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北京大学教授李星国:高密度低成本氢气储运方法探索

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2021/6/4 20:15:00 我要投稿

北极星氢能网讯:“氢能主要的问题我认为有四个,制氢、储氢的成本下降和效率的提高。第二,基础设施目前还比较薄弱,第三是关键设备的制备,第四是安全的问题。”北京大学教授李星国在可再生能源制绿氢技术、装备与案例大会上的发言。

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李星国:各位专家,各位领导,各位同仁大家上午好!非常高兴有机会参加这次交流会,非常感谢会务组给我这个机会。我今天分享的是高密度低成本氢气储运方法探索,我是北京大学李星国。

大家非常关心氢能,当然也有不少人也在质疑氢能,甚至也有人说氢能会不会是一个骗局。实际上,氢能目前虽然成本还很高,技术不够成熟,还有基础设施等驱动问题,但是有三个原因势必会推动氢能的发展。第一,化石原料的资源枯竭。第二,环境污染和气侯变化,以及现在提出的碳达峰、碳中和严峻的任务。第三,风电太阳电快速发展,大规模能源储存是问题。这三个潮流势必会推动氢能快速发展。

氢能主要的问题我认为有四个,制氢、储氢的成本下降和效率的提高。第二,基础设施目前还比较薄弱,第三是关键设备的制备,第四是安全的问题。

这里面首先是制氢和储运是第一个问题。氢的产业分为制氢、储运和应用三个领域。制氢发展很快,应用现在发展也很快,制氢如何送到用的地方是个瓶颈。制氢的时候大家有很好的共识,现在化石能源制氢为主,会逐渐地发展为绿氢、电解水制氢,逐渐的向PEM、BEM发展,储运氢气实际上是根据实际用氢的情况不同,它要选择它合适的储运方法。

现在有工业钢瓶、管拖车、气体管道、液态氢气、轮船、有机物以及固态储氢等各种发展,我们在用氢的时候要根据自己的实际情况来选择最合适的储氢方法。能源储存里面追求两个参数,一个是能量的质量储氢密度和能量的体积储氢密度,现在有多种能量储存方法,包括水密、包括电容器、压缩空气、铅电池、锂离子电池等等,在这里面氢气的储能不论在体积密度,还是在质量密度上都比其他方法要大,所以这就是为什么氢能能够受到很大关注其中一个重要原因。因为储能的特点,所以它也有很重要的应用。比如现在电动车往往跑的距离比较短,载物比较小的时候用的是电动车,在中等距离的时候用的是混合动力车,如果要大型长距离的话非氢能源不可。

氢气储存中最有代表性的是高压储氢罐,它用两个高压储氢罐,压力达到700大气压,能够储存5公斤氢气,充氢3~5分钟,避免锂离子电池长时间充电的要求。它的储氢容量达到了5%以上,这5%给能源储存提出了一个标准,要想在移动的车辆上用氢能的话,也要达到5%,不能用高压缸瓶,氢能储运的时候丰田车给我们提出了一个简单的标准,氢气的储存有高压氢气储存,还有液体的储氢,还有固态的,还有有机液体的。相比之下,高压气体储氢、液体储氢和有机储氢,容量比较高,高达到5%,这些方法都可以在移动的场合去使用。固体储氢质量容量密度比较低,所以在车载的时候比较困难,但是相比之下高压液体以及有机液体的时候,分别会存在安全的隐患,能源效率比较低、纯度比较低等问题,而固态储氢会有体积储氢密度高,而且安全,而且能够长久地保存,特殊情况下会有它的优势。储氢的容量其实还不够,还要开发更高容量的储氢的方式。在我们运氢的方面,刚才多位专家提到了,这里面主要分成常见的工业缸瓶,单个缸瓶150大气压,存0.5公斤氢气,大型实验的时候要用集装隔,9个、12个、20个、30个,这样可以储到10公斤的氢气,做一些大型的实验没问题。如果超过10公斤的话,一般会跑几次,这个时候如果超过50公斤以上的时候,这个时候更多的会用长管拖车,可以储到250公斤左右。如果要更大的,比如成吨的,就得要有管道或者液体的形式,运氢的时候除了量以外,跟距离也是有很大的关系。随着距离的增加,它的成本会显著地上升,而液体变化比较小。也就是说,根据不同的运氢的距离和量不同,选择不同的输氢的方式,比较小型的时候,0~10公斤一个缸瓶到集装隔这个范围,一个集装隔逐渐过渡到长管拖车,50公斤到吨的时候,长管拖车要逐渐地换成管道或者液体的形式来进行储氢。从距离角度来说,距离越长逐渐地管道和液体的,尤其是跨海洋的时候,几乎是液体的,这是大型的氢气储运。

最核心的是成本,一般认为制氢和储运占氢气的大头,尤其在车载的时候,制氢和储氢占的成本不到40%,更多是在加氢站上,到了加氢站成本会增加很多,而且加氢站跟使用的频度有密切的关系。如果使用得很高的时候,满负荷使用成本会很低。如果没有满负荷使用会成倍甚至几十倍地增长。加氢站的使用时间非常关键。一般出厂的氢气价格每公斤20块钱左右,到了加氢站一般都是60公斤左右,所以要到使用的时候要保证,在一个正常的加氢站使用的时候,每天不加几百公斤氢气,加氢站维持不下去。这就存在一个问题,先普及车,还是先普及加氢站,这是一个三。将来车是个人买的,加氢站是企业或者政府补贴的,将来只要是政府补贴加氢站,把基础设施做起来之后,车子才会逐渐增多,成本都会下降下来。

最后做一个简单的工作介绍,我们小组从事氢气的制备、氢气的储存,还有关键设备以及氢电系统方面的工作。简单介绍一下储存方面的工作,做到储氢的时候要达到5%以上,才可以跟高压缸瓶相匹配。我们做了镁的合金,可以达到7%的储氢容量,比高压缸瓶高。如果把它做成氢化镁进行水解,可以达到15%,比5%要高3倍,所以从这个角度来说,我们可以用新的方法在小电源和无人机方面,我们也做这方面的工作。

另外,我们在做有机液体的储氢,可以高到5~7%,很重要的问题就是催化剂。因为液体加氢,尤其是让它放氢很困难,催化剂是核心,一般都是用贵金属。我们是用了稀土的金属,使成本降低很多。我们参加了壳牌的比赛,很荣幸获得他们的二等奖。

总之,现在储氢的方式有气态、液态、固态等多种形式,要根据使用情况来选择。另外,根据清洁成本和多为书和距离相关,在大型的规模储氢的时候,管道和业态的成本更有优势,国内运氢非常少,管道几百公里,美国他们都几千公里了。另外,我们在等离子与制氢等等方面,做了很多储氢方面的工作,取得了良好的结果。感谢大家!

(发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核)

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