氢储存与运输技术：原理及应用 课件 第1章 绪论-氢能产业结构及发展趋势

第1章绪论氢能产业结构及发展趋势氢能源——来源广泛、清洁无碳、灵活高效的二次能源CONTENTS目录01第一部分氢能发展现状与目标02第二部分氢的理化性质03第三部分氢储运关键技术与产业04第四部分氢储运产业格局及发展趋势学习目标与课程导入学习目标1了解氢能发展现状与目标。2了解氢的理化性质及氢储运上下游关键技术与产业。3了解氢储运产业格局及发展趋势。本章将带您初步了解氢能产业结构及发展趋势。课程导入中国氢能联盟牵头举办"2024氢能专精特新创业大赛"。决赛现场，中国工程院院士彭苏萍作《中国氢能源与燃料电池发展战略研究》主旨演讲，并接受新华网专访。彭苏萍指出，全球正进入"氢2.0"时代，绿色氢能产业向绿氨、绿色甲醇等"泛氢"能源方向发展。在"双碳"目标下，氢（泛氢）能源可作为各能源之间的桥梁，为能源安全保障机制的优化带来新契机。思考：在厚植新质生产力与能源清洁化转型背景下，氢能扮演着怎样的角色？有何重要性？PART01氢能发展现状与目标DevelopmentStatusandGoals壹氢能：能源转型与碳中和的重要选择能源转型的时代背景为实现到21世纪末将全球变暖限制在2℃以内的目标，各国正推动能源系统从化石燃料向低碳或无碳能源过渡。地缘政治复杂、冲突持续，能源生产消费结构将被重塑，能源安全受到前所未有的关注。氢能的突出优点氢能是可再生、清洁、高效的二次能源，具有资源丰富、燃烧热值高、使用清洁无污染、利用形式多样、能成为储能介质、安全等优点。氢是能源转型和实现碳中和的重要能源，是帮助能源、交通、石化等领域实现深度脱碳的现实途径。随着世界面临气候变化和自然灾害越来越大的压力，氢能已成为许多国家能源转型的战略选择。图1-1各种储能技术的适用场景从储能时间级别看，氢储能可覆盖分钟级到年级的长时间尺度，功率范围横跨kW到TW，是大规模、长周期储能的理想方式。全球氢能产业发展历程20世纪70年代美国宾夕法尼亚大学约翰·鲍克里斯首次提出"氢能经济"概念。相关领域的技术研究以及氢能产业开始初步探索。20世纪90年代美国颁布《氢能研究、开发及示范法案(1990)》《美国氢能前景法案(1996)》。1993年日本NEDO开展十年"氢能源系统技术研究开发"项目；1999年首台氢燃料电池实验车研制成功。21世纪初2002年美国发布全球首个《国家氢能发展路线图》，5年投入12亿美元。欧盟启动FCH-JU（超10亿欧元）；德国实施NIP计划，10年开展750个氢能项目。近10年占全球GDP约52%的27个国家制定了国家氢能战略。美国每年为氢能和燃料电池提供1亿~2.8亿美元；欧盟计划十年投入5750亿欧元。氢能技术成熟度明显提升，氢能经济、氢能社会正从概念与模型中显露出真实的轮廓。中国氢能产业：后来居上2001科技部"863电动汽车重大科技专项"的"三纵三横"体系明确氢燃料电池汽车方向。2010以来30余省市出台氢能产业发展规划；"十四五"期间氢能列为多省重点发展的战略性新兴产业方向。2019加强氢能基础设施建设首次被写入政府工作报告。2020财政部牵头五部委印发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，开启规范化商业推广序幕。2040据《节能与新能源汽车技术路线图3.0》，2040年氢燃料电池汽车保有量将达400万~800万辆。丰田MIRAI（2014）——氢燃料电池汽车的标杆全球氢能代表企业国外：巴拉德（燃料电池首次用于汽车）、PlugPower（氢燃料电池叉车）、丰田MIRAI、现代NEXO（全球单一销量最多）。国内：亿华通、重塑、上汽捷氢、东岳氢能等骨干企业加快发展，努力实现后来居上。PART02氢的理化性质PhysicalandChemicalProperties贰氢的物理性质最轻的元素氢原子位于元素周期表首位，仅含一个质子和一个电子，极易形成氢分子H₂。氢气无色、无臭、无味，密度约为空气的1/14（约0.09kg/m³），是迄今所知最轻的气体，扩散能力最强。三种同位素氕(H)：原子量约1，占自然氢总量的99.98%；氘(D)：原子量约2，占0.02%；氚(T)：原子量约3，自然界中极少存在。相变与特殊性质氢气可降温压缩液化，液化温度-252℃，-259℃时变为固体；比热容最高，达14.4kJ/(kg·K)。金属氢具有优异的高温超导特性，但制备和储存条件苛刻，极难获得和保存。图1-2氢的相图相图直观呈现了氢在不同温度、压力下的气、液、固三相转变，是理解低温液态储氢的基础。氢的化学性质氢原子外层电子结构为1s¹，既可获得一个电子，也可失去一个电子，化学性质非常活泼，几乎能与除惰性气体和少量金属以外的所有元素发生反应；氢可以质子(H⁺)、负离子(H⁻)、金属原子(H⁰)和共价(H—H)状态存在。1与卤素反应\(H_2+X_2\rightarrow2HX\quad(X=F,Cl,Br,I)\)与氟在暗处、-250℃下也能立即反应；与氯在一定浓度配比时会发生爆炸性反应；与溴需高于400℃、与碘需高于500℃才能反应，均为放热反应。2与氧反应\(2H_2+O_2\rightarrow2H_2O\)该反应在550℃以上发生，生成焓为-285kJ/mol，伴随火焰蔓延、爆炸或爆鸣；火焰温度受水蒸气热分解控制，最高可达2700℃。3合成氨反应\(3H_2+N_2\rightarrow2NH_3\)在高温和合适的催化剂作用下，氢气与氮气反应生成氨，生成焓为-46kJ/mol，是工业上非常重要的合成氨反应。4甲烷化反应\(2H_2+C\rightarrowCH_4\)氢与碳在高温下反应生成甲烷，低温时平衡在甲烷一侧，高温时在氢和碳一侧；石化工业中加氢和脱氢反应尤为重要。氢与金属反应：氢化物的四种类型许多金属可与氢反应生成氢化物。根据氢键性质的不同，氢化物可分为四类：离子氢化物强正电性的碱金属（Li、Na、K）和碱土金属（Ca、Sr、Ba）在高温下与氢反应生成。性质与盐类似，含负氢离子H⁻，通常为晶体，生成热和熔点高，是强还原剂；所有离子氢化物都可与水反应释放氢气。共价氢化物可为固态、液态或气态，常见的有硼烷、铝烷和硅烷等；Be和Mg的氢化物介于共价键与离子键之间。氢和原子呈非极性电子共享；为获得稳定结构，常形成三中心双电子桥键（B₂H₆）、氢化阴离子（BH₄⁻、AlH₄⁻）或聚合物结构。金属氢化物过渡金属与氢反应形成。氢首先固溶到纯金属晶格中，然后发生突然的相变，获得具有一定化学计量比的氢化物。典型代表：ZrH₂、PdH₀.₅、LaNi₅H₆、VH、VH₂等；氢以原子状态(H⁰)存在。复杂氢化物结构中既有离子键，也有共价键。典型的复杂氢化物有LiBH₄、LiNH₂等。PART03氢储运上下游关键技术与产业KeyTechnologiesofHydrogenStorageandTransport叁氢储运：氢能全产业链的关键环节生产储存运输应用储运环节成本超过30%氢能全产业链包括生产、储存、运输、应用等关键环节，其中储运环节成本超过30%，是氢能高效广泛应用的关键因素。发展安全、经济的氢储运技术，是氢能广泛应用的重要前提。储运是我国氢能布局的瓶颈以国内某地为例：若该地全部氢能车辆正常运营，氢气日需求量约15t；而目前采用的高压长管拖车运输氢量仅为200~300kg，且运输成本较高，导致氢能应用环节难以大规模发展。找到安全、经济、高效、可行的储运模式，是氢能全生命周期应用的关键。图1-3工业副产氢能产业链成本结构30%氢储运技术成本占比55%/15%氢应用/生产技术占比四种主要储氢方式对比储氢方式优点缺点目前主要应用高压气态储氢技术成熟，结构简单，充放氢速度快，成本及耗能低单位体积储氢密度低，安全性能差普通钢瓶；少量存储；轻质高压存储低温液态储氢液氢纯度高，单位体积储氢密度大氢液化能耗大，对储氢容器要求高大量、远距离储运，主要用于火箭低温推进剂有机液态储氢单位体积储氢密度大，安全性相对较好成本高，能耗大，操作条件苛刻—固态材料储氢单位体积储氢密度大，能耗低，安全性好技术不成熟，单位质量储氢密度低，充放氢效率低实验研究阶段对比结论：高压气态储氢最为成熟、应用最广，但在储氢密度和安全性方面存在瓶颈；低温液态储氢密度占绝对优势，但液化能耗大、对容器绝热要求极高，成本过高；固态材料储氢潜力巨大，目前处于研究阶段；有机液态储氢因成本和技术问题尚未大规模商业化。氢的运输方式图1-4氢运输结构图高压长管拖车——目前我国最主要的运氢方式气氢输送长管拖车运输压力一般为20MPa，我国设备产业较成熟，但长距离、大容量输送成本高；管道运输输氢量大、能耗低，是大规模长距离输送的重要方式。液氢输送适合远距离、大容量输送，可采用液氢罐车或专用液氢驳船；日本千代田公司研发的LOHC系统Spera技术示范项目2020年实现210t/年的氢运输能力。固氢输送通过金属氢化物存储的氢能可采用驳船、大型槽车等运输；镁基等轻质储氢材料兼具高的体积储氢密度和质量储氢率；低压高密度固态储罐可随车运输。氢储运关键技术的应用对比高压储存气态氢储存压力一般为25~40MPa，配合碳纤维复合钢瓶进行储运，存储量与压力呈正比。储氢瓶质量密度控制在5%左右；压缩能耗只有传统液化储能的1/3左右，储运效果相当理想。低温储存液态氢液态氢储存体积仅为气态氢的1/800，体积能量密度较高。液氢易气化散发，损失率一般为每天1%~2%，适用于汽车液态氢储运等间歇性场合；储罐规模增大后蒸发比例明显减小。金属储存固态氢金属大量吸收氢生成固态金属氢化物（如NaAlH₄），化学反应可逆性好，升温减压即可释放氢气。压缩能耗仅为液态氢储运的1/5左右，而体积能量密度较液化氢储运高出至少3倍。国内外氢储运示范工程德国PTG项目：电解水制氢，将富余风电转化为氢气就地加压储存，已建成风电-氢气混合发电站。法国MYRTE项目：600kW光伏发电＋50kW电解水装置制氢，配合100kW固体高分子型燃料电池，氢储运综合效率达80%~85%。中国：基于"双碳"目标，结合甲烷水蒸气催化重整（SMR）工艺制氢并同步做好氢储运。液氢球罐——大规模液氢储存方向PART04氢储运产业格局及发展趋势IndustryLandscapeandDevelopmentTrends肆全球产业格局与中国发展目标美国《氢能经济路线图》2025年氢燃料电池汽车运营数量达20万辆2030年将达530万辆欧盟《欧洲氢能路线图》2030年氢燃料电池乘用车达370万辆《欧盟氢能战略》计划十年投入5750亿欧元日本《氢能基本战略》2025年氢燃料电池乘用车年产20万辆2030年应达80万辆中国：世界上最大的制氢国，年制氢量约3300万t以下为中国氢能联盟预计1万亿元2025年氢能产业产值3500万t2030年需求量，占终端能源体系5%以上12万亿元2050年产业链年产值；需求近6000万t，减排CO₂约7亿t，终端占比10%以上我国氢储运基础设施建设提速「西氢东送」输氢管道示范工程（中国石化，2023.4）全长超400km，一期运力10万t/年，远期可达50万t/年；纳入《石油天然气"全国一张网"建设实施方案》，是国内首个长距离纯氢输送管道项目，建成后可缓解京津冀地区绿氢供需错配。天然气管道掺氢技术突破（中国石油，2023.4）宁夏宁东天然气掺氢管道示范项目现场测试：全长397km的管道掺氢比例逐步达到24%，实现连续100天安全稳定运行，可有效支撑未来大规模、低成本、远距离的氢能运输。输氢管道规划中国已规划的输氢管道（包括已建）总长度超过1800km；依照氢能产业发展规划，到2030年氢气长输管道总里程将达到3000km。加氢站——氢能应用端的重要基础设施全球氢能全产业链关键核心技术趋于成熟，氢能基础设施建设明显提速，主要发达国家相继出台氢能发展鼓励政策。氢储运技术的发展趋势总体方向：低压到高压、气态到多相态、单一到复合；液氢车船运输、纯氢及掺氢管道运输将成为未来发展方向1高压气态储氢设备向高压力、大容量、长寿命、轻量化方向发展；车载小容量高压氢气瓶向Ⅳ型瓶发展，需加强低成本高压临氢环境用新材料研发与定期检测评价方法研究。2球形液氢储罐是未来大规模液氢储存的发展方向；提高绝热性能、降低蒸发率、力争接近零蒸发是重点研究方向。3有机液态储氢需突破循环储氢性能不佳、脱氢温度与能耗高、催化剂成本高等问题；固态储氢主攻储氢密度大、成本低、