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氢能大规模应用的难点:储运加

2020-04-29 09:48
香橙会
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2020年4月,国家能源局发布《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》,刷新了对能源的定义,氢能被列为能源范畴,这将是中国第一次从法律上确认氢能属于能源。

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。作为二次能源,来源多样,包括工业副产气制氢、电解水制氢、化石燃料制氢、化工原料制氢以及与可再生能源发电结合。应用场景丰富,可广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。

目前我们氢能产业最受瞩目的应用场景是氢燃料电池汽车。在国家和地方政府的政策支持下,近几年我国氢燃料电池汽车行业发展迅速。2017年,我国燃料电池汽车总销量为1272辆,2018年为1527辆,2019年为2737辆,近三年复合增速为46.69%,历年累计销量为6175辆。

氢能大规模应用的难点:储运加

图1 中国2015-2019年燃料电池汽车销量一览

截至2020年4月底,香橙会研究院统计,我国累计建成71座加氢站。但业内普遍认为加氢站基础设施远远不够——目前我国氢燃料电池汽车产业链基本打通,而氢能和燃料电池产业的大规模应用的难点还在于氢气的储运和加注环节。该难题一旦解决,我国氢能和燃料电池产业将进入大规模市场化阶段。

就氢气的储运加难题,下面将逐一分析。

氢气储存

1.高压气态储氢

当前高压气态储氢技术比较成熟,是目前最常用的储氢技术。该技术是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。储氢罐主要由压力部件金属套筒、聚合物或金属衬板、碳纤维增强层、防冲击外罩和底座组成,可有效增强气罐的抗冲击能力,提高安全性,同时灌装氢气方便。

国际主流技术以铝合金/塑料作为氢瓶内胆用于保温,外层则用3公分左右厚度的碳纤维进行包覆,提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。氢瓶阀门处利用细长的管道将几组氢瓶进行串联,并加装温度传感器等监控设备。安全性方面,当温度传感器感应到外界温度远高于正常温度时(一般超过100℃时),会自动打开阀门快速释放瓶内所有气体。

氢能大规模应用的难点:储运加

图2 储氢罐解剖示意图

目前应用的高压储氢气瓶主要有四类:全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。高压储氢瓶关键技术集中在内衬层、缠绕层和过渡层。

表1 储氢罐的材料和类型

氢能大规模应用的难点:储运加

根据应用方式的不同,高压气态储氢分为车用高压气态储氢和固定式高压气态储氢。

车用高压气态储氢主要应用于车载系统,大多使用金属内胆碳纤维全缠绕气瓶(III型)和塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(IV型),当前国内车载系统中主要以III型瓶为主,成熟的车载储氢技术为35MPa压力标准。70MPa的Ⅲ型储氢罐使用标准在2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》已经颁布,配套的70MPa加氢设备和系统在研发和小范围应用阶段。

欧美日加氢站普遍采用与汽车配套的70MPa压力标准,并实现设备量产。国内目前生产车载高压储氢罐的企业有科泰克、天海工业、中材科技、斯林达安科等,具备高压储氢系统生产能力的企业有舜华新能源、伯肯节能、国富氢能、科泰克等。

固定式高压气态储氢主要应用在固定场所,如制氢厂、加氢站以及其他需要储存高压氢气的地方。目前主要使用大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐来储氢。石家庄安瑞科于2002年在国内率先研制成功20/25MPa大容积储氢长管,并应用于大规模氢气运输。钢带错绕式储氢罐目前有45MPa和98MPa两种型号,如浙大与巨化股份制造生产的两台国内最高压力等级98MPa立式高压储罐,应用在江苏常熟丰田加氢站中。国内生产固定式高压储氢罐的企业有石家庄安瑞科、鲁西化工、开原维科、巨化股份等。

虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍,但是体积比容量小,未达到美国能源部(DOE)制定的发展目标,是该技术一个致命的弱点。除此之外,高压气态储氢存有泄漏、爆炸的安全隐患,因此安全性能有待提升。未来,高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。

氢能大规模应用的难点:储运加

图3不同车用高压储氢罐类型的重量(按照储氢5kg对比)

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