氢 能 的 输 送 与 存 储

王健 陈福 陈兆民

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

据国际氢能委员会预计，到2050年氢能可以满足全球能源总需求的18%或全球一次能源总需求的12%，氢能及氢能技术相关市场规模将超过2.5万亿美元。氢能利用可减排温室气体，为本世纪末地球升温控制在1.5 ℃以内做出重要贡献。科学界和经济界一致认为，氢能是迈向未来碳中和的理想能源载体，作为替代能源可保证不牺牲现有消费端的灵活性、效率和性能。

未来5～10年仍以混氛为主，纯氢利用主要取决于生产成本的变化。随着2060年碳中和目标的实现，大规模制氢成本会大幅度降低。目前，一些大型企业已经开始了使用氢的试点项目，为氢能的应用推广提供了示范。

1 氢的特性

1.1 基本性质

①氢是元素周期表中第一个、最小和最轻的元素，原子序数为1；

②在标准温度和压力下，氢气是无色、无臭、无味的，密度约是天然气的1/8；

③减压时升温（与天然气相比∶膨胀时冷却）；

④与大多数碳氢化合物相比，点燃氢气的能量是天然气的1/15；

⑤爆炸极限范围更广∶天然气为∶4%～16%；氢气为∶4%～77%。

1.2 氢脆特性

与天然气的主要成分CH4相比，氢气在高温下更易挥发，氢（H2）可以分解成2个原子（H），这些原子可以渗入钢中并再次结合为H2，将导致钢材料中的张力不均匀，应力集中，超过钢的强度极限，产生氢脆。在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂，使钢失去强度，降低其使用能力和范围。

氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300 ℃和压力高于30 MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。一般在氢含量≤30%且压力较低时，输送管道无需进行特殊处理。

2 氢能的输送

2.1 输送要求

氢气在常温、常压状态下的密度很低，是自然界所有气体中最低的，需要采用专门的技术储存起来进行运输、使用，因此，对现有氢气输送方案的技术经济特征进行分析，构建经济高效的氢气储运及配送基础设施，是氢能产业发展必须解决的重大问题。

2.2 运输手段

目前氢能主要运输手段有三种，即高压气氢、低温液氢、管道输氢，其中高压气氢运输是现下主流的运输方式。对于大规模氢气输送，一般采用长输管道输送。液氢运输方法一般是采用车船输送，可作为管道输氢的一种补充。有机液体储氢和固体材料储氢尚处于实验室阶段，目前没有大规模、工业化应用。

氢能运输成本与储运距离和储运量有密切关系。短距离低用量（城市内）适合高压气态储运，但是需要高压容器的投资建设；中距离低用量（城际间）适合液氢储运，但是仍需要技术进步推动降本；长距离高用量（洲际间）适合管网运输，但是需要高额的基础设施建设投资。不同氢气运量、运距下各类氢气运输方式的最低储运成本(储存＋转换＋运输）见图1。

图1 不同氢气运量、运距下各类氢气运输方式的最低储运成本（储存＋转换＋运输）

氢气液化过程消耗大量的能量，所消耗能量值为所储存氢能的30%左右；储存液氢的容器为特制液氢罐，采用双层真空绝热壁面结构，并需加装相关控制与安全保护装置起到抗冲击及减振作用，结构复杂性与加工成本高；外界热量稍微渗入容器也会使其迅速气化从而造成损失，因此，液氢气化、泄漏也是必须面临的重要问题之一。

3 存储

3.1 存储要求

近年来，随着对天然气的需求量大大增加，在地表面开挖大的基坑或者槽，在基坑或槽的内表面及地表面用无锈钢板、绝热层和混凝土共同作为的密封层来储存天然气，如图2所示。

图2 钢板/混凝土组合地下LNG储库示意图

氢气储存气压与LNG存储类似，但由于氢气具有易于扩散的特性，氢气的地下储存对密闭性有着更为严格的要求。如重庆半山环道综合加氢站，为国内首座应用储氢井技术的加氢站，采用地下储氢，每日供氢能力可达1 t。超高性能混凝土、超高韧性水泥基复合材料等高性能混凝土可满足地下、半地下氢气储存库建设的需求。

3.2 存储方式

经济、高效、安全的储氢技术是氢能利用走向实用化、产业化的关键。目前已经发展的氢能储存技术根据原理分类主要有高压气态储氢、低温液化储氢、金属氢化物储氢、有机液体储氢、复合式储氢。不同储存方式具有不同的储氢密度，适用于不同的应用场合。目前的技术成熟度和实用性也不同，具有不同的应用前景。高压气态储氢目前应用最广泛，常用有35 MPa、70 MPa、80 MPa等压力等级。储氢方式及特点见表1。

表1 储氢技术路线

3.2.1 液态存氢

将氢气进行液化后运输是一种高效、经济的运输方式，液氢可以采用低温罐车进行公路运输，也可采用罐式集装箱进行水路或采用铁路罐车、罐式集装箱进行铁路运输。

在应用领域，我国液氢应用目前多用于军工及航天领域，未来有逐步引入民用的趋势。国外液氢已经实现了民用化。

优点：液化储氢具有热值高、体积能量密度高、占用空间体积较小等优点。氢能以液态储存能够同时满足质量密度和体积密度的要求。

缺点：液氢的使用也存在一系列的难题，如液氢易挥发，不便长期保存且存在安全隐患，氢气的液化过程能耗高，氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30%，对储氢容器材料有较为苛刻的要求等。由于液化储氢的成本较高，且其安全技术非常复杂，因此不适合广泛使用，但其作为航空燃料已在航空领域发挥着巨大的作用。多级压缩冷却能耗巨大，低温储氢罐的设计制造及材料一直存在成本高昂的难题。

3.2.2 高压存氢

高压气态储氢主要通过储氢瓶或储氢罐存储气氢，是我国目前最为常见的储氢方式，技术更为成熟，从原材料到储氢瓶的发展上都呈现出日益完善的趋势。

我国如碳纤维等高压储氢瓶的关键原材料的国产化程度在逐年提升。随着国家对新能源、新材料的重视，未来碳纤维生产工艺的日臻完善、规模效应逐渐显现，碳纤维生产的单位成本逐年下降，其国产化还会进一步提速，我国气氢储能也将进一步发展，迸发出更加巨大的潜力。

目前国外主流气氢存储系统多为质量更轻、工作压力更大、能储存更多氢气的70 MPa塑料内胆纤维，缠绕Ⅳ型瓶组。而我国则以30 MPa的Ⅲ型瓶为主。但近年来，随着车载储氢瓶的兴起，我国储氢罐逐渐向更轻质化、储存密度更高的70 MPa Ⅳ型瓶靠拢，已有相当数量的国内企业开始布局IV型瓶的技术研发与制造。

优点：高压气态储氢技术比较成熟，一定时间内都将是国内主推的储氢技术。

缺点：国内70 MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术不成熟、规模化生产难度大，目前成本相对较高，抑制了IV型储氢瓶的需求。

3.2.3 化合物存氢

金属合金储氢技术是在一定的温度与压力下，金属合金与氢气形成金属氢化物进行氢气存储。相比于高压气态储氢与低压液态储氢技术，该技术不需要高压设备及液化装置，用氢时可通过加热或减压将氢释放，操作简便，安全可逆，在标准状态下可吸收自身体积1300倍的氢气，体积储氢密度高，储氢压力低、放氢温度低、安全性高等优势（表2）。

表2 储氢方式性能对比

此外，该技术储氢时放热，放氢时吸热，在储存氢的同时可实现热的储存与传递。金属合金储氢技术可将氢气变身为“固态油箱”，合金储氢材料的循环性能大于5000次，适用于燃料电池汽车、重型卡车、叉车、轮船、氢能发电及工业和建筑供热等。目前，国外金属合金储氢技术在分布式发电和燃料电池游艇中尝试应用，国内的研发主要在汽车行业已经形成了从原料开发、分离、合金制备的完整产业链，部分国产产品成功进入到松下、三星、比亚迪等企业。此外，我国混合动力汽车镍氢电池、燃料电池用高功率型储氢合金粉也取得了较大的研发进展，部分产品已进入一汽、二汽、长安、奇瑞等车企。丰田普锐斯混合动力汽车每辆汽车用储氢合金8 kg，目前其销量已超1000万辆，其用量可观。

优点：固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势，其体积储氢密度高于液氢。

缺点：主流金属储氢材料质量储氢率仍低于3.8%，质量储氢率大于7%的轻质储氢材料还需解决吸放氢温度偏高、循环性能较差等问题。

4 结语

氢能的输送与存储众多技术并行，各有优劣。高压气态储氢具有成本低、充放气速度快、使用温度低等优点，但储量小、耗能大，需要耐压容器壁，存在氢气泄露与容器爆破等不安全因素的缺点。液态储氢储量大，安全性更高，但所需温度低，对储存容器要求高。固态储氢相对于高压气态和液态储氢，具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。未来高安全性、低成本、能实现长距离运输的储氢方式亟待开发，以引领氢能进入全面产业化时代。