社会经济的发展及人类环保意识日益增强,人们开始寻找新的能源以代替现有的石化燃料以达到减少排放量、绿色可持续、环保低碳的生产生活方式。氢能因为具有清洁、高效、安全和可持续等优点,将有望成为本世纪极具发展潜力的能源。
一个以氢为基础的能源体系包括氢气的生产、储藏、运输及转化应用等一系列环节。从目前的氢产业链来看,随着氢能应用技术及燃料电池的快速发展与推动应用,燃料电池这方面已经有了成熟的发展,但氢的储运环节的发展仍然相对滞后,成为限制高效利用氢能的瓶颈。其关键在于氢气的生产与贮存问题。
换句话来说,如何解决氢能行业面临的氢气储存困难、运输效率低下、单位转化成本高等问题是当下氢能使用面临的重点、难点。
那如何解决氢能储运的难点呢?接下来我们将这个问题拆解为两个部分探究,一个是氢气的储存方面,一个是氢气的运输方面。
一、 氢气的储存
对储氢技术要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前,常规使用的储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢、固体材料储氢及有机液体储氢4种。4种主要储氢方式对比如下表:
通过对比4种储氢技术来看,高压储氢目前最为成熟,应用也最广,但是储氢密度和安全性方面存在瓶颈;固体材料储氢则有着巨大潜力,但是目前处于研究阶段;低温液态储氢技术具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势,但目前储存成本过高,主要体现在液化过程耗能大,以及对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面;有机液态储氢由于成本和技术问题还未能大规模商业化应用。
二、氢气的运输
氢气的运输通常根据储氢状态的不同和运输量的不同而不同,主要有气氢输送、液氢输送和固氢输送3种方式。以下是3种氢气运输方式的区别:
目前的技术条件下,不同的运氢方式均有一定程度的危险性。高压运输方式具有易爆的危险性,液氢运输方式在热量丢失后,会气化使容器内压力越来越高,形成易爆的危险特征、管道运输的输氢管长期处于高压下,易产生氢脆现象,使管道断裂产生泄露。
而相比之下,有机液体运输方式就显示出了一定的优势性:有机液体的反应过程是可逆的,其储氢密度高,可以使得氢可在常温常压下以液态输运,储运过程也更加安全、高效。
不仅如此,有机液体还可利用现有汽油输送管道、加油站等基础设施,其便利性由此就可见一斑了。
其次,根据成本的测算,可以看出,随着输送距离的增加,有机液态输氢和低温液态输氢成本极具优势。因此液态输运更适合长距离、大规模输氢,比如跨省运输,将制氢中心的氢运输至消费中心。
储氢材料
既然有机液体的优势这么多,那如何在繁多的有机液体种类中选择到最理想的呢?
有机液体储氢的关键在于选择合适的储氢介质。选择有机物储氢介质重点考虑的性能指标包括:
1)质量储氢和体积储氢性能高;
2)熔点合适,能使其常温下为稳定的液态;
3)成分稳定,沸点高,不易挥发;
4)脱氢过程中环链稳定度高,不污染氢气,释氢纯度高,脱氢容易;
5)储氢介质本身的成本;
6)循环使用次数多;
7)低毒或无毒,环境友好等。
现在有机液体常用的烯烃、炔烃、芳烃等不饱和的可作储氢材料,以下为几种可能的有机储氢材料的分析:
以上的储氢介质,除了甲酸能够满足在常温常压的条件下进行脱氢,其他的材料都有一个共同缺点就是脱氢温度高,比如环己烷的脱氢温度在270℃以上;甲基环己烷根据条件不同脱氢温度至少有230℃,最高可达400℃;十氢化萘的脱氢温度也在240℃以上。
传统有机液体氢化物难以但由于有机液态储氢技术并未发展的足够完善,一定程度上还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题,液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。实现低温脱氢,导致难以大规模应用和发展。
新型有机液态氢储运技术:甲酸制氢
了甲酸在室温下为液体,就氢含量而言,相当于将氢气压缩了600倍。而且优点是毒性和可燃性也比较低,能装入瓶子等容器中轻松储藏和运输。而作为原料的二氧化碳可以说是取之不尽用之不竭的。
相比其他有机液体需要在高温重整后方可脱氢,甲酸常温常压下即可实现制氢的方式更具有优势。液态有机储氢技术在安全性、储氢密度、储运效率上极具优势,在我国70MPa高压储氢和低温液态储氢均发展滞后的前提下,有望成为未来我国氢气储运的主要方式之一。
固洛潽能源科技专注于甲酸制氢技术的研发与应用,并拥有世界首款,也是目前中国唯一准商业化的甲酸制氢催化剂技术,该催化剂具有稳定性好、活性好的特点,制氢的纯度可达99.99%。
总结
在低碳发展和能源转型的背景下,氢能产业引领了新的发展机遇。但是由于目前氢能的发展技术问题,一些储氢技术和材料离氢能商业化、规模化仍然有一定的距离。我国预计在2025年建加氢站200座,制造生产氢燃料电池车5万辆,在2050年完成加氢站1 000座,氢燃料电池车达到500万辆的目标,这将对氢能储运行业提出了大量的市场需求。
从储氢成本、安全性、以及低碳等方面考虑,有机液体储运氢技术的发展,特别是甲酸制氢技术的发展将有望破解氢能应用发展的“痛点”。