润滑油行业在可再生氢全产业链的应用及展望.pdf
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1、34 摘 要:氢能是清洁高效的二次能源或能源载体。近年来由于政策推动和技术发展,氢能这一新兴产业开始迅猛发展,尤其是在“双碳”背景下可再生氢的技术路线成为全社会关注的行业新热点。新设备、新技术的出现,给润滑油行业带来新的机遇与挑战。文章从可再生氢制备出发,对氢能全产业链关键设备的润滑油液新需求进行系统梳理,总结了国产润滑油液产品在氢能领域业务拓展时面临的困难与挑战,探讨和展望润滑油行 业在氢能领域的发展路径,旨在引导润滑油行业更好服务氢能产业,助力“双碳”进程。关键词:氢能 润滑油 冷却液 加氢站 氢燃料电池收稿日期:20220629。作者简介:梁湘,大学本科,高级经济师,现任中国石化润滑油有
2、限公司综合管理部总经理,长期从事润滑油领域相关工作。氢能由于其热值高、主要来源为水、零碳排放、可运输可储存等优点,被认为是我国调整能源结构、实现能源互联的重要一环,目前全国已形成“32”氢燃料电池产业示范城市群发展格局。2022年3月,国家发展改革委和能源局联合印发首个国家层面的氢能规划氢能产业发展中长期规划(20212035年),迎来政策机遇的氢能产业必将成为未来经济中一个极为重要的新增长点。在氢能的油液技术配套方面,传统润滑油行业在一定程度上表现出行动滞后、认知不深和市场被动。本文以可再生能源电解制氢(简称可再生氢)为例,系统梳理氢能全产业链关键设备的润滑需求,汇总目前润滑油行业在这一新兴
3、领域业务拓展所面临的问题,共同探讨和展望润滑油行业在氢能领域的发展路径。1氢能全产业链关键设备润滑油液需求1.1上游制氢环节据中国氢能联盟统计1,国内氢气能源结构润滑油行业在可再生氢全产业链的应用及展望梁 湘(中国石化润滑油有限公司,北京 100085)主要为煤制氢、天然气制氢和工业副产氢,占比分别为63.54%、13.76%和21.18%,电解水制氢占比仅1.52%。预计到2050年,我国可再生氢比例将逐步提升至70%,增量空间巨大。作为典型的可再生氢技术,电解水制氢主要有碱性电解水、质子交换膜(PEM)电解水和固体氧化物电解水(SOEC,尚未达到商业化推广的程度)3种技术。国内碱性电解水技
4、术成熟,成本低,运行寿命可达20年,是短期推广电解水制氢的优先技术路线。PEM电解水制氢拥有功率范围宽、响应时间短、产氢纯度高、无污染、运营成本低、设备小巧分布灵活等优点,但相比碱性电解水设备在产业化推广方面存在成本高昂的明显劣势。碱性电解水和PEM电解水制氢技术的过程结构相似,均使用碱液循环泵、补水泵等将电解 PETROLEUM&PETROCHEMICAL TODAY石油化工Petrochemical2023 年 第 31 卷 第 7 期梁 湘.润滑油行业在可再生氢全产业链的应用及展望石油化工 352023 年第 7 期液(碱液或纯水)送入电解槽进行电解。过程中使用的泵设备、逆变器(风电制氢
5、会采用逆变器冷却液,光伏制氢功率较小,风冷即可)和变压器(目前采用干式变压器),均使用少量常规油脂产品或者是无油设备,无新润滑需求。1.2中游加氢站环节常压常温下,氢为气体,体积大,密度小,使用效率较低。氢能完成生产后运输到用氢装置通常需要转化储存状态,包括高压气态储存、低温液化储存、有机液态储氢和固态储氢4种形式。目前我国加氢站以35 MPa高压气态储运技术路线为主,逐步开始推进70 MPa高压气态加氢站和液氢加氢站的建设和设备研发。其中,液氢站的民用示范项目极少且均尚未商业化运营,故本部分重点探讨高压气态加氢站。图1为两种储运加氢技术路线。其中高压气态储运加氢的流程中,使用22 MPa氢气
6、压缩机进行罐装,运输到加氢站后卸气、压缩并储存在 45 MPa或90 MPa的固定式高压氢储罐中以备加注时使用。该过程中的关键设备是加氢压缩机,主流选型包括隔膜式和液驱往复式两种。1)隔膜式压缩机隔膜式压缩机通过隔膜将燃料电池用氢和油分隔开,能够有效防止氢气被污染,是在中高压(22 MPa和45 MPa)和大流量场景需求下最为广泛采用的加氢压缩机机型。用3层金属片作为隔膜,隔膜的油侧充满液压油,在活塞的带动下传递往复压力,完成对隔膜另一侧气室压缩与舒张;同时通过油泵使得油在油路中循环带出热量的同时完成对曲轴箱的润滑。值得关注的是,在气体压缩腔侧,氢气压缩最高瞬时温度可达200,热量会通过3层金
7、属片迅速传递到油侧。虽然目前在高压压缩机的机头部分配套冷却降温,但对于油品,尤其是90 MPa以上的隔膜压缩机配套用油的高温抗氧化、抗结焦、抗泡性能方面有着较高要求。另外,氢燃料电池的特色应用场景是低温冷启动,配套在部分高寒地区加氢隔膜压缩机的油品有对应的低温要求。2)液驱往复式压缩机液驱往复式压缩机可以理解为是将曲轴换成液压元件的往复式活塞压缩机。相比隔膜式压缩机,其优点是体积小,效率高,可以频繁启停,可输出超高氢气压力,是国内目前70 MPa以上加氢站的主选机型。从用油角度分析,液压油与高温气体压缩腔相隔较远,其工作温度一般为50,对油品抗氧化性能和抗泡性能的要求不如隔膜式压缩机用 油高。
8、3)加氢站公用工程上文提到的加氢压缩机,尤其是压缩氢气的出口端温度较高,需要持续冷却。这部分的冷却管路被纳入到加氢站公用工程当中,其冷却工质需满足两点需求。一是冷却液需防冻。出于安全考虑,加氢压缩机及其冷却管路一般放置在空旷的户外,在冬季或者高寒地区,公用工程管道中的冷却液需要兼顾防冻需求。可根据不同的环境温度选择不同冰点的防冻液产品。二是需对氢气进行预冷。在氢气加注过程中,氢气从高压的储罐中经过膨胀进入到低压的车载储氢瓶中,氢气的焦耳汤姆逊效应会导致氢气温度上升,而图 1 高压气态和液氢储运加氢技术路线运输车运输车加氢站燃料电池系统45 MPa气瓶35 MPa气瓶90 MPa气瓶70 MPa
9、气瓶制氢压缩机气瓶卸气柱压缩机汽化器液氢泵液氢泵氢液化系统液氢槽罐液氢储罐液氢储罐加注机加注机 石油化工PetrochemicalP 362023 年第 7 期直接加注过热的氢气会影响车载气瓶内胆材料寿命。目前35 MPa加氢站的预冷需求约20,25的防冻液足以满足使用需求。但随着会带来更大压差的70 MPa加氢站的规划推广以及追求与汽柴油加注速度相当的大流量氢气加注技术的应用,对于氢气的预冷需求会逐步降低至40。1.3下游用氢环节目前国内氢气消费以化工原料为主,未来氢燃料电池技术将是氢能转化和利用最主要的方式。截至2021年,我国氢燃料电池汽车保有量已超过9 000辆;按氢能产业发展中长期规
10、划(20212035年)预测,到2025年氢燃料电池汽车保有量将达到 5 万辆,据目前各省份已经公开的“十四五”氢能规划数据显示,保有量应该会更大(见表1)。无论是氢燃料电池汽车、船舶、轨道交通,表 1 已公开“十四五”氢能规划省市的氢燃料电池车推广/应用数量万辆数量上海北京山东河北江苏内蒙古四川河南重庆浙江合计氢燃料电池汽车5.01.01.01.01.01.00.60.50.50.512.1图 2 PEM 燃料电池电堆剖面H2流道H2流道O2流道O2流道水流道水流道水流道水流道水流道水流道双极板 A扩散层膜电极扩散层双极板 B扩散层膜电极扩散层双极板 C还是包括备用电源、热电联产等在内的固定
11、式发电场景,都是以氢燃料电池系统作为核心设备。但如果有润滑油蒸气进入电池内部,不但会堵塞电堆中双极板、扩散层的气体通道,还可能会导致催化剂中毒2,对电池输出功率造成不可逆的损伤,故氢燃料电池系统有着严格的无油要求。氢燃料电池冷却液是燃料电池系统中唯一的液体零部件。如图2所示,氢燃料电池冷却液在电堆双极板内的水流道中进行循环,可带出约90%反应热,从而使电池维持在 60 85的最佳反应温度,延长核心材料使用寿命。双极板中的水流道密集且狭窄,如果冷却液的电导率过高,会降低系统的绝缘电阻而导致输出功率下降,甚至引起水的电解。因此在电导率指标上,氢燃料电池冷却液与传统发动机冷却液(一般电导率是 2 0
12、00 S/cm)有着本质区别,一方面需要具有与去离子水相近的极低电导率(初始电导率小于 2 S/cm)的非离子缓释配方技术,另一方面要有足够良好的抗氧化性能和材料兼容性能,用来维持全生命周期低电导率。2氢能领域中润滑油行业面临的问题与挑战润滑油行业对氢能全产业链关键设备及润滑需求的认知逐步深化,相应的国产油液产品不断升级与完善,加氢站配套油液和氢燃料电池冷却液可实现市场突破,但在市场占有率、客户反馈、行业标准、新技术配套等方面仍然面临挑战。2.1进口油液的市场占有率仍然较高,非标准化的技术认证过程推进困难国内氢能产业的多项设备及技术在发展初期参考甚至直接引自国外。如,氢燃料电池技术自主化参考国
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