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分享|工業(yè)場(chǎng)景固定式儲氫技術(shù)進(jìn)展

在中咨公司氫能中心和能景研究共同舉辦的“2024氫基能源綠色發(fā)展論壇”上,國機集團合肥通用機械研究院有限公司副總經(jīng)理徐雙慶發(fā)表了題為“工業(yè)場(chǎng)景下的固定式儲氫技術(shù)進(jìn)展”的演講。演講中,徐雙慶圍繞固定式儲氫技術(shù)進(jìn)展、氫能儲運的安全和經(jīng)濟性等為大家進(jìn)行了精彩的介紹,F能景研究截取演講中的部分精彩 內容及觀(guān)點(diǎn),供大家參考。部分內容如下(第一人稱(chēng)敘述)。

01 氫能儲運涵蓋多種場(chǎng)景、多種裝備及方式

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃(2021-2035)》提出要構建高密度、輕量化、低成本、多元化氫能儲運體系來(lái)穩慎推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的多元應用。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制、儲、運、加、用,儲運是最重要的環(huán)節,關(guān)系到氫能使用安全性和經(jīng)濟性。當前,全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但總體仍處在商業(yè)化前期。在制氫、用氫環(huán)節,我國現有技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規模已經(jīng)可以為氫能產(chǎn)業(yè)培育提供足夠支撐,但是氫氣安全、高效儲運已成為制約氫能產(chǎn)業(yè)規;l(fā)展的瓶頸問(wèn)題,既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。我國氫能資源主要分布在煉化企業(yè)集中、風(fēng)光發(fā)電和天然氣資源豐富的西北、東北、中西部等地區,消費市場(chǎng)主要集中在東南部地區,呈現資源市場(chǎng)錯位分布特點(diǎn)。近期氫能儲運主要服務(wù)于區域內就近短途運輸,未來(lái)中長(cháng)距離儲運需求較大。廣義上,氫能儲運裝備包括:制氫工廠(chǎng)、加氫站、工業(yè)/儲能/發(fā)電等用氫裝置、道路運輸、管道輸配、氫動(dòng)力運輸裝備等不同儲運場(chǎng)景的固定式和移動(dòng)式氫氣儲存、輸配、供給裝備,涵蓋各類(lèi)壓力容器、氣瓶、管道、壓縮機、泵、閥門(mén)、密封件等機械裝備。氫能儲運方式有常溫高壓氣態(tài)氫(主流)、深冷低壓液態(tài)氫、深冷-高壓超臨界氫、帶壓固態(tài)儲氫等,現階段的主流還是氣態(tài)儲氫。

固定式儲氫的典型應用場(chǎng)景是制氫工廠(chǎng)、加氫站以及各類(lèi)用氫裝置。其技術(shù)裝備路線(xiàn)涉及鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組、復合材料高壓儲氫瓶組、液氫儲存容器、固態(tài)儲氫設備、巖穴儲氫。一般技術(shù)要求是高安全、大容量、低成本、快響應、適應可再生能源制氫的波動(dòng)性。制氫電解槽目前已經(jīng)有一些辦法來(lái)應對其波動(dòng)性,但是對儲運裝備考慮更多的是緩存周期和緩存量。不論是何種儲運方式,氫能儲運裝備一旦失效會(huì )造成很?chē)乐氐暮蠊,保障氫能儲運裝備的安全運行,成為統籌氫能發(fā)展的迫切需要。

02 工業(yè)場(chǎng)景固定式儲氫有4類(lèi)技術(shù)路線(xiàn),成本與技術(shù)各有特點(diǎn)

下面按照不同的技術(shù)路線(xiàn)介紹一下固定式儲氫目前國內外的技術(shù)進(jìn)展,以及國機合肥通用院所做的一些工作。

2 .1  鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組

第一類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)主要是鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組。一是單層高壓瓶組,主要是Ⅰ型純鋼制瓶組。像美國美國CPI、意大利Faber、中國安瑞科、藍能等研制一些不同規格的 Ⅰ型單層鋼質(zhì)瓶組,壓力范圍覆蓋了17- 100MPa。合肥通用院開(kāi)發(fā)出最高140MPa x1.35 m3 容器用在車(chē)載氣瓶氫循環(huán)實(shí)驗系統;浙江藍能研制出 99 MPa ×1.05m3 容器用在加氫站,應用場(chǎng)景不一樣。該路線(xiàn)儲氫容量≤100 kg,單位儲氫成本相對較高,在 0.3~2萬(wàn)元/kgH2(視不同壓力等級)。二是鋼質(zhì)多層儲氫容器,它可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是浙大、浙江巨化研制出的98MPa×1m3、50 MPa×7.3m3鋼帶錯繞多層鋼制容器。第二類(lèi)是開(kāi)原維科、蘭石重裝研制出98MPa×1m3、50 MPa×7.5m3層板包扎多層鋼質(zhì)容器。該路線(xiàn)儲氫容量大概能做到 240-250kg,單位儲氫成本大概在0.4-3萬(wàn)元/kgH2,成本相對瓶組略高一些。合肥通用院上世紀60年代末首次研制出鋼帶錯繞式容器,70年代研制出多層整體包扎壓力容器,編制相關(guān)標準,解決了中小化肥行業(yè)高壓容器制造難題,奠定了國內技術(shù)基礎。目前合肥通用院正在研發(fā)設計壓力≥2.5MPa、單罐儲氫量≥1000kg鋼帶錯繞容器,單位儲氫成本≤0.15萬(wàn)元/kgH2。

三是單層中壓球形儲罐。合肥通用院在國內率先設計建造2000m3中壓氫氣球罐,從材料、焊接工藝到分析設計的方法能夠減薄壁厚和降低重量,并且運行和首檢結果良好。中集安瑞科旗下的荊門(mén)宏圖2016年起也開(kāi)始中壓氫氣球罐設計建造,容積在200-1500m3范圍。該路線(xiàn)儲氫容積能做到最大3000kg左右,儲氫成本在 0.2 萬(wàn)元/kgH2。四是單層高壓球型容器。目前合肥通用院正聯(lián)合鋼研總院、中石化合作,面向制氫工廠(chǎng)、加氫母站研制設計壓力25MPa、容積25m3- 50m3的高壓球形容器。它不算一個(gè)球罐,因為球罐標準里面有一個(gè)最低容積限制,因此只能稱(chēng)它為球型容器。該路線(xiàn)儲氫容量大概能做到800kg,單位儲氫成本大概在0.25萬(wàn)元/kgH2左右。目前合肥通用院在該路線(xiàn)的技術(shù)研發(fā)、設計方法、工業(yè)試制方案等均取得突破性進(jìn)展。一是攻克微合金化、冶金質(zhì)量控制、組織性能均勻化等難題,形成超高強韌鋼板組織性能調控技術(shù),建立屈服強度690MPa級、80-100mm厚鋼板的工業(yè)試制方案。二是開(kāi)展微合金化、成形及熱處理工藝研究,提出了強韌匹配工藝,建立了超高強韌鍛件的工業(yè)試制方案。三是形成了基于風(fēng)險和壽命的設計方法和低泄漏率密封技術(shù),現在我們最高能做到壓力容器最高承受壓力400MPa、溫度 500℃~ 600℃。四是探明了球殼板曲率、厚度與油壓機壓力、壓制次數的關(guān)聯(lián)關(guān)系,形成了厚壁大曲率鋼板冷成型機理與工藝。五是研發(fā)了厚壁高強鋼焊接冷裂紋與再熱裂紋預防控制關(guān)鍵技術(shù),現在正在開(kāi)展球形儲氫容器建造。

2 .2  復合材料高壓儲氫瓶組

第二類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)主要是復合材料高壓儲氫瓶組。該技術(shù)路線(xiàn)的國內外廠(chǎng)家更多,主要是以中小型企業(yè)為主,應用主要是在移動(dòng)式儲氫領(lǐng)域,在固定式儲氫場(chǎng)景缺乏成本優(yōu)勢。復合材料高壓儲氫瓶組技術(shù)路線(xiàn)比較多。國際方面包括日本JSW的90MPa/300L Ⅱ型瓶組;美國Worthington的70MPa/313L Ⅲ型瓶組;荷蘭NPROXX的60MPa Ⅳ型瓶組(總儲氫量超1噸),該瓶組可以以集裝箱模塊的形式放在加氫站;美國Hexagon的103.5MPa Ⅳ型瓶組,將來(lái)能夠對70MPa甚至90MPa的瓶組直接加氫。國內方面像中集安瑞科研制87.5MPa Ⅲ型瓶組曾在大連70MPa加氫站示范應用,浙江藍能正在研發(fā)90MPa/1000L Ⅱ型瓶組。合肥通用院聯(lián)合浙江藍能、北化、哈工大等單位,正在研發(fā)52MPa/1750L 大容積Ⅳ型瓶及管束式集裝箱。中集安瑞科正在研發(fā)52MPa大容積Ⅲ型瓶及管束式集裝箱。大容積Ⅲ型、 Ⅳ型瓶管束式集裝箱除用作道路運氫之外,也可用于固定式儲氫。目前我們研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是大長(cháng)徑比塑料內膽基于失效模式的設計技術(shù)、精密成型工藝。我們研究了大長(cháng)徑比塑料內膽防屈曲、Boss結構防泄漏、抗疲勞、抗扭轉設計技術(shù),研發(fā)出完全國產(chǎn)化的改性PA6材料+滾塑、HDPE材料+注塑成型工藝及裝備,制備出1750L大容量塑料內膽工程樣機。第二點(diǎn)是大長(cháng)徑比Ⅳ型管束瓶帶壓纏繞與固化工藝。我們兼顧強度、剛度、疲勞壽命,開(kāi)展大長(cháng)徑比Ⅳ型瓶纖維纏繞過(guò)程仿真與鋪層設計迭代。此外,還開(kāi)展了內膽-復材層界面增強、帶壓纏繞與固化工藝試驗,避免靠近封頭附近內膽開(kāi)裂。

2 .3  液氫儲存容器

第三類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)主要是液氫儲存容器。液氫儲氫容器優(yōu)點(diǎn)是儲氫密度高,缺點(diǎn)是液化投資高、能耗大、儲運成本高。國外幾大氣體公司壟斷了相關(guān)工藝和設備,尤其是大規模低能耗氫液化工藝以及一些核心裝備。國內方面中科富海、國富氫能正建設氫膨脹制冷5~8.5噸/天液化裝置;杭氧、中科富海、國富氫能、合肥通用院等正在研發(fā)氫膨脹機、冷箱換熱器。目前液氫儲運仍大量使用鋼質(zhì)壓力容器,主要是高真空絕熱的。國外這種3500m3和4700m3的液氫球罐能夠輕松達到百?lài)嵓壍膬淞。這種儲氫路線(xiàn)比較適用于綠電制氫工廠(chǎng)大規模緩存和分發(fā)綠氫,但是氫液化的額外投資使得成本不劃算,因此有人提出將過(guò)程中的冷能綜合利用,彌補一部分氫液化所帶來(lái)的成本,目前儲氫成本已經(jīng)可以降到約0.03萬(wàn)元/kgH2。對比國外,國內液氫儲罐容積相對較小,技術(shù)本身沒(méi)有太大難度。國內進(jìn)展方面,中集圣達因公司研制300m3液氫容器用于航天場(chǎng)景,國富氫能正建造200m3民用液氫儲罐;合肥通用院完成1000m3液氫球罐設計。

2 .4  固態(tài)儲氫裝備

第四類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)主要是固態(tài)儲氫裝備。針對規;瘍鋺脠(chǎng)景,固態(tài)儲氫材料需具備高儲氫密度、溫和反應溫度、快速響應、高循環(huán)壽命、低反應焓變、低儲氫成本等特性,目前以TiFe、TiMn基儲氫合金為代表,其綜合儲氫性能較為滿(mǎn)足規;瘍湫枨,但面向實(shí)際應用需求,仍需進(jìn)一步提高儲氫密度并降低制備成本。國際方面,美國HY2MEGA綠氫存儲系統采用TiFe儲氫合金,每個(gè)單元儲氫容量260kg、儲能容量8.6MWh,是目前國內外最大的儲氫容量。法國Macphy將固態(tài)儲氫技術(shù)采用Mg系儲氫材料,最大儲氫量100kg、儲能容量約3MWh。日本東芝的 H2One™,獨立供應的可再生能源系統已商業(yè)化,采用Ti系儲氫合金、儲能容量1.8MWh。國內方面,有研院開(kāi)發(fā)出基于TiMn系合金的固態(tài)儲氫模塊,儲氫容量1000Nm3(約90kg),目前在懷柔、張家口已有相關(guān)的示范裝置;南方電網(wǎng)已建成氫儲能綜合運用示范工程,實(shí)現固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)。合肥通用院開(kāi)發(fā)出無(wú)需活化、儲氫容量≥2wt%、可實(shí)現快速吸放氫的的Ti基高熵儲氫合金2種,并且針對儲氫合金容易失活問(wèn)題,提出了共摻雜的活化或再生新策略,使儲氫合金性能更適應大規模儲氫應用場(chǎng)景。

03 常溫高壓氫脆問(wèn)題可能被高估,不必“談氫色變”

下面我想討論兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是大家非常關(guān)心的金屬常溫高壓氫脆問(wèn)題。目前從我們已經(jīng)掌握的實(shí)驗數據,以及在石化領(lǐng)域的設計制造和運維經(jīng)驗來(lái)看,常溫高壓氫脆問(wèn)題可能被高估。因此我們在不同的場(chǎng)合都在呼吁大家不要“談氫色變”。金屬材料常溫高壓氫脆機理很復雜,主要包括氫原子形成和侵入機制等。氫分子形成原子并進(jìn)入內部,有不同環(huán)境需求,如高溫充氫、電解質(zhì)環(huán)境充氫、濕環(huán)境焊接。我們統計了 1500 余條氫氣管道常用的材料和服役的時(shí)間,結合在合成氨還有一些石化加氫裝置方面的長(cháng)期運維經(jīng)驗來(lái)看,200℃以下、35MPa以下氫環(huán)境不易導致金屬氫脆,室溫基本無(wú)影響。事實(shí)上,石化裝置大量壓力容器和管道在此條件下安全服役甚至超過(guò)40年。

第二個(gè)問(wèn)題是氫能儲運的基礎經(jīng)濟性問(wèn)題,究竟應該輸氫還是輸電。我們一直在討論綠電制氫長(cháng)距離輸送問(wèn)題。電與氫都是二次能源,電能輸送方便但不易儲存、氫能儲存方便但輸送成本高。如果可再生能源發(fā)電并網(wǎng)及儲能技術(shù)進(jìn)一步突破,輸電比輸氫更加容易(就近電解水消納),無(wú)需再耗費很大經(jīng)濟代價(jià)去做長(cháng)距離的純氫管道或者摻氫管道。但是也有些專(zhuān)家個(gè)人觀(guān)點(diǎn)認為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電、長(cháng)距離輸電問(wèn)題無(wú)解。我們目前還不太了解這是否代表一種普遍的觀(guān)點(diǎn)。

最后,氫-電互補的現代能源供應體系是大勢所趨,穩慎推動(dòng)氫能在煉化、冶金、儲能、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域及交通領(lǐng)域多元應用,關(guān)鍵在于進(jìn)一步降低氫能儲運成本、提升技術(shù)經(jīng)濟性,相關(guān)工作仍需努力。

END

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