常见的三种氢能储运技术比较

浏览：1385次时间：2022-07-20 21:37:21

氢地区不产氢，氢储运成本居高不下。氢储运是制约我国氢能发展的地方。
氢储能(氢储能)的本质是储氢，即以稳定的形式储存易燃易爆的氢气。储氢技术的发展重点是在保证安全的前提下，提高储氢能力(效率)，降低成本，提高易用性。储氢技术可分为物理储氢和化学储氢两类。物理储氢主要包括高压气体储氢、低温液体储氢、活性炭吸附储氢、碳纤维和碳纳米管储氢、地下储氢；化学储氢主要包括金属氢化物储氢、液体有机氢载体储氢、无机储氢、液氨储氢等。

1. 物理储氢
【高压气态储氢】
压缩技术是氢气生产和应用中不可或缺的。高压氢压缩机是将氢压注入储氢系统的核心装置，输出压力和气体密封性是其重要的性能指标。

常见的三种氢能储运技术比较

高压气体储氢的质量储氢密度范围为4.0~5.7wt目前高压气态储氢技术比较成熟，是目前最常用的储氢技术。该技术利用高压将氢压缩到耐高压容器中。金属高压储氢容器由对氢气有一定抗氢脆能力的金属或者通过复合材料构成，最常用的材质是奥式不锈钢。由于常温附近对氢免疫，铜和铝不会产生氢脆，常被选为高压储氢罐的材料。

高压气体储氢成本相对较低，压缩过程能耗低，释放简单快捷。它是目前最成熟的储氢技术，但存在体积储氢密度极低的主要缺陷。此外，高压气体储氢存在泄漏和爆炸的安全风险，因此安全性能有待提高。未来，高压气体储氢还需要朝着轻、高压、低成本、质量稳定的方向发展。

高压气体储氢的主要应用领域包括运输大型高压储氢容器、加氢站大型高压储氢容器、燃料电池车辆高压储氢罐、通信基站不间断电源储氢罐、无人机燃料电池储氢罐等。例如，国内储氢企业为上海世博会提供了第一个45个加氢站MPa氢储能器，第一台35MPa移动加氢车为国内加氢站提供50多套储能器，为国外加氢站提供240多套储能器。该公司后来开发了87.5MPa大连加氢站示范了钢碳纤维缠绕大容积储氢容器的应用；35MPa橇装加氢站，将应用于2022年冬奥会；首创35MPa全集成橇装移动加氢站，促进加氢站商业化运营。

【低温液体储氢】
低温液体储氢是将氢液化，然后储存在低温绝缘真空容器中。低温保温技术是低温工程中的一项重要技术，也是实现低温液体储存的核心技术手段。根据是否有外部主动能量提供，可分为被动保温和主动保温。被动绝缘技术已广泛应用于各种低温设备中；而主动绝热技术由于需外界的能量输入，虽能达到更好的绝热效果，甚至做到零蒸发存储( Zero boil－off，ZBO) ，但也必然会带来一些问题，比如需要其他附加设备来增加整个设备的体积和重量，制冷机效率低，能耗大，成本高，经济性差。

液氢密度高，体积比大，体积比小，储运简单。但很难将气态氢转化为液态氢，液化1kg氢气消耗4-10千瓦时。而且，为了稳定储存液态氢，需要耐超低温、保持超低温的特殊容器。该容器需要抗冻、抗压，必须严格保温。[9]因此，除了制造难度大、成本高外，该容器在运行过程中还存在挥发性、安全隐患多等问题。

在全球范围内，低温液体储氢技术已应用于车载系统，并广泛应用于全球加氢站。液氢加氢站在日本、美国及法国市场比较多。目前，世界上大约三分之一的加氢站是液氢加氢站。氢液化设备主要由美国制成AP、提供普莱克斯、德国林德等厂家。[10]我国液氢厂仅为航天火箭发射服务，受法律法规和技术成本限制，不能应用于民用领域，但相关企业已开始开发相应的液氢储罐、液氢罐车，如航天101、国富氢能、宏达工业、圣达因等公司正在开发国内液氢储运产品。有关部门正在研究制定液氢民用标准，液氢运输将成为我国氢能发展的主要动脉。2 化学储氢
与物理储氢不同，化学储氢方案通常通过储存介质与氢结合作为稳定化合物来储存氢。使用氢时，化合物通过加热或其他方式分解释放氢，并回收储存介质。
化学储氢技术主要包括金属氢化物储氢、液态有机氢载体储氢、无机储氢、液氨储氢等。与高压气体储氢和低温液体储氢相比，化学储氢技术成熟度相对较低，主要在实验室和示范项目中。

【金属氢化物储氢】
该技术将氢以金属氢化物的形式储存在储氢合金材料中。储氢合金在一定温度压力下与氢接触，首先形成含氢固溶体（α相)然后固溶体继续与氢反应相变，形成金属氢化物（β相）。金属氢化物在加热条件下放氢。早期发现的合金有LaNi5、Mg2Ni、TiFe等等，研究人员发现这种合金由一种吸氢元素A和另一种非吸氢元素B组成，分别控制储氢量和吸氢可逆性。世界上已开发的储氢合金大致可分为稀土兰镍、钛铁、钛锆、钒基固溶体、镁等。

这种基于固体的储氢技术往往具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优点。[18]目前，国内外对储氢金属材料的研究成果不断，已应用于部分领域。国外固体储氢技术已广泛应用于电池舰艇、分布式发电和风电制氢规模储氢中；国内固体储氢已广泛应用于分布式发电中。

然而，成熟系统的金属储氢材料重量储氢率较低，更高TiV可逆储氢量为2.6 wt%。为了提高重量储氢率，开发了配位氢化物、金属氨硼烷等新材料，但这些材料仍在实验室技术研发中，如吸放氢速度慢、可逆循环性能差等。此外，储氢金属材料的成本受有色金属原料价格波动的影响，高成本是制约发展的另一个因素。

【液态有机氢载体储氢】
液体有机氢载体（LOHC）储氢技术基于催化剂作用下不饱和液体有机物的加氢反应。常用的不饱和液体有机物有甲醇、环烷烃、N-乙基咔唑、甲苯、1、2-二氢-1、2-氮杂硼烷等。

该技术储氢密度高，可在环境条件下储氢，安全性高，运输方便。缺点是氢的取放不如物理储氢容易，需要配备额外的反应设备，放氢过程往往需要加热能耗，导致成本增加。

LOHC技术在日本和欧洲发展迅速，在中国仍处于示范阶段。总部位于德国Erlangen的Hydrogenious LOHC该公司一直在开发有机氢载体（LOHC）储运技术。目前，Hydrogenious公司在德国Dormagen世界上更大的化学园建设LOHC储氢厂计划于2023年投产。该工厂使用二苄基甲苯为载体介质，据称该介质具有不易燃不易爆性。
今年10月，玉氢科技与中车Xi安有限公司签署战略合作协议，双方将在现有铁路运输设备的基础上，开发适合大规模有机液体储氢介质运输的新型铁路罐。

【液氨储氢】
氢和氮在催化剂的作用下合成液氨，以液氨的形式储存和运输。液氨常压约4000 ℃分解放氢。

与低温液化温度-253℃，氨在大气压下的液化温度-33℃要高得多，氢-氨-氢的能耗、实现难度和运输难度相对较低。同时，液氨储氢的储氢密度高于液氢.7倍，远高于长管拖车气态储氢技术。该技术在长途氢储运中具有一定的优势。然而，液氨储氢也有许多缺点。液氨具有较强的腐蚀性和毒性，在储存和运输过程中对设备、人体和环境有潜在的危害风险；我国合成氨工艺相对成熟，但在工艺转换中存在一定比例的损失；合成氨和氨分解设备和终端工业设备仍需集成。

3. 地下储氢
氢气的长期储存取决于一定的储存空间，利用地下空间储存氢气已成为氢气储存的重要途径。在许多不同的地下储氢方案中，最有潜力的方法之一是在地下盐层中挖出一个容器来储氢。容器的制造需要先钻到目标盐层，安装套管（如石油钻井）；然后注入溶液溶解盐层，溶解盐水，然后在盐层中创建所需的形状和大小的容器；最后充气排出盐洞中的所有盐水。不同的容器形状是根据不同的盐层结构制成的。
氢地下储能可充分利用地下空间，节约土地资源，有效降低氢储存成本，提高氢的经济效益，应用于风景储存一体化项目，解决新能源发电波动，确保能源供应和能源安全。然而，氢地下储存的建设面临着许多挑战，主要包括：储存层和盖层的地质完整性、氢地下化学反应、井井完整性、氢生产纯度和材料耐久性。
2021年8月23日，中21年8月23日，中石化重庆首个加氢站-半山环综合加能站近日正式建成。该站是中国首个应用储氢井技术的加氢站，日供氢能力1000公斤，将为重庆首批氢能示范公交车和城市物流车辆提供加氢服务，是氢能产业技术创新发展的良好实践和示范。