雖然我國(guó)液氫生產(chǎn)與應(yīng)用歷史悠久，是世界上最早使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家之一，但技術(shù)和裝備長(zhǎng)期局限在航天軍工領(lǐng)域，民用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)和裝備缺失，液氫產(chǎn)量低。與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，液氫技術(shù)和裝備水平還有顯著差距。全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)高級(jí)顧問(wèn)、首任主任委員陳霖新指出，液氫生產(chǎn)與應(yīng)用涉及的幾個(gè)行業(yè)已被美國(guó)列入商業(yè)管制清單，大規(guī)模液氫生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)設(shè)備、材料和工藝技術(shù)受到進(jìn)口限制，液氫技術(shù)和裝備國(guó)產(chǎn)化任務(wù)迫在眉睫。
氫的儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
一直以來(lái)，氫的高密度儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。
氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是發(fā)揮氫能戰(zhàn)略意義的重要支撐。氫能對(duì)促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系都具有重大戰(zhàn)略意義，主要的實(shí)現(xiàn)路徑是通過(guò)氫與多種能源形式耦合來(lái)大幅提升可再生能源在一次能源消費(fèi)中的占比。考慮到我國(guó)可再生能源資源與負(fù)荷中心的逆向分布，缺乏低成本可靠的高密度儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)限制了我國(guó)西部豐富的可再生能源制氫的潛力。
圖1 中國(guó)與全球當(dāng)前制氫方式構(gòu)成(來(lái)源：中國(guó)石化)
氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與終端用氫成本密切相關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)氫氣產(chǎn)能達(dá)2500萬(wàn)噸，是制氫大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，已投產(chǎn)和在建的工業(yè)副產(chǎn)項(xiàng)目氫供應(yīng)規(guī)模可達(dá)400萬(wàn)噸以上，初期示范應(yīng)用成本較低廉的氫源相對(duì)容易解決，但當(dāng)前技術(shù)水平下氫的中遠(yuǎn)距離儲(chǔ)運(yùn)大幅增加氫終端售價(jià)，不利于終端氫能應(yīng)用領(lǐng)域的培育和發(fā)展。
圖2 中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能分布(來(lái)源：光大證券)
氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)也是健全氫安全市場(chǎng)監(jiān)管體系的重要一環(huán)。氫的儲(chǔ)運(yùn)、加注等環(huán)節(jié)特種設(shè)備多，檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在完善，在氫能安全受到強(qiáng)監(jiān)管形勢(shì)下，獲得各界認(rèn)可的高密度儲(chǔ)氫安全體系建立對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)準(zhǔn)入和商業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。
發(fā)展液氫技術(shù)和裝備具有重要意義
當(dāng)前氫的儲(chǔ)存分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫及吸附儲(chǔ)氫等多種方式。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為當(dāng)前主要儲(chǔ)氫方式。其中，鋼制氫瓶和壓力容器最成熟，20MPa鋼制氫瓶應(yīng)用廣泛;車(chē)載高壓氫瓶中，35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶仍是國(guó)內(nèi)主流，70MPa碳纖維纏繞Ⅵ型瓶仍待推向市場(chǎng)。
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在國(guó)內(nèi)航天工程中已成熟使用，民用領(lǐng)域還處在起步階段。化學(xué)儲(chǔ)氫常見(jiàn)于有機(jī)液體儲(chǔ)氫、氨等化合物儲(chǔ)氫，吸附儲(chǔ)氫以金屬氫化物儲(chǔ)氫為主，這些儲(chǔ)氫方式尚處于示范應(yīng)用階段。
表1 各種儲(chǔ)氫方式對(duì)比
氫的運(yùn)輸方式中，20MPa高壓長(zhǎng)管拖車(chē)在國(guó)內(nèi)最為常見(jiàn)，單車(chē)運(yùn)氫約300kg，適合150公里以內(nèi)短距離運(yùn)輸，國(guó)外一般采用45MPa長(zhǎng)管拖車(chē)，運(yùn)氫能力提升到700kg。
1-4MPa管道運(yùn)輸適合陸上遠(yuǎn)距離氫氣輸送，目前全球分布有近5000公里氫氣管道，主要分布在美國(guó)、比利時(shí)和德國(guó)。國(guó)內(nèi)目前建成約40公里，主要用于向化工和煉油設(shè)施輸送氫。管道輸氫造價(jià)昂貴，項(xiàng)目準(zhǔn)入尚存在困難，不適合中短途輸送氫氣。
液氫輸運(yùn)可采用槽罐車(chē)，適合500公里中遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸。火車(chē)和汽車(chē)運(yùn)氫量分別可達(dá)7000kg和2800kg，但目前國(guó)內(nèi)液氫民用輸運(yùn)尚無(wú)先例，存在較大障礙。日本已開(kāi)發(fā)液氫運(yùn)輸船，最多可運(yùn)氫1250Nm3，成為遠(yuǎn)程海洋運(yùn)輸?shù)挠行Х绞健?/p>
高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本高，距離敏感性高，需要進(jìn)一步提高儲(chǔ)運(yùn)效率，液氫儲(chǔ)運(yùn)體積密度是高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的5倍，在中長(zhǎng)距離氫氣儲(chǔ)運(yùn)中經(jīng)濟(jì)性較高，是未來(lái)氫儲(chǔ)運(yùn)的重要方向。據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，配送成本上看，500公里時(shí)，液氫配送成本僅增加約0.3USD/kg，而高壓氣態(tài)運(yùn)輸配送成本將上升5倍以上，接近2USD/kg。
圖3 各種輸送方式氫配送費(fèi)用(數(shù)據(jù)來(lái)源：IEA)
氫液化需消耗自身能量的25-35%，約13-15KWh/kg，這導(dǎo)致目前液氫的輸運(yùn)成本偏高。但隨著運(yùn)輸距離的增加，液氫輸運(yùn)環(huán)節(jié)綜合成本將具備較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，據(jù)陳霖新的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)輸距離達(dá)500公里時(shí)，液氫制備與運(yùn)輸成本比高壓氣瓶方式降低近20%。
在加氫站環(huán)節(jié)，采用液氫技術(shù)和裝備，將有效降低占地面積和設(shè)備投資，據(jù)航天101所副總工程師劉玉濤展示的數(shù)據(jù)，同樣加氫規(guī)模的加氫站，采用液氫技術(shù)可減少設(shè)備臺(tái)套數(shù)，并減少占地面積，建設(shè)成本可比高壓氣態(tài)加氫站減少15-20%。
就國(guó)外氫能技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)看，全球加氫站中1/3采用液氫技術(shù)。美國(guó)和日本根據(jù)本國(guó)情況主推液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線。在美國(guó)有約33.5%的液氫用于石油化工電子行業(yè)，18.6%用于航空航天，約10%服務(wù)于燃料電池車(chē)輛的加氫站。澳大利亞和日本的氫能供應(yīng)鏈項(xiàng)目HESC也采用液氫運(yùn)輸船遠(yuǎn)距離輸送氫氣，成為世界范圍內(nèi)分配氫能源的一種有效方式。
根據(jù)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院的預(yù)測(cè)，2050年液氫將占所有儲(chǔ)氫方式的45%。
圖4 儲(chǔ)氫方式構(gòu)成預(yù)測(cè)
國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，在我國(guó)，氫氣終端售價(jià)事關(guān)氫能示范應(yīng)用是否具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)條件，是否可以不斷擴(kuò)大規(guī)模形成良性發(fā)展。對(duì)于中長(zhǎng)距離運(yùn)輸，液氫技術(shù)和裝備不可替代，有助于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化氫源以較低的儲(chǔ)運(yùn)、加注成本供應(yīng)氫能終端消費(fèi)聚集區(qū)域。
我國(guó)液氫技術(shù)和裝備有待突破
我國(guó)當(dāng)前液氫產(chǎn)能較低，氫液化設(shè)備由美國(guó)AP、普萊克斯、法國(guó)法液空、德國(guó)林德等廠商提供。國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力存在短板，特別是民用領(lǐng)域起步較晚，目前有航天101所、中科富海和國(guó)富氫能等單位在進(jìn)行氫液化系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。資料顯示，我國(guó)當(dāng)前最大氫液化規(guī)模2噸/天，采用氦膨脹液化循環(huán)和液氮預(yù)冷技術(shù)，液化設(shè)備依賴進(jìn)口，與國(guó)外技術(shù)差距明顯。
從液氫技術(shù)和裝備未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)看，氫氣液化能耗和氫液化成本仍需大幅下降，以降低液氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的成本。據(jù)林德數(shù)據(jù)顯示，小于5噸/天生產(chǎn)規(guī)模，氫液化能耗超過(guò)10KWh/kg，當(dāng)液氫工廠規(guī)模達(dá)到50噸/天和150噸/天時(shí)，氫液化能耗可降至約7KWh/kg和6KWh/kg。氫液化工廠規(guī)模由5噸/天提高到50噸/天時(shí)，氫液化總成本可降低50%。
圖5 氫液化能耗隨氫液化規(guī)模變化圖(來(lái)源：林德)
根據(jù)美國(guó)商業(yè)管制清單，限制了我國(guó)進(jìn)口10噸/天以上的氫液化技術(shù)及裝備，以及DN50以上液氫閥門(mén)、膨脹機(jī)、液氫泵等關(guān)鍵設(shè)備。國(guó)產(chǎn)民用大規(guī)模液氫技術(shù)和裝備的突破具有重大意義。
據(jù)了解，國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)和裝備正在取得一系列的進(jìn)展。航天101所國(guó)內(nèi)首套自主開(kāi)發(fā)的1m3/h氫液化系統(tǒng)落地浙江，會(huì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)基于氫膨脹的大型氫液化系統(tǒng)，形成系列化的產(chǎn)品，在氫液化系統(tǒng)、液氫加氫站設(shè)備及工程、車(chē)載液氫供氫等領(lǐng)域發(fā)力，加快航天技術(shù)轉(zhuǎn)民用的進(jìn)程。
液氫測(cè)試環(huán)節(jié)，航天101所建成液氫環(huán)境綜合試驗(yàn)區(qū)，并建成了液氫加氫站關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試平臺(tái)和車(chē)載液氫供氣系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。
為填補(bǔ)液氫民用標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的空白，航天科技集團(tuán)編制的《氫能汽車(chē)用燃料液氫》，《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)技術(shù)要求》等三項(xiàng)液氫標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2020年正式發(fā)布。
國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，液氫技術(shù)和裝備在民用領(lǐng)域的突破將有力促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，軍民融合、相關(guān)企業(yè)協(xié)同攻關(guān)將是取得突破的必由之路。
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