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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

郑津洋院士:我国绿氢供应体系建设思考与建议

2022-12-01

作者:杜忠明,郑津洋,戴剑锋,施建峰,花争立,李博,张彤枫,侯孟婧

作者单位: 电力规划总院有限公司;浙江大学能源工程学院


在碳中和战略目标引领下,能源生产消费方式转向绿色低碳,将推动氢能供应体系逐步以绿氢为基础进行重塑;绿氢将成为新能源供给消纳体系的重要组成部分,因而加强绿氢供应体系建设有助于能源生产消费方式变革。


研究在阐述绿氢供应体系建设必要性的基础上,剖析了绿氢供应体系建设面临的挑战,如绿氢资源与需求空间分布不匹配、绿氢生产与消费时间特性不匹配、现有体制机制及标准与绿氢供应体系不匹配;凝练了强化氢储运关键基础问题研究、加快氢储运技术装备攻关、提升氢储运装备安全检测技术水平等重点研究方向,力求以氢储运环节的高质量发展支撑绿氢供应体系建设。


研究提出,采用氢电融合发展的系统性思维,统筹构建我国绿氢供应体系;氢储运是连接上游电解水制氢、下游氢消纳应用的关键环节,在调节绿氢供需时空错配、实现绿氢灵活供应方面发挥重要作用。


为此建议,注重顶层设计、统筹规划布局,建设基础设施、化解时空错配矛盾,开展试点示范、驱动技术创新,完善体制机制、营造发展环境,以此促进绿氢供应体系高质量建设。


亮点论述:


  四、以氢储运环节的高质量发展支撑绿氢供应体系建设

  

  绿氢供应体系建设面临的主要技术挑战包括: 规模化、高效率电解水制氢技术,氢电耦合智能调控技术,高安全性、低成本、大规模的氢储运技术。电解水制氢技术在我国发展时间较长,产业界关注度高,国产碱性电解槽单机制氢量超过1000 m3/h 并实现出口,未来研究围绕提高电流密度、降低直流电耗以增强制氢能力等方面展开;电解槽优化与氢电融合智能调控策略的联合攻关,也是领域技术的研究重点。

  

  氢储运承担着连接上游电解水制氢、下游消纳用氢的关键角色,是调节绿氢供需时空错配、提升绿氢灵活供应水平的重要保障;相应发展事关氢储运环节安全、储运成本降低,成为提升绿氢供应产业竞争力的核心环节。大规模氢储运技术研究在我国起步较晚,技术储备、示范应用较为薄弱,运行数据和经验积累偏少,规范标准体系不健全;虽然我国氢气产量居世界首位,但氢气用户集中在石油、化工等传统领域,氢气生产和消耗在区位上通常相邻,不涉及大规模、长距离输送问题。因此, 氢储运是我国氢产业链发展的短板和弱项,成为氢电融合发展的技术难点;加快氢储运关键技术装备的研制和产业化,促进绿氢应用成本降低并推动绿氢产业化应用,以此支撑绿氢供应体系建设。

  

  (一)强化氢储运关键基础问题研究

  

  氢气的质量能量密度高(约120 MJ/kg),但标况下的体积能量密度低(约 10.8 MJ/m3),降低温度、提高压力是实现氢能高效储运的主要方式。氢储运分为高压气氢、深冷液氢、固态储氢、有机液体储氢、液氨、甲醇等形式。

  

  长期在深冷、高压、临氢条件下运行的氢储运装备,其服役性能、损伤及劣化规律相比与常规气体储存装备差异明显。揭示材料在深冷、高压、临氢条件下的性能演化规律与损伤机理,调控服役环境下材料性能,提出创新性的氢储运装备设计理念与方法,是开发高性能低成本抗氢材料、保障氢储运装备长寿命及安全可靠服役的重要基础。① 提升氢储运装备材料在极端服役条件下(如-253 ℃液氢、30 MPa 以上高压氢气)的基础性能测试与评价能力,支持氢储运装备相关的新材料开发、零部件测试与产品认证。② 对于金属储氢容器与输氢管道,探明氢侵入金属内部的机制及其对材料氢损伤行为的影响规律;对于复合材料轻量化储氢容器与柔性输氢管道,研究氢气环境下聚乙烯、尼龙、橡胶等非金属材料微观组织及力学性能演化机制,探明材料、应力与高压氢耦合作用下非金属材料的氢鼓包、溶胀等损伤规律及调控方法, 为氢储运装备选材、设计、制造、维护提供依据。

  

  (二)加快氢储运技术装备攻关

  

  氢气的规模化储存主要有高压气态储氢、深冷液态储氢,规模化的输运方式主要是长管拖车输氢、管道输氢、将氢转化为氨再进行输送。在高压气态储氢装备方向,实现了固定式储氢高压容器的自主可控,独创的钢带错绕式全多层储氢高压容器技术水平领先;着眼氢能输送规模的快速增长,研制地下储氢库等超大型储氢装备,开发高性能、低成本的抗氢材料,以有效降低装备成本并提高应用经济性。在深冷液态储氢装备领域,形成了吨级/ 天的氢液化能力,氢液化、储存、转运的产业链;但大规模、高效率的氢液化装备与技术仍是薄弱环节, 液氢泵、加注枪、密封件等核心零部件与材料技术面临“卡脖子”风险,需加快研制并扩大应用规模。

  

  在氢气规模化输运装备方向,国产长管拖车输氢已具规模,在短距离、500 kg 级氢气输运方面发挥了积极作用;但输运效率较低、能耗大,需尽快攻克30 MPa 以上轻量化长管拖车输氢技术。管道输氢是实现氢气大规模、长距离、安全经济输运的主要方式。在高压力、大直径、长距离的金属输氢管道方向,国产钢管在管材与氢气(或掺氢天然气)相容性、高强度抗氢性能等方面存在短板;具备耐氢性能的压力表、安全阀、大流量压缩机等关键零部件未能实现国产化,部件的可靠性、使用寿命、密封性亟需提升。而在中低压的非金属输氢管道方面,国内外均处于起步阶段;国内企业拥有柔性非金属管道知识产权,需加快推进柔性输氢管道方面的标准制定、设计制造、应用示范。

  

  (三)提升氢储运装备安全检测技术水平

  

  氢储运装备在制造和服役过程中不可避免地存在缺陷或产生损伤,可能在载荷与环境共同作用下失效。氢气易泄漏、高压密封难,侵入传感材料后导致检测信号漂移,加大高压氢环境下检测传感的难度。国产氢储运装备的质量和技术水平不适应氢能产业快速发展的需要,需攻克超高压、极低温氢能装备安全检测评价技术,建立检验检测、技术实证等平台;发展氢储运装备的缺陷分类方法,分析在高压、深冷等临氢环境下的缺陷演化规律,探明缺陷演化对装备服役性能及失效的影响机制。

  

  开发氢储运装备的在线检测与监测技术,对氢储运装备制造、服役过程中的典型缺陷和损伤进行检测与识别,针对结构健康状态进行诊断评估。改进大容量复合材料高压储氢容器制造缺陷的无损检测、低温绝热液氢储氢容器的绝热性能丧失与氢气泄漏快速监测、输氢管道泄漏检测及监测、缺陷在线检测、结构健康状态诊断等技术,完善氢储运装备安全检测、监测技术等标准。运用信息技术和设备参数实时监测数据,增强设备运行状态分析能力。开发氢能装备和应用终端的风险状态评价与预警工具,形成氢能装备的性能检测、试验方法、标准规范、基础设施,发展“材料+部件+装备+系统” 的全链条检测与评估体系。


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我国氢气生产与消费的现状及预测值


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  责任编辑:宫在芹
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教授,工学博士,1987、1990年毕业于西安交通大学工业电气自动化专业...

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