在中咨公司氫能中心和能景研究共同舉辦的“2024氫基能源綠色發(fā)展論壇”上，國(guó)機(jī)集團(tuán)合肥通用機(jī)械研究院有限公司副總經(jīng)理徐雙慶發(fā)表了題為“工業(yè)場(chǎng)景下的固定式儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)展”的演講。演講中，徐雙慶圍繞固定式儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)展、氫能儲(chǔ)運(yùn)的安全和經(jīng)濟(jì)性等為大家進(jìn)行了精彩的介紹�，F(xiàn)能景研究截取演講中的部分精彩 內(nèi)容及觀點(diǎn)，供大家參考。部分內(nèi)容如下（第一人稱敘述）。

01 氫能儲(chǔ)運(yùn)涵蓋多種場(chǎng)景、多種裝備及方式

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035）》提出要構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化氫能儲(chǔ)運(yùn)體系來(lái)穩(wěn)慎推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的多元應(yīng)用。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用，儲(chǔ)運(yùn)是最重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到氫能使用安全性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前，全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但總體仍處在商業(yè)化前期。在制氫、用氫環(huán)節(jié)，我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)可以為氫能產(chǎn)業(yè)培育提供足夠支撐，但是氫氣安全、高效儲(chǔ)運(yùn)已成為制約氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。我國(guó)氫能資源主要分布在煉化企業(yè)集中、風(fēng)光發(fā)電和天然氣資源豐富的西北、東北、中西部等地區(qū)，消費(fèi)市場(chǎng)主要集中在東南部地區(qū)，呈現(xiàn)資源市場(chǎng)錯(cuò)位分布特點(diǎn)。近期氫能儲(chǔ)運(yùn)主要服務(wù)于區(qū)域內(nèi)就近短途運(yùn)輸，未來(lái)中長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)需求較大。廣義上，氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備包括：制氫工廠、加氫站、工業(yè)/儲(chǔ)能/發(fā)電等用氫裝置、道路運(yùn)輸、管道輸配、氫動(dòng)力運(yùn)輸裝備等不同儲(chǔ)運(yùn)場(chǎng)景的固定式和移動(dòng)式氫氣儲(chǔ)存、輸配、供給裝備，涵蓋各類壓力容器、氣瓶、管道、壓縮機(jī)、泵、閥門、密封件等機(jī)械裝備。氫能儲(chǔ)運(yùn)方式有常溫高壓氣態(tài)氫(主流)、深冷低壓液態(tài)氫、深冷-高壓超臨界氫、帶壓固態(tài)儲(chǔ)氫等，現(xiàn)階段的主流還是氣態(tài)儲(chǔ)氫。

固定式儲(chǔ)氫的典型應(yīng)用場(chǎng)景是制氫工廠、加氫站以及各類用氫裝置。其技術(shù)裝備路線涉及鋼質(zhì)中高壓儲(chǔ)氫容器/瓶組、復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫瓶組、液氫儲(chǔ)存容器、固態(tài)儲(chǔ)氫設(shè)備、巖穴儲(chǔ)氫。一般技術(shù)要求是高安全、大容量、低成本、快響應(yīng)、適應(yīng)可再生能源制氫的波動(dòng)性。制氫電解槽目前已經(jīng)有一些辦法來(lái)應(yīng)對(duì)其波動(dòng)性，但是對(duì)儲(chǔ)運(yùn)裝備考慮更多的是緩存周期和緩存量。不論是何種儲(chǔ)運(yùn)方式，氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備一旦失效會(huì)造成很嚴(yán)重的后果，保障氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備的安全運(yùn)行，成為統(tǒng)籌氫能發(fā)展的迫切需要。

02 工業(yè)場(chǎng)景固定式儲(chǔ)氫有4類技術(shù)路線，成本與技術(shù)各有特點(diǎn)

下面按照不同的技術(shù)路線介紹一下固定式儲(chǔ)氫目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)進(jìn)展，以及國(guó)機(jī)合肥通用院所做的一些工作。

2 .1  鋼質(zhì)中高壓儲(chǔ)氫容器/瓶組

第一類技術(shù)路線主要是鋼質(zhì)中高壓儲(chǔ)氫容器/瓶組。一是單層高壓瓶組，主要是Ⅰ型純鋼制瓶組。像美國(guó)美國(guó)CPI、意大利Faber、中國(guó)安瑞科、藍(lán)能等研制一些不同規(guī)格的 Ⅰ型單層鋼質(zhì)瓶組，壓力范圍覆蓋了17- 100MPa。合肥通用院開(kāi)發(fā)出最高140MPa x1.35 m3 容器用在車載氣瓶氫循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；浙江藍(lán)能研制出 99 MPa ×1.05m3 容器用在加氫站，應(yīng)用場(chǎng)景不一樣。該路線儲(chǔ)氫容量≤100 kg，單位儲(chǔ)氫成本相對(duì)較高，在 0.3~2萬(wàn)元/kgH2（視不同壓力等級(jí)）。二是鋼質(zhì)多層儲(chǔ)氫容器，它可以分為兩類。第一類是浙大、浙江巨化研制出的98MPa×1m3、50 MPa×7.3m3鋼帶錯(cuò)繞多層鋼制容器。第二類是開(kāi)原維科、蘭石重裝研制出98MPa×1m3、50 MPa×7.5m3層板包扎多層鋼質(zhì)容器。該路線儲(chǔ)氫容量大概能做到 240-250kg，單位儲(chǔ)氫成本大概在0.4-3萬(wàn)元/kgH2，成本相對(duì)瓶組略高一些。合肥通用院上世紀(jì)60年代末首次研制出鋼帶錯(cuò)繞式容器，70年代研制出多層整體包扎壓力容器，編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，解決了中小化肥行業(yè)高壓容器制造難題，奠定了國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)。目前合肥通用院正在研發(fā)設(shè)計(jì)壓力≥2.5MPa、單罐儲(chǔ)氫量≥1000kg鋼帶錯(cuò)繞容器，單位儲(chǔ)氫成本≤0.15萬(wàn)元/kgH2。

三是單層中壓球形儲(chǔ)罐。合肥通用院在國(guó)內(nèi)率先設(shè)計(jì)建造2000m3中壓氫氣球罐，從材料、焊接工藝到分析設(shè)計(jì)的方法能夠減薄壁厚和降低重量，并且運(yùn)行和首檢結(jié)果良好。中集安瑞科旗下的荊門宏圖2016年起也開(kāi)始中壓氫氣球罐設(shè)計(jì)建造，容積在200-1500m3范圍。該路線儲(chǔ)氫容積能做到最大3000kg左右，儲(chǔ)氫成本在 0.2 萬(wàn)元/kgH2。四是單層高壓球型容器。目前合肥通用院正聯(lián)合鋼研總院、中石化合作，面向制氫工廠、加氫母站研制設(shè)計(jì)壓力25MPa、容積25m3- 50m3的高壓球形容器。它不算一個(gè)球罐，因?yàn)榍蚬迾?biāo)準(zhǔn)里面有一個(gè)最低容積限制，因此只能稱它為球型容器。該路線儲(chǔ)氫容量大概能做到800kg，單位儲(chǔ)氫成本大概在0.25萬(wàn)元/kgH2左右。目前合肥通用院在該路線的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)方法、工業(yè)試制方案等均取得突破性進(jìn)展。一是攻克微合金化、冶金質(zhì)量控制、組織性能均勻化等難題，形成超高強(qiáng)韌鋼板組織性能調(diào)控技術(shù)，建立屈服強(qiáng)度690MPa級(jí)、80-100mm厚鋼板的工業(yè)試制方案。二是開(kāi)展微合金化、成形及熱處理工藝研究，提出了強(qiáng)韌匹配工藝，建立了超高強(qiáng)韌鍛件的工業(yè)試制方案。三是形成了基于風(fēng)險(xiǎn)和壽命的設(shè)計(jì)方法和低泄漏率密封技術(shù)，現(xiàn)在我們最高能做到壓力容器最高承受壓力400MPa、溫度 500℃~ 600℃。四是探明了球殼板曲率、厚度與油壓機(jī)壓力、壓制次數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成了厚壁大曲率鋼板冷成型機(jī)理與工藝。五是研發(fā)了厚壁高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋與再熱裂紋預(yù)防控制關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)在正在開(kāi)展球形儲(chǔ)氫容器建造。

2 .2  復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫瓶組

第二類技術(shù)路線主要是復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫瓶組。該技術(shù)路線的國(guó)內(nèi)外廠家更多，主要是以中小型企業(yè)為主，應(yīng)用主要是在移動(dòng)式儲(chǔ)氫領(lǐng)域，在固定式儲(chǔ)氫場(chǎng)景缺乏成本優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫瓶組技術(shù)路線比較多。國(guó)際方面包括日本JSW的90MPa/300L Ⅱ型瓶組；美國(guó)Worthington的70MPa/313L Ⅲ型瓶組；荷蘭NPROXX的60MPa Ⅳ型瓶組(總儲(chǔ)氫量超1噸)，該瓶組可以以集裝箱模塊的形式放在加氫站；美國(guó)Hexagon的103.5MPa Ⅳ型瓶組，將來(lái)能夠?qū)?0MPa甚至90MPa的瓶組直接加氫。國(guó)內(nèi)方面像中集安瑞科研制87.5MPa Ⅲ型瓶組曾在大連70MPa加氫站示范應(yīng)用，浙江藍(lán)能正在研發(fā)90MPa/1000L Ⅱ型瓶組。合肥通用院聯(lián)合浙江藍(lán)能、北化、哈工大等單位，正在研發(fā)52MPa/1750L 大容積Ⅳ型瓶及管束式集裝箱。中集安瑞科正在研發(fā)52MPa大容積Ⅲ型瓶及管束式集裝箱。大容積Ⅲ型、 Ⅳ型瓶管束式集裝箱除用作道路運(yùn)氫之外，也可用于固定式儲(chǔ)氫。目前我們研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是大長(zhǎng)徑比塑料內(nèi)膽基于失效模式的設(shè)計(jì)技術(shù)、精密成型工藝。我們研究了大長(zhǎng)徑比塑料內(nèi)膽防屈曲、Boss結(jié)構(gòu)防泄漏、抗疲勞、抗扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)出完全國(guó)產(chǎn)化的改性PA6材料+滾塑、HDPE材料+注塑成型工藝及裝備，制備出1750L大容量塑料內(nèi)膽工程樣機(jī)。第二點(diǎn)是大長(zhǎng)徑比Ⅳ型管束瓶帶壓纏繞與固化工藝。我們兼顧強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命，開(kāi)展大長(zhǎng)徑比Ⅳ型瓶纖維纏繞過(guò)程仿真與鋪層設(shè)計(jì)迭代。此外，還開(kāi)展了內(nèi)膽-復(fù)材層界面增強(qiáng)、帶壓纏繞與固化工藝試驗(yàn)，避免靠近封頭附近內(nèi)膽開(kāi)裂。

2 .3  液氫儲(chǔ)存容器

第三類技術(shù)路線主要是液氫儲(chǔ)存容器。液氫儲(chǔ)氫容器優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度高，缺點(diǎn)是液化投資高、能耗大、儲(chǔ)運(yùn)成本高。國(guó)外幾大氣體公司壟斷了相關(guān)工藝和設(shè)備，尤其是大規(guī)模低能耗氫液化工藝以及一些核心裝備。國(guó)內(nèi)方面中科富海、國(guó)富氫能正建設(shè)氫膨脹制冷5~8.5噸/天液化裝置；杭氧、中科富海、國(guó)富氫能、合肥通用院等正在研發(fā)氫膨脹機(jī)、冷箱換熱器。目前液氫儲(chǔ)運(yùn)仍大量使用鋼質(zhì)壓力容器，主要是高真空絕熱的。國(guó)外這種3500m3和4700m3的液氫球罐能夠輕松達(dá)到百噸級(jí)的儲(chǔ)氫量。這種儲(chǔ)氫路線比較適用于綠電制氫工廠大規(guī)模緩存和分發(fā)綠氫，但是氫液化的額外投資使得成本不劃算，因此有人提出將過(guò)程中的冷能綜合利用，彌補(bǔ)一部分氫液化所帶來(lái)的成本，目前儲(chǔ)氫成本已經(jīng)可以降到約0.03萬(wàn)元/kgH2。對(duì)比國(guó)外，國(guó)內(nèi)液氫儲(chǔ)罐容積相對(duì)較小，技術(shù)本身沒(méi)有太大難度。國(guó)內(nèi)進(jìn)展方面，中集圣達(dá)因公司研制300m3液氫容器用于航天場(chǎng)景，國(guó)富氫能正建造200m3民用液氫儲(chǔ)罐；合肥通用院完成1000m3液氫球罐設(shè)計(jì)。

2 .4  固態(tài)儲(chǔ)氫裝備

第四類技術(shù)路線主要是固態(tài)儲(chǔ)氫裝備。針對(duì)規(guī)�；瘍�(chǔ)氫應(yīng)用場(chǎng)景，固態(tài)儲(chǔ)氫材料需具備高儲(chǔ)氫密度、溫和反應(yīng)溫度、快速響應(yīng)、高循環(huán)壽命、低反應(yīng)焓變、低儲(chǔ)氫成本等特性，目前以TiFe、TiMn基儲(chǔ)氫合金為代表，其綜合儲(chǔ)氫性能較為滿足規(guī)模化儲(chǔ)氫需求，但面向?qū)嶋H應(yīng)用需求，仍需進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫密度并降低制備成本。國(guó)際方面，美國(guó)HY2MEGA綠氫存儲(chǔ)系統(tǒng)采用TiFe儲(chǔ)氫合金，每個(gè)單元儲(chǔ)氫容量260kg、儲(chǔ)能容量8.6MWh，是目前國(guó)內(nèi)外最大的儲(chǔ)氫容量。法國(guó)Macphy將固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)采用Mg系儲(chǔ)氫材料，最大儲(chǔ)氫量100kg、儲(chǔ)能容量約3MWh。日本東芝的 H2One™，獨(dú)立供應(yīng)的可再生能源系統(tǒng)已商業(yè)化，采用Ti系儲(chǔ)氫合金、儲(chǔ)能容量1.8MWh。國(guó)內(nèi)方面，有研院開(kāi)發(fā)出基于TiMn系合金的固態(tài)儲(chǔ)氫模塊，儲(chǔ)氫容量1000Nm3(約90kg)，目前在懷柔、張家口已有相關(guān)的示范裝置；南方電網(wǎng)已建成氫儲(chǔ)能綜合運(yùn)用示范工程，實(shí)現(xiàn)固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)。合肥通用院開(kāi)發(fā)出無(wú)需活化、儲(chǔ)氫容量≥2wt%、可實(shí)現(xiàn)快速吸放氫的的Ti基高熵儲(chǔ)氫合金2種，并且針對(duì)儲(chǔ)氫合金容易失活問(wèn)題，提出了共摻雜的活化或再生新策略，使儲(chǔ)氫合金性能更適應(yīng)大規(guī)模儲(chǔ)氫應(yīng)用場(chǎng)景。

03 常溫高壓氫脆問(wèn)題可能被高估，不必“談氫色變”

下面我想討論兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是大家非常關(guān)心的金屬常溫高壓氫脆問(wèn)題。目前從我們已經(jīng)掌握的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及在石化領(lǐng)域的設(shè)計(jì)制造和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，常溫高壓氫脆問(wèn)題可能被高估。因此我們?cè)诓煌�的�?chǎng)合都在呼吁大家不要“談氫色變”。金屬材料常溫高壓氫脆機(jī)理很復(fù)雜，主要包括氫原子形成和侵入機(jī)制等。氫分子形成原子并進(jìn)入內(nèi)部，有不同環(huán)境需求，如高溫充氫、電解質(zhì)環(huán)境充氫、濕環(huán)境焊接。我們統(tǒng)計(jì)了 1500 余條氫氣管道常用的材料和服役的時(shí)間，結(jié)合在合成氨還有一些石化加氫裝置方面的長(zhǎng)期運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，200℃以下、35MPa以下氫環(huán)境不易導(dǎo)致金屬氫脆，室溫基本無(wú)影響。事實(shí)上，石化裝置大量壓力容器和管道在此條件下安全服役甚至超過(guò)40年。

第二個(gè)問(wèn)題是氫能儲(chǔ)運(yùn)的基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，究竟應(yīng)該輸氫還是輸電。我們一直在討論綠電制氫長(zhǎng)距離輸送問(wèn)題。電與氫都是二次能源，電能輸送方便但不易儲(chǔ)存、氫能儲(chǔ)存方便但輸送成本高。如果可再生能源發(fā)電并網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步突破，輸電比輸氫更加容易(就近電解水消納)，無(wú)需再耗費(fèi)很大經(jīng)濟(jì)代價(jià)去做長(zhǎng)距離的純氫管道或者摻氫管道。但是也有些專家個(gè)人觀點(diǎn)認(rèn)為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電、長(zhǎng)距離輸電問(wèn)題無(wú)解。我們目前還不太了解這是否代表一種普遍的觀點(diǎn)。

最后，氫-電互補(bǔ)的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系是大勢(shì)所趨，穩(wěn)慎推動(dòng)氫能在煉化、冶金、儲(chǔ)能、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域及交通領(lǐng)域多元應(yīng)用，關(guān)鍵在于進(jìn)一步降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本、提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)工作仍需努力。

END

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