破解氢能产业卡脖子环节,液氢技术和装备国产化有待突破

虽然我国液氢生产与应用历史悠久,是世界上最早使用氢燃料发动机的国家之一,但技术和装备长期局限在航天军工领域,民用领域相关技术和装备缺失,液氢产量低。与国外先进技术相比,液氢技术和装备水平还有显著差距。全国氢能标准化技术委员会高级顾问、首任主任委员陈霖新指出,液氢生产与应用涉及的几个行业已被美国列入商业管制清单,大规模液氢生产储运相关设备、材料和工艺技术受到进口限制,液氢技术和装备国产化任务迫在眉睫。

氢的储运是氢能产业发展中的关键环节

一直以来,氢的高密度储运技术是制约氢能产业发展的重要因素之一。

氢的储运技术是发挥氢能战略意义的重要支撑。氢能对促进我国能源转型,实现清洁低碳、安全高效的现代能源体系都具有重大战略意义,主要的实现路径是通过氢与多种能源形式耦合来大幅提升可再生能源在一次能源消费中的占比。考虑到我国可再生能源资源与负荷中心的逆向分布,缺乏低成本可靠的高密度储运技术限制了我国西部丰富的可再生能源制氢的潜力。

图1  中国与全球当前制氢方式构成(来源:中国石化)

 

氢的储运技术与终端用氢成本密切相关。数据显示,我国氢气产能达2500万吨,是制氢大国,据统计,已投产和在建的工业副产项目氢供应规模可达400万吨以上,初期示范应用成本较低廉的氢源相对容易解决,但当前技术水平下氢的中远距离储运大幅增加氢终端售价,不利于终端氢能应用领域的培育和发展。

 

图2  中国工业副产氢产能分布(来源:光大证券)

 

氢的储运技术也是健全氢安全市场监管体系的重要一环。氢的储运、加注等环节特种设备多,检测认证技术及相关标准仍在完善,在氢能安全受到强监管形势下,获得各界认可的高密度储氢安全体系建立对氢能产业市场准入和商业化发展至关重要。

发展液氢技术和装备具有重要意义

当前氢的储存分为高压气态储氢、低温液态储氢、化学储氢及吸附储氢等多种方式。

高压气态储氢为当前主要储氢方式。其中,钢制氢瓶和压力容器最成熟,20MPa钢制氢瓶应用广泛;车载高压氢瓶中,35MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶仍是国内主流,70MPa碳纤维缠绕Ⅵ型瓶仍待推向市场。

低温液态储氢在国内航天工程中已成熟使用,民用领域还处在起步阶段。化学储氢常见于有机液体储氢、氨等化合物储氢,吸附储氢以金属氢化物储氢为主,这些储氢方式尚处于示范应用阶段。

表1  各种储氢方式对比

 

氢的运输方式中,20MPa高压长管拖车在国内最为常见,单车运氢约300kg,适合150公里以内短距离运输,国外一般采用45MPa长管拖车,运氢能力提升到700kg。

1-4MPa管道运输适合陆上远距离氢气输送,目前全球分布有近5000公里氢气管道,主要分布在美国、比利时和德国。国内目前建成约40公里,主要用于向化工和炼油设施输送氢。管道输氢造价昂贵,项目准入尚存在困难,不适合中短途输送氢气。

液氢输运可采用槽罐车,适合500公里中远距离的运输。火车和汽车运氢量分别可达7000kg和2800kg,但目前国内液氢民用输运尚无先例,存在较大障碍。日本已开发液氢运输船,最多可运氢1250Nm³,成为远程海洋运输的有效方式。

高压气态储运长距离运输成本高,距离敏感性高,需要进一步提高储运效率,液氢储运体积密度是高压气态储运的5倍,在中长距离氢气储运中经济性较高,是未来氢储运的重要方向。据国际能源署的数据,配送成本上看,500公里时,液氢配送成本仅增加约0.3USD/kg,而高压气态运输配送成本将上升5倍以上,接近2USD/kg。

图3  各种输送方式氢配送费用(数据来源:IEA)

氢液化需消耗自身能量的25-35%,约13-15KWh/kg,这导致目前液氢的输运成本偏高。但随着运输距离的增加,液氢输运环节综合成本将具备较强优势,据陈霖新的数据显示,运输距离达500公里时,液氢制备与运输成本比高压气瓶方式降低近20%。

在加氢站环节,采用液氢技术和装备,将有效降低占地面积和设备投资,据航天101所副总工程师刘玉涛展示的数据,同样加氢规模的加氢站,采用液氢技术可减少设备台套数,并减少占地面积,建设成本可比高压气态加氢站减少15-20%。

就国外氢能技术领先国家的经验看,全球加氢站中1/3采用液氢技术。美国和日本根据本国情况主推液氢储运技术路线。在美国有约33.5%的液氢用于石油化工电子行业,18.6%用于航空航天,约10%服务于燃料电池车辆的加氢站。澳大利亚和日本的氢能供应链项目HESC也采用液氢运输船远距离输送氢气,成为世界范围内分配氢能源的一种有效方式。

根据中国石油勘探开发研究院的预测,2050年液氢将占所有储氢方式的45%。

 

图4  储氢方式构成预测

 

国发能研院、绿能智库认为,在我国,氢气终端售价事关氢能示范应用是否具备商业化运营条件,是否可以不断扩大规模形成良性发展。对于中长距离运输,液氢技术和装备不可替代,有助于实现规模化氢源以较低的储运、加注成本供应氢能终端消费聚集区域。

我国液氢技术和装备有待突破

我国当前液氢产能较低,氢液化设备由美国AP、普莱克斯、法国法液空、德国林德等厂商提供。国内液氢技术和装备能力存在短板,特别是民用领域起步较晚,目前有航天101所、中科富海和国富氢能等单位在进行氢液化系统的研究开发。资料显示,我国当前最大氢液化规模2吨/天,采用氦膨胀液化循环和液氮预冷技术,液化设备依赖进口,与国外技术差距明显。

从液氢技术和装备未来发展趋势看,氢气液化能耗和氢液化成本仍需大幅下降,以降低液氢储运环节的成本。据林德数据显示,小于5吨/天生产规模,氢液化能耗超过10KWh/kg,当液氢工厂规模达到50吨/天和150吨/天时,氢液化能耗可降至约7KWh/kg和6KWh/kg。氢液化工厂规模由5吨/天提高到50吨/天时,氢液化总成本可降低50%。

 

图5  氢液化能耗随氢液化规模变化图(来源:林德)

 

根据美国商业管制清单,限制了我国进口10吨/天以上的氢液化技术及装备,以及DN50以上液氢阀门、膨胀机、液氢泵等关键设备。国产民用大规模液氢技术和装备的突破具有重大意义。

据了解,国内液氢技术和装备正在取得一系列的进展。航天101所国内首套自主开发的1m3/h氢液化系统落地浙江,会继续开发基于氢膨胀的大型氢液化系统,形成系列化的产品,在氢液化系统、液氢加氢站设备及工程、车载液氢供氢等领域发力,加快航天技术转民用的进程。

液氢测试环节,航天101所建成液氢环境综合试验区,并建成了液氢加氢站关键设备测试平台和车载液氢供气系统测试平台。

为填补液氢民用标准领域的空白,航天科技集团编制的《氢能汽车用燃料液氢》,《液氢生产系统技术规范》,《液氢贮存和运输安全技术技术要求》等三项液氢标准,预计2020年正式发布。

国发能研院、绿能智库认为,液氢技术和装备在民用领域的突破将有力促进我国氢能产业可持续发展,军民融合、相关企业协同攻关将是取得突破的必由之路。

来源:北京国发智慧能源技术研究院、绿能智库

2019年12月31日 17:25