氢能的输送与存储.docx

0?引言

据国际氢能委员会预计，到2050年氢能可以满足全球能源总需求的18%或全球一次能源总需求的12%，氢能及氢能技术相关市场规模将超过2.5万亿美元。氢能利用可减排温室气体，为本世纪末地球升温控制在1.5℃以内做出重要贡献。科学界和经济界一致认为，氢能是迈向未来碳中和的理想能源载体，作为替代能源可保证不牺牲现有消费端的灵活性、效率和性能。未来5～10年仍以混氛为主，纯氢利用主要取决于生产成本的变化。随着2060年碳中和目标的实现，大规模制氢成本会大幅度降低。目前，一些大型企业已经开始了使用氢的试点项目，为氢能的应用推广提供了示范。

1?氢能的输送

（1）输送要求

氢气在常温、常压状态下的密度很低，是自然界所有气体中最低的，需要采用专门的技术储存起来进行运输、使用，因此，对现有氢气输送方案的技术经济特征进行分析，构建经济高效的氢气储运及配送基础设施，是氢能产业发展必须解决的重大问题。

（2）运输手段

目前氢能主要运输手段有三种，即高压气氢、低温液氢、管道输氢，其中高压气氢运输是现下主流的运输方式。对于大规模氢气输送，一般采用长输管道输送。液氢运输方法一般是采用车船输送，可作为管道输氢的一种补充。有机液体储氢和固体材料储氢尚处于实验室阶段，目前没有大规模、工业化应用。氢能运输成本与储运距离和储运量有密切关系。短距离低用量（城市内）适合高压气态储运，但是需要高压容器的投资建设；中距离低用量（城际间）适合液氢储运，但是仍需要技术进步推动降本；长距离高用量（洲际间）适合管网运输，但是需要高额的基础设施建设投资。不同氢气运量、运距下各类氢气运输方式的最低储运成本(储存＋转换＋运输）见图1。

图1不同氢气运量、运距下各类氢气运输方式的最低储运成本（储存＋转换＋运输）

2?存储

（1）存储要求

近年来，随着对天然气的需求量大大增加，在地表面开挖大的基坑或者槽，在基坑或槽的内表面及地表面用无锈钢板、绝热层和混凝土共同作为的密封层来储存天然气，如图2所示。

图2钢板/混凝土组合地下LNG储库示意图

（2）存储方式

经济、高效、安全的储氢技术是氢能利用走向实用化、产业化的关键。目前已经发展的氢能储存技术根据原理分类主要有高压气态储氢、低温液化储氢、金属氢化物储氢、有机液体储氢、复合式储氢。不同储存方式具有不同的储氢密度，适用于不同的应用场合。目前的技术成熟度和实用性也不同，具有不同的应用前景。高压气态储氢目前应用最广泛，常用有35MPa、70MPa、80MPa等压力等级。储氢方式及特点见表1。

表1储氢技术路线

①液态存氢

将氢气进行液化后运输是一种高效、经济的运输方式，液氢可以采用低温罐车进行公路运输，也可采用罐式集装箱进行水路或采用铁路罐车、罐式集装箱进行铁路运输。优点：液化储氢具有热值高、体积能量密度高、占用空间体积较小等优点。氢能以液态储存能够同时满足质量密度和体积密度的要求。

缺点：液氢的使用也存在一系列的难题，如液氢易挥发，不便长期保存且存在安全隐患，氢气的液化过程能耗高，氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30%，对储氢容器材料有较为苛刻的要求等。由于液化储氢的成本较高，且其安全技术非常复杂，因此不适合广泛使用，但其作为航空燃料已在航空领域发挥着巨大的作用。多级压缩冷却能耗巨大，低温储氢罐的设计制造及材料一直存在成本高昂的难题。

②高压存氢

高压气态储氢主要通过储氢瓶或储氢罐存储气氢，是我国目前最为常见的储氢方式，技术更为成熟，从原材料到储氢瓶的发展上都呈现出日益完善的趋势。目前国外主流气氢存储系统多为质量更轻、工作压力更大、能储存更多氢气的70MPa塑料内胆纤维，缠绕Ⅳ型瓶组。而我国则以30MPa的Ⅲ型瓶为主。但近年来，随着车载储氢瓶的兴起，我国储氢罐逐渐向更轻质化、储存密度更高的70MPaⅣ型瓶靠拢，已有相当数量的国内企业开始布局IV型瓶的技术研发与制造。优点：高压气态储氢技术比较成熟，一定时间内都将是国内主推的储氢技术。缺点：国内70MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术不成熟、规模化生产难度大，目前成本相对较高，抑制了IV型储氢瓶的需求。

③化合物存氢

金属合金储氢技术是在一定的温度与压力下，金属合金与氢气形成金属氢化物进行氢气存储。相比于高压气态储氢与低压液态储氢技术，该技术不需要高压设备及液化装置，用氢时可通过加热或减压将氢释放，操作简便，安全可逆，在标准状态下可吸收自身体积1300倍的氢气，体积储氢密度高，储氢压力低、放氢温度低、安全性高等优势（表2）。

优点：固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势，其体积储氢密度高于液氢。缺点：主流金属储氢材料质量储氢率仍低于3.8%，质量储氢率大于7%的轻质储氢材料还需解决吸放氢温度偏高、循环性能较差等问题。

表2储氢方式性能对