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中科院理化所谢秀娟:规模化氢液化储运发展与产业应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-03-29  浏览次数:2564
高效、低成本的氢气储运技术是实现氢能大规模应用的必要保障,国家也提倡探索多种储运技术路线并行发展,液氢因其能量密度高、储存压力低、气化纯度高,有望成为氢能规模化发展的重要方式。中科院理化所长期致力于低温液氢技术与装备研发,并作为联合单位参与国家能源氢储运创新平台建设。在3月26日举办的国际氢能创新合作论坛上,中国科学院理化技术研究所研究员、项目首席科学家谢秀娟博士作了《规模化氢液化储运发展与产业应用》的主题演讲。

以下为谢秀娟博士演讲全文:

尊敬的各位来宾、各位领导、各位同行朋友,大家下午好。

很荣幸今天能够有机会向大家一起来分享一下《规模化氢液化储运发展与产业应用》。

我今天的分享主要是从三个方面展开,首先谈一谈液氢在氢能产业中重要的意义。氢能能够同时应用于交通储能发电和分布式冷热电联供的能源形式,我们从整个的氢能链条看,它从制氢到储运到应用,制氢从灰氢、蓝氢到绿氢,储运目前也有多种技术路线在并行。包括传统应用比较广泛的压缩氢气,氢气管道和液氢,还有目前业态有机氢的储氢还有固态储氢最终进行氢能的应用。

随着氢能要想大规模应用,可以看到储运的环节是一个实现低成本的重要的卡点。液氢在大规模的应用过程中它的重要的经济性指标就是储氢密度,液氢总的储氢密度我们联合能源总署规定质量的储氢密度大于5%,体积的储氢密度希望大于50公斤氢的情况。液氢作为非常好的载体形式,它的储氢密度比较高,而相应的工作压力低,安全性好。在2014年国外的长期的发展,随着大规模氢能的应用,给出了在400公斤每天以上的规模以后,它的液氢的方式会慢慢的具有经济性,它的运量更大,充装更快,占地更小,是相对优的选择。

同时参照2022年的数据,我们与目前比较新型的合成液氨以及有机液态储氢对比,在每一个链条的环节,以合成液氨为例真正耗能环节是在氨气的裂解环节,氢液化主要的环节主要是涉及到低温液化和运输的环节,对于有机液态储氢最终是一个脱氢的环节,我们最后经过整个链条的比较,可以看到氢液化的技术终端的成本可以控制在3.2块大3.8块每公斤的量级,未来的5年内我们认为多种氢能的产业链储运的方式是并行示范的,最终是一个能耗终端的成本,安全,技术传输度和应用场景多个维度的竞争,相信在每一种应用场景下,我们每一种的储运方式都有它的应用的方式。

我们现在就向各位来交流一下,我们目前液氢的关键技术装备发展的现状。

针对整个的液氢的链条,它也有一个氢液化到储存运输加注一直到用户的整个液氢的技术产业链。我们整个梳理世界上的氢液化的分布,可以看到主要的总产能是以北美为主,特别是以美国为主。它们的总产能达到430吨/天,欧盟是30吨/天的量级,中国3年前还是以航天为主,特别是近三年中国的氢液化装备实现了井喷式的发展,目前已经突破了1.5-5吨/天的氢液化装备,单套大于5吨/天以上的装备正在研制突破中,国内的总产能逐渐开始跟上,达到了目前15吨/天民用的量级。

这里梳理了国内的发展,可以看到早期主要是应用在航空航天领域,2021年至今近三年分别有5台套,逐渐开始走向真正的产出液氢,随着我们进一步的预期,未来三到五年的需求牵引下,整个氢液化会实现井喷的更大规模的发展。

在整个储运的环节,早期主要是20世纪60年代,以美国为首最大的液氢球罐水溶剂可以达到3800例以上,在日本的神户机场也建立了2500例的液氢储罐,相应也进行一万例的大规模的液氢球罐的设计方案。随着规模化的发展,球罐形式是未来能够上到更大规模、更大储量的非常好的结构形式,而国内是早期在航天的发展,在2012年已经在航天应用了100-300例的液氢的卧罐,相应的技术已经开始转化,目前正在进行国内首台套400例液氢球罐的建设。

在液氢的加注方面,目前全球有400多座,除了中国以外,咱们现在加氢站将近1/3国外是液氢加氢站,主要是以70兆帕和35兆帕两种压力等级进行加注,特别是以美国居多,其次是日本。而我们国内目前也初步具备了35兆帕和70兆帕加氢站的自主研发和建造能力,这个液氢加氢站总体还是处于一个开发和示范的阶段。随着我们氢能规模的应用,它的市场前景是相对比较广阔的。

这里整个梳理了一下,液氢在我们各级政府包括国家发改委发布的《氢能产业的中长期发展规划》,以此为纲要,北京市上海市广东省山东省河南省等等氢能的发展头部省市,也相应的发布各自的发展规划。从这些规划可以看到液氢无论是从液化储运加注到整个的链条的应用,包括关键技术突破和关键装备的发展,都是各个规划的重要的布局的方向。

依托整个液氢的发展,目前要实现它更好的健康发展,相应的国家的法规和标准,目前也在积极的推进中。我们有关的国标和相应的液氢加氢站里涉及的国标,还有相应的移动式的压力容器,固定式的压力容器等相应的团标都在依次建立,我们也是期待着在未来相应的标准能够逐渐的更加的完善,能够促进液氢更好的发展。

随着目前国内发展的现状,我们国内在液氢的国产化的进程中走过了漫长的道路,我们中科院理化所是国内综合性的科学与技术的研究机构,也是国家的拟建低温科学与技术国家重点室,我们1956年建立低温专业开始在国内扎根生根发芽结果。我们整个理化所的布局是从1959年液氢的领域实现了整个链条,以洪院士、周院士两代院士四代科学家,经过60多年的坚守,我们实现了整个从核心技术到关键装备到工程应用到产业转化整个链条的全线打通。

我们依次突破包括高速的氦透平、板翅式换热器、高精滤油集权调控等系列的关键技术。同时取得了理化所支持的转化公司也取得了一系列的里程碑的事件,这是2022年1月我们首次实现了1.5吨/天全国产的氢液化气出口加拿大,这也是首次我们实现自由的技术能够销往海外,这是一个非常重要里程碑事件。

第二个里程碑事件,2022年12月,我们在国内首次实现了首套民用并且获得生产许可的1.5吨氢液化气的成功生产,液氢可以作为商品在市场进行销售的买卖。

第三个里程碑事件,在今年3月8号我们实现了氦制冷循环的5吨/天的氢液化气全线的打通,满负荷运行工况下,液化率达到了5.17吨每天,相应的整个的能耗,我们接近是13度电每公斤液氢的较低的能耗,这个能耗是我们目前在同等的量级上也达到的一个国际先进水平的行列。

目前我们在科技部重点研发计划,液氢制取储运加注关键装备与安全性研究项目资助下,在整个液氢的链条上希望能够进一步的打通关键技术和关键装备,实现液氢工厂和液氢加氢站的总体的工程示范,能够从整个链条上确认液氢的技术路线是否能够真的有效的解决氢能领域的卡点问题。

这就是我们目前正在筹建的另外一套由氢制冷的氢液化循环的大于5吨/天的氢液化装置,整个液氢工厂目前正在加紧建造中,也是我们采用国际的全氢的流程,我们采用自有的技术和自有的整体的智能化的控制,实现整个液氢液化工厂安全保障的系统。我们目前的设计的能力大于6.4吨/天,整体的能耗可以小于12度电,这也是跟同期2007年德国的一套装置的同指标的对比。

同时,我们实现了氢/氦低温透平膨胀机的国产化和系列化,在整个的系列化里面,我们的指标与国际对标,我们基本上能够达到同等先进水平的行列,也实现了整个的不同的冷量系列化的发展。

与此同时,在整个专项的支持下,我们在去年12月29号,实现了国内首台民用的液氢罐车成功下线,这个液氢的罐车的成功下线也是我们整个的非常重要的里程碑事件,能够真正的为我们后续液氢上路奠定了一个很好的基础。

在液氢球罐上我们也开始进行整个的建造工作,同时对于液氢加氢站我们总体的关键装备也均已研制过程,目前的总体能耗,我们希望通过这个项目的示范,能够达到2度电以下的总体能耗,能够进一步提升液氢的技术路线的竞争性。

随着我们整个技术路线的大头,未来我们以5吨、6吨为牵引,希望能够实现10吨到30吨/天液氢工厂整个的自主可控的发展。在这个过程,我们与国外的液氢工厂总产能特别是北美相比,我们目前国内的产能大概在2%、3%的左右的量级,与我们预期的氢能市场远远不能满足整个氢能市场的预期的,我们预期在未来需求的牵引下,我们整个的氢液化的链条能够实现示范井喷式发展。

我们对整个液氢的创新链进行整体梳理,预计是在2023年到2025年我们实现整个液氢装备壮大期的蓬勃发展,在2025到2030年随着整个与工业应用和具体场景具体结合,我们可以在交通、能源工业等方面进行更有效的利用,实现它的成熟期的发展。

最后,分享一下整个的小结:

整个液氢从液化储运加注到最后应用的产业的创新链,在国家以及省部级项目支持下已经实现了关键技术的突破和关键装备的自主可控的发展,也是希望在今年明年能够实现整个产业链的示范。

制氢端,液氢具有经济性、高效性和安全性优势,随着整个氢能规模的大范围的应用,与可再生能源特别是绿氢的最佳的匹配的路线之一。

随着整个氢液化的发展,能耗在目前的5吨到13度电的量级,随着规模到30吨到50吨的量级,整个的能耗的指标可以有望降低到目前的50%以上,经济性非常可观的。

储运环节,我们要实现整个的液氢的上路,我们的液氢罐车关键装备已经完成了,后一步也是希望能够呼吁同行,呼吁国家相关部门,能够解决我们液氢罐车的上路的卡点问题,真正的实现在氢能领域大幅度降低氢运输成本和综合成本。

最终有一个很好的预期,未来在应用端,我们的液氢不单单是一个高质量的液氢,还是一个超高纯度的999999的氢,能够极大的满足我们在交通、半导体、电子氢、燃料电池等方面的应用,而且是随着可再生能源的比例逐步增大,液氢储能能够有效地解决未来氢能长周期的时空转移的应用场景。这也是我们非常值得期待的很好的应用。

以上就是我和各位同仁朋友的分享,非常感谢大家。谢谢。

特别提示:本信息由相关企业自行提供,真实性未证实,仅供参考。请谨慎采用,风险自负。


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