液氫的製、儲、運（yùn）技術（shù）現狀及分析

作為零碳能源，氫能源一直以來都在全（quán）球（qiú）範圍內受到關注。當前，氫能產業（yè）化發展麵臨（lín）諸多關鍵問題，特別是（shì）其中的規模化、低成本（běn）製取及長距離輸運等技術一直是氫能應用過程中的瓶頸問題。

目前，我國氫能應用的（de）主要形式為（wéi）高壓氣態（tài）儲（chǔ）氫。相較於高壓氣態儲、供氫（qīng）模（mó）式，低溫液態儲供模式具有儲氫（qīng）比重高（攜氫密度大）、運輸成本（běn）低、汽化（huà）純度高、儲（chǔ）運壓（yā）力低和（hé）使用安全性高等優勢，能夠有效控製綜合成本，且（qiě）運輸過程中（zhōng）不涉及複雜的不安全因素。

此外，液（yè）氫在製、儲、運方麵的優勢更加適用於氫能的規模化、商業化供應。同時，隨著（zhe）氫能終端應用產業的快速發展，也將倒推對液氫需求（qiú）的增長。液氫技術路線必將成為國內民用氫能開發應用的重要技術方式之一。

液氫是現有的有效儲氫密度最大的方式，但（dàn）獲取液氫的過程存在較高技術門檻，規模化製取液氫時必須要考慮其能耗和效（xiào）率等指標。

1、全球液氫產能現狀

目（mù）前（qián），全球液氫產能達到485t/d。全球主要液氫生產國家及（jí）其（qí）產能如（rú）圖所示。

美國（共計18套（tào）裝置，總產能為326t/d）和加拿大（dà）（共計5套裝（zhuāng）置（zhì），總產能81t/d）的液氫產能占據了全球液氫總產能的（de）80%以（yǐ）上。我國具備（bèi）液（yè）氫（qīng）生產能力的文（wén）昌基（jī）地、西昌基地（dì）和航天101所，均服務於（yú）航天火（huǒ）箭發射領域。在民用液氫領域（yù），由101所承建的國內（nèi）首座民用市場液氫工廠（產能為0.5t/d）和研發的具有自主知識產（chǎn）權基（jī）於氦膨脹製冷循環的國產噸級氫（qīng）液化工（gōng）廠（產能為2t/d）已分別於2020年4月（yuè）和2021年9月成功實施，將我國的液氫產能提升至6t/d。但（dàn）距離發達國家的液氫產能（néng）規模，仍有較大差距。

2、液氫（qīng）的（de）製取方法

液氫（qīng）的製取，即氫液化技術，具有多（duō）種形式，可按照膨脹過程和熱交（jiāo）換過程進行大致分類或結合。目前，常用的氫液化工藝流程（chéng）可以分（fèn）為利用Joule-Thompson效應（yīng）（簡稱“J-T效應”）節流膨脹的簡易Linde-Hampson法，以及在此基礎（chǔ）上結合透平膨脹（zhàng）機降溫的絕熱膨脹法（fǎ）。在實際生產過程（chéng）中根據液氫產量的大小，絕熱膨脹（zhàng）法又可劃分為利（lì）用氦氣作為介質膨脹製冷產生低溫，進而將高壓氣態氫冷卻至液態的逆布雷頓（dùn）法，以及讓氫氣自身絕熱膨脹（zhàng）降溫（wēn）的克勞德法。

上述（shù）3種方法的簡易流程如圖所示。液化流程中主要用到壓縮機、換熱器、低溫透平膨（péng）脹機以（yǐ）及節流閥等設備。

液氫的儲運是液氫安全、高效、規模化和低成本運用的基礎，也是解決氫能技術（shù）路線應（yīng）用環節的關鍵。

1、液（yè）氫儲運技術

液氫的儲運方式（shì）可以（yǐ）分為兩類，即采用容器儲運和采用管道輸運。其中,容器儲運在儲存結構形式上一般（bān）采用球形儲（chǔ）罐和圓柱（zhù）形儲罐，在運輸形式上采用液氫（qīng）拖車、液氫鐵路槽車（chē）和液氫槽船等。

除了考慮常規液體運（yùn）輸過程中所涉及的衝擊（jī）和震動等因素，由於液氫（qīng）沸點低（20.3K）、汽化（huà）潛熱小、易蒸發的特點，容器儲運環節必須采（cǎi）用嚴格的（de）減（jiǎn）小漏熱的技術手段（duàn），或采用無損儲運方（fāng）式（shì），將液氫的汽化程度降到最低或零，否則（zé）會引起（qǐ）儲（chǔ）罐升壓，導致超壓風險或放空損失。如下圖（tú）所示，從技術途徑角度，液氫儲運主（zhǔ）要采用減小熱傳（chuán）導的被動絕熱技術和在此基礎上疊加的主動製冷（lěng）技術，以減小漏熱或產生額外冷量。

2、液氫（qīng）儲運特點

基於液氫本身的（de）理化特性（xìng），其儲運方式較（jiào）目前國（guó）內大量使用的高壓氣態儲（chǔ）氫方式存在諸多優勢，但其製取過程的相對複雜也使其存在一定劣勢。

（1）液氫儲（chǔ）運優勢如下所示。

儲重比大，便於儲運及車載

液氫相比於（yú）氣態儲氫的最大優勢是密度大，液氫的密度為70.8kg/m3，分（fèn）別為20，35，70MPa高壓氫氣的5，3，1.8倍。因此，液氫更（gèng）加適用於氫的規模化儲存運輸，能夠解決氫能儲運環節的難題。

儲存壓（yā）力低（dī），便（biàn）於保證安全

液（yè）氫儲存在保證容器穩定的絕熱基礎上，日常（cháng）儲存運輸的壓力等級較低（一般低於1MPa），遠低於高壓氣氫儲運方式的壓力等級，在日（rì）常運營過程中更易保證（zhèng）安全。結合液氫儲（chǔ）重比大的特點，在（zài）將來氫能（néng）規模化推廣過（guò）程（chéng）中，在建築密度大、人口密集、用地成本高的城市地區，液氫儲運（如液氫加氫站（zhàn））具有更安全的運營體係，且整體係統占（zhàn）地麵積更小，所需（xū）前期投資成本和運營成（chéng）本更小（xiǎo）。

汽化（huà）純度高，滿足終端要求（qiú）

我國對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（如半導體（tǐ）、電真（zhēn）空材料、矽晶（jīng）片、光導纖維製造等）以及燃料電池領域，其對高純氫和（hé）超純氫的消耗尤其大（dà）。當前很多（duō）工業氫氣的（de）品質難以（yǐ）滿（mǎn）足部分終端用戶對氫氣純（chún）度的嚴格（gé）要求，而液氫汽化後的氫（qīng）氣純度則可（kě）以滿足。

（2）液氫儲運劣勢如下所示。

液氫路線技術（shù）門檻較高

液氫（qīng）技術在我國發（fā）源於航天領域，技術入（rù）門要求較高。目前，液（yè）氫規模化製、儲、運、用技術和經驗都集中（zhōng）在航（háng）天產業，受眾範圍相對封（fēng）閉。

液化工廠投資大，能耗相對較高（gāo）

由於氫液化冷（lěng）箱等關鍵設備及技（jì）術發展滯後，2021年9月之前，國內航天（tiān）領域的氫液化設備（bèi）全部被國外公司（sī）壟斷。大型氫（qīng）液化核心設備受到國外相關（guān）貿易（yì）政策（如美國商務部《Export Administration Regulations》）管製，限製設備出口並禁止技術交流（liú）。這使得氫液（yè）化（huà）工廠的前期設備投資較大，加之國內目前的民用液氫需求量較小，規模化應用程度不足，產（chǎn）能規模上升緩慢，導致液氫的單位生產能耗比（bǐ）高壓氣氫更大。

液氫儲（chǔ）運過程中存在蒸發損失

目前，在液氫（qīng）儲（chǔ）運過程中（zhōng），對漏熱導致的蒸發氫氣基本（běn）采用放空方式處理，這會導致一定程（chéng）度的蒸發損失。在（zài）未來的氫能儲運環節中，需要采用額外的措施對此部分蒸發氫氣氣體（tǐ）進行回收，以解決直接放空導致的使用率下降問題。

1、製取成本

液氫製取成本的分析主要考慮民用液氫技術路線的（de）規模化和經濟性，並參（cān）考國外氫能技術發展路線。大型氫液化設備的相關參數見下圖。

氫（qīng）氣源按照工業副產氫（qīng）純化後滿足燃料電池用氫質（zhì）量標（biāo）準的氫氣計算，成本為1.5元/m3，電力成本按照（zhào）0.6元/m3進行估算，則液氫生產成本估算為29.5元/kg，如下圖所示。

將上述成（chéng）本折算為（wéi）百分比，則液氫製取成（chéng）本中占比最（zuì）大的是氫氣源成本（占比為58%），其次為液化係統綜合能耗成（chéng）本（占（zhàn）比為20%），二者合計占據整個液（yè）氫成本的（de）78%。這兩項成本中占據主導影響的分別是氫氣源的種類和液化工廠所在地的電價，氫氣源的種類也與電價相關（guān）。如果在風光新能（néng）源產區（qū），如大型風力（lì）發電廠和光伏發電廠較集中的三北地區或海上，采用電解（jiě）製（zhì）氫（qīng）工廠和液化工廠緊鄰（lín）發電廠結合建設的方案，可使用低價（jià）電【按照0.3元/（kW·h）測算】電解水（shuǐ）製氫並液（yè）化，則液氫製取成本可下降至25.3元/kg，同時可以減少（shǎo）大規模風電並網對電力係統調峰能力的影響。

2、儲運成（chéng）本

液氫儲運成本（běn）按照單輛陸地液氫運輸槽（cáo）車進行（háng）測算，車輛儲（chǔ）罐容積為40m3，相（xiàng）關成本構成（chéng）如下圖所（suǒ）示。

考慮到（dào）充裝（zhuāng）率（90%）、餘液、轉注（zhù）時間、車輛限速（80km/h）等影響因素（sù），可（kě）測算（suàn）得到液氫儲運成本在不同運輸距離下的變化情況，同時對比了目前普遍使用的20MPa高壓氣氫管束車的運輸成本，如（rú）下圖所示（shì）。

由上圖可知，液氫儲運成本可控製在不大於5元/kg，其對距離的敏感（gǎn）性較（jiào）低（隨距離增加導致的成（chéng）本上漲極緩慢），隨運輸距（jù）離增長的成本增長遠低於高壓（yā）氣（qì）氫（qīng）運（yùn）輸（shū）成本的增長。

3、綜合（hé）成本

20MPa高壓氣氫的平均製取成本比液氫平均製（zhì）取成本約低10.5元/kg，在（zài）百公裏運輸成本增量方（fāng）麵，運輸（shū）距離每增加100km，高壓（yā）氣（qì）氫儲（chǔ）運成（chéng）本增加4.63元/kg，液氫則為0.44元/kg。

從上圖可以看出，隨著運輸距離的增加，20MPa高壓氣氫的製、儲、運綜合成本快速上漲（zhǎng），而液氫的的製、儲、運（yùn）綜合成（chéng）本上漲緩慢；二者的平衡點位於205km，即當運輸距離小於205km時，20MPa高壓氣氫模式的綜合成本較低，當運輸距離超過205km時，液氫模式的綜合成本更（gèng）低。在新能源（yuán）產區等偏遠地區，建立新能源電氫體係可使這一平衡距離下降至（zhì）105km，液氫模式的優勢將更加（jiā）明顯。由此可見，液（yè）氫製、儲、運更加（jiā）適用於長距（jù）離的氫能輸運。

液氫技術路線適用於氫能的規模（mó）化（huà）儲存和運輸，國內雖具備一定的液氫自主生產能（néng）力，能夠滿足當前氫能源在（zài）我國起步發展示範階段的推（tuī）廣應用需求，但還需對（duì）未來液氫的（de）規模化產、儲、運技術進行積極研發和探索， 液氫工廠的產能規模是決定液氫成本的關鍵之一。

在長距離輸運情況（kuàng）下， 液氫技術路線（xiàn）的綜合成本低於高壓氣態儲氫技術路線， 液氫技術路（lù）線投資大和能耗高的（de）問題，可通過設備自主化、產能規（guī）模化，以及液氫運輸成本對距離的不敏感性（xìng），並結合新能源電氫體係予（yǔ）以解決（jué）。

隨著我（wǒ）國“雙碳”目標的提出，清潔能源（yuán）產業開始迅速推進，作為“零碳”能源——氫能的重要高效載體，液氫將會成為保證氫能規模化應用的有效實施途徑。