日本与氢能源(三):氢要怎么“去”?

  • 高康
  • 发表于: 2014/12/09 09:48:28 来源:车云网

天然密度低的氢气如何实现高密度运输?这是日本氢能源产业的第二个难题。而日本企业主要在研究高压氢气、液化氢气、有机物三种运输方式。

车云按:车云菌打算从制造、运输开始,讲述日本氢能源、氢燃料电池车的前世今生,略学者、知乎范儿。此为本系列第二篇,制造出来的氢气,要怎么被运送“去”到它的工作岗位上?如果对

如果日本不在新能源寻找出路,那么按照目前的火力发电发展下去,2020年日本国内的电费将十分高昂,生产制造成本将大幅提升。虽然日本国内石化燃料发电效率很高,但依旧不能改变每年大规模的石化燃料进口的事实。由于石化燃料市场通常都是卖方市场,为此日本需要支付大量的金钱,长此以往对国内的制造业以及贸易都会造成沉重打击。

NEDO出台了氢能源白皮书,把氢能源定位国内发电的第三支柱,氢能源越发受到重视。资源贫乏以及能源危机都让日本不得不注重超节能技术。如果在氢能源上走出一条道路,那么日本多年以来困扰的能源问题将彻底解决掉。至少看起来是这样的。

从目前来看,日本在氢能源发展的道路上缺少盟友,美国的页岩气,欧洲的天然气,日本想部署的氢能源似乎只集中在了美国和本国内,加上丰田新上市的氢燃料电池车日本国内给予了大幅补贴,这也让所有人都把氢能源看做岛国综征。绝大多数专家都认为氢能源仅仅能在日本实现腾飞,在其他国家无法发展。的确,我也没看到日本有在除美国和本土以外发展氢能源的计划。

解决了制造问题之后,在氢能源实施的过程中首当其冲的便是运输难题。氢的天然密度低,通过何种方式才能达到高密度运输方式成为日本当前主要课题。在此课题之下,日本国内主要有高压氢气、液氢、有机物三种方式,当然此外还有利用管道运输氢气。氢气的不同运输方式根据距离、地点等实际情况的不同而不同。

高压氢气

这种运输方法一般适用于陆地制氢站或者氢基地短途的运输,一般采用20MPa的压力高压压缩,用传统运输车运输。目前的技术可以达到每辆车2300-3000立方米的运输量。具有低成本的优势,缺点是不利于长途运输。

川崎重工在《製油所水素の輸送等に関する技術開発と検討状況》指出目前可以根据容器材质、运输方式实现三种不同的压力运输,分别为14.7MPa-19.6MPa,19.6MPa以及超高压45MPa.

高压氢气在任何行业中几乎通用。高压氢气可以为家庭燃料电池供应氢气,在氢燃料电池车普及阶段可以为加氢站提供氢气通过压缩机压入蓄压器中,为FCV提供燃料,此外还可以在半导体、液晶、冶炼、发电中应用。

液化氢气运输

液化氢气适用于大规模长途运输氢气。将氢气在-253℃的温度下液化,体积可以缩小800倍以上,相比较陆上高压运输效率提升12倍以上,是目前效率最高的一种方式。由于维持-253℃高温花费成本较高,同时不利于长期储存,所以这项技术原本是为航空技术研发,但目前日本企业加大了实用化进度。

可运输的小型液氢灌通常都采用了双层真空式的设计,与我们常见的热水瓶内胆相似。此外加入一些反射涂层,防止外部热量进入。液化氢通常会通过集装箱运输,当然也存在液化氢移动工作站的方式运输。

岩谷产业利用的是断热膨胀理论生产纯度可以达到99.9999%的液化氢,因为氢气的液化在-253℃左右,可以不断的去除其他杂质。至于将温度控制在-253℃,岩谷产业利用的是热胀冷缩的基本原理。这种常见的原理与夏天自行车轮胎发热相似,轮胎内空气温度升高压力增大,而外界空气温度较低是轮胎内压力又会变小。岩谷产业选择了氮气这种在-190℃左右液化的气体,通过液氮膨胀压缩氢气,利用其它一系列的设备达到-253℃的目的。

液氮的制造成本颇高,目前正围绕这种技术实用化不断研发,而且由于超高压的液氢对容器要求十分严格。通常金属在-253℃以下强度下降,液氢也面临着泄露量过大的问题。目前川崎重工在远程液氢运输方面取得了很大的成就,采用了液氢运输船的方式运输在澳大利亚开采褐煤生产的氢气。运输船采用了可以容纳2500立方米液氢的极低温蓄压式设备,并且氢灌的泄漏量也控制在0.09%左右。

有机物运输

有机物运输氢气主要是氢气合成和逃逸的过程,这个过程需要特殊的催化剂。目前千代田化工已经在进行此类的实用。通过氢气与有机物反应,体积可以缩小500倍以上,但由于目前多采用芳香族有机物,这种苯、萘以及甲苯、十氢化萘极其稳定而且剧毒,催化剂则成了重中之重。有机物运输方便,对设备要求不高,运输效率比传统陆上高压运输至少提高5倍以上,这种技术也受到了日本企业的关注。

目前关于有机物的合成主要集中在苯和环己烷、萘和十氢化萘、甲基环己烷和甲苯之间进行。不同反应之间也有不同利弊,有些是固体有些在常温常压下呈现液体。主要运输方式为在氢生产地与甲苯发生化学反应,然后以有机物的方式进行运输,最后脱氢。其中催化剂可以循环利用,如果考虑到反应的放热和吸热,也可以充分利用到家庭供暖中使用。

在使用有机物以外,HyGrid也曾考虑将氢气转化为氨等化学燃料运输。氨气可以直接电解产生氢气,但日本企业考虑的重点并不是此处,他们认为氨气的运输比起氢气更加方便。在海外合作开发能源可以将剩余热量以及剩余电力通过水和氮气之间的反应产生氧气和氨进行储存。制备氨之后利用运输船的方式运输到国内,通过电解等方式产生氢气。

车云小结:

可以说目前运输氢气的方法,日本国内均有实用化的案例和企业。就目前的几种氢气运输方法而言,国内大力研发的有机物、氨以及液化氢技术主要针对国外能源利用开发。这大概整反映出了日本在石化燃料方面面临的巨大压力。不过,无论是氢气的运输还是氢气的制造,日本目前最主要的问题还在于降低氢燃料的成本。

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