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行業(yè)新聞

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路

發(fā)布時(shí)間:2023-02-01 10:02:08  
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氫能產(chǎn)業(yè)鏈大致可以劃分為上游(氫的制?。?、中游(氫的儲運)和下游(氫的應用)三個(gè)部分,產(chǎn)業(yè)鏈三個(gè)部分之間相互聯(lián)系,相互影響,并且在許多細分領(lǐng)域都有著(zhù)對應的供需關(guān)系。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖1)

* 數據來(lái)源:洛克資本

近年來(lái),我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速。2021 年,中國制氫的總產(chǎn)量突破了 3300 萬(wàn)噸,同比增長(cháng) 32%,排名世界第一。中國氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟認為,雙碳目標的落實(shí)將給我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的發(fā)展機遇,據預測,到 2030 年碳達峰期間,我國氫氣的年需求量將達到約 4000 萬(wàn)噸,在終端能源消費中占比約為 5%;到 2060 年碳中和的情境下,氫氣的年需求量將增至約 1.3 億噸,在終端能源消費中的占比約為 20%,其中 70% 為可再生能源制氫。

中國氫氣產(chǎn)量走勢及需求預測

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖2)

* 數據來(lái)源:中國氫能聯(lián)盟

氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游 · 生產(chǎn)

氫的制取

氫氣的主流制取方式可以分為三種:化石原料制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫以及電解水制氫。其中,主流的化石原料制氫方式有天然氣制氫和煤制氫,天然氣制氫主要通過(guò)甲烷蒸汽重整,在催化劑的作用下生成 H2 和 CO,分離后再對 CO 變換,與水蒸氣反應生成 CO2 和 H2。

天然氣蒸氣重整制氫是傳統制氫工藝,技術(shù)成熟,廣泛應用于生產(chǎn)煉廠(chǎng)氫氣、純氫、合成氣和合成氨原料,是工業(yè)上最常用的制氫方法。煤制氫是煤炭主要以水煤漿或煤粉的形式,經(jīng)氣化爐在 1000 ℃以上的高溫條件下與氣化劑反應生成合成氣(H2+CO),CO 與 H2 分離后 CO 經(jīng)水蒸氣變換轉變?yōu)?H2 和 CO2,再經(jīng)過(guò)脫除酸性氣體(CO2+SO2)以及 PSA 提純等工藝流程,得到高純度的氫氣。

近些年從原料的易得性和成本角度出發(fā),越來(lái)越多的制氫企業(yè),如煉廠(chǎng)和尿素廠(chǎng)選擇煤制氫工藝,同時(shí)近幾年煤制油和煤制烯烴等煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展也使煤氣化技術(shù)獲得了更大發(fā)展空間,技術(shù)研發(fā)、工程設計和操作水平獲得了較大提升。

工業(yè)副產(chǎn)氫是指工業(yè)過(guò)程中所產(chǎn)氫氣并非目標產(chǎn)品,而是副產(chǎn)品,主要包括煉廠(chǎng)的催化重整、丙烷脫氫、焦爐煤氣及氯堿化工等。雖然明面上存在著(zhù)許多可以制氫的工業(yè)副產(chǎn)品,但由于技術(shù)水平、產(chǎn)需空間分離等原因,工業(yè)副產(chǎn)制氫更多地是充當一個(gè) " 過(guò)渡 " 的角色,而非未來(lái)氫能生產(chǎn)的主流。

電解水制氫是最為綠色環(huán)保的制氫手段,且產(chǎn)品純度高,利用風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫,既能實(shí)現氫氣的大規模生產(chǎn),又能將波動(dòng)大的風(fēng)能光能轉化為穩定的氫能源,供未來(lái)隨時(shí)隨地使用。根據電解質(zhì)的不同,可以分為堿性電解水制氫(AWE)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOEC)。

中國制氫結構占比圖

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖3)

世界制氫結構占比圖

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖4)

根據制氫過(guò)程中碳排放量的不同,可以將制取的氫氣分為灰氫、藍氫和綠氫三種。

化石原料(包括煤炭、天然氣等)以及工業(yè)副產(chǎn)品(焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用等)為原料制取的氫氣在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生碳排放,因此被稱(chēng)為 " 灰氫 ",這類(lèi)制備方式是目前技術(shù)最成熟的制氫路線(xiàn),也是成本最低,最為普遍和主流的制氫路線(xiàn);另外的一種常見(jiàn)的制取方法為在灰氫制取的過(guò)程中輔以碳捕捉技術(shù)有效減少制氫過(guò)程中的碳排放,這種方式所得到的氫為 " 藍氫 ",但涉及成本問(wèn)題,保守估計會(huì )使得制氫成本上升 15% 且仍舊無(wú)法完全解決碳排放問(wèn)題;最后一種制氫的常見(jiàn)路線(xiàn)是利用清潔能源采用電解水的方式制備得到的 " 綠氫 ",以這種方法制氫不會(huì )產(chǎn)生任何碳排放,是未來(lái)理想的制氫方式,但目前綠氫制取的技術(shù)不如化石燃料制氫成熟,且成本較高,仍存在著(zhù)較大的發(fā)展空間。

不同制氫方式制氫成本區間

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖5)

2020-2050 中國氫氣結構及預測

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖6)

氫的純化

氫氣的生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì )伴隨著(zhù)少量的氨氣等副產(chǎn)品的生成,由于氫氣的爆炸極限范圍大(在空氣中 18.3%-59%),氫氣中的雜質(zhì)帶來(lái)了安全隱患,使氫氣可能發(fā)生爆炸。此外,不同的儲運方式以及應用需求對氫氣的狀態(tài)和純度提出了不同的要求,比如半導體生產(chǎn)工藝需要使用 99.999% 以上的高純氫,這就要求對生產(chǎn)制成的氫氣進(jìn)行純化。

氫氣的純化主要采取變壓吸附 PSA 法,根據吸附原理的不同,可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種方法。物理吸附的原理是使制取后的氫氣混合氣通過(guò)相應的一些物理材料,利用這些物理材料對氫氣和其他氣體的吸附能力不同,從而達到提純氫氣的作用?;瘜W(xué)吸附的原理是利用一些化學(xué)反應,對氫元素進(jìn)行捕捉,之后再通過(guò)還原反應還原成高純度的氫氣。通常 PSA 系統通過(guò)一個(gè)循環(huán)系統,由許多裝有吸附材料的容器經(jīng)過(guò)相繼的升壓及降壓,以產(chǎn)生凈化氣體。

變壓吸附示意圖

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖7)

* 數據來(lái)源:CNKI

氫的液化

受限于氫的物理特性(標準狀態(tài)下氫氣的體積能量密度很低,僅為汽油的 1/3000),實(shí)現高體積能量密度儲運是實(shí)現氫經(jīng)濟的一個(gè)先決條件。而氫的液化技術(shù)是實(shí)現這一條件的有效手段。目前,氫氣的液化方式主要分為兩種,即低溫液化和有機液化。

氫的低溫液化的基本原理是將氫氣壓縮冷卻至 -253 ℃使其液化并儲存在絕熱裝置中。該方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量高,液氫密度達到 70.78kg/m3,是標準情況下氫氣密度的 850 倍左右,體積能量密度約為 35MPa 高壓氣氫的 3 倍,約為 70MPa 高壓氣氫的 1.8 倍。

此外,液氫還有儲運壓力低(液氫儲運壓力<1MPa,高壓氣氫儲運≥ 20MPa),汽化純度高(5N-6N),長(cháng)距離運輸成本低,設備體積小,以及使用安全性好等特點(diǎn)。但是液氫的沸點(diǎn)極低,與環(huán)境溫差極大,對儲氫容器的絕熱要求很高。

氫的低溫液化技術(shù)在美國、日本、德國等以及完成了商業(yè)化,其運輸成本為高壓氫氣的 12.5%-20.0%,在規?;\輸方面具有明顯經(jīng)濟優(yōu)勢。但由于以美國為首的西方國家一直對中國采取 " 嚴格禁運,嚴禁交流 " 的策略,中國無(wú)法從國際上掌握先進(jìn)的液氫技術(shù)的公司獲得規?;迫∫簹涞募夹g(shù)和設備。

目前的國際合作主要集中在應用端,特別是加氫站和氫燃料電池方向展開(kāi)了相關(guān)的液氫合作,對于液氫的規?;迫?,相關(guān)技術(shù)距離世界先進(jìn)水平差距仍然非常大。除了制作工藝外,我國對液氫環(huán)境下材料的低溫組織、性能等研究還不夠完善,材料選擇缺乏理論支撐和統一標準,綜合導致我國液氫的制造成本極其高昂,目前主要用于航天等領(lǐng)域,民用方面剛剛起步。

目前,國內液氫項目正加速落地,如北京航天 101 所研發(fā)的液氫工廠(chǎng)產(chǎn)能達到了 2t/ 天,雖然和國外先進(jìn)水平差距仍非常大,但擺脫了航天領(lǐng)域液氫燃料的對外依賴(lài),緩解了燃眉之急。未來(lái),國內的大型氫液化裝置主要需要突破低溫氫工況材料選用,氫、氦透平膨脹機研制和正仲氫轉化催化劑等技術(shù)難題,如果未來(lái)技術(shù)突破,大型氫液化裝置的國產(chǎn)化將快速推進(jìn)液氫成本下降。

此外,中國近年新建加氫站絕大多數采用液氫技術(shù)路線(xiàn)(已占加氫站總量 30%),有多家企業(yè)涉足液氫裝備市場(chǎng)并取得一定突破,但我國裝備的性能、成本控制等方面仍有差距,仍需進(jìn)一步加大研發(fā)力度,加速相關(guān)設備、零部件的國產(chǎn)化進(jìn)程。

在目前的實(shí)際應用中,液化 1kg 氫氣需要消耗 11-15 度電左右,這是制約液氫發(fā)展和商業(yè)化利用的最主要的因素,如果未來(lái)可以降低到 6-9 度電左右,將推動(dòng)液氫成本的大幅下降。此外,液氫的儲運和應用的環(huán)節對密封工藝也有較高的要求,要防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集于液氫罐內的物質(zhì)的混入。

低溫液氫的產(chǎn)業(yè)鏈

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖8)

氫的有機液化是指利用氫和液態(tài)有機物進(jìn)行化學(xué)反應,主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機物和氫氣的可逆反應。其中,加氫反應實(shí)現氫的儲存,脫氫反應實(shí)現氫的釋放,質(zhì)量?jì)涿芏仍?5%-10%,目前主要的液態(tài)載體有氨(NH3)、甲醇(CH3OH)和液態(tài)有機氫載體(LOHC)。

但這種方法有一定幾率發(fā)生副反應,產(chǎn)生雜質(zhì)氣體,而且催化劑易被中間產(chǎn)物毒化。此外,液氫儲存壓縮能耗過(guò)大,需配備相應的加氫、脫氫設備。未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向有提高低溫下有機液體儲氫介質(zhì)的脫氫速率與效率、增強催化劑反應性能等。

總之,氫的有機液化技術(shù)要求較高,目前已有國內部分通過(guò)和日本等國外公司的合作開(kāi)展商業(yè)化利用,但距離真正的大規模商業(yè)化應用還存在著(zhù)較遠的距離。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈中游 · 儲運

儲運是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中連接生產(chǎn)端與應用端的關(guān)鍵橋梁。由于氫氣具有常溫常壓下性質(zhì)活潑、燃燒迅速、爆炸極限范圍大等特點(diǎn),這導致氫能的安全高效輸送和儲存難度較大。因此,發(fā)展安全、高效、成本可控的儲運氫技術(shù)是氫能大規模商業(yè)化發(fā)展的前提。

目前絕大部分的氫氣都被用作化工原料,作為一種作為一種工業(yè)生產(chǎn)流程的附屬或中間產(chǎn)品,其生產(chǎn)制造和應用大都是就近發(fā)生。但如果將氫視為未來(lái)的重要能源,其應用場(chǎng)景和規模將遠超現在,氫的制取與應用將不局限于就近制取就近應用。

由于我國氫能資源呈逆向分布,在資源上 " 西富東貧、北多南少 ",而在需求上則恰恰相反,因此大規模氫能儲運體系的建立是發(fā)展氫經(jīng)濟體系的基礎,這也就意味著(zhù)未來(lái)氫能否實(shí)現大規模的商業(yè)化應用的關(guān)鍵在于能否實(shí)現具有經(jīng)濟性的規?;瘍\。

氫的儲存

氫在常態(tài)下是氣體,它的儲存要比固體的煤以及液體的石油更加困難。由于氫原子半徑很小,氫氣能穿過(guò)大部分肉眼看不到的微孔,在高溫高壓下,氫氣甚至可以穿過(guò)很厚的鋼板。而且氫氣性質(zhì)活潑,穩定性差,泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸,這些因素都對氫氣的儲運技術(shù)提出了挑戰。此外,氫的 " 氫脆特性 " 也對儲存氫的容器以及相應的密封工藝提出了較高的要求。

通常情況下,氫氣可以氣體、液體、化合物等形態(tài)儲存,儲存方式按照原理可以分為物理儲存和化學(xué)儲存,主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固體儲氫材料儲氫等,其中高壓氣態(tài)儲氫書(shū)目前技術(shù)最成熟、應用最廣泛的儲氫方式,而固態(tài)儲氫材料儲氫技術(shù)門(mén)檻較高,目前還停留在實(shí)驗室階段,國內已有的項目多為示范工程,未被大規模商業(yè)化利用。

氫的儲存方法分類(lèi)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖9)

* 資料來(lái)源:CNKI

高壓氣態(tài)儲氫是目前主要的儲氫方法,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低,缺點(diǎn)是體積儲氫密度小,效率較低,未來(lái)的技術(shù)重點(diǎn)在于提高單位體積儲氫密度。

低溫液態(tài)儲氫的優(yōu)點(diǎn)是體積儲氫密度高,且液氫純度較高,缺點(diǎn)是液化過(guò)程耗能較大,成本較高,主要用于航空航天領(lǐng)域,未來(lái)的技術(shù)重點(diǎn)在于降低生產(chǎn)能耗和提高儲氫設備的隔熱材料特性以及密封效率。

有機液態(tài)儲氫的優(yōu)點(diǎn)在于儲氫密度高、儲運安全方便、可循環(huán)使用,而且可以和傳統的是由基礎設施通用進(jìn)行運輸和加注,缺點(diǎn)在于操作條件較為苛刻且有幾率發(fā)生副反應,未來(lái)技術(shù)重點(diǎn)在于提高相關(guān)可逆化學(xué)反應效率以及減少副反應產(chǎn)物生成。

固體儲氫的優(yōu)點(diǎn)在于純度較高、操作便捷安全,但技術(shù)條件過(guò)高,目前主要處于實(shí)驗室階段。固態(tài)儲氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲氫載體,通過(guò)化學(xué)吸附和物理吸附的方式實(shí)現氫的存儲,國外固態(tài)儲氫已在燃料電池潛艇中商業(yè)應用,在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規模儲氫中得到示范應用;國內固態(tài)儲氫已在分布式發(fā)電中得到示范應用。

主要儲氫方式特征對比

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖10)

* 數據來(lái)源:曹軍文《氫氣儲運技術(shù)的發(fā)展現狀與展望》

氫的運輸

氫的主要運輸方式有高壓長(cháng)管拖車(chē)運輸(氣)、液態(tài)槽車(chē)運輸(液)、管道運輸(氣)等。從終端氫氣價(jià)格組成來(lái)看,氫氣儲運成本占總成本的 30% 左右,經(jīng)濟、高效、安全的儲運氫技術(shù)已成為當前制約氫能大規模應用的主要瓶頸之一。

長(cháng)管拖車(chē)運輸是目前技術(shù)最為成熟的運輸方式,通常做法是將壓縮后的高壓氫氣輸入運氫長(cháng)管拖車(chē)進(jìn)行運輸,目前國內的長(cháng)管拖車(chē)的工作壓力一般為 20MPa,而國外的長(cháng)管拖車(chē)的工作壓力可達到 45MPa-70MPa,運輸效率更高。

在運輸過(guò)程中,通常使用灌裝壓力為 15.2MPa 的儲氫鋼瓶當作充放氫的介質(zhì)容器。這種運輸方法的優(yōu)點(diǎn)是儲氫成本低,充放氣速度快,在常溫下就可以進(jìn)行,且在輸送、儲存、消費過(guò)程中不發(fā)生相變,能量損失小。

但是它的弊端也很顯著(zhù),由于氫氣密度小,而儲氫壓力容器自重大,單位質(zhì)量的儲氫密度只有 1%(質(zhì)量分數)左右,國內常見(jiàn)的單車(chē)運氫量?jì)H為 260-460kg。而且雖然儲氫瓶充放氫速度快,但氫氣瓶卸車(chē)時(shí)間較長(cháng),需要 2-6h,總體運輸效率較低。

此外,其運輸成本會(huì )隨距離增加而大幅上升,多數用于城市間短距離運氫,不適合大規模長(cháng)距離運輸。隨著(zhù)未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,氫氣的大規模長(cháng)距離運輸需求會(huì )進(jìn)一步上升,僅靠長(cháng)管拖車(chē)氣態(tài)運輸將很難滿(mǎn)足需求。

長(cháng)管拖車(chē)運輸成本構成

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖11)

* 數據來(lái)源:EVtank

低溫液化運輸主要是指利用氫氣在低溫高壓的條件下(101kPa,-253 ℃以下)轉化為液態(tài)氫,通過(guò)特定容器進(jìn)行運輸的方式。液化氫氣具有存儲、儲存效率高、能量密度大 ( 12-34MJ/kg ) 的特點(diǎn),可以滿(mǎn)足氫氣的大規模長(cháng)距離運輸需求。

但低溫液化運輸對容器的保溫性能要求很高,而卻將液態(tài)氫從液氫罐轉移到加氫站儲氫罐里時(shí),由于要將配管冷卻到液態(tài)氫溫度,會(huì )有一定程度的蒸發(fā)損失。此外,防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集于液氫罐內的物質(zhì)的混入也是很重要的,對運輸過(guò)程的密封工藝也提出了較高的要求。

低溫液化儲氫成本構成

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖12)

有機液化運輸是指利用氫和液態(tài)有機物進(jìn)行化學(xué)反應,主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機物和氫氣的可逆反應。

其中,加氫反應實(shí)現氫的儲存,脫氫反應實(shí)現氫的釋放,質(zhì)量?jì)涿芏仍?5%-10%,可以實(shí)現常溫常壓運輸,方便安全。但是儲氫載體的儲氫質(zhì)量百分比意味著(zhù)運輸相同質(zhì)量的氫,載體的總質(zhì)量會(huì )更大,而對于運輸過(guò)程而言,質(zhì)量的重要性要高于體積,這是該方法的主要缺點(diǎn)。

此外,這種方法還存在著(zhù)有幾率發(fā)生副反應、催化劑易被中間產(chǎn)物毒化、液氫儲存壓縮能耗過(guò)大等問(wèn)題。未來(lái)的技術(shù)突破方向是:提高低溫下有機液體儲氫介質(zhì)的脫氫速率與效率、催化劑反應性能、降低脫氫成本及操作難度。

目前主要的液態(tài)載體有氨(NH3)、甲醇(CH3OH)和液態(tài)有機氫載體(LOHC)。其中,液氨是最有效的長(cháng)距離,特別是跨洋氫氣輸送的最佳載體。但在成本方面,甲醇和甲基己烷更有競爭力。

氫的四種液化運輸方式成本對比

氫能產(chǎn)業(yè)鏈:進(jìn)口依賴(lài)推高經(jīng)濟成本,自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路(圖13)

* 數據來(lái)源:化工進(jìn)展

液態(tài)管道運輸是指利用管道運輸液氫的運輸方式,這種方式可以保證液氫的高純度,但設備成本高昂,需要隔熱、強度性能優(yōu)異的材料制作管道以維持液氫的低溫高壓狀態(tài),不適用于遠距離運輸液氫。目前主要的液氫運輸管道基本都維持在 2km 以?xún)?,一般建在航天發(fā)射場(chǎng)內,用于服務(wù)航空航天項目。

氣態(tài)管道運輸無(wú)論在成本上還是在能量消耗上都有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。氫的氣態(tài)管道運輸主要有兩種方法:一類(lèi)是利用天然氣管道,和天然氣混合輸送;另一類(lèi)是修建新的純氫管道。

天然氣摻氫管道運輸的優(yōu)勢在于節約建設成本,由于純氫管道的高技術(shù)標準,新建純氫管道的成本十分高昂。目前氫氣長(cháng)輸管道的造價(jià)約為 63 萬(wàn)美元 / 公里,約為天然氣管道(25 萬(wàn)美元 / 公里)的 2.5 倍。而天然氣摻氫項目可以利用我國現有的、已經(jīng)具備大規模輸送能力的天然氣管道進(jìn)行運輸。相關(guān)的研究表明,氫氣體積分數小于 20%的天然氣和氫氣的混合氣可以直接采用天然氣管道進(jìn)行運輸,無(wú)需任何改造,可以大大節約前期的建設投入。

但這種運輸方式也有相應的缺點(diǎn),首先," 氫脆 " 效應會(huì )對天然氣管道造成一定的損害。

氫脆是指由于溶于材料中的氫,聚合為氫分子,造成應力集中,超過(guò)材料的強度極限,在材料內部形成細小的裂紋,進(jìn)而導致脆化甚至開(kāi)裂的現象。

摻氫天然氣混合了烷、氫氣、水、二氧化碳、氧氣等多種成分,這些混合氣體的協(xié)同反應對碳素鋼等材料的疲勞裂紋擴張速率比在純氫氣當中的還要快,這導致?lián)綒涮烊粴鈱艿啦牧系男阅苡绊懞艽?,而且目前的氫脆的學(xué)術(shù)研究主要是在 " 液相 " 方面,而天然氣摻氫面臨的 " 氣相 " 氫脆問(wèn)題缺少充足的理論研究基礎,這使得國內外均未找到一種可行的技術(shù)材料解決這個(gè)問(wèn)題。

其次,天然氣摻氫管道運輸會(huì )面臨分離難、提純難的問(wèn)題。天然氣中的氫濃度為 5%-20%時(shí),用氫地區采用膜分離方法從混合氣中提取氫,氫濃度低于 5%時(shí)采用混合氣重整制氫方法,這拉高了運輸過(guò)程的整體成本。最后,氫的活潑、能量大、爆炸極限范圍大等化學(xué)性質(zhì)使得天然氣摻氫運輸的安全性考量成為了重中之重,對相關(guān)工藝提出了較高要求。

純氫管道可分為長(cháng)距離輸送管道和短距離配送管道。長(cháng)輸管道輸氫壓力較高,管道直徑較大,適用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的點(diǎn)對點(diǎn)、長(cháng)距離、大規模輸送。短距離配送管道輸氫壓力較低,管道直徑較小,適用于氫氣站與各個(gè)用戶(hù)之間的中低壓氫氣的配送。

氫氣配送管道建設成本較低,但氫氣長(cháng)輸管道建設難度大、成本高。目前我國氫氣管道總里程約 400km,主要分布在環(huán)渤海、長(cháng)三角等地區。盡管按照《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書(shū)》預計,隨著(zhù)對氫的大規模長(cháng)距離的運輸需求的逐漸上升,到 2030 年,我國氫氣管道可能達到 3000km。但受限于氫氣管道極高的建設成本和較大的技術(shù)難關(guān),即使是大規模運輸,其單位成本也很難實(shí)現經(jīng)濟性,因此我們對氫氣管道的應用前景并不看好。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的下游 · 應用

氫能作為傳統的工業(yè)原料和新興的燃料能源,其應用十分廣泛,并且相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈條還在不斷擴張中。綜合來(lái)看,目前氫的主要應用方向主要集中在交通領(lǐng)域、儲能領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。

在交通領(lǐng)域,氫能主要應用于氫能源汽車(chē)、重型機械、飛機船舶等方面。氫動(dòng)力汽車(chē)是氫能主要利用方式之一,氫的熱能高,每千克氫能產(chǎn)生 33.6kW/h 能量,是汽油的 2.8 倍,且氫的燃點(diǎn)很低,火焰的傳播速度較快,比汽油汽車(chē)具有更高的燃料利用率,也不會(huì )排出污染氣體、溫室氣體。

當前,大部分的氫能汽車(chē)都是汽油和氫氣混合同時(shí)燃燒的摻氫汽車(chē),純氫汽車(chē)目前還在研發(fā)中。摻氫汽車(chē)相對而言,更少受到氫氣成本較高的影響,也有利于在貧油區推廣、改善發(fā)動(dòng)機燃燒情況。我國的氫能應用遵循氫燃料電池商用車(chē)先于乘用車(chē)發(fā)展的特點(diǎn),在產(chǎn)業(yè)補貼和國家政策支持下,中國氫燃料電池客車(chē)、物流車(chē)等商用車(chē)的應用領(lǐng)先于其他氫燃料電池車(chē)型。

氫燃料電池的成本是市場(chǎng)化應用的重要因素,未來(lái) 20-30 年,隨著(zhù)質(zhì)子交換燃料電池的技術(shù)突破與規模效應帶來(lái)的成本下降,氫燃料電池、乘用車(chē)等車(chē)型的市場(chǎng)化進(jìn)程將加快,并成為氫能在中國交通運輸領(lǐng)域的重要組成部分。在非道路運輸領(lǐng)域,中國正在氫燃料電池重型工程機械、軌道交通、無(wú)人機等領(lǐng)域積極探索,探索拓展氫能的商業(yè)化應用范圍。

在儲能領(lǐng)域,隨著(zhù)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源利用技術(shù)的快速發(fā)展,氫能將逐漸成為可再生能源電力系統中重要的儲能方式。風(fēng)力、光伏等發(fā)電方式具有隨機性、間歇性及低能量密度特點(diǎn),大規??稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)加劇了電力系統供需雙重波動(dòng)性與不確定性。

可再生能源獲取的不連續的電力可以轉換為氫大規模、長(cháng)期儲存起來(lái)并運輸到能源需求地,在需要的時(shí)候隨時(shí)隨地使用。以氫能為介質(zhì)和紐帶,實(shí)現可再生能源與能源消費終端的有效連接,保障可再生能源大規模、可持續開(kāi)發(fā)利用。

在工業(yè)領(lǐng)域,主要應用有氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫等。氫能利用是工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳的重要實(shí)現路徑,在很多傳統重碳工業(yè)中引入氫,既能高效地促進(jìn)整個(gè)工業(yè)流程,又能減少含碳化合物的排放,如富氫還原的金屬冶煉技術(shù)、煤炭熱解制富氫燃氣技術(shù)等。

工業(yè)部門(mén)用氫需求大,因此能夠以規模效益來(lái)降低氫能供應鏈成本;同時(shí),工業(yè)企業(yè)決策相對集中,可在基礎設施等方面率先行動(dòng),并帶動(dòng)全社會(huì )氫能發(fā)展。未來(lái)氫能在工業(yè)領(lǐng)域的應用前景廣泛,氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫將成為主要應用場(chǎng)景。

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