有人问为什么氢能这几年这么热门,但就业形势却没那么理想?在我看来,是因为产业链没有打通。氢能产业链包括上游制氢——中游氢储运——下游用氢。
其中上游和下游主要是经济性的问题,上游制氢环节的成本支出80%在于电价,当可再生能源发电的电价大幅降低时,绿氢的成本将大幅度降低。下游用氢目前主要在工业方面,虽然氢燃料电车几年前就开始呼吁,但目前国内氢燃料电车仅有一万多,而且大多是政府补贴的示范车而非乘用车,乘用车不足1000辆。
为什么不用氢燃料电车?因为贵啊。按氢气价格32元/kg,柴油价格7元/L,电价1元/kwh来说,估算下来每百公里氢耗、油耗、电耗成本分别约320元、260元、150元。如果加氢价格比加油低很多,我也会选择加氢而不是加油,市场问题就解决了。
由于市场问题没有解决,供需关系不平衡,但政策导向又是好的,使得很多人以身入局,上游制氢产业如雨后春笋发展起来,做完了发现供大于求,被迫使这些企业竞争筛选,导致行业内卷,很多企业甚至赔钱做,最终大部分企业没办法存活到最后。
想要存活就必须有市场,但卡脖子问题在于氢储运,解决氢储运就是打通了氢能产业链的任督二脉。
为什么氢储运没有像制氢那样发展迅猛呢?技术难是其一,其二是政策和资金支持,其三是用户的认知限制。
关注我的大都是制氢的朋友,对氢储运没有太多了解,我想跟大家简单分享一下我对氢储运的认知,关系到氢能未来的发展,说不定以后用得上。
我的理解从三个方面,氢储运的氢包括:气氢、液氢、混相氢。
1. 气氢指的就是气态的氢,通常要施与一定的压力用于运输和加注。
高压气氢的压力有几个标准:现阶段,我国普遍采用20MPa气态高压储氢与管束集装箱运输的方式;国内加氢站主要使用35MPa的压力进行储运,部分站点也开始采用70MPa的压力标准。集装格、长管拖车以及加氢站加氢这些都是比较成熟的高压储运方式,但适合短距离、少量的运输要求,长距离大体量的高压气氢储运要建设管道,大规模的管道建设还未能普及,因为一次性投入的成本太高,而且还面临氢脆的关键技术问题。
氢脆,是指金属材料吸收氢原子后,吸收的氢原子在空隙中重新组合形成氢分子,从金属内部产生压力造成开裂,从而导致脆化,显著发生在钢材以及铁、镍、钛、钴及其合金中。
由于氢脆的存在,给人感觉金属材料氢储运的风险很大,但实际上,根据大量研究和实践表明:高温、高压、电解质或湿环境下氢脆的风险比较高,但如果是200℃以下,35MPa以下的氢环境不易导致氢脆,室温基本无影响。高压下可以选择塑料内胆(IV型)预防氢脆,IV型高压储氢瓶体积小轻便,用于车载氢气瓶有很大优势,但目前这类气瓶在设计制造方面还有一定困难。
总的来说,高压气氢技术相对成熟,是目前氢储运的主流方式,但是运输效率比较低,未来大规模低成本的气氢运输还是要靠管道运输。长时间的氢气储存还可以将高压氢气泵入地下储氢盐穴、岩洞。
2. 液氢指的就是液化的氢,目前液氢主要用于航天燃料,成本较高。
一方面是因为氢气液化需要零下253℃的低温,能耗高,另一方面液氢的储运设备复杂、投入成本高,转运的过程会有损耗,低温下的液氢不耐长期储存,只有市场有足够容量和流动性时才能发挥它的应用。
但液氢储运也有其优点:它不易发生氢脆,开放空间下扩散更快,安全系数更高;液化后体积能量密度大,运输效率高。如果未来几年液氢储运的工程问题和设备技术有突破、且市场规模扩大的话,是可以有一定竞争优势的。
3. 混相氢指的是不光有氢,还有其他物质用来稳定氢气,辅助氢气储存和运输。包括气态储氢、液态储氢和固态储氢。
3.1 借助其他气相材料的气态储氢如天然气管道输氢,可以直接利用现有的天然气管道,掺入5%-30%的氢气,这是低成本运氢的可行路径。但这种方案只适合燃气用户端,如果用户端需求是氢气的话,再分离出来就困难了,成本太高不划算。供给燃气用户的掺氢天然气可以提高燃烧效率、降低有毒污染物的排放,对环境是有利的,在安全性方面,掺氢天然气燃烧设备仅需要简单的调整就可以。
但是这些只适合末端的天然气管路掺氢,涉及的范围不广,如果在主干线上掺氢,会引起到整体的天然气产业链问题和安全问题,得不偿失。同时,因为氢气密度低,相同体积燃烧热值降低会引起用户价格争议。想要末端线路的大规模普及的话,需要建立居民用户掺氢比例分析数据库,包括:管材、安全性、终端应用、分离、标准方案等。
3.2 借助其他液体材料储运,如有机液态储氢,氢-氨融合等。
有机液态储氢是通过化学反应,将氢以化学键的形式,在催化剂的作用下,加到特定的液体储氢载体(储油)上,形成液态储氢载体(氢油)。氢油可以在常温常压下储存,通过槽罐车或管道输送至用户端,使用时将氢油在一定温度下通过催化反应分解成储油和氢气就可以。储油可以就地利用,也可以原路运回去重复使用。
有机液态储氢技术的优点是,可以利用现有的石油基础设施建设,实现常温常压下的储存和运输,是目前大规模氢储运的最有潜力的技术之一。但缺点是加/放氢的工艺较为复杂,设备成本高,目前氢分离技术还有待提升,大都需要贵金属催化剂,材料成本也高。
将氢气转化成氨(氢-氨融合)也有其自身的技术优势,因为液氨的体积能量密度大,氨气液化所需的能量低,液氨储运方便,有较为完整的产业链。而且氨在工业上的应用广泛,能扩大应用端的市场。绿氨也是未来应对“碳关税”、降碳的有利策略。
但是这并不意味着绿氨会代替绿氢,因为氨气不仅像氢气一样脾气不好,易燃易爆,还有一个致命的缺点——有毒,万一泄露,氨气的强烈刺激性,会造成皮肤、呼吸道、黏膜损伤,严重甚至中毒身亡。相比之下,氢气/液氢在开放空间能快速扩散出去,不会造成二次危险。氢气转化成液氨只能用于氨工业,如果重新分解成氢气能耗就太高了,不划算。
3.3 固态形式的氢储运,主要是利用金属氢化物的金属(合金),在一定的温度和压力下吸收和放出氢气。常见的有镁基固态储氢和其他固态储氢。低压下固态储氢拥有较高的体积储氢密度,可达到液氢甚至高于液氢的储氢密度。
因为固体吸附稳定,所以安全风险也更低,比较适合人群密集、封闭式环境、车载以及大规模储氢场景中,比如现在开发的氢燃料电池两轮车用的就是便携式的固态储氢瓶。但目前固态储氢还在示范阶段,一个原因是制造成本高,另一个更重要的原因是技术问题,需要提高其重量储氢率,和吸放氢热效应带来的动力学问题。
镁基材料是很好的固态储氢材料,储氢密度较高,但是镁基材料吸放氢反应的温度也高,在300℃左右,目前研发的材料已经可以将放氢温度降低至150℃了。高温带来的热效应会引起动力学问题,使得装置更加复杂,需要额外的管理和控温系统,比如开发中温燃料电池、将余热利用起来解决这些问题。
其他中低温的固态储氢材料也在研发阶段,如钛基、钒基、锆基、稀土基等,它们的反应相对温和,但储氢密度较低,有待于进一步提升。固态储氢材料通过规模化生产,有望大幅度降低成本,也有较好的发展前景。
据报道,氢能源产业的研发经费80%用在了上游制氢环节,比如材料研发、设备集成等等,大标方的电解槽越做越大,内卷非常严重,就连光伏发电这两年也很难做了。我身边也大都是做电催化制氢的朋友,氢储运做得不多,一方面是技术突破比较难,另一方面是设备成本高,由于设备少,材料研发过程测试都比较困难,不像研究制氢用的电化学工作站,家家户户都有。。。
但我认为,技术和成本都是次要,最为重要的还是政策导向和标准制定,我们国家人口基数大,搞研发的人才多的是,只要政策出台和资金支持到位,发展是很快的事情。
而氢储运这一关键环节,也必定是未来几年国家氢能大力发展的方向。在制氢环节卷不动的朋友,可以了解一些氢储运方面的内容,入局氢储运,未来还是很有发展前景的。
以上只是我个人浅显的看法,仅供参考,如有不当之处,请批评指正。
氢储运思维导图可分享,有需要的可以私信或者加我微信(18675601215)。