氢经济——液态氢运输船是答案吗?

2020年1月20日出版

氢,尽管是所有元素中最小最轻的,却很难运输。随着它作为替代燃料越来越受欢迎,运输和储存的物流问题令人担忧。交付的方法多种多样,有些昂贵或复杂。液氢运输船(lhc)可以解决物流问题。

氢(H2)是最小和最轻的元素。在与氧气一起燃烧时,它会产生水。在日益寻求遏制二氧化碳排放和温室效应的过程中,H2已成为未来的燃料。H2的体积密度仅为0.00075 kg/加仑(1atm压力,0°C),而汽油的体积密度为2.75 kg/加仑。这种异常低的密度是气体输送和储存的最大障碍。目前,H2以气态或液态形式通过管道拖车、管道或船舶运输。这两种运输方式都是能源密集型和昂贵的。气态H2需要压缩到700bar,而液态H2需要冷却到低温,这是一个昂贵的过程。在美国,2018年H2的平均零售价(5.60美元/加仑)是汽油(2.72美元/加仑)的两倍。

为了加快氢的使用,需要降低与运输相关的成本。为此,提出了多种新型载体,如MOFs、氢化物和液体载体。MOFs的高成本和氢化物的缓慢反应动力学为液氢载体(lhc)作为一种首选的氢运输方法铺平了道路。

关于液体载体

液体载体是用来储存化学状态不同于分子氢的氢气的。因此,它可以常规运输,无需任何压缩或低温转换。在交付地点,从这些载体中提取H2供使用。然后,液体载体被回收,并为下一次运送做好准备。因此,液体载体是批量交付氢气的可持续解决方案。液态有机氢载体(lohc)是液态载体的一个子集,在氢气的运输和储存方面具有广阔的前景。lohc的概念是基于氢化和脱氢反应。由于氢化过程中产生的热量可以用于脱氢,因此它们的能量密集型也更低。

图1:LHCs运输循环

然而,液体载体的唯一缺点是提取氢气后需要额外的净化,这增加了总运输成本。

二苄基甲苯和甲苯赢得比赛?

目前正在研究的液体载体有氨、甲醇、甲苯、N-乙基咔唑、二苄基甲苯、甲酸、萘、1,2-二氢-1,2-偶氮硼烷和吩嗪。根据反应温度、工艺设计、能源需求、可扩展性、可用性和储存能力等参数,二苄基甲苯、N-乙基咔唑、甲苯和甲醇的前景良好。就成本而言,甲醇、二苄基甲苯和甲苯似乎是最可行的选择。与二苄基甲苯和甲苯相关的技术已经相当成熟。如果与N-乙基咔唑相关的原材料成本降低,甲醇合成规模增加,则这些化学制品有可能与现有成熟的LOHCs竞争。

图2:lhc与US DoE目标的存储容量(wt.-%)

灰色、蓝色或绿色氢,对所有人都有效
灰色氢气是通过常规方法(如蒸汽甲烷重整(SMR))产生的氢气,排放了大量二氧化碳。蓝色氢气是通过常规方法和二氧化碳捕获技术生产的。最近,利用可再生能源(风能或太阳能)电解水产生的绿色氢气正在获得发展势头。该方法主要用于现场生产氢气。通过扩大这种方法可以生产大量氢气,但这需要可行的气象条件(大风或充足的阳光)。有利于这些条件的地方可能比较偏远,需要基础设施来输送生产的氢气。

装载H2的液体载体的体积密度与汽油相当;因此,目前用于运输汽油的基础设施也可以用于运输H2。唯一增加的是用于从交货地点的液体载体中提取氢气的装置。因此,可以利用现有的基础设施来更快地采用H2技术。

活跃的实体
日本巨头千代田株式会社首次采用基于甲苯液体运输船的SPERA氢技术批量运输氢气。

德国Hydrogenious LOHC Technologies GmbH公司已开始将其基于二苯甲苯的氢气储存和运输技术商业化。它还与法马通的储能品牌Covalion合作,后者提供基于LOHC的解决方案。另一家德国公司H2 Industries SE也积极参与这一领域。

法国公司HySiLabs使用再生硅氧烷基载体运输和储存氢气。西门子正在探索利用其绿色氨技术储存和运输氢气的可能性。

未来的供应链

图3:H2经济中的供应链(示例)

前景
并购、合作和政府政策表明氢革命即将到来。液氢载体相对而言不存在与安全(压缩H2)和蒸发(低温H2)相关的问题。随着进一步的创新和发展,液体载体可以成为提供廉价氢气和促进氢经济的游戏规则改变者。