氢能储运技术优缺点比较分析及未来发展探讨.pdf
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1、2023 年 8 月Aug.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.009氢能储运技术优缺点比较分析及未来发展探讨(嘉兴学院建筑工程学院,浙江 嘉兴 314100)摘要 氢能是最具有发展前景的二次能源之一。大力发展氢能产业对我国应对全球气候变化、推动能源革命和实现碳达峰碳中和国家战略目标具有重大意义。氢能产业发展进程中如何实现高效、低成本的氢能储运成为一大难题。通过对现有氢能储运技术的优劣势进行分析,从储氢和运氢 2 个方面探讨了适合我国未来氢能储运发展的路径。关键词 氢能;储运;发展;经济;高效中图分类号TK91文献标识码A文章编号1672蛳 99
2、43(2023)04蛳 0030蛳 040引言氢能是一种清洁、高效、无碳的可持续发展能源。发展氢能产业对我国应对全球气候变化、推动能源革命和实现碳达峰碳中和国家战略目标具有重大意义。在氢能行业高速发展的同时,氢能成本过高是制约其发展的重要原因之一,其中储运成本约占总成本的 30%。因此,选择最为合适的储运模式、降低储运成本对实现氢能产业的蓬勃发展尤为重要。国家能源局综合司关于建立 “十四五”能源领域科技创新规划 实施监测机制的通知(国能综通科技 2022 99 号)明确提到对氢能储运技术的研究与攻关与示范试验。1储氢技术路径的优缺点比较分析根据氢的气体特性与储存行为特点,目前现有的储氢方式大致
3、分为:高压气态储氢、低温液态储氢、有机化合物储氢、金属氢化物储氢、物理吸附储氢等。高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中,通过增压来提高储氢容量,满足日常使用。这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式。其优点是设备结构简单、氢气压缩耗能低、充装和排放速度快。其缺点是储氢密度低,安全性较差咱1暂。在我国当前氢气短距离运输的应用场景来看,高压气态储氢在现在及未来很长一段时间内都仍将占据举足轻重的地位。低温液态储氢是将氢气低温液化后存储到特制的真空绝热容器中。由于低温液态氢高密度的特性(70.78 kg/m3),相较于传统的高压气态储氢其拥有更高的能量储存密度。虽然液化氢气技术门槛高、液化过程
4、能耗高,制取 1 kg 液氢需消耗约为12 kW h 的电量,相当于运输氢能的 30%。但是其储运方便、运输成本低、氢气纯度高等特点对于大规模、远距离的氢能储运来说具有较大的优势。突破液氢商业化应用,将是未来我国氢能发展规划的首要目标。有机化合储氢是指利用氢气与有机介质的化学反应,从而可在常温常压下,以液态形式进行储存和运输,并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气加注到车辆储氢罐中咱2暂。有机液态储氢的优点是储氢密度高,储运过程安全高效,可使用储罐、槽车、管道等已有的油品储运设施运输。但其较依赖催化剂、释氢效率有待提高、技术成熟度较低等都是这项技术亟待解决的致命缺点。若能率先
5、解决上述问题,有机化合物储氢将成为我国氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。金属氢化物储氢是以金属氢化物形式吸附氢,本质是金属合金与氢发生可逆反应时生成的一类氢化物,然后加热氢化物释放氢。其未来潜力巨大,尤其适合燃料电池汽车上使用,具有储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全性好、可循环使用等优点。但是释氢条件苛刻、技术运用还不成熟、质量效率低都是制约其发展的因素。因此近期我国并不适合将此类技术推广至商用领域。物理吸附储氢是利用氢气对固体材料在特定条件下良好的、可逆的热力学吸附、脱附性能,目前碳质材料使用较多,主要包括活性炭、碳纤维和纳米碳管等。这类储氢方式所使用的储氢材料具有
6、高基金项目:国家级大学生创新训练计划项目(202210354009)能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4302023 年 8 月Aug.,2023比面积、低温储氢性能好、安全可靠、可循环利用等优势咱3暂。物理吸附储氢仍存在许多弊端,例如机理认识不完全、常温或高温储氢性能差、制备成本较高等。虽然我国目前已将高效储氢的纳米碳质材料研究列为重点研究项目,但仍不主张对此类储氢技术过早投入商业化领域。综上所述,在当前现有的储氢技术中,使用单个储氢技术都会存在各自的弊端,具体比较内容如表 1 所示
7、。在经济、合理、安全、高效的情况下,需综合分析并运用各种储氢技术,继续开发尽可能降低氢气的体积、获得较高体积储氢密度和质量储氢密度的储氢技术。冯展博,等氢能储运技术优缺点比较分析及未来发展探讨表 1储氢技术路径的优缺点比较分析储氢方式高压气态低温液态有机化合物金属氢化物物理吸附质量储氢密度/%15.75.17.446.74.57.6612体积储氢密度/(kg m-3)14.5644073.71064050技术原理将氢气压缩于高压容器中,储氢密度与储存压力、储存容器类型有关低温条件下对氢气进行液化利用可循环液体化学氢载体储氢利用不同金属材料对氢的吸附作用强弱实现氢分子的储存与释放物理吸附采用分子
8、筛、高比表面积活性炭和新型吸附剂(纳米材料)等材料优点储存能耗低、充放氢速率可调、运输方便体积质量储氢密度大、远距离输运成本低、加注效率高、安全性相对较好储氢密度高、安全性较好、储运方便安全性高、储存压力低、运输方便压力适中、储存容器自重轻、形状选择多样、安全性高缺点储氢密度提升难、容器耐压要求高、长距离运输成本高液化过程能耗高、使用过程冷能利用率低、容器绝热性能要求高涉及化学反应、技术操作复杂、含杂质气体、往返效率相对较低存在价格较高的现象、释氢杂质多、寿命短、储存释放条件苛刻等问题普遍存在价格高、单位质量储氢密度低、储存释放条件苛刻等问题技术成熟度发展成熟,广泛应用于车用氢能领域国外约 7
9、0%使用液氢运输,安全运输问题验证充分距离商业化大规模使用尚远大部分处于研发试验阶段距离商业化大规模使用尚远分析结论比较适合当前我国氢能产业规模建议大力推广首要目标是尽快突破其民用技术水平应抢抓先机重点突破大规模商用当前阶段不建议运用在商业领域不建议过早民用化2运氢技术路径的优缺点比较分析通常储氢状态、运输量和运输距离是决定氢气的运输方式的关键要素,主要有高压气氢运输、低温液氢运输、管道运输和船舶运输 4 种方式。高压气氢运输分为长管拖车和管束式集装箱2 种,它们一般由数只储氢气瓶组成。我国长管拖车运输氢气技术较为成熟,短距离运输成本较低,比较适合当前我国氢能产业的发展规模,是近期不可替代的运
10、氢方案。然而,我国当下用于高压气氢拖车运输的储氢气瓶主要以工作压力 20 MPa 的纯钢制 I 型瓶为主。单车运输氢气约 380 kg,装运的氢气质量只占总运输质量的 1%2%咱4暂,卸气一般需要 26 h,运输效率较低。其只适用于氢气输送距离不太远,同时需用氢气量不太大的应用场所。这与国外领先技术仍有一定差距,国外主要采用 45 MPa纤维全缠绕高压氢瓶长管拖车运氢,单车运输氢气可达 700 kg。低温液氢运输方式主要采用液氢槽车,其通常搭载水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。汽车用液氢储罐其存储液氢的容量可以达到 100 m3,运氢量相当于 20 辆运输高压气氢的长管拖车,铁路用特殊大容量的槽车
11、甚至可运输 120200 m3的液氢,在储氢量、安全性方面都高于高压气氢运输,在长距离运输成本方面更是远远低于高压气氢运输。事实上,除了考虑常规液体运输过程中所涉及的冲击和震动等因素外,液氢运输当下痛点问题是在我国现有技术条件下,液化过程的能耗巨大、液化设备资金昂贵、储运过程不乏一定的排空损耗,无法大规模使用。管道运输是一种实现大规模、长距离的运氢重要方式,运输效率高并且成本较低。由于氢气需在低压状态下(工作压力 14 MPa)通过管道形式运输,相比高压运氢安全性好、能耗更低且运氢量更大。虽然我国目前已有多条输氢管道正在运行,但是一方面氢气管网布局相较于欧美等先进国家还有较大提升空间,另一方面
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