氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關鍵-氫氣存儲技術

氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關鍵--氫氣存儲技術當前，全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉換期。作為最為環(huán)保的“終極能源”，氫能將在發(fā)電、供熱和交通方面逐步廣泛應用，在我國終端能源體系中的占比將達到10%。氫的儲存和運輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，高度依賴技術進步和基礎設施建設，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點。未來，發(fā)展安全、高效、廉價的儲運氫技術是實現(xiàn)氫能商業(yè)化應用的關鍵。不同的儲氫方式，其儲氫密度差別很大。氫能的存儲方式主要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫等，不同的儲氫方式具有不同的儲氫密度，其中氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度最小，金屬氫化物儲氫方式的儲氫密度最大，液態(tài)儲氫將是未來主要的儲氫方式。高壓氣態(tài)儲氫技術成熟，但容量偏小。高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用并且比較成熟的儲氫方式，其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。目前最常用的高壓氣態(tài)儲氫容器是鋼瓶，其優(yōu)點是結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快；缺點是存在泄漏爆炸隱患、安全性能較差及體積比容量低。長管氣瓶組及長管拖車也在中國成功制造，已經(jīng)在一些制氫工廠、用氫的企業(yè)、加氫站安裝并運行。目前國內已建和在建加氫站，一般都采用該儲氫設備。低溫液態(tài)儲氫成本高。工業(yè)氫氣的規(guī)?；畠r生產(chǎn)和儲運是實現(xiàn)氫能實用化利用的基礎。液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍，氫氣液化的費用昂貴，耗能較高（4?10千瓦時/千克），約占液氫制取成本的1/3。此外，液態(tài)氫的儲存容器需要極好的絕熱裝置來隔熱，避免沸騰汽化。如果氫能以液態(tài)形式儲運，且價格低廉，其替換傳統(tǒng)能源將指日可待。當前，液態(tài)氫主要作為航天火箭推進器燃料，其儲罐和拖車已在我國航天等領域應用。針對人類太空研究計劃的需要，液態(tài)氫的儲存容器趨于大型化。目前已能建造儲存量超過1000立方米容積的大型液態(tài)氫絕熱儲槽。固態(tài)儲氫密度大，技術尚未成熟。固態(tài)儲氫方式能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲氫方式的不足，且儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全等，特別適合對體積要求較嚴格的場合，如在燃料電池汽車上的使用，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲氫方式。固態(tài)儲氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫。其中化學氫化物儲氫中的金屬氫化物是未來儲氫技術發(fā)展方向金屬氫化物儲氫工藝簡單，與壓縮氣體和低溫液化形成鮮明的對比，只要選擇一種適合的金屬氫化物，就能使氫在室溫和不太高的壓力下儲存于金屬氫化物中。用金屬氫化物儲氫的突出優(yōu)點在于安全，氫是處于低壓下與另一種物質（儲氫合金）結合成準化合物態(tài)而存在，不需要高壓和低溫。金屬氫化物儲氫具有儲氫密度高、純度高（從氫化物中加熱釋放出的氫具有極高的純度，通?？梢赃_到99.999%以上）的特點。但目前真正將金屬氫化物儲氫用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的少見，主要有四個方面的原因：一是儲氫合金價格昂貴。二是結構復雜，由于儲氫過程中有大量熱量釋放出來，儲存器內必須增加換熱設備。三是氫化物自身很不穩(wěn)定，易受有害雜質組分的毒害，多次使用之后，性能明顯下降。四是儲氫密度雖高，但儲氫質量比太低，即以質量分數(shù)計，僅能儲存2%?4%的氫氣。金屬氫化物儲氫還處于試驗研究階段，尚未進入商業(yè)應用。有機液體儲氫備受關注。通過加氫，有機液體可以加載氫氣，然后通過加熱或催化作用脫氫。這使得氫在大氣溫度和壓力，以超過6%的重量密度進行儲運，脫氫后的有機液體可重復使用。這種儲氫方法具有高質量、高體積儲氫密度，安全、易于長距離運輸，可長期儲存等優(yōu)點。有機液體儲氫也存在很多不足，例如：技術操作條件較為苛刻，要求催化加氫和脫氫的裝置配置較高，導致費用較高；脫氫反應需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質和反應平衡極限的限制，脫氫反應效率較低，且容易發(fā)生副反應，使得釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結構，導致結焦失活。大規(guī)模季節(jié)性儲氫，地下儲氫是最好的選項。目前最為成熟的技術是鹽穴儲氫，全球已經(jīng)建成3座地下鹽穴儲氫庫，借鑒天然氣地下儲存的經(jīng)驗，氫也有可以被壓縮并注入枯竭的氣田。與鹽穴相比，枯竭氣田體積更大，分布更廣，在未來可能提供更合適的長期儲氣方案。目前對這種儲存形式的挑戰(zhàn)主要是氫氣的擴散性、氫脆以及氫氣對巖石屬性的影響等。氫能的規(guī)模應用取決于長距離運送。氫氣可通過卡車、輪船、鐵路和管道運輸。未來，工業(yè)氫氣輸送方式將以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主，長輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎研究，并創(chuàng)新管道運營管理方式，以實現(xiàn)長距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設。目前管道輸氫處于起步階段，通過管道運輸氫氣有兩種可能情況：一是管道摻氫，即向現(xiàn)有天然氣管道中注入氫氣至指定濃度，通常體積濃度低于20%，天然氣與氫氣同屬可燃氣體，二是純氫管道，即使用現(xiàn)存或新管道運輸濃度為100%的純氫。管道輸氫還可以在已建管道中添加氫氣進行混合輸是未來發(fā)展的趨勢，能在天然氣供需趨緊的情況下滿足季節(jié)調峰需求。管網(wǎng)摻氫的關鍵在于，在不對設施進行材料升級的要求下實現(xiàn)輸氫。濃度體積為20%的氫氣是可以被接受的，限制氫氣濃度的關鍵在于終端用戶是否可以接納更高濃度的氫氣。使用天然氣管道混輸氫氣的實驗已經(jīng)在全球數(shù)地開展。邊遠地區(qū)豐富的光電、風電電解水產(chǎn)生的氫氣，煤制氣、地下煤氣化產(chǎn)生的氫氣等，都可以通過天然氣管網(wǎng)輸送到用戶附近。很多國家正在積極進行管道摻氫輸氫的實驗研究，目前國外的研究表明，摻氫低于20%時，不會對現(xiàn)有管網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響；摻氫小于10%時，可直接輸送；項目目標是建立氫氣與常規(guī)天然氣的混合輸運系統(tǒng)，其中氫氣摻混比例最高為20%。天然氣管道摻氫目前仍面臨如下關鍵技術問題：不同摻氫比例對現(xiàn)有管道的影響不清楚；摻氫比例不確定，尚無公認的結論；氫脆對管道使用壽命的影響不清楚；輸氫管網(wǎng)與分布式能源管理模式仍處于探索中，無重大先例可循?？傮w看來，目前高壓氣態(tài)儲（運）氫技術相對成熟，但實現(xiàn)大規(guī)模、長距離儲運技術的商用化需要攻克幾大關鍵技術。一是解決氫脆問題的技術。氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材、巖石發(fā)生化學反應，當涉及管道摻氫和地下地質儲氫時。應做好不同摻氫比例對現(xiàn)有管道影響的研究，測試氫氣與管材相容性，確定安全摻氫比例范圍。二是液態(tài)儲氫技術。液態(tài)儲氫主要是液體有機化學儲