg/m3。而固体金属储氢比上述两种方法更安全,即使发生剧烈撞击也不会爆炸。
但其缺陷主要在于储氢合金重量大,使储氢质量密度小于10%。由于需要额外配套的催化氢化脱氢设备,无论是用于氢汽车还是工业运输都会增加额外的费用支出,而储氢合金经过多次洗涤后,性能不稳定,易粉化,这样的材料使用寿命不理想。
另外,管道混氢也是氢气储运的一种方式,但这种方式最大的问题之一就是计算不清。
氢的单位价格远高于天然气,但热值仅为天然气的1/3。如果输气管道与氢气混合,且终端热值相同,氢气的价格应为天然气的1/3。目前,天然气门站价格约为1.8元/立方米。按照1/3的价格,氢气的价格应该是0.6元每立方米,但这个价格甚至低于制氢的成本。
多种储存和运输形式可能长期共存
不同的储运方式各有优缺点。业内专家认为,氢气的储存和运输可能以高压气态氢、液态氢、管道储氢等多种方式长期共存。
传统的气态储氢技术将在短程储氢运输中发挥重要作用。由于这项技术已经比较成熟,我国35MP和70MP储氢瓶的生产已经进入正常轨道。
“世界上绝大多数液氢生产现在都集中在美洲,还有一些集中在日本。日本自2001年引进氢燃料电池后,一直在推进液态氢的商用化。王海说。由此可见,我国液氢的发展落后于国外。
然而,在中国液氢利用出现了一种新的模式。该模式是由大连化学研究所李灿团队研究的液体阳光项目。
中国科学院大连化学物理研究所张家港工业技术研究院有限公司副院长岳欣在盐城论坛上介绍:“液体阳光从制氢到合成甲醇,再到转化制氢的整个过程。核心环节是在甲醇重整过程中,有少量的一氧化碳,会在过程中形成积累,干扰过程。我们还利用一氧化碳重整在低氢高二氧化碳的条件下将其转化为一氧化碳和氢气,还可以增加其经济性。电解甲醇制备低温氢+燃料电池是最适合的。
长输氢管道,目前也有项目在试行中,不久前在张家口举行了国家电力为中心研究所参加“气体混合氢关键技术研发及应用示范项目启动大会”,该项目生产的氢气经过净化后的三路运输,将全程与张家口市燃气管道混合,应用于民用炉具和HCNG汽车。
固态氢储存还处于探索阶段,但进展的速度令人鼓舞。
江苏工业技术研究院先进能源材料与应用技术研究所所长周少雄表示,他们研发的低温固态储氢材料可以存储氢体积的100倍,所以其储氢密度高于液氢。这些合金材料非常稳定,不会燃烧爆炸,可逆性好,重复使用不少于5000次
近年来,世界上许多国家在固态储氢的应用和新型储氢材料的研究开发方面都取得了很大的进展。成熟的储氢材料已应用于热电联产、储能、汽车燃料电池氢源系统等诸多领域。
综上所述,我国氢气行业已经在储运环节产生了多种技术路线,不同的技术路线是适应不同的应用领域,但如果从规模的角度(iphe、规模化、氢气的长距离储存和运输模式更有利于行业的快速发展,固态氢气储存,氢气管道,随着我们对不同材料的探索和技术的进步,我们相信,氢气储运不再是整个行业发展的短板。
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