氢能储运技术现状及发展趋势
来源： 更新：2024-08-12 20:41:00 作者： 浏览：355次
氢能作为一种绿色环保、来源丰富、应用广泛的新兴能源，成为用能终端实现绿色低碳转型的有力手段。作为战略性新兴产业和未来新能源产业发展的方向，氢能产业对实现“碳达峰、碳中和”目标，推动能源生产和消费革命具有深远意义。据国际氢能委员会预测，到本世纪中叶，全球18%的能源终端需求将由氢能承担。
当前全球正加快氢能产业布局，最早开始发展氢能的国家是日本，该国在1973年就成立了氢能协会，并于2017年发布全球首个氢能国家战略———《氢能基本战略》。美国于2014年发布《全面能源战略》，此前已明确国家氢能发展4个阶段路线图，预计到2050年氢能将占美国终端能源需求的14%。除此之外，俄罗斯、德国、欧盟、韩国等发达国家和地区都曾出台相应政策促进氢能产业发展。
目前，在氢能的“制储输用”全产业链中，储运缓解的成本约占总成本的30%～40%，是制约氢能大规模发展的主要瓶颈。充分梳理氢能储运技术现状，分析未来发展趋势，对氢能大规模应用具有深远意义。
全球主要发达国家都高度重视氢能产业发展。全球氢能全产业链关键核心技术趋于成熟，氢能基础设施建设明显提速。
美国、日本、德国等重视发展氢能产业的发达国家，相继出台了有关氢能发展鼓励政策。美国《氢能经济路线图》提出，2025年美国氢燃料电池汽车运营数量将达到20万辆，2030年将达到530万辆。欧盟《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》提出，2030年欧盟氢燃料电池乘用车将达到370万辆。日本《氢能基本战略》提出，2025年日本氢燃料电池乘用车年产量应达到20万辆，2030年应达到80万辆。
从国内来看，我国作为世界上最大的制氢国，年制氢量约3300万t，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。根据中国氢能联盟预计，我国氢能产业产值到2025年将达到1万亿元；2030年需求量将达到3500万t，在我国终端能源体系中占比5%以上；2050年需求量接近6000万t，实现二氧化碳减排约7亿t，在终端能源体系中占比10%以上，产业链年产值达到12万亿元。
2023年4月10日，中国石化宣布拟建设全长超过400km的“西氢东送”输氢管道示范工程，并将其纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着国内首个长距离纯氢输送管道项目的启动。管道全长400km以上，一期运力10万t/a，远期可达到50万t/a。建成后，将用于替代京津冀地区现有化石能源制氢及交通用氢，大力缓解我国绿氢供需错配问题。同年4月16日，中国石油用现有天然气管道长距离输送氢气在技术层面获得重要突破，能够有效支撑未来我国大规模、低成本、远距离的氢能运输。中国石油在宁夏宁东天然气掺氢管道示范项目进行现场测试，这条全长397km的管道天然气掺氢比例已逐步达到24%，实现了连续100天安全稳定运行。
据统计，中国已规划的输氢管道(包括已建)总长度超过1800km，依照氢能产业发展规划，到2030年，氢气长输管道总里程将达到3000km。
中国氢能开发和建设相比于发达国家起步较晚，相关规范标准尚需完善。我国于2023年出台《氢能产业标准体系建设指南(2023版)》，这是首个国家层面的氢能全产业链标准体系建设指南。氢能产业标准体系以基础与安全标准为基础，支撑氢制备、储存和输运、加注、应用全产业链关键技术标准。基础与安全标准位于氢能产业标准体系结构顶层，是氢能供应与氢能应用标准的基础支撑。氢制备标准、氢储存和输运标准、氢加注标准构成了氢能供应标准，是氢能应用标准的基础保障。氢能产业标准体系结构如图1所示。
氢能产业标准体系框架由基础与安全、氢制备、氢储存和输运、氢加注、氢能应用5个部分组成，如图2所示。
储氢技术是氢能应用系统中的关键环节，也是制约氢气大规模应用的关键因素之一。在氢能应用过程中，提供一个稳定安全的氢能储存方案，是满足当前和未来氢能大规模应用的首要保障。按照氢气的物理特性，目前学者将主流的储氢方式分为高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢四类，各类储氢技术的优缺点见表1。
由于氢的相对分子质量很小，密度很低，常温气态无法进行高质量储存，因此气态储氢主要为高压气态储氢。高压条件下将气态氢分子压缩至高密度，然后将高密度气存储在耐高压容器中，是目前氢能储存中应用最广泛的方法，已成为当下较为具有竞争优势的车载储氢手段。储存高压氢气的容器压力范围在15.2～70.9MPa，技术均相对较为成熟。表2展示了目前已开发的高压气态储氢压力容器类型。Ⅰ型和Ⅱ型容器的储氢密度低，且氢脆问题严重。Ⅲ型和Ⅳ型容器储氢密度相对较高，常用于车载储氢领域。目前国内加氢站主流的储氢方式大多采用高压气态储氢。
当氢以液态形式储存时，常用的方法可分为低温液态储氢和有机液态储氢两类。
将气态的氢气经过压缩后深冷至-253℃以下变为液态，存放于绝热真空储存容器中的方式称为低温液态储氢，是一种物理存储方式。液氢具有高储氢密度，在大气压下可达70.9kg/m3，是标准状况氢气密度的856倍，体积比容量大，在大规模、远距离氢能储运时具有显著优势。但是氢气的液化过程耗能较大，据估算，液化1kg的氢气就要消耗4～10kW·h的电量。而且由于氢气的沸点很低，在存储过程中吸热容易挥发，所以液态氢存储过程中需要耐超低温、保持超低温、耐压、密封性强的特殊容器，制造难度大，成本高昂，这也是制约低温液态储氢的主要问题。
液氢作为大型火箭的主要燃料，目前常用于航空航天事业。由于我国在该领域的研究尚未成熟，应用成本高，目前鲜少在民用领域应用。随着技术的发展，2021年以来国家相继出台GB/T40045—2021《氢能汽车用燃料液氢》、GB/T40060—2021《液氢贮存和运输技术要求》、GB/T40061—2021《液氢生产系统技术规范》三项与液氢相关的国家标准，实现了我国液氢产业民用领域标准“零”的突破，为液氢产业市场化提供了有力支撑。
有机液态储氢设想的提出，最早可追溯到1975年。有机液态储氢是采用能与氢反应生成性质稳定的氢能载体的有机储氢液体(LOHC)进行存储的方法。该方式利用液体不饱和类有机物加氢和脱氢的可逆过程，实现氢的储存和释放，参考流程如图3所示。
有机液态储氢的质量储氢密度约为5%～10%，储氢量较大，且存储介质为液态有机物，存储的同时也可以进行常温常压输送，相对气态存储更为安全。研究较多的液态储氢介质有苯、甲苯、萘等烃类和乙基咔唑等有机液体储氢材料，相关信息及性质见表3。相关技术在我国仍处于研究阶段，尚未大规模普及。
“高储氢密度、快速吸/放氢性能和长周期循环稳定性”是理想储氢材料的基本要求。与其他几种储氢方式相比，固态储氢的储氢密度相对较大，而且安全性较高，具有满足国际能源署(IEA)目标的巨大潜力。根据吸附剂和吸附质之间作用力的不同，固态储氢材料可以分为物理吸附和化学吸附两大类。其中，物理吸附材料包括传统的碳基多孔材料、介孔材料、金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)等。物理吸附主要通过相对较弱的范德华力实现储氢，吸附压强较高且只能在较低温度(77K)下实现储氢。碳基储氢材料主要包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管和碳气凝胶等，表4列出了4种碳基材料的储氢性能。
由表4可以看出，在室温条件下，石墨碳纳米纤维的质量储氢密度相较于其他三种材料最高，可超过10%，这是由其特殊的结构所致。但是，碳基材料对氢吸附过程要求的环境相对较为苛刻，在工业上使用具有很大的局限性，尚未大规模普及。
化学吸附是通过金属键、共价键、配位键等生成氢化物的方式实现氢气的存储。化学吸附材料有金属氢化物、配位氢化物、氢水化合物等，其中金属氢化物有镁系合金、稀土系合金、钛合金等。常用压力-成分-温度曲线(PCT曲线)来表征金属氢化物的吸放氢热力学性能，如图4所示，图中的横坐标表示氢原子与金属原子之比，纵坐标为氢压力。图中AB段表示有效储氢容量，在一定的温度条件下平衡氢压近似恒定，随着温度的升高，AB段逐渐变短，因此温度过高不利于吸氢反应的发生。PCT曲线是衡量储氢性能的重要指标，能够直接反映储氢材料的可逆储氢容量、平衡氢压、平台斜率和滞后效应。
与金属氢化物不同，配位氢化物是一种盐，氢原子通过共价键连接到复合阴离子的中心原子上，形成络合物阴离子，后者再与金属离子以离子键形式结合成氢化物。氢化物一般以化学式AxMeyHz表示，通常A是元素周期表第一或第二主族元素，Me通常为B、A1、N，储氢质量密度理论上为5.5%～21%。配位氢化物的放氢一般有水解或者热解两种方式。
氢能作为未来新能源发展的重点方向，储运的安全、效率、成本是制约其规模发展的主要瓶颈问题，也是国内外研究的热点和重点问题。考虑到管道运输长期以来均被视为大规模输运介质的低成本方式，因此，仅针对氢能可能的几种管道运输方式进行分析。
氢气和甲烷具有相似的性质，高压氢气管输可参考天然气管道建设经验，但与天然气环境相比，氢环境会造成管道钢力学性能的劣化。许多研究和实验项目中都发现，氢原子在金属晶格中的溶解和扩散会引起金属材料性能的退化、脱碳，甚至鼓泡或开裂等损伤。与天然气管输行业相比，常温高压临氢管道还没有形成统一的设计和选材标准。但随着时代的发展，近年来全球各国正逐步开始布局氢能储运技术，提出了10MPa以上的纯氢和掺氢长距离输送管道设计方案。
为保证高压氢气管输的安全，需采取抗氢脆措施，选用氢脆敏感性低的低强度管道钢或降低输氢压力。这也导致了氢气管道系统相比天然气管道系统建设成本更高，经济效益更低。有文献指出，输氢管道的建造成本约为62万美元/km，而天然气管道的建造成本仅为19万美元/km，氢气管道的造价为天然气管道造价的3倍左右。同时，由于氢气制备成本高、能量密度低，相比传统化石能源暂时缺乏竞争力。目前，我国在运加氢站的氢气售价普遍在60～80元/kg，相较于汽油、柴油和纯电动竞争优势不明显，短期内只能依靠补贴的模式，长远看不能解决产业发展的根本问题。预计只有当加氢站的氢气售价低于40元/kg时，才能真正使氢能走向“市场驱动”。
虽然存在上述问题，但高压氢气管输技术门槛低且最为成熟，因此仍是新建长距离输氢管道时优先考虑的氢能管输方式。从全球范围来看，据不完全统计，目前输氢管道的建设规模接近4700km，相关统计数据见表5。美国已经建设了2720km的输氢管道，而欧洲则已有1500km以上的输氢管道。
在天然气输送管道中掺入一定比例的氢气，被认为是目前可发展的氢气大规模输送方式之一。有学者认为，参考目前的几类氢能输运方式，长距离管道纯氢与天然气掺氢输送是实现氢能大规模、网络化输送最有潜力的技术，特别是针对现有天然气管网进行少量改造实现天然气掺氢输送，可节约大量基础设施建设费用。中国氢能产业发展的中期(2020～2030年)任务之一是示范应用掺氢天然气管道输送技术，为迈入非碳的“氢能时代”奠定基础。表6统计了部分国内外天然气管网掺氢输送典型项目。
天然气掺氢管输可以利用现役天然气管道设施，降低氢气管道的前期建设成本，有望弥补气态氢体积能量低所带来的劣势，并能在掺氢输送的实际应用中探索气态氢管输的其他问题。目前已有学者对天然气掺氢管输的可行性做了研究，中国工程院衣宝廉院士也对天然气掺氢管输非常看好。但是，天然气管道掺氢输送在解决用户适用性的基础上，还需要研究掺氢比例对管内流体流动状态的影响及其工艺配套技术，探究管道材料和设施性能对掺氢输送的适应性，提高天然气管道掺氢输送的安全性和经济效益。
液氢输送，顾名思义就是将常温常压下气态的氢气通过降温加压的方式进行高密度输送。液氢管道在管材选择上，为保证管道绝热效果以及管材低温性能，主要采用不锈钢、铝合金、钛合金以及复合材料等具有优异的抗氢脆性能、良好的低温性能、可焊性及耐腐蚀性的材料。目前300系列奥氏体不锈钢被广泛应用于液氢储运容器中，海南航天发射场的300m3液氢运输罐车就是采用321不锈钢作为容器材料。相较于不锈钢，铝合金在质量、成形性、焊接性能、耐腐蚀性等方面更具优势，也已在国内外火箭液氢储罐中得到了应用。
受限于液态输氢管道建设成本以及技术落后等问题，液氢几乎无法实现长距离、大规模的管道输送。目前液氢的长距离输送只能通过将液氢置于高度低温绝热储氢罐、液氢运输槽罐等特种储存装置内，依赖于槽车、火车、驳船等运输，尚没有长距离液氢管输实例。如何降低液氢输送管道的建设成本以及实现长距离液氢管道的快速预冷，是目前低温液氢管输的主要问题。低温液氢管输未来可期，但目前看来更适合在航空航天等限定液氢作为高能量燃料的场景中，作为短距离定点输送的管输方式，尚不能作为氢能大规模管输的合理选择。
氢能的发展是全球能源革命的重要方向，是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段，是国家能源供应清洁化的战略选择。世界各国都在推动氢能的快速发展，加大氢能产业布局已成为共识。从国内外氢能应用发展对比可以看出，我国氢能产业起步较晚，相关核心技术相较于国外存在一定的差距。我国针对氢能在全国范围的发展布局有待完善，需尽快构建全国氢能市场体系。氢能产业发展的关键环节之一是氢能的储运，储氢技术是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈，氢能输运技术是打通氢资源到氢市场的重要手段，是降低氢使用成本的主要环节。
