智驾网 2022-08-28 11:22
WNEVC 2022 | 中国工程院院士陈学东:中国氢能储运装备技术进步巨大,但可靠性仍有不足
分享
氢能是能源转型的重要载体,也是实现碳中和碳达峰的重要解决方案之一,欧美等国的氢能燃料电池产业链逐步形成,我国在京津冀、长三角、粤港澳等地逐步形成规模化的产业集群。

第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。在8月26日举办的主论坛:“氢能与燃料电池汽车商业化”上,中国机械工业集团有限公司副总经理、总工程师,中国工程院院士陈学东发表演讲称,中国在常温高压氢能储运装备、深冷液态氢能储运装备、带压固态储氢装备的设计制造等方面取得长足进步,但在氢能储运装备可靠性制造方面仍存在诸多不足。

 

陈学东院士主要观点如下:


(1)氢能是能源转型的重要载体,也是实现碳中和碳达峰的重要解决方案之一,欧美等国的氢能燃料电池产业链逐步形成,我国在京津冀、长三角、粤港澳等地逐步形成规模化的产业集群。


(2)氢能储运装备可靠性制造技术,是产业发展急需破解的瓶颈难题。中国在常温高压氢能储运装备、深冷液态氢能储运装备、带压固态储氢装备的设计制造等方面取得长足进步,但在氢能储运装备可靠性制造方面仍存在诸多不足。


(3)在氢能储运装备方面,中国将重点突破70MPa高压加氢站设计制造及运行维护、氢气大规模液化工艺与关键装备研制、液氢潜液泵/往复泵/阀门等装备研制、车载供氢装备设计制造与维护、52MPa高压大容量储氢管束集装箱研发、纯氢与掺氢天然气管道输送技术等领域的关键技术与装备研制。


(4)几个问题供行业参考:常温高压下氢脆问题可能被高估;目前地方政府对氢能利用的局限性认识不足;氨-氢融合路线需要进一步探讨,纯氢路线可能更安全。

 

本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅:


尊敬的各位专家各位同行,下午好,向大家做一个报告是中国氢能储运进展。我的报告分三个部分,第一部分介绍一下氢能在我们国家使用的背景问题。氢能是能源转型的重要载体,也是实现碳中和碳达峰的解决方案,日本、美国、欧盟等国家的氢能燃料电池技术的产业链逐步形成,我们国家的相关产业链也快速发展,已经在京津冀、长三角、粤港澳形成一定的产业集群。


从2020年开始,国务院办公厅,以及发改委、科技部很多部门制定了很多政策支持构建多元化的氢能应用生态,推进全产业链技术创新,推进核心技术攻关。最近几年清华大学李骏院士和北航王云鹏院士在工程院做氢动力装备的战略研究,我是负责氢能储运的研究。


第二部分介绍一下氢能储运装备的主要技术进展情况。氢能产业链跟机械还是密切相关的,这里讲到的Ⅰ型气瓶是金属容器,在加氢站用,车上用不上。Ⅱ型和Ⅲ型气瓶分别是金属内胆环缠绕和全环绕,Ⅳ型气瓶是塑料内胆全环绕,还有压缩机加注用的,还有阀门、密封件等,这些氢能储运关键核心技术也是氢能产业急需突破的瓶颈难题。


常温高压气态氢、深冷常压液态氢,深冷高压超临界氢,带压固态储氢是主要的氢能储运方式。氢能储运装备安全至关重要,我这个报告显示的美国、挪威、韩国都发现过着火事故,都有人员伤亡。因此首先了解材料的损伤机制以及设备的损伤模式。


在高温高压环境下材料和设备会发生氢腐蚀、氢损伤,当然在常温中低压环境下是不太容易发生的。


气氢站主要是储氢容器问题,一种是瓶组储存,另一种是压力容器储存、又分多层容器和单层容器,美国先后研制出到100兆帕的瓶组,浙江大学也在研究。


第二个设备还有高压气态加氢的问题,美国跟德国搞的隔膜式的,液驱增压泵式的,还有离子液体式氢压机,中国做的膜式氢压机,我们做的45兆帕的,正好可以用在35兆帕的瓶上。合肥通用院联合海德利森现在研发出120兆帕的隔膜+活塞式串联压缩机,现在已经运行了三年。我们和同济大学、金属所在研制90兆帕的压缩机,因此我觉得压缩机的压力高低不是主要问题,主要问题还是可靠性。


还有供氢管阀件,过去主要是美国、韩国做的比较好,可以做到70兆帕,寿命可靠性比较高。合肥院正在做高压的阀门,35兆帕没问题,再高的压力正在研制过程当中。美国已经做出了Ⅳ型瓶的管束集装箱;中国主要是Ⅰ型、Ⅱ型瓶的长管拖车为主成本比较高,效率比较低。合肥院正在研制52兆帕管束集装箱,研制出来以后将来应该跟国际上水平相当。


还有管道输氢,分纯氢和天然气掺氢。长距离的管线输氢压力不超过20兆帕,场区内的管线压力更高一点。近年来美国、欧盟提出来把多余的工业副产氢掺到天然气里面,它们认为掺氢5%到15%是没有问题的,间接起到碳减排的作用。


再一个车载高压用氢设备,就是储氢瓶和瓶口组合阀,美国日本研制出70MPaⅣ型瓶;加拿大和德国研制出70兆帕的Ⅳ型瓶的瓶口阀,这是很难的,它集成了压力泄放、截止、流量调节等多个功能。目前我们国家只做出来35兆帕以下的。现在沈阳已经研制出Ⅲ型瓶,合肥院、山东奥扬、国富氢能正在研发70兆帕的,目前正在进行各项性能的考核,相信不久的将来会有突破。


另外高压储氢瓶和阀门测试评价装置,按照欧盟的规定只要上路就要经过《氢和燃料电池汽车安全技术法规》(GTR13)的考核,用氢气作为介质进行压力循环测试,考察循环载荷和过热效应条件下的安全性。合肥通用院2019年在国内首次研制出140MPa超高压氢循环疲劳测试系统,现在压力参数指标是在国际上最高,可以对70兆帕和90兆帕的系统进行循环实验,国内外多个企业的储氢装备都在这里做试验。


第二个车载高压用氢,一个是燃料电池空压机和氢气再循环泵。这个空压机难度不是很大,关键在于装在车上要噪声低。氢气再循环泵把多余的氢气抽回来,这个泵我们国内做不了,主要是日本、德国和美国在做,国内还是在做研究工作。


下面介绍一下深冷液态氢的储运装备。目前美国3500、4700立方米的液氢储罐都在做。我们国内中集圣达因做了300立方米的在文昌使用,也有固定式和移动式的,这个设备两层结构,内层装氢,中间抽真空,还要绝热保冷。还有较大规模的铁路公路运输液氢的问题,这主要是液氢的罐箱。液氢站里面还有一个重要的设备就是液氢潜液泵和往复泵,过去只有法国和德国、英国在做,这两种泵都要浸泡在液态氢里面,电机设计很重要。深冷高压超临界复合储氢瓶,深冷低压液氢瓶,我们正在研制500升的,从难度上不是很大,主要是绝热控制和保冷的问题。固态储氢主要用金属化合物储氢,南非和英国已经开发了这样的装备,主要用于叉车和船舶,在乘用车上不太合适,德国很多潜艇用这种技术。中国在广东有应用,研发高性能储氢材料是现在国内外做的工作,国内像复旦也在做这些工作,储氢效率有高有低,但是难度并不是十分大。


中国尽管已经做了很多工作,但是跟国外发达国家比还存在不足,像压缩机,还有液氢站里面的阀门,车载和公路运行的70兆帕的Ⅳ型瓶和50兆帕的管束集装箱还是有许多需要攻关的。以下我说的国家计划已经布局研究了,一个是70兆帕的高压加氢站设计建造及运行维护,是通用院、浙大、同济在做。未来中石化准备建1000座加氢站,预计到2035年中国的加氢站到1500座。在氢液化这块,大规模的氢液化工艺,膨胀机,液氢储罐这些东西需要进一步解决。还有液氢往复泵在攻关,还有车载这块的已经布局了70兆帕Ⅳ型瓶,70兆帕的瓶口阀。


我们认为52兆帕的高压大容量储氢管束集装箱研发,它在公路运输中要抗扭转,在密封结构,在瓶口阀这块需要连接,它的安全性和耐久性需要进一步突破。管道运输没有什么太大安全技术难题,主要是掺氢工艺的研究,主要是技术经济性比较问题,有没有必要建立管道是要因时、因地研究的。


最后讨论两个有争议的问题,一个是氢能储运装备在实施过程中很多专家都在说氢脆问题。实际氢脆问题是一个很古老的问题,美国、日本,以及沈阳金属所、合肥院对金属材料在氢环境下的损伤问题早就进行了深入研究,首先要氢气的分子变为原子,原子氢进入金属材料内部以后才可能发生氢损伤。氢原子的形成机制有几种:一种是高温高压环境,另外电化学环境、电镀的环境都可能产生;常温高压下到底有没有氢脆的问题呢?长期的研究认为,200℃以下、35MPa以下氢环境不易导致金属氢脆,室温基本无影响。当然常温、到了70兆帕左右会不会有这个问题,国内外已经做了研究。我们中低压环境下很多氢的储存不需要考虑这个问题的。石化装置大量压力容器和管道,服役时间超过40年的也没有问题产生。对于常温35兆帕以上的氢气环境下的问题国内外也在研究,我们认为有可能是有氢原子形成并进入金属内部,但是扩展速度怎么样,没有明确的结论,但是我们觉得有可能会高估。目前研究是存在问题的,比如在高温充氢之后研究材料性能退化规律,还有对比实验没有在高压情况下去做。从目前的研究情况看,在常温高压下,氢气转化为氢原子的可能性是存在的,但是通用院结合超高压储氢实验容器的使用维护,开展了相关验证性实验,目前没有发现很明确的影响。


第二关于氢能技术经济性和对碳减排的贡献,我们认为氢是二次能源,其经济性要考虑一次能源的消费量。我认为工业副产氢,不要排放掉,用于掺杂在天然气系统进行应用的话很好,但是产量有限。第二个,化石燃料制氢需要结合CCUS技术,因为环保成本比较高的。电解水制氢主要是电的来源,如果煤电产生的氢不太合适,可再生能源产生的氢是未来的发展方向,假如在偏远地方用可再生能源产生的电,能够并网或者储存起来,取得进一步突破的话可能更好,假如用可再生能源电解水、再输送氢的话,这个难度也是比较高的。


构建安全高效的基础设施也是重大的问题,中短距离的管道输送是有一定意义的,200公里以内。长距离管道输送纯氢是需要商榷的,因为源头上没有大规模的氢,输电比输氢更方便。


现在还有另外一种路线,认为氢输送是不安全的,因此提出了氨-氢融合,以及二氧化碳加氢制汽油技术路线。合成氨是耗能的,假如在末端把氨分解成氢也消耗能源,也是不合适的,而且氨本身的安全性比氢更加不安全,不是更安全的,所以氨氢路线也是需要探讨的。


第二是二氧化碳加氢过程中会耗能,然后假如在末端直接燃烧的话对碳减排没有什么贡献,二氧化碳只是作为载体在循环而已。事实上我可以告诉大家氢的输送过程只要控制得好是很安全的,我觉得还是将来大家用纯氢更安全,更可靠,谢谢大家。

x

收藏 0
打赏
电话:010-65030507
邮箱:editor@autor.com.cn
地址:北京市朝阳区朝外大街乙6号朝外SOHO D座5097室
北京智驾时代传媒科技有限公司          Copyright © 2014 - 2022
Autor.com.cn All Rights Reserved. 版权所有 AutoR智驾 智能汽车网
京ICP备14027737号-1      京公网安备 11010502038466号
电信与信息服务业务经营许可证:京B-20211307
关注官方微信