隨著“3060”目標(biāo)的提出，氫能產(chǎn)業(yè)在我國(guó)快速鋪開(kāi)，氫能儲(chǔ)運(yùn)在氫能產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著重要地位。有報(bào)道稱(chēng)，儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的成本約占?xì)錃饪偝杀镜?0%-40%。儲(chǔ)氫成本高是限制氫能發(fā)展的重要因素，降本增效是氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展的底層邏輯，也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模用氫的必行之路。
當(dāng)前氫能儲(chǔ)運(yùn)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，儲(chǔ)氫方式目前已超過(guò)10種，但根據(jù)氫氣狀態(tài)的不同，儲(chǔ)氫方式可分為三大類(lèi)：氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。
部分氫能儲(chǔ)運(yùn)方式對(duì)比
01氣態(tài)儲(chǔ)氫
氣態(tài)儲(chǔ)氫中的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是我國(guó)目前最成熟、應(yīng)用范圍最廣的儲(chǔ)氫技術(shù)，具有運(yùn)輸成本低、能耗小、充放相應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
高壓儲(chǔ)氫瓶是壓縮氫氣的關(guān)鍵技術(shù)，目前高壓儲(chǔ)氫瓶根據(jù)材質(zhì)分為4種，其中金屬內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型）多為車(chē)載儲(chǔ)氫瓶。隨著燃料電池汽車(chē)應(yīng)用需求的增加，市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)氫瓶的性能也隨之提高，輕質(zhì)高壓是儲(chǔ)氫瓶技術(shù)發(fā)展的最終要求。
目前我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)35MPaⅢ型儲(chǔ)氫瓶的規(guī)模化應(yīng)用，2021年12月，天海工業(yè)為北京冬奧會(huì)用車(chē)供應(yīng)140套70MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)，代表70MPaⅢ型儲(chǔ)氫瓶已實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。但要想提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，做到燃料電池產(chǎn)業(yè)化，70MPaⅣ型儲(chǔ)氫瓶是無(wú)法避過(guò)的門(mén)檻，其中碳纖維、閥門(mén)等核心材料材料零部件技術(shù)亟待突破。材料更新是高壓儲(chǔ)氫降本關(guān)鍵。
隨著燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，氫能應(yīng)用需求不斷上升，儲(chǔ)氫瓶降本正快速提上日程。
2023年5月23日發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《車(chē)用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》以及同時(shí)發(fā)布的《車(chē)用壓縮氫氣纖維全纏繞氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》，為70MPaⅣ型儲(chǔ)氫瓶提供了研發(fā)方向，市場(chǎng)向“Ⅲ型瓶為主，Ⅳ型瓶份額逐漸加重”的趨勢(shì)發(fā)展。
碳纖維增強(qiáng)塑料是Ⅲ型和Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的主要承載材料，也是車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的成本大頭。據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，35MPaⅣ型瓶、70MPaⅣ型瓶、35MPaⅢ型瓶、70MPaⅢ型的碳纖維占比分別為76.58%、78.01%、62.43%、65.64%，可見(jiàn)儲(chǔ)氫瓶的型號(hào)及壓力是決定碳纖維用量的主要因素，Ⅳ型瓶碳纖維占比要低于Ⅳ型，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本更低。
02液態(tài)儲(chǔ)氫
相比氣態(tài)氫，液氫具有穩(wěn)定、高效可控的優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)儲(chǔ)氫主要分為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度高、運(yùn)輸簡(jiǎn)單、安全性好，目前主要應(yīng)用于航天工程領(lǐng)域。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫量大、設(shè)備簡(jiǎn)單，可利用石油基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸加注，運(yùn)輸便利安全。僅從質(zhì)量和體積上考慮，液氫儲(chǔ)存是一種理想的儲(chǔ)氫方式。
但在實(shí)際應(yīng)用上，無(wú)論是低溫液態(tài)儲(chǔ)氫還是有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，都存在許多限制。除有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)上還未取得突破外，氫氣液化本身成本和效能的關(guān)系依然模糊不清。氫氣低溫液化溫度為-253℃，要維持如此的低溫，需要多個(gè)冷凝循環(huán)并消耗大量能量，理想情況下消耗能量約為氫氣能量的8%，但實(shí)際上所消耗能量可能達(dá)到氫氣能量的30%-36%。降低能量消耗是液氫降本關(guān)鍵。
規(guī)模是決定能耗與成本的關(guān)鍵因素，在規(guī)模效益下，氫液化的能耗和成本會(huì)大幅下降，同時(shí)技術(shù)工藝端也會(huì)優(yōu)化，從而降低成本。有專(zhuān)家表明，對(duì)于液氫工廠來(lái)說(shuō)，若規(guī)模為2噸/天，氫液化能耗會(huì)超過(guò)每公斤20度電，而當(dāng)規(guī)模增加到50噸/天，能耗可降到每公斤8-9度電，規(guī)模越大，能耗越低。
近日，我國(guó)首臺(tái)套10噸級(jí)氫氣液化裝置正加速落地臨淄，計(jì)劃投產(chǎn)后年產(chǎn)液氫13200噸，年產(chǎn)高壓氫氣7920萬(wàn)立方米。齊魯氫能的董事長(zhǎng)還表示：整個(gè)氫氣液化系統(tǒng)采用多種創(chuàng)新技術(shù)，克服了液化成本高、能耗大的痛點(diǎn)，可大幅降低液氫生產(chǎn)成本。
隨著我國(guó)液氫國(guó)標(biāo)的實(shí)施以及儲(chǔ)氫技術(shù)的進(jìn)步，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫與高壓儲(chǔ)氫呈互補(bǔ)共存的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
據(jù)國(guó)內(nèi)組織預(yù)計(jì)，到2030年，中國(guó)氫氣需求將達(dá)到3500萬(wàn)噸，氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將超過(guò)5萬(wàn)億，其中液氫占比為1/3，即1.65萬(wàn)億左右。
03固態(tài)儲(chǔ)氫
固態(tài)儲(chǔ)氫是指利用物理或化學(xué)吸附將氫氣儲(chǔ)存在固體材料中，具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、安全性好的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是目前最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)。
固態(tài)儲(chǔ)氫所使用的材料包括物理吸附所使用的碳基材料、無(wú)機(jī)多孔材料，化學(xué)吸附所使用的金屬氫化物、配位氫化物以及化學(xué)氫化物等。目前已開(kāi)發(fā)出多種輕質(zhì)高容量?jī)?chǔ)氫材料，但這些材料依然存在部分問(wèn)題，如吸放氫速度慢、溫度高、可逆性能差、低成本規(guī)模化技術(shù)不足等。有色金屬原料價(jià)格波動(dòng)以及本身工藝復(fù)雜也是造成成本高昂的重要因素。
開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)、成本更低的固態(tài)儲(chǔ)氫材料是降本關(guān)鍵。
稀土系儲(chǔ)氫材料是最早發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)氫材料之一，穩(wěn)定性好、速率快，中國(guó)稀土產(chǎn)量占世界的80%，具有原料優(yōu)勢(shì)。但稀土材料也有許多缺點(diǎn)，如吸收氫氣后重量增加、難以循環(huán)使用等。
目前多將稀土系儲(chǔ)氫材料與鎂系儲(chǔ)氫材料結(jié)合起來(lái)使用，克服鎂系材料反應(yīng)慢、溫度高的問(wèn)題，達(dá)到降本的目的。
近日，國(guó)家稀土功能材料創(chuàng)新中心研發(fā)全國(guó)首臺(tái)套固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)示范裝置，實(shí)現(xiàn)氫能高密度存儲(chǔ)。固態(tài)稀土儲(chǔ)氫裝置通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將氫氣變?yōu)榻饘贇浠锕腆w儲(chǔ)存起來(lái)，打破常溫常壓下儲(chǔ)氫合金如何高效吸放的技術(shù)壁壘，也促進(jìn)稀土資源的綜合利用，優(yōu)化氫產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。與高壓儲(chǔ)氫相比，儲(chǔ)氫壓力可降低90%，與其他儲(chǔ)氫材料相比，密度約提升15%，用于加氫站時(shí)，與現(xiàn)有加氫站相比成本約降低30%。
固態(tài)儲(chǔ)氫仍處于發(fā)展初期，目前應(yīng)用場(chǎng)景集中在密閉空間、小型應(yīng)用及重量不敏感領(lǐng)域，未來(lái)解決大面積運(yùn)輸?shù)某杀締?wèn)題，挖掘更多應(yīng)用場(chǎng)景，是擴(kuò)固態(tài)儲(chǔ)氫大市場(chǎng)規(guī)模的重中之重。
我國(guó)目前高壓儲(chǔ)請(qǐng)瓶技術(shù)逐步成熟，液態(tài)和固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)入示范階段，據(jù)國(guó)內(nèi)組織預(yù)測(cè)：我國(guó)氫能儲(chǔ)運(yùn)將按照“低壓到高壓”“氣態(tài)到多相態(tài)”的方向發(fā)展，低成本高效能是氫能市場(chǎng)的不懈追求。
