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氫能大規模應用的難點:儲運加

2020-04-29 09:48
香橙會
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2020年4月,國家能源局發布《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》,刷新了對能源的定義,氫能被列為能源范疇,這將是中國第一次從法律上確認氫能屬于能源。

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源。作為二次能源,來源多樣,包括工業副產氣制氫、電解水制氫、化石燃料制氫、化工原料制氫以及與可再生能源發電結合。應用場景豐富,可廣泛應用于能源、交通運輸、工業、建筑等領域。

目前我們氫能產業最受矚目的應用場景是氫燃料電池汽車。在國家和地方政府的政策支持下,近幾年我國氫燃料電池汽車行業發展迅速。2017年,我國燃料電池汽車總銷量為1272輛,2018年為1527輛,2019年為2737輛,近三年復合增速為46.69%,歷年累計銷量為6175輛。

氫能大規模應用的難點:儲運加

圖1 中國2015-2019年燃料電池汽車銷量一覽

截至2020年4月底,香橙會研究院統計,我國累計建成71座加氫站。但業內普遍認為加氫站基礎設施遠遠不夠——目前我國氫燃料電池汽車產業鏈基本打通,而氫能和燃料電池產業的大規模應用的難點還在于氫氣的儲運和加注環節。該難題一旦解決,我國氫能和燃料電池產業將進入大規模市場化階段。

就氫氣的儲運加難題,下面將逐一分析。

氫氣儲存

1.高壓氣態儲氫

當前高壓氣態儲氫技術比較成熟,是目前最常用的儲氫技術。該技術是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。儲氫罐主要由壓力部件金屬套筒、聚合物或金屬襯板、碳纖維增強層、防沖擊外罩和底座組成,可有效增強氣罐的抗沖擊能力,提高安全性,同時灌裝氫氣方便。

國際主流技術以鋁合金/塑料作為氫瓶內膽用于保溫,外層則用3公分左右厚度的碳纖維進行包覆,提升氫瓶的結構強度并盡可能減輕整體質量。氫瓶閥門處利用細長的管道將幾組氫瓶進行串聯,并加裝溫度傳感器等監控設備。安全性方面,當溫度傳感器感應到外界溫度遠高于正常溫度時(一般超過100℃時),會自動打開閥門快速釋放瓶內所有氣體。

氫能大規模應用的難點:儲運加

圖2 儲氫罐解剖示意圖

目前應用的高壓儲氫氣瓶主要有四類:全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。高壓儲氫瓶關鍵技術集中在內襯層、纏繞層和過渡層。

表1 儲氫罐的材料和類型

氫能大規模應用的難點:儲運加

根據應用方式的不同,高壓氣態儲氫分為車用高壓氣態儲氫和固定式高壓氣態儲氫。

車用高壓氣態儲氫主要應用于車載系統,大多使用金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶(III型)和塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶(IV型),當前國內車載系統中主要以III型瓶為主,成熟的車載儲氫技術為35MPa壓力標準。70MPa的Ⅲ型儲氫罐使用標準在2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》已經頒布,配套的70MPa加氫設備和系統在研發和小范圍應用階段。

歐美日加氫站普遍采用與汽車配套的70MPa壓力標準,并實現設備量產。國內目前生產車載高壓儲氫罐的企業有科泰克、天海工業、中材科技、斯林達安科等,具備高壓儲氫系統生產能力的企業有舜華新能源、伯肯節能、國富氫能、科泰克等。

固定式高壓氣態儲氫主要應用在固定場所,如制氫廠、加氫站以及其他需要儲存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲氫長管和鋼帶錯繞式儲氫罐來儲氫。石家莊安瑞科于2002年在國內率先研制成功20/25MPa大容積儲氫長管,并應用于大規模氫氣運輸。鋼帶錯繞式儲氫罐目前有45MPa和98MPa兩種型號,如浙大與巨化股份制造生產的兩臺國內最高壓力等級98MPa立式高壓儲罐,應用在江蘇常熟豐田加氫站中。國內生產固定式高壓儲氫罐的企業有石家莊安瑞科、魯西化工、開原維科、巨化股份等。

雖然高壓氣態儲氫技術比較成熟、應用普遍,但是體積比容量小,未達到美國能源部(DOE)制定的發展目標,是該技術一個致命的弱點。除此之外,高壓氣態儲氫存有泄漏、爆炸的安全隱患,因此安全性能有待提升。未來,高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展。

氫能大規模應用的難點:儲運加

圖3不同車用高壓儲氫罐類型的重量(按照儲氫5kg對比)

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