氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關(guān)鍵-氫氣存儲(chǔ)技術(shù)

氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關(guān)鍵--氫氣存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)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(zhuǎn)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(yīng)用，在我國終端能源體系中的占比將達(dá)到10%。氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，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(diǎn)。未來，發(fā)展安全、高效、廉價(jià)的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。不同的儲(chǔ)氫方式，其儲(chǔ)氫密度差別很大。氫能的存儲(chǔ)方式主要包括低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等，不同的儲(chǔ)氫方式具有不同的儲(chǔ)氫密度，其中氣態(tài)儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最小，金屬氫化物儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最大，液態(tài)儲(chǔ)氫將是未來主要的儲(chǔ)氫方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，但容量偏小。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用并且比較成熟的儲(chǔ)氫方式，其儲(chǔ)存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里。目前最常用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器是鋼瓶，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快；缺點(diǎn)是存在泄漏爆炸隱患、安全性能較差及體積比容量低。長(zhǎng)管氣瓶組及長(zhǎng)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(yùn)行。目前國內(nèi)已建和在建加氫站，一般都采用該儲(chǔ)氫設(shè)備。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫成本高。工業(yè)氫氣的規(guī)?；畠r(jià)生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化利用的基礎(chǔ)。液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍，氫氣液化的費(fèi)用昂貴，耗能較高（4?10千瓦時(shí)/千克），約占液氫制取成本的1/3。此外，液態(tài)氫的儲(chǔ)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(chǔ)運(yùn)，且價(jià)格低廉，其替換傳統(tǒng)能源將指日可待。當(dāng)前，液態(tài)氫主要作為航天火箭推進(jìn)器燃料，其儲(chǔ)罐和拖車已在我國航天等領(lǐng)域應(yīng)用。針對(duì)人類太空研究計(jì)劃的需要，液態(tài)氫的儲(chǔ)存容器趨于大型化。目前已能建造儲(chǔ)存量超過1000立方米容積的大型液態(tài)氫絕熱儲(chǔ)槽。固態(tài)儲(chǔ)氫密度大，技術(shù)尚未成熟。固態(tài)儲(chǔ)氫方式能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲(chǔ)氫方式的不足，且儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等，特別適合對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)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(chǔ)氫方式。固態(tài)儲(chǔ)氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫。其中化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫中的金屬氫化物是未來儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展方向金屬氫化物儲(chǔ)氫工藝簡(jiǎn)單，與壓縮氣體和低溫液化形成鮮明的對(duì)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(chǔ)存于金屬氫化物中。用金屬氫化物儲(chǔ)氫的突出優(yōu)點(diǎn)在于安全，氫是處于低壓下與另一種物質(zhì)（儲(chǔ)氫合金）結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)而存在，不需要高壓和低溫。金屬氫化物儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)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_(dá)到99.999%以上）的特點(diǎn)。但目前真正將金屬氫化物儲(chǔ)氫用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的少見，主要有四個(gè)方面的原因：一是儲(chǔ)氫合金價(jià)格昂貴。二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于儲(chǔ)氫過程中有大量熱量釋放出來，儲(chǔ)存器內(nèi)必須增加換熱設(shè)備。三是氫化物自身很不穩(wěn)定，易受有害雜質(zhì)組分的毒害，多次使用之后，性能明顯下降。四是儲(chǔ)氫密度雖高，但儲(chǔ)氫質(zhì)量比太低，即以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，僅能儲(chǔ)存2%?4%的氫氣。金屬氫化物儲(chǔ)氫還處于試驗(yàn)研究階段，尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。有機(jī)液體儲(chǔ)氫備受關(guān)注。通過加氫，有機(jī)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(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)，脫氫后的有機(jī)液體可重復(fù)使用。這種儲(chǔ)氫方法具有高質(zhì)量、高體積儲(chǔ)氫密度，安全、易于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)液體儲(chǔ)氫也存在很多不足，例如：技術(shù)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(dǎo)致費(fèi)用較高；脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低，且容易發(fā)生副反應(yīng)，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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)焦失活。大規(guī)模季節(jié)性儲(chǔ)氫，地下儲(chǔ)氫是最好的選項(xiàng)。目前最為成熟的技術(shù)是鹽穴儲(chǔ)氫，全球已經(jīng)建成3座地下鹽穴儲(chǔ)氫庫，借鑒天然氣地下儲(chǔ)存的經(jīng)驗(yàn)，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(zhǎng)期儲(chǔ)氣方案。目前對(duì)這種儲(chǔ)存形式的挑戰(zhàn)主要是氫氣的擴(kuò)散性、氫脆以及氫氣對(duì)巖石屬性的影響等。氫能的規(guī)模應(yīng)用取決于長(zhǎng)距離運(yùn)送。氫氣可通過卡車、輪船、鐵路和管道運(yùn)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(zhǎng)輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎(chǔ)研究，并創(chuàng)新管道運(yùn)營(yíng)管理方式，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設(shè)。目前管道輸氫處于起步階段，通過管道運(yùn)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?xì)怏w，二是純氫管道，即使用現(xiàn)存或新管道運(yùn)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(jìn)行混合輸是未來發(fā)展的趨勢(shì)，能在天然氣供需趨緊的情況下滿足季節(jié)調(diào)峰需求。管網(wǎng)摻氫的關(guān)鍵在于，在不對(duì)設(shè)施進(jìn)行材料升級(jí)的要求下實(shí)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(guān)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)在全球數(shù)地開展。邊遠(yuǎn)地區(qū)豐富的光電、風(fēng)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(jìn)行管道摻氫輸氫的實(shí)驗(yàn)研究，目前國外的研究表明，摻氫低于20%時(shí)，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響；摻氫小于10%時(shí)，可直接輸送；項(xiàng)目目標(biāo)是建立氫氣與常規(guī)天然氣的混合輸運(yùn)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(guān)鍵技術(shù)問題：不同摻氫比例對(duì)現(xiàn)有管道的影響不清楚；摻氫比例不確定，尚無公認(rèn)的結(jié)論；氫脆對(duì)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。總體看來，目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)（運(yùn)）氫技術(shù)相對(duì)成熟，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的商用化需要攻克幾大關(guān)鍵技術(shù)。一是解決氫脆問題的技術(shù)。氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材、巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)涉及管道摻氫和地下地質(zhì)儲(chǔ)氫時(shí)。應(yīng)做好不同摻氫比例對(duì)現(xiàn)有管道影響的研究，測(cè)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(chǔ)氫技術(shù)。液態(tài)儲(chǔ)氫主要是液體有機(jī)化學(xué)儲(chǔ)