液氫的制、儲(chǔ)、運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀及分析

目前，我國(guó)氫能應(yīng)用的主要形式為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。相較于高壓氣態(tài)儲(chǔ)、供氫模式，低溫液態(tài)儲(chǔ)供模式具有儲(chǔ)氫比重高（攜氫密度大）、運(yùn)輸成本低、汽化純度高、儲(chǔ)運(yùn)壓力低和使用安全性高等優(yōu)勢(shì)，能夠有效控制綜合成本，且運(yùn)輸過程中不涉及復(fù)雜的不安全因素。此外，液氫在制、儲(chǔ)、運(yùn)方面的優(yōu)勢(shì)更加適用于氫能的規(guī)模化、商業(yè)化供應(yīng)。同時(shí)，隨著氫能終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也將倒推對(duì)液氫需求的增長(zhǎng)。液氫技術(shù)路線必將成為國(guó)內(nèi)民用氫能開發(fā)應(yīng)用的重要技術(shù)方式之一。

液氫的制取

液氫是現(xiàn)有的有效儲(chǔ)氫密度最大的方式，但獲取液氫的過程存在較高技術(shù)門檻，規(guī)模化制取液氫時(shí)必須要考慮其能耗和效率等指標(biāo)。

全球液氫產(chǎn)能現(xiàn)狀

目前，全球液氫產(chǎn)能達(dá)到485t/d。全球主要液氫生產(chǎn)國(guó)家及其產(chǎn)能如圖所示。

圖 全球主要液氫生產(chǎn)國(guó)家及產(chǎn)能

美國(guó)（共計(jì)18套裝置，總產(chǎn)能為326t/d）和加拿大（共計(jì)5套裝置，總產(chǎn)能81t/d）的液氫產(chǎn)能占據(jù)了全球液氫總產(chǎn)能的80%以上。我國(guó)具備液氫生產(chǎn)能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服務(wù)于航天火箭發(fā)射領(lǐng)域。在民用液氫領(lǐng)域，由101所承建的國(guó)內(nèi)首座民用市場(chǎng)液氫工廠（產(chǎn)能為0.5t/d）和研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)基于氦膨脹制冷循環(huán)的國(guó)產(chǎn)噸級(jí)氫液化工廠（產(chǎn)能為2t/d）已分別于2020年4月和2021年9月成功施，將我國(guó)的液氫產(chǎn)能提升至6t/d。但距離發(fā)達(dá)國(guó)家的液氫產(chǎn)能規(guī)模，仍有較大差距。

液氫的制取方法

液氫的制取，即氫液化技術(shù)，具有多種形式，可按照膨脹過程和熱交換過程進(jìn)行大致分類或結(jié)合。目前，常用的氫液化工藝流程可以分為利用Joule-Thompson效應(yīng)（簡(jiǎn)稱“J-T效應(yīng)”）節(jié)流膨脹的簡(jiǎn)易Linde-Hampson法，以及在此基礎(chǔ)上結(jié)合透平膨脹機(jī)降溫的絕熱膨脹法。在實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)液氫產(chǎn)量的大小，絕熱膨脹法又可劃分為利用氦氣作為介質(zhì)膨脹制冷產(chǎn)生低溫，進(jìn)而將高壓氣態(tài)氫冷卻至液態(tài)的逆布雷頓法，以及讓氫氣自身絕熱膨脹降溫的克勞德法。

圖 常用的氫液化方法的簡(jiǎn)易原理圖

上述3種方法的簡(jiǎn)易流程如圖所示。液化流程中主要用到壓縮機(jī)、換熱器、低溫透平膨脹機(jī)以及節(jié)流閥等設(shè)備。

液氫的儲(chǔ)運(yùn)

液氫的儲(chǔ)運(yùn)是液氫安全、高效、規(guī)模化和低成本運(yùn)用的基礎(chǔ)，也是解決氫能技術(shù)路線應(yīng)用環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。

液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

液氫的儲(chǔ)運(yùn)方式可以分為兩類，即采用容器儲(chǔ)運(yùn)和采用管道輸運(yùn)。其中,容器儲(chǔ)運(yùn)在儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)形式上一般采用球形儲(chǔ)罐和圓柱形儲(chǔ)罐，在運(yùn)輸形式上采用液氫拖車、液氫鐵路槽車和液氫槽船等。

除了考慮常規(guī)液體運(yùn)輸過程中所涉及的沖擊和震動(dòng)等因素，由于液氫沸點(diǎn)低（20.3K）、汽化潛熱小、易蒸發(fā)的特點(diǎn)，容器儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)必須采用嚴(yán)格的減小漏熱的技術(shù)手段，或采用無損儲(chǔ)運(yùn)方式，將液氫的汽化程度降到最低或零，否則會(huì)引起儲(chǔ)罐升壓，導(dǎo)致超壓風(fēng)險(xiǎn)或放空損失。如下圖所示，從技術(shù)途徑角度，液氫儲(chǔ)運(yùn)主要采用減小熱傳導(dǎo)的被動(dòng)絕熱技術(shù)和在此基礎(chǔ)上疊加的主動(dòng)制冷技術(shù)，以減小漏熱或產(chǎn)生額外冷量。

液氫儲(chǔ)運(yùn)特點(diǎn)

基于液氫本身的理化特性，其儲(chǔ)運(yùn)方式較目前國(guó)內(nèi)大量使用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式存在諸多優(yōu)勢(shì)，但其制取過程的相對(duì)復(fù)雜也使其存在一定劣勢(shì)。

（1）液氫儲(chǔ)運(yùn)優(yōu)勢(shì)如下所示

儲(chǔ)重比大，便于儲(chǔ)運(yùn)及車載

液氫相比于氣態(tài)儲(chǔ)氫的最大優(yōu)勢(shì)是密度大，液氫的密度為70.8kg/m3，分別為20，35，70MPa高壓氫氣的5，3，1.8倍。因此，液氫更加適用于氫的規(guī)模化儲(chǔ)存運(yùn)輸，能夠解決氫能儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的難題。

儲(chǔ)存壓力低，便于保證安全

液氫儲(chǔ)存在保證容器穩(wěn)定的絕熱基礎(chǔ)上，日常儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)膲毫Φ燃?jí)較低（一般低于1MPa），遠(yuǎn)低于高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)方式的壓力等級(jí)，在日常運(yùn)營(yíng)過程中更易保證安全。結(jié)合液氫儲(chǔ)重比大的特點(diǎn)，在將來氫能規(guī)模化推廣過程中，在建筑密度大、人口密集、用地成本高的城市地區(qū)，液氫儲(chǔ)運(yùn)（如液氫加氫站）具有更安全的運(yùn)營(yíng)體系，且整體系統(tǒng)占地面積更小，所需前期投資成本和運(yùn)營(yíng)成本更小。

汽化純度高，滿足終端要求

對(duì)高純氫和超純氫的年消耗巨大（約為590萬t/a），特別是電子行業(yè)（如半導(dǎo)體、電真空材料、硅晶片、光導(dǎo)纖維制造等）以及燃料電池領(lǐng)域，其對(duì)高純氫和超純氫的消耗尤其大。當(dāng)前很多工業(yè)氫氣的品質(zhì)難以滿足部分終端用戶對(duì)氫氣純度的嚴(yán)格要求，而液氫汽化后的氫氣純度則可以滿足。

（2）液氫儲(chǔ)運(yùn)劣勢(shì)如下所示。

液氫路線技術(shù)門檻較高

液氫技術(shù)在我國(guó)發(fā)源于航天領(lǐng)域，技術(shù)入門要求較高。目前，液氫規(guī)模化制、儲(chǔ)、運(yùn)、用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)都集中在航天產(chǎn)業(yè)，受眾范圍相對(duì)封閉。

液化工廠投資大，能耗相對(duì)較高

由于氫液化冷箱等關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)發(fā)展滯后，2021年9月之前，國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的氫液化設(shè)備全部被國(guó)外公司壟斷。大型氫液化核心設(shè)備受到國(guó)外相關(guān)貿(mào)易政策（如美國(guó)商務(wù)部《Export Administration Regulations》）管制，限制設(shè)備出口并禁止技術(shù)交流。這使得氫液化工廠的前期設(shè)備投資較大，加之國(guó)內(nèi)目前的民用液氫需求量較小，規(guī)模化應(yīng)用程度不足，產(chǎn)能規(guī)模上升緩慢，導(dǎo)致液氫的單位生產(chǎn)能耗比高壓氣氫更大。

液氫儲(chǔ)運(yùn)過程中存在蒸發(fā)損失

目前，在液氫儲(chǔ)運(yùn)過程中，對(duì)漏熱導(dǎo)致的蒸發(fā)氫氣基本采用放空方式處理，這會(huì)導(dǎo)致一定程度的蒸發(fā)損失。在未來的氫能儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)中，需要采用額外的措施對(duì)此部分蒸發(fā)氫氣氣體進(jìn)行回收，以解決直接放空導(dǎo)致的使用率下降問題。

液氫技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)性分析

制取成本

液氫制取成本的分析主要考慮民用液氫技術(shù)路線的規(guī)模化和經(jīng)濟(jì)性，并參考國(guó)外氫能技術(shù)發(fā)展路線。大型氫液化設(shè)備的相關(guān)參數(shù)見下圖。

圖 大型氫液化設(shè)備相關(guān)參數(shù)

氫氣源按照工業(yè)副產(chǎn)氫純化后滿足燃料電池用氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的氫氣計(jì)算，成本為1.5元/m3，電力成本按照0.6元/m3進(jìn)行估算，則液氫生產(chǎn)成本估算為29.5元/kg，如下圖所示。

圖 單位質(zhì)量液氫生產(chǎn)成本構(gòu)成

將上述成本折算為百分比，則液氫制取成本中占比最大的是氫氣源成本（占比為58%），其次為液化系統(tǒng)綜合能耗成本（占比為20%），二者合計(jì)占據(jù)整個(gè)液氫成本的78%。這兩項(xiàng)成本中占據(jù)主導(dǎo)影響的分別是氫氣源的種類和液化工廠所在地的電價(jià)，氫氣源的種類也與電價(jià)相關(guān)。如果在風(fēng)光新能源產(chǎn)區(qū)，如大型風(fēng)力發(fā)電廠和光伏發(fā)電廠較集中的三北地區(qū)或海上，采用電解制氫工廠和液化工廠緊鄰發(fā)電廠結(jié)合建設(shè)的方案，可使用低價(jià)電【按照0.3元/（kW·h）測(cè)算】電解水制氫并液化，則液氫制取成本可下降至25.3元/kg，同時(shí)可以減少大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響。

儲(chǔ)運(yùn)成本

液氫儲(chǔ)運(yùn)成本按照單輛陸地液氫運(yùn)輸槽車進(jìn)行測(cè)算，車輛儲(chǔ)罐容積為40m3，相關(guān)成本構(gòu)成如下圖所示。

圖 液氫槽車成本構(gòu)成

考慮到充裝率（90%）、余液、轉(zhuǎn)注時(shí)間、車輛限速（80km/h）等影響因素，可測(cè)算得到液氫儲(chǔ)運(yùn)成本在不同運(yùn)輸距離下的變化情況，同時(shí)對(duì)比了目前普遍使用的20MPa高壓氣氫管束車的運(yùn)輸成本，如下圖所示。

圖 液氫和高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)成本對(duì)比

由上圖可知，液氫儲(chǔ)運(yùn)成本可控制在不大于5元/kg，其對(duì)距離的敏感性較低（隨距離增加導(dǎo)致的成本上漲極緩慢），隨運(yùn)輸距離增長(zhǎng)的成本增長(zhǎng)遠(yuǎn)低于高壓氣氫運(yùn)輸成本的增長(zhǎng)。

綜合成本

20MPa高壓氣氫的平均制取成本比液氫平均制取成本約低10.5元/kg，在百公里運(yùn)輸成本增量方面，運(yùn)輸距離每增加100km，高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)成本增加4.63元/kg，液氫則為0.44元/kg。

圖 液氫和高壓氣氫制、儲(chǔ)、運(yùn)綜合成本對(duì)比

從上圖可以看出，隨著運(yùn)輸距離的增加，20MPa高壓氣氫的制、儲(chǔ)、運(yùn)綜合成本快速上漲，而液氫的的制、儲(chǔ)、運(yùn)綜合成本上漲緩慢；二者的平衡點(diǎn)位于205km，即當(dāng)運(yùn)輸距離小于205km時(shí)，20MPa高壓氣氫模式的綜合成本較低，當(dāng)運(yùn)輸距離超過205km時(shí)，液氫模式的綜合成本更低。在新能源產(chǎn)區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，建立新能源電氫體系可使這一平衡距離下降至105km，液氫模式的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。由此可見，液氫制、儲(chǔ)、運(yùn)更加適用于長(zhǎng)距離的氫能輸運(yùn)。

液氫技術(shù)路線適用于氫能的規(guī)模化儲(chǔ)存和運(yùn)輸，國(guó)內(nèi)雖具備一定的液氫自主生產(chǎn)能力，能夠滿足當(dāng)前氫能源在我國(guó)起步發(fā)展示范階段的推廣應(yīng)用需求，但還需對(duì)未來液氫的規(guī)模化產(chǎn)、儲(chǔ)、運(yùn)技術(shù)進(jìn)行積極研發(fā)和探索， 液氫工廠的產(chǎn)能規(guī)模是決定液氫成本的關(guān)鍵之一。

在長(zhǎng)距離輸運(yùn)情況下， 液氫技術(shù)路線的綜合成本低于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)路線， 液氫技術(shù)路線投資大和能耗高的問題，可通過設(shè)備自主化、產(chǎn)能規(guī)模化，以及液氫運(yùn)輸成本對(duì)距離的不敏感性，并結(jié)合新能源電氫體系予以解決。

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，清潔能源產(chǎn)業(yè)開始迅速推進(jìn)，作為“零碳”能源——氫能的重要高效載體，液氫將會(huì)成為保證氫能規(guī)模化應(yīng)用的有效實(shí)施途徑。