高效经济储氢的最优选择
2025年01月21日•新闻资讯
我国氢能产业在储运环节已涌现多条技术路线，不同的技术路线适应不同的应用领域。从储氢成本、技术、安全性等方面来看，高压气态储氢仍是当下储氢方式的最优选择，中短期高压气态储氢仍将是主流。其中，储氢井技术因建造工艺简单、适用场景灵活、安全性高、储氢潜力大等优点，未来有望成为高压气态储氢技术的主要发展方向之一。
近日，我国以氢枫为代表的技术团队，形成了集镁基固态储氢材料、吸放氢控制系统等于一体的镁基固态储运氢系统成熟产品，并率先进入产业化阶段。
氢能产业链主要包括氢的生产、储存、运输和应用四个环节，规模庞大且繁杂，其中，氢能储运环节作为连接从氢能生产到应用的桥梁，是高效利用氢能的关键，更是推动氢能大规模发展的重要因素。因此，如何实现安全、高效、经济储运，推动氢能多元化应用，一直是国内外相关领域关注的重点。
储运：氢能发展的“命门”
随着清洁低碳经济的迅速发展，新能源的需求越来越大。氢能以无污染、可储存、易运输、来源广、热值高、应用场景丰富、燃点低等特性，被公认为是最有前景的清洁能源之一。
我国不仅将氢能纳入国家能源战略体系，而且出台了一系列政策支持氢能产业发展。目前，我国氢气产能约4100万吨/年，年产量约3000万吨。为实现碳中和目标，2060年，我国氢气需求量将从3000余万吨增至1.2亿吨，在终端能源体系中占比达到20%。随着氢气需求量大幅增加，储氢技术成为当前研究的热点。
氢作为一种气态物质，科研人员一直致力于通过提高氢的密度，从而将其储存起来以提高氢的利用效率，但氢储存难度较大。主要有以下三点原因：第一，所有元素中氢最轻，在标准状态下，密度为0.0899克/升，不到水的万分之一。在零下252.7摄氏度可成为液态，密度为70克/升，仅为水的1/15。第二，作为元素周期表上的第一号元素，氢的原子半径非常小，能穿过大部分肉眼看不到的微孔，在高温、高压下，甚至可以穿过很厚的钢板。第三，氢非常活泼，稳定性极差，泄漏后易发生燃烧和爆炸，爆炸极限在4%~74.2%（氢气的体积占混合气总体积比）。
由于氢具有重量轻、密度小、液化温度低、性质活泼等特性，使得其储运难度大、成本高、安全性低，在氢能产业链中，氢的储运成本通常占总成本的30%，在某些情况下甚至高达40%。
从氢能的上中下游各环节发展情况来看，制氢、加氢、用氢其实都比较容易实现规模化发展。氢能产业的短板在于氢能储运，可以说，储氢技术的效率和成本直接影响整个氢能产业链的运作效率和经济效益，储运是氢能发展的“命门”。因此，提高氢能储运效率、降低储运成本，是推动氢能规模应用的突破口。
“落户”中原油田的中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目全景。
气态、液态、固态，谁才是最佳储运方式？
储氢是氢能应用现代产业链的能量枢纽和能量“银行”，发挥稳定储供的“蓄水池”作用。氢气的质量能量密度约为每千克120兆焦，约为汽油、柴油、天然气的2.7倍，但单位体积能量密度仅为天然气的1/3，如何保持高能量密度储存是储氢技术的关键。
储运方式包括物理储运和化学储运。物理储运有低压、高压和低温三种方式，对应的是管道储运、高压管束储运和液氢槽罐储运等；化学储运是将氢气以化合物或金属吸附的方式储运，到应用端通过催化剂将氢气裂解出来，包括液氨、甲醇、有机液体储氢（LOHC）和固态储氢。
按照氢的不同形态，当前储氢的主要方式可分为高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固体材料储氢。
高压气态储氢是把氢气压缩后储存在相应容器里，是目前发展最成熟、最常用的储氢技术，预计在未来较长时间仍将占据氢能储存技术的主导地位。高压气态储氢包括容器储氢、地质储氢等。
容器储氢是指在氢气临界温度以上，用高压将氢气压缩至储氢容器里。在氢能汽车领域常采用储氢瓶作为储氢容器，I型瓶、II型瓶因氢脆问题严重，不适合车载使用。目前国外主要使用的是IV型瓶。受限于碳纤维、树脂性差，国内目前主要使用的是35兆帕的III型瓶。
管道储氢也属于容器储氢。管道运输不受地理环境限制，可以实现跨国、跨地区长距离输送，有助于优化资源配置。目前我国氢能管道运输还处于发展阶段，尚未大规模普及。管道输氢需要考虑基础设施投入问题，氢气专输管道单位长度投资大约是天然气管道的3倍，掺氢或改造这两种途径目前均存在一些局限和未知因素。
地质储氢是像建设储气库那样建设储氢库，是氢能大规模储备的有效途径，是我国大规模储氢的优先发展方向。从长远来看，氢能要实现对净零排放的重大贡献，就必须进行大规模储存。地质储氢由于规模大、综合成本低而广受关注。
值得一提的是，储氢井也是高压气态储氢的一种方式。储氢井是指深埋在地下、使用专用材料制作而成的氢气储存地埋井，具有安全系数高、储氢潜力大等特点，占地面积仅为目前普遍使用的地上储氢设备的1/10~1/5。储氢井作为站用储氢形式的应用在国外还是空白。中国石化在该领域进行前瞻性尝试，于2021年8月在重庆半山环道综合加能站开展先导试验。该站是国内首座应用储氢井技术的加氢站，日供氢能力1000千克。中国石化拥有储氢井核心技术的自主知识产权，重庆半山环道综合加能站先导试验的成功对加氢站的配建改造具有示范效应。
低温液态储氢技术是利用氢气在高压、低温条件下液化，体积密度为气态时的845倍，实现高效储氢，输送效率远高于气态氢。但液态氢的沸点极低，对储罐材料的绝热性能有极高要求。由于液态氢与液态氧配对时产生高比冲，这种储氢技术适用于长距离储运，比如用作航空运载火箭的燃料或低温推进剂。低温绝热技术及储氢容器的设计是低温液态储氢技术能否取得进步的关键。这种储氢技术一次性投资成本大、技术要求高，所以，降低液化成本、提高储氢罐的绝热性能是目前研发的难点。我国液态氢的应用主要集中于航天领域，民用液态氢储存容器材料和绝热技术还不成熟，工程实例较少。
有机液态储氢技术是基于不饱和液体有机物在催化剂作用下进行加氢反应，生成稳定化合物，当需要氢气时再进行脱氢反应。有机液态储氢具有成本低、密度大、吸脱氢过程可多次循环、安全稳定且常温常压下为液体便于运输的特点，但操作条件相对苛刻，存在配备装置成本较高、氢气纯度较低、高温脱氢条件下致催化剂结焦失活等缺点。
固体材料储氢技术主要依赖储氢材料的吸氢、脱氢能力，储氢材料可分为物理吸附类储氢材料与化学吸附类储氢材料。固态储氢技术具有体积储氢密度大、安全性好、储存时间长等优点。然而，固态储氢也面临一些挑战，如材料性能需要进一步提升、成本需要进一步降低、技术标准化和产业化需要进一步加强等。
高效率、低成本，是氢能储存未来发展趋势
当前，我国储氢技术仍处于发展前期，但势头强劲。我国氢能产业在储运环节已涌现多条技术路线，不同的技术路线适应不同的应用领域。任何一项技术能够发展成为推动人类社会进步的科技力量，必须符合价廉、安全、好用的原则。针对目前氢能储存技术的发展，未来应注重对储氢机理的研究，从理论层面上寻求提高储氢密度、降低吸放氢温度的途径；研究要尽可能多地直接面对市场，注重实用性；尽快完善储氢系统标准规范及安全评价体系，保证储氢系统安全可靠。
从储氢成本、技术、安全性等方面来看，高压气态储氢仍是当下储氢方式的最优选择，中短期高压气态储氢仍将是主流。其中储氢井技术因建造工艺简单、适用场景灵活、安全性高、储氢潜力大等优点，未来有望成为高压气态储氢的主要发展方向之一。
因受技术和成本端的制约，国内低温液态储氢、有机液态储氢、固体材料储氢技术短期内难以实现规模化应用，长期来看，待技术突破及产能扩大后，液态储氢与固体材料储氢有望成为储氢的主流方式。
尽管储氢技术已取得显著进展，但目前仍面临提高储氢密度、确保安全性及降低成本等挑战。同时，氢能产业链的基础设施建设尚未跟上市场需求的步伐，进一步限制了氢能的广泛应用。
新闻会客厅
储氢井在液态储氢方面具有巨大潜力
伊伟锴 中国石化石油工程技术研究院新能源工程技术研究中心副经理
问：储氢领域研究对中国石化打造“中国第一氢能公司”有怎样的意义？
答：当前，探索一种清洁、高效的可再生能源替代传统化石能源，已成为全球共同面临的紧迫课题。储氢作为一种新型储能类型，在清洁、高效、可持续等方面具有独特优势，是未来能源转型的重要方向之一。近年来，中国石化加快打造中国第一氢能公司，围绕绿氢炼化、氢能交通加强产业布局，大力推进氢能全产业链技术研发应用，通过大型绿电制氢项目及加氢站等基础设施建设，带动氢能装备研发和制造企业发展，积极推动氢能产业高质量发展。
储氢领域的技术突破对延长氢能产业链、加速氢能产业规模化发展意义非凡。储氢领域对延伸氢能产业链的影响主要体现在提高氢能储运效率、降低成本、确保安全性，以及推动氢能大规模商业化应用方面。
储氢技术是氢能产业链中的关键环节，直接影响氢能的制备、储存、运输和应用等环节，对促进氢能产业发展具有至关重要的作用。提高氢能储运效率、降低储运成本，是当前集团公司氢能领域科研攻关的一项重要工作。
问：中国石化在储氢领域做了哪些尝试？
答：截至目前，中国石化已累计投资10家氢能企业。2024年7月，中国石化新星（内蒙古）西氢东送新能源有限公司发布内蒙古乌兰察布至京津冀地区氢气输送管道示范工程环境影响评价工程相关招标公告，该输氢管道示范工程途经内蒙古、山西、河北、北京和天津等地，管道全长约1145公里，近期设计输氢能力10万吨/年、远期规划输氢能力50万吨/年，这意味着我国长距离大规模输氢管道已渐行渐近。
问：针对目前储氢领域的短板，未来要开展哪些工作？
答：在制氢技术迅速发展的当下，储氢行业正站在一个新的起点上，储氢行业必将迎来更快速、更可持续的发展。围绕打造原创技术策源地，中国石化加快核心技术攻关。目前，在储氢技术方面，中国石化石油工程技术研究院主要开展了“井筒高压储氢技术研究”的前瞻项目和“直径339.7毫米储氢井关键工程技术研究”等攻关项目，并依托油田单位和销售公司开展储氢井的示范应用配套项目，研发了大口径储氢套管、井口装置和井底装置，配套研发了储氢井泄漏检测监测和修复技术。
储氢井在液态储氢方面具有巨大潜力。目前，国内外在液氢储氢井建设方面尚属空白。未来可以在构造形式、管材选择、防氢脆技术、绝热方式选择等方面进行探索性研究，并开展液态储氢井实验室建设和关键技术研究，形成具有自主知识产权的液态储氢井技术体系。
高压气态储氢井在安全、储氢潜力和占地面积方面具有无可比拟的优势。科研单位需要在储氢井方面形成大直径、高压力储氢井关键技术体系，并具备大规模储氢井施工的资质和能力，努力使地下储氢技术处于国际先进水平。目前，石油工程技术研究院已根据储氢井科研攻关和技术创新的需求，同步建设高压气态储氢井工程模拟实验室，为氢能产业提供关键技术研究和工程验证平台，推动氢能技术发展和应用，为中国石化绿氢能源战略发展提供技术保障。
企业实践
广州工程：联合开发新型高压储氢瓶组
本报讯 近日，广州工程公司与中船双瑞（洛阳）特种装备公司联合开发的设计压力50兆帕、容积3立方米高压储氢瓶在洛阳实现批量生产，开始供应中船718所等加氢站。这是双方继35兆帕系列产品后在新型储氢装备领域取得的又一突破，进一步提升了氢能全新业务链的竞争力。
该公司把以氢能为核心的新能源业务作为转型发展的优先方向，不仅参加了万吨级绿氢工程技术开发及绿氢炼化示范、燃料电池车用氢气纯化、油氢合建站及供应链构建与应用等“十条龙”课题攻关，围绕绿氢制备、储存、运输、加注等环节开展研究，而且通过工程设计或总承包模式建成了一批氢燃料电池供氢中心、油氢合建站。
储氢和输氢是连接氢源和终端用户的桥梁，也是影响氢能成本的关键要素。近年来，在集团公司大力支持下，该公司作为重要参与方承担了超高强度高压储氢用材料及装备、大型双壳真空绝热型液氢球罐及储罐工程技术、大功率供氢系统常温常压储氢材料技术等国家和集团公司多项重点科研课题，涉及气态储氢、液态储氢和固态储氢等多个领域，已围绕25兆帕球形储罐储氢容器、50兆帕钢带缠绕储氢容器等储氢装备及新材料申报专利20余项。
该公司与中船双瑞（洛阳）特种装备公司达成合作协议，在做好加氢站整体设计、高压储氢压力容器计算分析的同时，围绕材料特性、产品加工制造工艺反复试验，相继突破了大壁厚钢管旋压、容器热处理工艺及新材料等关键技术，生产出设计压力22~41兆帕、容积6~18立方米的储氢瓶组，受到用户好评。（李建永）
石化机械：设计制造大排量氢气压缩机
本报讯 石化机械作为中国石化氢能装备制造基地，积极发展氢能装备产业，依托以超高压结构技术、超高硬材料技术、超高能控制技术、超高精制造技术为核心的科技创新体系，大力加强氢能装备基础应用研究，系统构建研发体系，掌握多项关键核心技术，取得相关专利50余项，目前，具备了制氢、储氢、加氢、输氢的装备制造能力。
石化机械下属三机分公司有30多年研发制造天然气压缩机的经验，是中国石化压缩机国产化制造基地。针对储气库设计进气压力和排量、排压、排温等具体要求，该公司自主设计开发了“大吞大吐”能力强的高压大功率储气库压缩机，应用于文23储气库、文96储气库、江汉盐穴储气库等重点工程。
多年研制储气库压缩机的技术积累，为自主研制储氢装备提供了经验。石化机械先后研制出45兆帕、90兆帕氢气压缩机，并为燕山石化二期万方级氢气提纯设施项目设计制造了3台33兆帕高效大排量氢气隔膜压缩机，为京津冀地区高纯氢气供应需求提供性能领先的装备支持。为确保压缩机关键性能指标完全满足设计要求，每台氢气压缩机成橇采用直观可视的全三维设计和脉动分析优化管路布局，并顺利通过HAZOP和SIL等级评定。
目前，为满足大排量管道输氢工程的需求，石化机械自主研制了万方级往复式氢气压缩机，提升了制氢、储氢、加氢、输氢的装备制造能力，助力中国石化打造中国第一氢能公司。
