氢能储运关系氢能产业未来

从能源“生产-消费”角度,“采-制-储-运-加-用”构成了一个完整的能源产业供需体系。
运输在整个能源供应链中占有很大比重,并发挥关键作用。石油企业成功的做法是把复杂的炼油过程即生产柴油、汽油工厂都放在上游;成品油通过运输至下游;下游终端加油站设备与操作非常简单,按标准化“复制”建设非常容易,从而实现加油站遍地开花;燃油车加油也非常方便。石油公司通过终端加油建筑与设备占领了柴油、汽油终端市场。
良好的氢能运输与氢能网络是氢能产业发展的必要基础条件。随着氢能产业的兴起,未来“氢能社会”必然要实现制氢、储氢、运氢、加氢、耗氢每一个环节相互循环与快速匹配才有意义。
北京奥运和上海世博各自尝试了两种类型氢能供应方案。其一,站内制氢供氢加氢,2008奥运会北京永丰加氢站的工艺流程:产H2原料(天然气)→站内制氢→经压缩机加压→站内储气瓶组→加氢机→对氢燃料电池汽车加H2。整个示范工程占地4000m2,制氢原料是管网天然气,站内制氢技术要求高,制氢和加氢两种设备组合占地面积大。其二,外供氢加氢,2010年上海世博会安亭加氢站的工艺流程:从外面制氢工厂用储氢瓶拖车运来的H2→卸气→压缩设备二次加压→站内储气瓶组→加氢机→对氢燃料电池汽车加H2。这两个典型尝试,与常规加油站相比,占地面积都比较大,所涉及的设备多、操作复杂,工艺步骤和规格不能统一,难以大规模复制。
氢的质量能量密度高,大约是汽油的3倍;但体积能量极低,常温常压下比汽油低4个数量级。氢还具有易燃易爆特点,爆炸极限浓度为4.0%-75.6%(体积浓度),同时在高压下容易使材料发生氢脆。这些固有物性使得氢的运输和储存十分不便,成为氢能产业一个比较棘手的问题。
目前最为常用的氢气储运技术是高压气态储氢,储运工作压力一般达到120-150atm,甚至高达200 atm。高压气态储氢的优点是应用比较灵活、充放速度快,且在常温下就可以操作。主要缺点是需要配备高强度耐压容器,并且需压缩才可储存,但压缩过程中将消耗大量能源。此外,耐压容器在存储氢气时易被腐蚀,存在泄漏和爆破等风险,并且气态储氢能量密度较低,只有4.4 MJ/L,远低于汽油31.4 MJ/L的能量密度。
低温液态储氢(液化氢气密度为常温下的845倍,氢气液化储存需要达到超低温-253℃)最大优势是质量储氢密度相对较高,按照目前的设备水平低温液氢储运中密度能可以超过5wt%。但液态氢气容易蒸发损失(氢液化所需能量为液化氢燃烧产热的30%)并且储运过程中需要配套低温设备,需要极好的绝热装置来隔热造成成本高企。液氢在大型储罐中储存时容易出现热分层,可能发生液氢爆沸,使储罐爆破。这种方式现阶段主要用于军事和航天,民用领域较难接受。
欧洲Natural Hv项目、荷兰VG2项目、德国DVGW项目以及美国DOE实施的氢能管道研究发展工程等均在尝试一种新的储运氢手段--掺氢天然气管道输送。利用现有的天然气管道进行改造升级,使其能够输送氢气,是氢能快速推广的一种捷径,虽然解决了安全性问题(据了解己有管道达到掺氢20%左右,仍能保证安全性),但是由于天然气目前储量丰富,现阶段只需要支付开采成本,氢气没有价格优势,氢气通过天然气管理完成渗透乃至普及存在较大阻力。
在一定温度和压力条件下,金属捕捉氢原子,生成稳定的金属氢化物。之后,通过加热的方式激发金属氢化物,使金属氢化物分解,从而使氢气从中释放出来。这些能够吸收并释放氢的金属,被称为储氢合金。储氢合金的优点是相对于上述气态和液态储氢有较大的体积储存密度,其体积储氢密度最高可达到50kg/m3。而且储氢合金的安全性比上述两种方法好,即使遇剧烈撞击也不会发生爆炸。限制该方法的应用的缺陷主要是储氢合金自重过大,使其储氢质量密度均在10%以下。由于需要额外配套催化加氢脱氢设备,无论使用在氢能汽车或工业运输上都会由此造成较大负担,并且储氢合金经过多次冲放后,性质并不稳定,容易粉化,使用寿命均不理想。
至于正在开发和技术验证中的有机物储氢、无机物储氢及其他储氢材料,如高比表面活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管、介孔氧化硅及金属有机架构(MOFS)等,目前均不太成熟,离商业应用尚远,现阶段不具备规模应用的可能。倒是将这些技术与材料与上述三种储氢方式结合使用,相互弥补缺陷,可以进一步提高储氢效率。
科莱恩旗下的催化剂事业部与Hydrogenious Technologies公司开发了一种新型的氢储运方法,被认为是一种较为可靠、可扩展的、安全的供氢方案。他们将分子与液体有机氢载体(Liquid Organic Hydrogen Carriers,LOHC)进行绑定。液态有机烃二苄基甲苯通过Ele Max H催化剂进行加氢反应,实现了储氢;采用Ele Max D催化剂发生脱氢反应,可按需释放氢气。科莱恩开发的这种催化剂活性高,优化了LOHC的使用寿命及效能。行业专家认为,键合氢的化合物不易爆、无毒、不易燃,类似柴油特性,不属于危险品,常压下,在-39℃~390℃,其为液态,简单易用、运输便捷。相比较而言,这使得其操作灵活性,安装在工业场所以及商业和公共燃料加注点更加容易,甚至可将该类设备布置在居民区附近乃至居民区内。
中国地质大学(武汉)可持续能源实验室利用不饱和芳香化合物催化加氢的方法,成功攻克了氢能在常温常压下难以贮存和释放这一技术瓶颈,实现了氢能液态常温常压运输。该方案克服了传统高压运输高成本、高风险的弊病,所储氢在温和条件下加催化剂释放后即可使用。储氢材料的技术性能指标超过了美国能源部颁布的车用储氢材料标准。实验室研究显示,储氢分子熔点可低至-20℃,能在150℃左右实现高效催化加氢,并在常温常压下进行储存和运输;催化脱氢温度低于200℃,脱氢过程产生氢的纯度可高达99.99%,并且不产生CO、NH3等其他气体;储氢材料循环寿命高、可逆性强(>2000次);质量储氢容量>5.5wt%,体积容量>50kg(H2)/m3。所用催化剂无需再生即可重复使用,5年内无需更新。业界认为该技术处于国际领先水平,并有可能引发氢能利用革命。目前,该技术方案及相关材料、装备在江苏氢阳能源有限公司中试与转化。
氢能储运环节是制约氢能发展的最主要技术瓶颈。虽然加压压缩储氢、液化储氢、化合物储氢与储氢合金等技术均取得了较大进步,但储氢密度、安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决,离大规模商业化应用距离。


文章分类: 节能环保新能源
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