分享|工业场景固定式储氢技术进展
文摘
科学
2024-06-25 15:45
北京
在中咨公司氢能中心和能景研究共同举办的“2024氢基能源绿色发展论坛”上，国机集团合肥通用机械研究院有限公司副总经理徐双庆发表了题为“工业场景下的固定式储氢技术进展”的演讲。演讲中，徐双庆围绕固定式储氢技术进展、氢能储运的安全和经济性等为大家进行了精彩的介绍。现能景研究截取演讲中的部分精彩 内容及观点，供大家参考。部分内容如下（第一人称叙述）。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》提出要构建高密度、轻量化、低成本、多元化氢能储运体系来稳慎推动多个领域的多元应用。氢能产业链包括制、储、运、加、用，储运是最重要的环节，关系到氢能使用安全性和经济性。当前，全球氢能产业发展迅速，但总体仍处在商业化前期。在制氢、用氢环节，我国现有技术和产业规模已经可以为氢能产业培育提供足够支撑，但是氢气安全、高效储运已成为制约氢能产业规模化发展的瓶颈问题，既是重点也是难点。我国氢能资源主要分布在炼化企业集中、风光发电和天然气资源丰富的西北、东北、中西部等地区，消费市场主要集中在东南部地区，呈现资源市场错位分布特点。近期氢能储运主要服务于区域内就近短途运输，未来中长距离储运需求较大。广义上，氢能储运装备包括：制氢工厂、加氢站、工业/储能/发电等用氢装置、道路运输、管道输配、氢动力运输装备等不同储运场景的固定式和移动式氢气储存、输配、供给装备，涵盖各类压力容器、气瓶、管道、压缩机、泵、阀门、密封件等机械装备。氢能储运方式有常温高压气态氢(主流)、深冷低压液态氢、深冷-高压超临界氢、带压固态储氢等，现阶段的主流还是气态储氢。固定式储氢的典型应用场景是制氢工厂、加氢站以及各类用氢装置。其技术装备路线涉及钢质中高压储氢容器/瓶组、复合材料高压储氢瓶组、液氢储存容器、固态储氢设备、岩穴储氢。一般技术要求是高安全、大容量、低成本、快响应、适应可再生能源制氢的波动性。制氢电解槽目前已经有一些办法来应对其波动性，但是对储运装备考虑更多的是缓存周期和缓存量。不论是何种储运方式，氢能储运装备一旦失效会造成很严重的后果，保障氢能储运装备的安全运行，成为统筹氢能发展的迫切需要。02 工业场景固定式储氢有4类技术路线，成本与技术各有特点下面按照不同的技术路线介绍一下固定式储氢目前国内外的技术进展，以及国机合肥通用院所做的一些工作。一是单层高压瓶组，主要是Ⅰ型纯钢制瓶组。像美国美国CPI、意大利Faber、中国安瑞科、蓝能等研制一些不同规格的 Ⅰ型单层钢质瓶组，压力范围覆盖了17- 100MPa。合肥通用院开发出最高140MPa x1.35 m3 容器用在车载气瓶氢循环实验系统；浙江蓝能研制出 99 MPa ×1.05m3 容器用在加氢站，应用场景不一样。该路线储氢容量≤100 kg，单位储氢成本相对较高，在 0.3~2万元/kgH2（视不同压力等级）。二是钢质多层储氢容器，它可以分为两类。第一类是浙大、浙江巨化研制出的98MPa×1m3、50 MPa×7.3m3钢带错绕多层钢制容器。第二类是开原维科、兰石重装研制出98MPa×1m3、50 MPa×7.5m3层板包扎多层钢质容器。该路线储氢容量大概能做到 240-250kg，单位储氢成本大概在0.4-3万元/kgH2，成本相对瓶组略高一些。合肥通用院上世纪60年代末首次研制出钢带错绕式容器，70年代研制出多层整体包扎压力容器，编制相关标准，解决了中小化肥行业高压容器制造难题，奠定了国内技术基础。目前合肥通用院正在研发设计压力≥2.5MPa、单罐储氢量≥1000kg钢带错绕容器，单位储氢成本≤0.15万元/kgH2。三是单层中压球形储罐。合肥通用院在国内率先设计建造2000m3中压氢气球罐，从材料、焊接工艺到分析设计的方法能够减薄壁厚和降低重量，并且运行和首检结果良好。中集安瑞科旗下的荆门宏图2016年起也开始中压氢气球罐设计建造，容积在200-1500m3范围。该路线储氢容积能做到最大3000kg左右，储氢成本在 0.2 万元/kgH2。四是单层高压球型容器。目前合肥通用院正联合钢研总院、中石化合作，面向制氢工厂、加氢母站研制设计压力25MPa、容积25m3- 50m3的高压球形容器。它不算一个球罐，因为球罐标准里面有一个最低容积限制，因此只能称它为球型容器。该路线储氢容量大概能做到800kg，单位储氢成本大概在0.25万元/kgH2左右。目前合肥通用院在该路线的技术研发、设计方法、工业试制方案等均取得突破性进展。一是攻克微合金化、冶金质量控制、组织性能均匀化等难题，形成超高强韧钢板组织性能调控技术，建立屈服强度690MPa级、80-100mm厚钢板的工业试制方案。二是开展微合金化、成形及热处理工艺研究，提出了强韧匹配工艺，建立了超高强韧锻件的工业试制方案。三是形成了基于风险和寿命的设计方法和低泄漏率密封技术，现在我们最高能做到压力容器最高承受压力400MPa、温度 500℃~ 600℃。四是探明了球壳板曲率、厚度与油压机压力、压制次数的关联关系，形成了厚壁大曲率钢板冷成型机理与工艺。五是研发了厚壁高强钢焊接冷裂纹与再热裂纹预防控制关键技术，现在正在开展球形储氢容器建造。第二类技术路线主要是复合材料高压储氢瓶组。该技术路线的国内外厂家更多，主要是以中小型企业为主，应用主要是在移动式储氢领域，在固定式储氢场景缺乏成本优势。复合材料高压储氢瓶组技术路线比较多。国际方面包括日本JSW的90MPa/300L Ⅱ型瓶组；美国Worthington的70MPa/313L Ⅲ型瓶组；荷兰NPROXX的60MPa Ⅳ型瓶组(总储氢量超1吨)，该瓶组可以以集装箱模块的形式放在加氢站；美国Hexagon的103.5MPa Ⅳ型瓶组，将来能够对70MPa甚至90MPa的瓶组直接加氢。国内方面像中集安瑞科研制87.5MPa Ⅲ型瓶组曾在大连70MPa加氢站示范应用，浙江蓝能正在研发90MPa/1000L Ⅱ型瓶组。合肥通用院联合浙江蓝能、北化、哈工大等单位，正在研发52MPa/1750L 大容积Ⅳ型瓶及管束式集装箱。中集安瑞科正在研发52MPa大容积Ⅲ型瓶及管束式集装箱。大容积Ⅲ型、 Ⅳ型瓶管束式集装箱除用作道路运氢之外，也可用于固定式储氢。第一点是大长径比塑料内胆基于失效模式的设计技术、精密成型工艺。我们研究了大长径比塑料内胆防屈曲、Boss结构防泄漏、抗疲劳、抗扭转设计技术，研发出完全国产化的改性PA6材料+滚塑、HDPE材料+注塑成型工艺及装备，制备出1750L大容量塑料内胆工程样机。第二点是大长径比Ⅳ型管束瓶带压缠绕与固化工艺。我们兼顾强度、刚度、疲劳寿命，开展大长径比Ⅳ型瓶纤维缠绕过程仿真与铺层设计迭代。此外，还开展了内胆-复材层界面增强、带压缠绕与固化工艺试验，避免靠近封头附近内胆开裂。第三类技术路线主要是液氢储存容器。液氢储氢容器优点是储氢密度高，缺点是液化投资高、能耗大、储运成本高。国外几大气体公司垄断了相关工艺和设备，尤其是大规模低能耗氢液化工艺以及一些核心装备。国内方面中科富海、国富氢能正建设氢膨胀制冷5~8.5吨/天液化装置；杭氧、中科富海、国富氢能、合肥通用院等正在研发氢膨胀机、冷箱换热器。目前液氢储运仍大量使用钢质压力容器，主要是高真空绝热的。国外这种3500m3和4700m3的液氢球罐能够轻松达到百吨级的储氢量。这种储氢路线比较适用于绿电制氢工厂大规模缓存和分发绿氢，但是氢液化的额外投资使得成本不划算，因此有人提出将过程中的冷能综合利用，弥补一部分氢液化所带来的成本，目前储氢成本已经可以降到约0.03万元/kgH2。对比国外，国内液氢储罐容积相对较小，技术本身没有太大难度。国内进展方面，中集圣达因公司研制300m3液氢容器用于航天场景，国富氢能正建造200m3民用液氢储罐；合肥通用院完成1000m3液氢球罐设计。第四类技术路线主要是固态储氢装备。针对规模化储氢应用场景，固态储氢材料需具备高储氢密度、温和反应温度、快速响应、高循环寿命、低反应焓变、低储氢成本等特性，目前以TiFe、TiMn基储氢合金为代表，其综合储氢性能较为满足规模化储氢需求，但面向实际应用需求，仍需进一步提高储氢密度并降低制备成本。国际方面，美国HY2MEGA绿氢存储系统采用TiFe储氢合金，每个单元储氢容量260kg、储能容量8.6MWh，是目前国内外最大的储氢容量。法国Macphy将固态储氢技术采用Mg系储氢材料，最大储氢量100kg、储能容量约3MWh。日本东芝的 H2One™，独立供应的可再生能源系统已商业化，采用Ti系储氢合金、储能容量1.8MWh。国内方面，有研院开发出基于TiMn系合金的固态储氢模块，储氢容量1000Nm3(约90kg)，目前在怀柔、张家口已有相关的示范装置；南方电网已建成氢储能综合运用示范工程，实现固态氢能发电并网。合肥通用院开发出无需活化、储氢容量≥2wt%、可实现快速吸放氢的的Ti基高熵储氢合金2种，并且针对储氢合金容易失活问题，提出了共掺杂的活化或再生新策略，使储氢合金性能更适应大规模储氢应用场景。03 常温高压氢脆问题可能被高估，不必“谈氢色变”目前从我们已经掌握的实验数据，以及在石化领域的设计制造和运维经验来看，常温高压氢脆问题可能被高估。因此我们在不同的场合都在呼吁大家不要“谈氢色变”。金属材料常温高压氢脆机理很复杂，主要包括氢原子形成和侵入机制等。氢分子形成原子并进入内部，有不同环境需求，如高温充氢、电解质环境充氢、湿环境焊接。我们统计了 1500 余条氢气管道常用的材料和服役的时间，结合在合成氨还有一些石化加氢装置方面的长期运维经验来看，200℃以下、35MPa以下氢环境不易导致金属氢脆，室温基本无影响。事实上，石化装置大量压力容器和管道在此条件下安全服役甚至超过40年。第二个问题是氢能储运的基础经济性问题，究竟应该输氢还是输电。我们一直在讨论绿电制氢长距离输送问题。电与氢都是二次能源，电能输送方便但不易储存、氢能储存方便但输送成本高。如果可再生能源发电并网及储能技术进一步突破，输电比输氢更加容易(就近电解水消纳)，无需再耗费很大经济代价去做长距离的纯氢管道或者掺氢管道。但是也有些专家个人观点认为可再生能源并网发电、长距离输电问题无解。我们目前还不太了解这是否代表一种普遍的观点。最后，氢-电互补的现代能源供应体系是大势所趋，稳慎推动氢能在炼化、冶金、储能、发电等工业领域及交通领域多元应用，关键在于进一步降低氢能储运成本、提升技术经济性，相关工作仍需努力。现在微信公众号打乱了时间线。希望喜欢【能景氢研】的读者朋友们将本号【设为星标★】，方便找到我们。
