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你知不知道氢气是怎么储存、运输和转化的?

   日期:2019-02-13     来源:交能网    浏览:1310    评论:0    
通过之前的文章我们已经了解到氢能的制取和各类应用场景, 现在我们一同来了解下氢的存储、运输和转化。

氢气的存储

通常制得的氢气,有三种储存途径。

一种是将制得的通过压缩机压缩,存储在中低压压力等级的储氢罐,

当制得的氢气量足够大时,可以利用现有的地下洞穴或天然气气穴存储,地下储存的氢气压力水平范围为2MPa至18MPa;

若设备允许,可将制得的氢气,通过低温液化,储存到低温液态储氢罐,其储氢量相比压缩储氢要大很多,同等空间的情况下,若压缩储氢提供氢储量100千瓦时(kWh),低温液态存储储氢量可以达100GWh。

对于压缩氢气储氢,压缩机是储氢的关键技术。美国国家可再生能源实验室(NREL)最近的一项研究表明,因为高压(如FCEV车载存储所需70MPa)的设备需求量比较少产量少,所以压缩技术的数据非常稀少,压缩所需的能量需求在不同技术中相差十倍。

压缩储氢由于其有限的能量密度而具有高成本;低温罐由于蒸发损失只能在有限的时间内保持要求的压强水平。

加压和低温氢存储之间的中间解决方案是低温压缩氢。在这种情况下,液化氢被填充到罐中,与普通低温储存(约2至4MPa)相比,低温压缩氢所需的氢气燃烧压力条件要高得多(高达35MPa)。这使得低温压缩储氢能够储存更长的时间。

在未来,将氢存储在金属氢化物或碳纳米结构中是实现高能量密度的有前途的技术选择。虽然金属氢化物已经处于示范阶段,但仍需要进行基础研究以更好地了解碳纳米结构的潜力。

氢气的运输

氢气的运输通常根据储氢状态的不同和运输量的不同而不同,下图展示了氢气的各种运输方式。


气态压缩氢气

通常气态氢由卡车(长管拖车)运输,通常运输压力为20-50Mpa。

液态氢

由于液态氢的能量密度高于气态氢的能量密度,因此值得在长距离输送大量氢气,然而液化过程耗能较多,需要消耗运输的氢的能量的30%,相当于每运输1kg氢气消耗7-10 kWh能量。由于冷氢与环境温度之间存在较大的温差,因此对所用材料和绝缘有很高的要求。通常,液态氢运输适用距离应该超过400-1000km,并且运输温度应该保持在-253°C左右。

管道运输

管道运输可以长距离运输大量氢气,在工业领域特别有利。但建设管道网络的成本昂贵,尤其是在城市区域搭建网管需要考虑的因素太多。若是氢气输送的需求网络密集,则建设氢管道网络非常有利。

下图描述了氢输送成本对质量流量和运输距离的依赖性。可以看出,每天的运输量为70吨时,管道运输是最便宜的运输方式。液态氢的运输得到回报,每日运输量为10吨,运输距离超过200公里时,液态氢的运输最具优势。每天销售量低于10吨,拖车运输气态氢是最便宜的。

氢输送成本与质量流量和运输距离的关系图


[G表示气态氢运输,L表示液态氢运输, P表示管道运输气态氢]

目前,氢气作为燃料与天然气相比还没有足够规模的基础设施。关键问题是氢气是否需要这种规模的基础设施,以及在何种程度上利用已经存在的基础设施。

大规模使用氢气,需要运输和配送基础设施,将氢气生产场地与用户连接起来。如果从小规模应用逐步发展,在早期阶段用卡车或轮船运输就足够了。在大规模应用的情况下,通过管道基础设施进行运输将是一个绕不开的关键环节,因为长期大规模使用基础设备,会带来很高的成本优势等。

除了集中制氢外,如果运输价格昂对,对于偏远地区,可以选择就地小规模制氢,避免运输费用。目前,德国的加氢站采用了两种生产工艺:电解和蒸汽重整。在这两种方法中,产生的氢气的压力高达50bar(通常为1-30 bar)。

氢气的转化

氢气作为燃料,主要还是通过氢燃料电池,将氢能转化为电能。燃料电池可以使富氢燃料氧化,转化为有用的能量而不会在明火中燃烧。与将化学能转化为电能的其他单阶段过程(例如燃气轮机)相比,燃料电池的电效率更高 (32%至70%) 。

与电解装置类似,燃料电池在效率和功率输出之间进行权衡。低负载时效率最高,而功率输出增加则效率降低。与传统技术相比,燃料电池可以在瞬态循环中实现最高效率。

按照不同的电解质可以分为不同类型的燃料电池,其通常可以通过它们的膜类型和操作温度来区分:

燃料电池可分为:

1)质子交换膜燃料电池 ( PEMFC );

2)碱性燃料电池 ( AFC );

3)磷酸燃料电池(PAFC);

4)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC);

5)固体氧化物燃料电池 ( SOFC )。

虽然质子交换膜燃料电池 ( PEMFC )和碱性燃料电池( AFC ) 的工作温度低至80°C,但固氧化物燃料电池 ( SOFC )的工作温度高达600°C(SOFC),更适合热电联产应用。在其他参数相同的情况下,温度越高,效率越高。 目前质子交换膜燃料电池(PEMF)是燃料电池汽车(FCEV) 最合适的选择。

下面一张图总结了上文中提到的各种类型的燃料电池、压缩机等参数图:


[关于不同类型的燃料电池的具体介绍,可以参考之前的文章: (人类历史上的第四种发电技术)]

据美国能源署(DOE)2013燃料电池技术市场报告,全球燃料电池市场在2008年至2013年间增长了近400%,仅2013年就增加了170兆瓦的燃料电池容量(图10)。目前,超过80%的燃料电池用于热电联产,备用电源和远程电力系统等。

尽管燃料电池在过去十年中取得了显着的发展,但高投资成本和相对有限的寿命仍然是燃料电池广泛应用的最大障碍。投资成本在很大程度上取决于制造成本,并且成本可以通过大规模生产显著降低。根据美国能源部(US DOE,2012;与美国能源部的个人联系),燃料电池汽车的质子交换膜燃料电池(PEMF)系统在高产量的情况下成本降低潜力非常大,目标成本为每千瓦30美元左右。

与燃料电池汽车相比,户用燃料电池系统 (非汽车用燃料电池) 的投资成本预计会下降得更慢,这主要是由于注重更高的效率和更长的使用寿命。对于中型燃料电池热电联产系统,美国能源部在2020年内设定的目标成本为每千瓦1500美元至2000美元。 
 
标签: 氢气 储能 储存

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