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，國機集團合肥通用機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)場景下的固定式儲氫技術(shù)進展”的演講。演講中，徐雙慶圍繞固定式儲氫技術(shù)進展、氫能儲運的安全和經(jīng)濟性等為大家進行了精彩的介紹。現(xiàn)能景研究截取演講中的部分精彩 內(nèi)容及觀點，供大家參考。部分內(nèi)容如下（第一人稱敘述）。

01 氫能儲運涵蓋多種場景、多種裝備及方式

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》提出要構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化氫能儲運體系來穩(wěn)慎推動多個領(lǐng)域的多元應(yīng)用。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制、儲、運、加、用，儲運是最重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到氫能使用安全性和經(jīng)濟性。當前，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、高效儲運已成為制約氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的瓶頸問題，既是重點也是難點。我國氫能資源主要分布在煉化企業(yè)集中、風光發(fā)電和天然氣資源豐富的西北、東北、中西部等地區(qū)，消費市場主要集中在東南部地區(qū)，呈現(xiàn)資源市場錯位分布特點。近期氫能儲運主要服務(wù)于區(qū)域內(nèi)就近短途運輸，未來中長距離儲運需求較大。廣義上，氫能儲運裝備包括：制氫工廠、加氫站、工業(yè)/儲能/發(fā)電等用氫裝置、道路運輸、管道輸配、氫動力運輸裝備等不同儲運場景的固定式和移動式氫氣儲存、輸配、供給裝備，涵蓋各類壓力容器、氣瓶、管道、壓縮機、泵、閥門、密封件等機械裝備。氫能儲運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)儲氫等，現(xiàn)階段的主流還是氣態(tài)儲氫。

固定式儲氫的典型應(yīng)用場景是制氫工廠、加氫站以及各類用氫裝置。其技術(shù)裝備路線涉及鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組、復合材料高壓儲氫瓶組、液氫儲存容器、固態(tài)儲氫設(shè)備、巖穴儲氫。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性。制氫電解槽目前已經(jīng)有一些辦法來應(yīng)對其波動性，但是對儲運裝備考慮更多的是緩存周期和緩存量。不論是何種儲運方式，氫能儲運裝備一旦失效會造成很嚴重的后果，保障氫能儲運裝備的安全運行，成為統(tǒng)籌氫能發(fā)展的迫切需要。

02 工業(yè)場景固定式儲氫有4類技術(shù)路線，成本與技術(shù)各有特點

下面按照不同的技術(shù)路線介紹一下固定式儲氫目前國內(nèi)外的技術(shù)進展，以及國機合肥通用院所做的一些工作。

2 .1  鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組

第一類技術(shù)路線主要是鋼質(zhì)中高壓儲氫容器/瓶組。一是單層高壓瓶組，主要是Ⅰ型純鋼制瓶組。像美國美國CPI、意大利Faber、中國安瑞科、藍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。合肥通用院開發(fā)出最高140MPa x1.35 m3 容器用在車載氣瓶氫循環(huán)實驗系統(tǒng)；浙江藍能研制出 99 MPa ×1.05m3 容器用在加氫站，應(yīng)用場景不一樣。該路線儲氫容量≤100 kg，單位儲氫成本相對較高，在 0.3~2萬元/kgH2（視不同壓力等級）。二是鋼質(zhì)多層儲氫容器，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鋼帶錯繞多層鋼制容器。第二類是開原維科、蘭石重裝研制出98MPa×1m3、50 MPa×7.5m3層板包扎多層鋼質(zhì)容器。該路線儲氫容量大概能做到 240-250kg，單位儲氫成本大概在0.4-3萬元/kgH2，成本相對瓶組略高一些。合肥通用院上世紀60年代末首次研制出鋼帶錯繞式容器，70年代研制出多層整體包扎壓力容器，編制相關(guān)標準，解決了中小化肥行業(yè)高壓容器制造難題，奠定了國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)。目前合肥通用院正在研發(fā)設(shè)計壓力≥2.5MPa、單罐儲氫量≥1000kg鋼帶錯繞容器，單位儲氫成本≤0.15萬元/kgH2。

三是單層中壓球形儲罐。合肥通用院在國內(nèi)率先設(shè)計建造2000m3中壓氫氣球罐，從材料、焊接工藝到分析設(shè)計的方法能夠減薄壁厚和降低重量，并且運行和首檢結(jié)果良好。中集安瑞科旗下的荊門宏圖2016年起也開始中壓氫氣球罐設(shè)計建造，容積在200-1500m3范圍。該路線儲氫容積能做到最大3000kg左右，儲氫成本在 0.2 萬元/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)計壓力25MPa、容積25m3- 50m3的高壓球形容器。它不算一個球罐，因為球罐標準里面有一個最低容積限制，因此只能稱它為球型容器。該路線儲氫容量大概能做到800kg，單位儲氫成本大概在0.25萬元/kgH2左右。目前合肥通用院在該路線的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計方法、工業(yè)試制方案等均取得突破性進展。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，形成超高強韌鋼板組織性能調(diào)控技術(shù)，建立屈服強度690MPa級、80-100mm厚鋼板的工業(yè)試制方案。二是開展微合金化、成形及熱處理工藝研究，提出了強韌匹配工藝，建立了超高強韌鍛件的工業(yè)試制方案。三是形成了基于風險和壽命的設(shè)計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理與工藝。五是研發(fā)了厚壁高強鋼焊接冷裂紋與再熱裂紋預(yù)防控制關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)在正在開展球形儲氫容器建造。

2 .2  復合材料高壓儲氫瓶組

第二類技術(shù)路線主要是復合材料高壓儲氫瓶組。該技術(shù)路線的國內(nèi)外廠家更多，主要是以中小型企業(yè)為主，應(yīng)用主要是在移動式儲氫領(lǐng)域，在固定式儲氫場景缺乏成本優(yōu)勢。復合材料高壓儲氫瓶組技術(shù)路線比較多。國際方面包括日本JSW的90MPa/300L Ⅱ型瓶組；美國Worthington的70MPa/313L Ⅲ型瓶組；荷蘭NPROXX的60MPa Ⅳ型瓶組(總儲氫量超1噸)，該瓶組可以以集裝箱模塊的形式放在加氫站；美國Hexagon的103.5MPa Ⅳ型瓶組，將來能夠?qū)?0MPa甚至90MPa的瓶組直接加氫。國內(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，浙江藍能正在研發(fā)90MPa/1000L Ⅱ型瓶組。合肥通用院聯(lián)合浙江藍能、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氫之外，也可用于固定式儲氫。目前我們研發(fā)過程中的技術(shù)攻關(guān)點主要有兩點。第一點是大長徑比塑料內(nèi)膽基于失效模式的設(shè)計技術(shù)、精密成型工藝。我們研究了大長徑比塑料內(nèi)膽防屈曲、Boss結(jié)構(gòu)防泄漏、抗疲勞、抗扭轉(zhuǎn)設(shè)計技術(shù)，研發(fā)出完全國產(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。第二點是大長徑比Ⅳ型管束瓶帶壓纏繞與固化工藝。我們兼顧強度、剛度、疲勞壽命，開展大長徑比Ⅳ型瓶纖維纏繞過程仿真與鋪層設(shè)計迭代。此外，還開展了內(nèi)膽-復材層界面增強、帶壓纏繞與固化工藝試驗，避免靠近封頭附近內(nèi)膽開裂。

2 .3  液氫儲存容器

第三類技術(shù)路線主要是液氫儲存容器。液氫儲氫容器優(yōu)點是儲氫密度高，缺點是液化投資高、能耗大、儲運成本高。國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。國內(nèi)方面中科富海、國富氫能正建設(shè)氫膨脹制冷5~8.5噸/天液化裝置；杭氧、中科富海、國富氫能、合肥通用院等正在研發(fā)氫膨脹機、冷箱換熱器。目前液氫儲運仍大量使用鋼質(zhì)壓力容器，主要是高真空絕熱的。國外這種3500m3和4700m3的液氫球罐能夠輕松達到百噸級的儲氫量。這種儲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，因此有人提出將過程中的冷能綜合利用，彌補一部分氫液化所帶來的成本，目前儲氫成本已經(jīng)可以降到約0.03萬元/kgH2。對比國外，國內(nèi)液氫儲罐容積相對較小，技術(shù)本身沒有太大難度。國內(nèi)進展方面，中集圣達因公司研制300m3液氫容器用于航天場景，國富氫能正建造200m3民用液氫儲罐；合肥通用院完成1000m3液氫球罐設(shè)計。

2 .4  固態(tài)儲氫裝備

第四類技術(shù)路線主要是固態(tài)儲氫裝備。針對規(guī)�；瘍�氫應(yīng)用場景，固態(tài)儲氫材料需具備高儲氫密度、溫和反應(yīng)溫度、快速響應(yīng)、高循環(huán)壽命、低反應(yīng)焓變、低儲氫成本等特性，目前以TiFe、TiMn基儲氫合金為代表，其綜合儲氫性能較為滿足規(guī)模化儲氫需求，但面向?qū)嶋H應(yīng)用需求，仍需進一步提高儲氫密度并降低制備成本。國際方面，美國HY2MEGA綠氫存儲系統(tǒng)采用TiFe儲氫合金，每個單元儲氫容量260kg、儲能容量8.6MWh，是目前國內(nèi)外最大的儲氫容量。法國Macphy將固態(tài)儲氫技術(shù)采用Mg系儲氫材料，最大儲氫量100kg、儲能容量約3MWh。日本東芝的 H2One™，獨立供應(yīng)的可再生能源系統(tǒng)已商業(yè)化，采用Ti系儲氫合金、儲能容量1.8MWh。國內(nèi)方面，有研院開發(fā)出基于TiMn系合金的固態(tài)儲氫模塊，儲氫容量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)已建成氫儲能綜合運用示范工程，實現(xiàn)固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)。合肥通用院開發(fā)出無需活化、儲氫容量≥2wt%、可實現(xiàn)快速吸放氫的的Ti基高熵儲氫合金2種，并且針對儲氫合金容易失活問題，提出了共摻雜的活化或再生新策略，使儲氫合金性能更適應(yīng)大規(guī)模儲氫應(yīng)用場景。

03 常溫高壓氫脆問題可能被高估，不必“談氫色變”

下面我想討論兩個問題。第一個問題是大家非常關(guān)心的金屬常溫高壓氫脆問題。目前從我們已經(jīng)掌握的實驗數(shù)據(jù)，以及在石化領(lǐng)域的設(shè)計制造和運維經(jīng)驗來看，常溫高壓氫脆問題可能被高估。因此我們在不同的場合都在呼吁大家不要“談氫色變”。金屬材料常溫高壓氫脆機理很復雜，主要包括氫原子形成和侵入機制等。氫分子形成原子并進入內(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)計了 1500 余條氫氣管道常用的材料和服役的時間，結(jié)合在合成氨還有一些石化加氫裝置方面的長期運維經(jīng)驗來看，200℃以下、35MPa以下氫環(huán)境不易導致金屬氫脆，室溫基本無影響。事實上，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40年。

第二個問題是氫能儲運的基礎(chǔ)經(jīng)濟性問題，究竟應(yīng)該輸氫還是輸電。我們一直在討論綠電制氫長距離輸送問題。電與氫都是二次能源，電能輸送方便但不易儲存、氫能儲存方便但輸送成本高。如果可再生能源發(fā)電并網(wǎng)及儲能技術(shù)進一步突破，輸電比輸氫更加容易(就近電解水消納)，無需再耗費很大經(jīng)濟代價去做長距離的純氫管道或者摻氫管道。但是也有些專家個人觀點認為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電、長距離輸電問題無解。我們目前還不太了解這是否代表一種普遍的觀點。

最后，氫-電互補的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系是大勢所趨，穩(wěn)慎推動氫能在煉化、冶金、儲能、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域及交通領(lǐng)域多元應(yīng)用，關(guān)鍵在于進一步降低氫能儲運成本、提升技術(shù)經(jīng)濟性，相關(guān)工作仍需努力。

END

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