第1章 氫氣存儲與運(yùn)輸概述

1.1 概論

氫（H）是一種化學(xué)元素，在元素周期表中位列第一位。氫主要以化合態(tài)形式出現(xiàn)，而通常情況下，氫的單質(zhì)形態(tài)為氫氣。氫氣是已知密度最小的氣體，由雙原子分子組成，無色、無味，具有還原性，可從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制取，是重要的工業(yè)原料及能源載體。氫氣燃點(diǎn)低、爆炸區(qū)間廣且擴(kuò)散系數(shù)大，見表1-1。因此，氫氣發(fā)生泄漏后容易消散，且不易形成可爆炸噴霧，在開放空間下較為安全可控。氫氣的熱值較高，是理想的二次能源載體。

氫能是指以氫氣作為原料、來源廣泛、清潔無碳、應(yīng)用場景豐富的可再生能源。作為新型能源之一，氫能拓展程度相對較低，但環(huán)保效果極佳，具有熱值高、制取成本較低、零碳排放等多重優(yōu)點(diǎn)，可用于儲能、發(fā)電、交通工具燃料驅(qū)動、家用燃料等。因此，氫能也成為支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展、推動傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的理想媒介，是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，也是我國能源安全的一道重要保障，以及交通、工業(yè)、電力、建筑等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模深度脫碳的重要方式，有助于拉動產(chǎn)業(yè)鏈上下游多環(huán)節(jié)共同發(fā)展、協(xié)同多產(chǎn)業(yè)共同進(jìn)步、提供經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動力。

目前全球多個(gè)國家和地區(qū)已頒布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑圖。例如，2020年4月，荷蘭正式發(fā)布國家級氫能政策，計(jì)劃到2025年，建設(shè)50座加氫站、投放15000輛燃料電池汽車和3000輛重型汽車；到2030年投放300000輛燃料電池汽車。2020年6月，德國政府正式通過了國家氫能源戰(zhàn)略，為清潔能源未來的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和相關(guān)創(chuàng)新、投資制定了行動框架。2020年6月，法國交通部長宣布支持一項(xiàng)在2035年實(shí)現(xiàn)綠色氫燃料飛機(jī)的計(jì)劃。2020年7月，歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，希望借此為歐盟設(shè)置新的清潔能源投資議程，以達(dá)成在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，同時(shí)在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，進(jìn)一步刺激歐盟在后疫情時(shí)代的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。美國、日本、韓國也將在已推出的氫能發(fā)展路線圖基礎(chǔ)上繼續(xù)支持氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2022年3月，國家發(fā)展改革委和能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫能的三大戰(zhàn)略定位：氫能是未來國家能源體系的重要組成部分；氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體；氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，2020—2025年間，中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)1萬億元，2026—2035年產(chǎn)值則將達(dá)到5萬億元。

氫能產(chǎn)業(yè)主要分為制氫、儲氫、運(yùn)氫、加氫、用氫等環(huán)節(jié)，如圖1-1所示。氫能供應(yīng)體系，以實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)高效便捷的氫能供應(yīng)體系為目標(biāo)，中國將在氫的制儲運(yùn)加各環(huán)節(jié)逐漸突破。

1）制氫：化石能源制氫為目前主流，而電解水制氫是未來最具潛力的綠色制氫方式。

2）儲氫：目前高壓氣儲氫為主流，未來液氫、富氫液體、固體氫化物等先進(jìn)儲氫技術(shù)待突破。

3）運(yùn)氫：與儲氫方式緊密相關(guān)，氣態(tài)儲運(yùn)、液態(tài)儲運(yùn)、固態(tài)儲運(yùn)等不同運(yùn)氣方式適宜不同應(yīng)用場景。

4）加氫：加氫站為重要基礎(chǔ)設(shè)施，到2025年我國加氫站建設(shè)目標(biāo)為至少1000座。

5）用氫：氫氣作為燃料，主要通過燃料電池或氫內(nèi)燃機(jī)的方式轉(zhuǎn)換成電能或動能，并用于氫燃料汽車、季節(jié)性儲能、分布式發(fā)電等領(lǐng)域；或作為原料，用于氫冶金或氫化工等領(lǐng)域。

在氫能產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)中，氫氣的儲存與運(yùn)輸是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)儲氫方式的不同，氫氣的儲存和運(yùn)輸可以分為高壓氣態(tài)儲運(yùn)氫、液態(tài)儲運(yùn)氫、固態(tài)儲運(yùn)氫，如圖1-2所示。

1）高壓氣態(tài)儲運(yùn)氫是指氫氣以高壓氣態(tài)形式進(jìn)行儲存與運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)，氫氣的儲存密度與氫氣壓力直接相關(guān)。高壓氣態(tài)儲運(yùn)氫主要分為高壓氣瓶和管道輸氫，前者將氫氣儲存在容器中進(jìn)行運(yùn)輸，而后者則通過管道進(jìn)行連續(xù)性運(yùn)輸。

2）液態(tài)儲運(yùn)氫是指氫氣以液態(tài)氫或液態(tài)富氫化合物的形式進(jìn)行運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)。液態(tài)儲運(yùn)氫主要分為液氫儲運(yùn)和富氫化合物儲運(yùn)，前者是將氫氣降溫至-253℃液化成液氫進(jìn)行儲運(yùn)，后者是將氫氣儲存在富氫化合物（如液氨、甲醇、甲苯、二甲基咔唑等）中進(jìn)行儲運(yùn)，并通過催化加氫/脫氫的方式進(jìn)行氫氣儲存和釋放。

3）固態(tài)儲運(yùn)氫是指絕大部分氫固定于固態(tài)儲氫材料中進(jìn)行儲存和運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)。固態(tài)儲氫材料的種類繁多，大體可分為儲氫合金及金屬氫化物（如稀土基、Ti基、Mg基、V基等）、配位氫化物（如LiAlH4、NaBH4等）、金屬氮?dú)浠衔铮ㄈ鏛iNH2、LiAl(NH2)4等）、氨硼烷及衍生物（如NH3BH3、LiNH2BH3等）、金屬有機(jī)框架材料（如ZIF-8等）、碳材料（如石墨烯、納米碳管等）等。

目前，在眾多儲運(yùn)氫技術(shù)中，高壓氣瓶儲運(yùn)是最為成熟的儲運(yùn)氫技術(shù)；管道輸氫和液氫在國外已有較為成熟的應(yīng)用，但是我國的工程應(yīng)用相對缺乏；富氫化合物和固態(tài)儲運(yùn)氫技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，只有少量示范應(yīng)用。根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，我國未來的儲運(yùn)氫方式是高密度、輕量化、低成本、多元化的氫儲運(yùn)體系，多種儲運(yùn)氫方式應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景的不同進(jìn)行合理選擇。