氫氣存儲及運(yùn)輸技術(shù)現(xiàn)狀及分析

馮成 周雨軒 劉洪濤

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-8196

摘? 要：氫能作為21世紀(jì)最有潛力的二次能源之一，必然將引領(lǐng)下一次能源變革。目前，主要布局的加氫站產(chǎn)業(yè)是氫能應(yīng)用的重要一步，但在加氫站建設(shè)過程中，氫能的大規(guī)模儲存及運(yùn)輸成為一大難題。該文圍繞目前主流的幾種氫氣儲存和運(yùn)輸形式綜述當(dāng)前氫氣儲運(yùn)技術(shù)的現(xiàn)狀，同時對其提出了一些分析和建議，明確在氫氣長距離儲運(yùn)過程中液氫具有的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：氫能? ?氫氣存儲? ?氫氣運(yùn)輸? ?液氫

中圖分類號：TK91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（a）-0044-03

Current Situation and Analysis of Hydrogen Storage and Transportation Technology

FENG Cheng? ZHOU Yuxuan*? ?LIU Hongtao

（Zhejiang Zheneng Aerospace Hydrogen Energy Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310020 China）

Abstract： Hydrogen energy， as one of the most potential secondary energy sources in the 21st century， will inevitably lead the next energy revolution. At present， the main layout of the hydrogenation station industry is an important step in the application of hydrogen energy， but in the process of the construction of the hydrogenation station， the large-scale storage and transportation of hydrogen energy has become a major problem. This paper summarizes the current situation of hydrogen storage and transportation technology around several mainstream hydrogen storage and transportation forms， and puts forward some analysis and suggestions to clarify the advantages of liquid hydrogen in the process of long-distance hydrogen storage and transportation.

Key Words： Hydrogen energy; Hydrogen storage; Hydrogen transport; Liquid hydrogen

當(dāng)前我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型正處在逐步向綠色、低碳、安全、高效轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)電氣化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低碳化的階段，在2021年的兩會中，碳達(dá)峰、碳中和、新能源、“氫能”已成為熱點(diǎn)話題?！笆奈濉逼陂g，我國能源增量將主要靠非化石能源，特別是可再生能源提供，非水可再生能源行業(yè)要不斷創(chuàng)新，占領(lǐng)新能源戰(zhàn)略制高點(diǎn)。氫氣的應(yīng)用可以做到整體能源格局向低碳化轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)低碳的氫能源已成為我國實(shí)現(xiàn)“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要抓手。

氫氣在經(jīng)過燃料電池或者燃燒后的最終產(chǎn)物為H2O，過程中無CO2排放，也無污染物排放，因此氫能更被視為未來最佳的清潔能源，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。氫能解決現(xiàn)階段全球環(huán)境問題、氣候問題、化石能源危機(jī)的重要途徑，因此其開發(fā)和利用成為全球能源發(fā)展轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵方向[1-2]。

此外，氫能作為一種高效的、優(yōu)質(zhì)的、清潔的二次能源，還具備可大規(guī)模儲存、運(yùn)輸?shù)男再|(zhì)，發(fā)展前景大好。作為氫能利用的基礎(chǔ)前端環(huán)節(jié)，儲運(yùn)技術(shù)是氫氣能夠高效發(fā)展、利用的關(guān)鍵因素，也是目前限制氫氣大規(guī)模使用的一項(xiàng)重要瓶頸[3]。氫氣儲運(yùn)的成本、效率以及含量等都直接決定著氫能是否得到更好的利用。提高氫氣儲運(yùn)效率，降低運(yùn)輸成本，是當(dāng)前氫氣儲存、運(yùn)輸發(fā)展的趨勢。

1? 氫氣儲存形式及比較

目前，主要研究和現(xiàn)有的儲氫技術(shù)主要包括：氫氣高壓存儲、氫氣液化后存儲、固體儲氫材料吸附儲氫。

1.1 高壓氣態(tài)儲氫

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)即利用高壓將氫氣壓縮到耐高壓的儲氣瓶中，儲氣瓶工作壓力須在35～70 MPa。高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)型式一般分為四類型：Ⅰ型/全金屬結(jié)構(gòu)、Ⅱ型/金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞結(jié)構(gòu)、Ⅲ型/金屬內(nèi)膽纖維全纏繞結(jié)構(gòu)、Ⅳ型/非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞結(jié)構(gòu)[4]。這4種型式被廣泛應(yīng)用于移動式氫氣運(yùn)輸氣瓶、固定式儲氫容器和車載儲氫氣瓶。

I型、II型儲氫瓶具有單位質(zhì)量儲氫量少，容易產(chǎn)生氫脆效應(yīng)，運(yùn)行過程中容易失效等各項(xiàng)問題并不適合用于車載氫瓶這一用途;而III型、IV型瓶采用新型的碳纖維、玻璃纖維等材料，相比金屬內(nèi)膽氣瓶，具有更高的耐疲勞性能，氣瓶質(zhì)量較輕，選用的塑料材料具有更好的氫氣相容性，單位質(zhì)量儲氫密度有所提高（容重比）也是目前最高的。因此，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)IV型儲氫瓶在車用領(lǐng)域70 MPa的應(yīng)用，國內(nèi)IV型儲氫瓶受到禁用，主要以35 MPa III型瓶為主，70 MPa型號技術(shù)較國外落后[5]。

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)難度低、成本低、能耗低，是目前發(fā)展最成熟的儲氫技術(shù)，匹配當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等特征優(yōu)勢得以應(yīng)用最廣，國內(nèi)外均廣泛運(yùn)用[6]。但其致命的缺點(diǎn)在于體積比容量太低，儲氫量少，安全性能相對較差，就目前國內(nèi)大量使用的以普通鋼材制成的氣瓶在儲氫壓力為15 MPa時氫的重量僅占總重量的1%，材料換用特種高強(qiáng)度奧氏體鋼可達(dá)2%～6%。

1.2 液態(tài)儲氫

液態(tài)儲氫是指將氫氣低溫液化后儲存。由于液氫密度是標(biāo)況下氫氣密度的近千倍，即使是90 MPa的氫氣密度也只有液氫密度的60%左右。此外，液氫的能量可以達(dá)到10.05 MJ/L，是50 MPa下氣氫的2倍。因此，相比于氣體存儲，液態(tài)氫氣的存儲具有很大的優(yōu)勢，尤其是其能量密度高、儲氫密度大、運(yùn)輸方便的優(yōu)勢使其擁有很大的發(fā)展空間。但是相較于其他液態(tài)氣體，氫氣液化后的沸點(diǎn)只有20.37 K，溫度極低，與所處環(huán)境的溫度差值巨大，因此對液氫存儲容器有很高的絕熱要求。在儲氫過程中還存在熱漏損、自然揮發(fā)，耗能極大，同時還存在對容器密封性要求更高，因此大規(guī)模實(shí)現(xiàn)液氫的工業(yè)化應(yīng)用還具有相當(dāng)高的難度。

液氫的存儲容器被稱為液氫儲罐，是一種具有良好熱絕緣性的存儲容器，往往采用真空絕熱的形式。固定式儲氫罐有多種形狀，一般為球形和圓柱形，由于液氫儲罐表面積越小，其漏熱蒸發(fā)損失也會同比例減小，所以球形儲罐是一種比較理想的形式[7]。美國NASA常使用的大型球形液氫儲罐，其直徑可達(dá)25 m，容積在3 800 m3以上[8-9]。

目前，國外大多采用液氫運(yùn)輸，運(yùn)輸方式已較為成熟。液氫的儲運(yùn)優(yōu)勢需要在長距離、大容量的存儲及運(yùn)輸過程中才能夠體現(xiàn)出來?，F(xiàn)階段，液氫的運(yùn)用領(lǐng)域也主要在航空航天領(lǐng)域，民用液氫領(lǐng)域例如貨運(yùn)卡車、載人汽車等還沒有實(shí)質(zhì)性的研究。一方面是由于技術(shù)不夠成熟，成本高昂，目前運(yùn)輸還是車用都選擇高壓氣態(tài)路線;另一方面是國內(nèi)暫時缺乏液氫相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策規(guī)范，國內(nèi)布局液氫的企業(yè)較少。

1.3 儲氫材料儲氫

儲氫材料儲氫技術(shù)是指利用固體儲氫材料如稀土合金等、有機(jī)液體材料（烷烴類化合等）[10]通過吸附儲氫、化學(xué)儲氫來實(shí)現(xiàn)氫的儲存和釋放，目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化均很少，基本處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)階段。

吸附儲氫技術(shù)主要利用包括金屬合金、碳質(zhì)材料、水合物、金屬框架物等對氫的吸附來達(dá)到儲氫的作用。吸附儲氫最大的優(yōu)勢是安全性，但就目前技術(shù)而言，存在化學(xué)儲氫放氫難、儲氫密度不高等問題，同時其成本相對較高。化學(xué)儲氫的優(yōu)勢在于儲氫密度較高、安全性較高，缺陷在于往往需要配備相應(yīng)的加氫、脫氫裝置，成本較高昂;脫氫反應(yīng)效率較低，產(chǎn)出的氫氣純度達(dá)不到要求，等等。

通過儲氫材料來進(jìn)行氫氣存儲的技術(shù)具有相對比較安全、存儲氫氣的純度高、氫氣儲存密度大等優(yōu)點(diǎn)，但同樣儲氫材料存儲氫氣具有單位質(zhì)量儲氫密度低、氫氣充裝時間長等問題。通過儲氫材料儲氫現(xiàn)階段的主要問題是需要消耗大量的貴金屬，材料成本相對較高;儲氫材料儲氫量相對較少，不適合大規(guī)模應(yīng)用。

2? 氫氣運(yùn)輸形式及比較

氫氣目前主要通過長管拖車、管道輸送和液氫槽車3種方式運(yùn)輸。

2.1 長管拖車運(yùn)輸

長管拖車由車頭和拖車組成，長管拖車到達(dá)加氫站后，一般可以將車頭與長管拖車可分離，將長管作為加氫站的儲氫容器。目前常用的管束一般由直徑約為0.5 m，長大概10 m左右的無縫鋼瓶組成，長管拖車的設(shè)計壓力在20 MPa左右，其一般儲量為3 500 Nm3氫氣。在國內(nèi)，加氫站氫氣儲運(yùn)的主要方式即為長管拖車，由車頭將長管拖車內(nèi)的氫氣由產(chǎn)地運(yùn)往加氫站，通過站內(nèi)的壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加注系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對車輛的加注。運(yùn)輸過程中對安全性要求較高，存在著高壓氣氫運(yùn)輸效率低、成本較高的缺陷，在距離200 km時運(yùn)氫成本高達(dá)11元/kg左右，與煤制氫成本相當(dāng)，適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低的用戶。

2.2 管道輸送

管道輸送方式送以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主，通過管道“摻氫”和“氫油同運(yùn)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)長距離、大規(guī)模的輸氫。管道輸送可有效降低氫氣運(yùn)輸成本，但是前期投資大，建設(shè)難度高，適合點(diǎn)對點(diǎn)，大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸。現(xiàn)階段我國已有多條輸氫管道在運(yùn)行，其中包括中國石化洛陽全長25 km，年輸氣量10萬t的管線和烏海-銀川全長216 km，年輸氣量16.1×108m3的管線。

2.3 液氫槽車運(yùn)輸

液氫槽車主要用于液態(tài)氫運(yùn)輸，氫氣液化后的體積密度可以達(dá)到70.8 kg/m3，體積能量可達(dá)10.05 MJ/L，是50 MPa氣態(tài)氫氣的近2倍[11-12]。液氫的單車運(yùn)氫能力是長管拖車運(yùn)輸氣氫的10倍以上，運(yùn)輸效率提高，綜合成本降低。但是該運(yùn)輸方式增加了氫氣液化深冷過程，對設(shè)備、工藝、能源的要求更高。液氫槽罐車運(yùn)輸在國外應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)目前僅用于航天及軍事領(lǐng)域。液槽罐車的容量大約為65 m3，每次可凈運(yùn)輸氫氣約4 000 kg。

3? 總結(jié)與分析

在氫氣存儲方面，高壓氣態(tài)儲氫是目前最成熟、成本最低的儲氫方式，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲氫技術(shù)。液態(tài)儲氫及儲氫材料儲氫方式在儲氫密度、儲氫量、安全性方面都高于高壓氣態(tài)儲氫，但目前液化儲氫技術(shù)受制于成本和能耗問題，無法規(guī)模化利用，預(yù)計在氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、配套設(shè)備和技術(shù)提升之后未來可期。而儲氫材料儲氫由于技術(shù)的復(fù)雜性等問題，目前尚停留在試驗(yàn)階段。

在氫氣運(yùn)輸方面，長管拖車運(yùn)輸是目前較為經(jīng)濟(jì)的方案，比較適合當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模。一方面，氣氫拖車具有成本低、充放氫快速的優(yōu)點(diǎn);另一方面，國內(nèi)加氫站均為站外供氫。但隨著氫能產(chǎn)業(yè)、液氫運(yùn)輸、管道輸氫的發(fā)展，氣氫拖車運(yùn)輸將被部分取代。

單從運(yùn)輸方面的成本來看，以液氫運(yùn)輸成本最低，采用管道元素的成本最高。但若考慮到氫氣在液化過程中需要的成本，采用長管拖車運(yùn)輸?shù)某杀咀畹?。主要由于氫氣液化能耗達(dá)到自身低熱值的30%，是壓縮能耗的3倍。

若在長距離運(yùn)輸方面看，液氫的運(yùn)輸能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長管拖車運(yùn)輸氣氫，因此長管拖車運(yùn)氫并不適合長距離運(yùn)輸。而我國由于氫能產(chǎn)業(yè)分布不均勻，未來加氫站大規(guī)模推行后，運(yùn)輸將成為其必然問題，因此發(fā)展液氫槽車運(yùn)輸十分必要。

此外，當(dāng)液氫罐車在未來罐材改進(jìn)及減少液氫液化、運(yùn)輸過程中的損耗問題后，在中遠(yuǎn)距離的輸氫方面有較大前景。

而對于單位造價最高的管道運(yùn)氫，盡管其前期成本大，但在長距離、大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸中，運(yùn)輸效率、成本十分具有優(yōu)勢，在氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大后，結(jié)合可再生能源制氫，有望成為最優(yōu)運(yùn)輸方式。

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