氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用VIP

氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用摘要：氫能是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?，氫能的利用發(fā)展不僅可以解決可再生電力能源消納和儲(chǔ)存的問(wèn)題，還可助力保障國(guó)家能源安全和推動(dòng)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由于氫特殊的物理性質(zhì)，如密度小、能量密度大等，其安全高效的儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。針對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀在電力工業(yè)中的應(yīng)用，介紹了氫能利用發(fā)展的背景及意義，整理并解讀了我國(guó)氫儲(chǔ)運(yùn)及電力應(yīng)用的相關(guān)政策，梳理并對(duì)比了現(xiàn)有主流氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，其中包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、金屬氫化物儲(chǔ)運(yùn)的原理及經(jīng)濟(jì)性分析，分析氫能的電力應(yīng)用，包括氫燃料電池發(fā)電及氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)。關(guān)鍵詞：氫能；氫氣儲(chǔ)運(yùn)；氫能發(fā)電；氫燃料；燃料電池；燃?xì)廨啓C(jī)氫能具有能量密度大、熱值高、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源廣泛、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn),是清潔的二次能源,目前,全球每年生產(chǎn)氫氣約為1.17億t,其中副產(chǎn)氫氣0.48億t,專門制氫約為0.69億t。全球約98%的純氫是通過(guò)碳密集型方法,使用天然氣或煤為原料生產(chǎn)的灰色氫能,其余2%的氫能則通過(guò)電解方式生產(chǎn)的綠色氫能。中國(guó)每年約生產(chǎn)2500萬(wàn)t氫,其中灰氫約占96%以上。目前制氫原料仍以化石燃料為主,存在制氫成本高、碳排放污染等問(wèn)題,而氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提是清潔無(wú)污染,制氫原料應(yīng)從化石燃料向可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等)方向逐漸轉(zhuǎn)變。為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展,多地結(jié)合多能互補(bǔ)示范基地建設(shè)開(kāi)展可再生能源制氫示范項(xiàng)目,不僅提高了風(fēng)光等新能源的消納能力,體現(xiàn)綜合能源項(xiàng)目的示范效果,還豐富了氫能的來(lái)源氫氣是推動(dòng)全球綠色低碳轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳中和”目標(biāo)的潛在支撐,可為電力、交通、鋼鐵、建筑等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供助力。世界各國(guó)積極出臺(tái)氫能發(fā)展規(guī)劃,推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái),隨著政策的引導(dǎo)與技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。但仍存在氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)亟待突破,關(guān)鍵材料尚未自主,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有待加強(qiáng)等諸多問(wèn)題。因此,本文總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài),重點(diǎn)研究了綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),結(jié)合我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了典型的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展建議,以期對(duì)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。1氫能儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)1.1氫能儲(chǔ)存①高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，是目前我國(guó)最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫即通過(guò)高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器中，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲(chǔ)存，氫氣的儲(chǔ)量與儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器，簡(jiǎn)便易行，其優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)能耗低、成本低(壓力不太高時(shí)),且可通過(guò)減壓閥調(diào)控氫氣的釋放，因此，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已成為較為成熟的儲(chǔ)氫方案。②低溫/有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣液化，然后儲(chǔ)存在低溫絕熱真空容器中。該方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量很高，由于液氫密度為70.78，是標(biāo)況下氫氣密度的近850倍，即使將氫氣壓縮，氣態(tài)氫單位體積的儲(chǔ)存量也不及液態(tài)儲(chǔ)存。但液氫的沸點(diǎn)極低(?252.78℃)，與環(huán)境溫差極大,對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱要求很高。目前最大的液化儲(chǔ)氫罐是位于美國(guó)肯尼迪航天中心的儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)氫容積達(dá)12000L。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是通過(guò)加氫反應(yīng)將氫氣與甲烷(TOL)等芳香族有機(jī)化合物固定，形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷（MCH）等飽和環(huán)狀化合物，從而可在常溫和常壓下，以液態(tài)形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并在使用地點(diǎn)在催化劑作用下通過(guò)脫氫反應(yīng)提取出所需量的氫氣。液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運(yùn)，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問(wèn)題，液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫將成為氫能儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域最有希望取得大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)之一。③固體材料儲(chǔ)氫根據(jù)固態(tài)材料儲(chǔ)氫機(jī)制的差異，主要可將儲(chǔ)氫材料分為物理吸附型儲(chǔ)氫材料和金屬氫化物基儲(chǔ)氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲(chǔ)氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲(chǔ)氫方式。1.2氫能運(yùn)輸①氣氫輸送氣態(tài)輸運(yùn)分為長(zhǎng)管拖車和管道輸運(yùn)2種，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸壓力一般為，我國(guó)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長(zhǎng)距離大容量輸送時(shí)，成本較高，整體落后于國(guó)際先進(jìn)水平；而管道運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送的重要方式。管道運(yùn)輸時(shí)，管道運(yùn)輸壓力一般為，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運(yùn)發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式。②液氫輸送液態(tài)輸運(yùn)適合遠(yuǎn)距離、大容量輸送，可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運(yùn)輸。采用液氫輸運(yùn)可以提高加氫站單站供應(yīng)能力,日本美國(guó)已經(jīng)將液氫罐車作為加氫站運(yùn)氫的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研發(fā)出LOHC(液態(tài)有機(jī)氫載體)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，全球首條氫供應(yīng)鏈?zhǔn)痉俄?xiàng)目采用了千代田公司的SPERA技術(shù)探索液態(tài)有機(jī)氫載體的商業(yè)化示范，在2020年實(shí)現(xiàn)了210t/年的氫氣輸運(yùn)能力。③固氫輸送通過(guò)金屬氫化物存儲(chǔ)的氫能可以采取更加豐富的運(yùn)輸手段，駁船、大型槽車等運(yùn)輸工具均可以用以運(yùn)輸固態(tài)氫。2氫能與電力2.1氫燃料電池發(fā)電氫能發(fā)電可以用來(lái)解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問(wèn)題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少CO2對(duì)煤炭的使用，減少的排放，且發(fā)電效率很高。根據(jù)電解質(zhì)種類不同，燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池等。目前重點(diǎn)關(guān)注的是PEMFC技術(shù)和SOFC技術(shù)。PEMFC工作溫度低、啟動(dòng)快，適用于交通領(lǐng)域；SOFC能量轉(zhuǎn)化率高、全固態(tài)，是一種清潔高效的發(fā)電裝置，一般用于大型集中供電、分布式發(fā)電等作為固定電站。國(guó)內(nèi)學(xué)者于2020年提出了一種利用SOFC燃料電池的新型發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)高效制氫和廢熱梯級(jí)利用，系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)61.2%。2.2氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電以清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電也是氫能在電力領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)具有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，15min左右即可將負(fù)荷從零拉滿，亦可以氫儲(chǔ)能作為中間環(huán)節(jié)，將氫燃?xì)廨啓C(jī)與新能源混合發(fā)電，即可解決棄風(fēng)棄光問(wèn)題，也能改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程為：①壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并壓縮；②壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?；③高溫燃?xì)饬魅肴細(xì)鉁u輪中膨脹做工，推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)輸出電力接入負(fù)載。例如一種風(fēng)–氫–燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的思想即是把風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的質(zhì)量較差的電接入電解槽電解制氫，通過(guò)氫儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存電力，在電網(wǎng)需要時(shí)再由氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷以及對(duì)新能源的消納，可以作為一種新型儲(chǔ)能發(fā)電形式與風(fēng)力、光伏等可再生能源配合發(fā)電。結(jié)語(yǔ)：氫能是一種理想的新型能源，具有清潔低碳、便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。氫能的最佳利用方式是通過(guò)燃料電池技術(shù)進(jìn)行氫電轉(zhuǎn)化，近年來(lái)燃料電池技術(shù)的不斷成熟也使得氫燃料電池成本快速下降，美、德、日等部分國(guó)家相繼出臺(tái)氫能戰(zhàn)略布局，我國(guó)也加速布局氫能戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔化、低碳化的氫能供應(yīng)體系，這對(duì)我國(guó)能源安全及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。參考文獻(xiàn)：任大偉,侯金鳴,肖晉宇,等.能源電力清潔化轉(zhuǎn)型中的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)探討[J/OL].高電壓技術(shù):1-10[2020-12-28].邵志剛,衣寶廉.氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望