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液氢在规模化发展氢能产业的储存、运输中具有明显优势

   日期:2020-01-16     来源:中国科学报    浏览:3769    评论:0    
日前,被大家亲切地称为“胖五”的长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,成功将搭载的实践二十号卫星送入预定轨道。

“胖五”是我国首款重型运载火箭,具备将14吨载荷送入地球同步转移轨道的运载能力。那么,何种燃料才能助推这一“大家伙”一飞冲天?“液氢—液氧”就是其中之一。

不同于目前常规火箭使用的化学燃料,“胖五”的燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氢,因此又被称为“冰箭”。而此次“胖五”的成功发射,不仅证明液氢在我国航天领域的应用已经成熟,也为如火如荼的氢能产业吹来了一股新的东风。

据全国氢能标准化技术委员会(氢能标委会)高级顾问、中国电子工程设计院研究员陈霖新介绍,由于液氢储运具有明显优势,对于200公里以上的氢运输有很好的应用前景。他认为,液氢要想规模化发展,一定要解决液氢制取的产能问题和装备技术的“卡脖子”问题。

积极研发液氢是大势所趋


为“胖五”减负增力,液氢—液氧推进剂功不可没。液氢能够用于航天、军事领域,依据液氢的特性和液氢储运的优越性,在氢能发展备受关注的当下,液氢在民用领域,尤其是氢能产业的应用场景十分广阔。

据了解,一直以来,制约我国氢能产业发展的瓶颈之一就是氢的高密度储运。而液态氢是通过预冷和节流膨胀等工艺,把氢气降温到-253℃从而变成液体,液态氢的密度是气氢的780倍,使得氢可以高效地储存和运输。

陈霖新对此表示,液氢的体积能量密度大约是35MPa高压气氢的三倍,是70MPa高压气氢的1.8倍。虽然从气态氢液化为液态氢需在-253℃实现,能耗较多,但是对于超过200千米的运输距离,采用液氢时的运输费和能耗费之和均低于高压气氢,所以液氢在规模化发展氢能产业的储存、运输方面具有明显的优势。

当前,氢的输送主要有三种方式:一是高压气态运输,这是目前氢能汽车发展的主流技术;二是管道输送;三是低温液氢输送。虽然我国当今尚以高压气态氢为主流,但陈霖新建议还应积极进行民用液氢的生产及应用示范。

我国在液氢的制备、储运及应用装备技术上要想取得突破,尚需时日,但预计2030年液氢储运所占比例将会明显增大。陈霖新表示,目前在我国积极开发液氢生产技术及其装备制造是大势所趋,应采取军民融合方式加快发展进程。

为此,陈霖新介绍,从2017年开始,全国氢能标委会组织国内涉及液氢生产运营和液氢装备研究、制造企业,高等院校编写制定了《液氢生产系统技术规范》《液氢贮存和运输安全技术要求》《氢能汽车用燃料液氢》三项国家标准,在调查研究、试验检测和总结经验的基础上完成了送审稿,已在2019年10月审查通过,可望在今年年中发布实施。

氢源绿色氢能才绿色

“胖五”的成功发射,不仅推动液氢民用的步伐,也为整个氢能产业吹来一股东风。

对于我国氢能的发展,全国氢能标委会委员、国家能源集团北京低碳清洁能源研究院氢能技术开发部经理何广利说,“大氢能”的概念,即规模化、多元化地利用氢能。

目前,欧洲、日本等国都给予了“大氢能”极大的重视,例如,日本将氢气用于家庭电联产装置,既满足供热需求也能发电,或用氢气驱动燃气轮机等;欧洲一些国家也在天然气管网中掺入氢气,另有一些工厂直接用氢炼钢、炼铁。

反观我国,何广利表示,目前国内氢能产业主要集中于燃料电池汽车,而对别的领域关注较少。相比欧洲、日本等国,国内的氢能应用仍有待开发。

实际上,除了储氢,制氢也是我国氢能应用的一大障碍。如何选择氢源就是一个很重要的问题。“现在对于氢能的一个误区是总是片面地强调氢能的清洁性。然而,作为一种二次能源,氢能是否清洁取决于氢源的选择。”陈霖新说。

据何广利介绍,制氢主要有几大来源,即化石燃料制氢、可再生能源制氢和副产氢(化工生产的某些环节作为副产物产出的氢)。面对中国富煤、贫油、少气的状况,有人提出中国氢源主要就是副产氢。

“这句话不十分准确。”陈霖新说,“副产氢本身并不一定是绿色的,生产过程中也会排放出二氧化碳,那么这样产出的氢算蓝氢还是灰氢?以焦炉煤气为例,其生产过程产出的焦炭和大量副产品,存在碳的分摊问题。”而天然气转化制氢不仅同样存在二氧化碳排放,而且还面临中国天然气缺乏的问题。

“制氢、氢储运”仍需技术攻坚

陈霖新认为,副产氢在氢能发展初期可以发挥作用,但是氢能的长远发展还是应该以可再生能源电力水电解制氢为主,或者研究开发太阳能光解水制氢等。

“中国每年因弃光、弃风、弃水弃掉1000多亿度电,如果用来制氢可以制造200多亿立方米氢。”陈霖新对此痛心疾首。他说,“碱性电解槽可以应付20%~110%的波动,而PEM(质子交换膜水电解制氢)电解槽可以应付0%-150%甚至200%的波动。”

“如果能在风能、太阳能资源丰富的西北地区以及水资源丰富的西南地区建设水电解制氢和氢储能设备,并以氢管道、液氢运出,既可以解决可再生能源浪费的问题,还可以实现低成本、零碳/低碳制氢。”陈霖新说。

但是,陈霖新强调,目前我国的规模化风电、水电、光伏电力制氢及其相关的氢储运装备和工程示范,尚存在严重短缺,为实现可再生能源制氢获得近零碳低成本的氢源,还应积极规划建设从制氢、氢储存到输送的示范工程,并着力解决其中的关键技术。 
 

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